文|考古探今
编辑|考古探今
前言
植物养分或肥料是负责植物生长发育的材料之一，但过度使用肥料，会导致土壤的肥力通过破坏有益微生物而降低，因此迫切需要替代和环保的纳米肥料（NFs）。
这是纳米技术在农业部门最重要的应用，目前国际上正在开发使用纳米尺寸为1-100纳米的基底的营养载体或转运蛋白。
NF可以由常规肥料，散装肥料材料制成，也可以通过用纳米材料（NM）封装/涂层从其他植物中提取。
除了具有较大的表面积外，纳米颗粒还可以容纳大量的营养物质，同时缓慢而稳定地释放它们，然后，作物能够根据其需要吸收养分，而不会像传统肥料那样产生任何不利影响。
额外的表面积促进了植物中的各种代谢反应，例如增强的光合作用，从而提高了生产力，由于NFs直接向植物输送养分，因此减少了生态毒性，并防止了养分流失到土壤或地下水中。
NF的粒径范围在1到100纳米之间，应用部位，如土壤或叶子表面，促进纳米颗粒更多地渗透到植物中。
如果纳米颗粒小于叶子和根的孔径，则更有可能从表面扩散到作物中，从而使它们在吸收和使用方面更有效，NFs显著提高了光合作用、养分吸收能力、光合产物积累、养分易位和病虫害抗病原性，除了提高生产力外，这还可以改善土壤质量，从而提高作物产量。
使用NFs是化学肥料的环保且更有效的替代品，由于其理化特性，NFs是有前途的农用化学品。
Nfs在可持续农业中发挥着重要作用，纳米颗粒可用于控制植物害虫，如昆虫、真菌和杂草，有人认为，NFs可以更有效地为植物提供养分，从而显著提高作物生产力。
NFS可能改变的现状
通过在不影响农业产量的情况下满足植物的营养需求，NF有可能彻底改变当前的粮食生产系统。
这些亚微观颗粒的表面积体积增加，有助于促进植物养分吸收和农业生产力。
因此，NFs可以被视为一种“智能营养系统”，通过提高粮食产量，可以帮助减少饥饿和贫困。
到2030年，这些尖端纳米肥料对于实现消除世界饥饿、确保粮食安全和改善全球农业实践整体可持续性的可持续发展目标至关重要。
普通化肥及其弊端
传统上，肥料以植物不易吸收的化学形式提供营养，这些化肥添加的大多数常量营养素，很难溶于土壤，导致消耗量非常低。
需要重复施用这些化学肥料，不断增长的粮食需求要求农民使用更多的化肥，这反过来又会影响土壤和环境健康。
由于过度使用化肥，土壤结构和矿物循环受到不可逆转的破坏，此外，过度和不成比例的施肥会损害土壤微生物群落、植物，并最终损害整个生态系统的食物链，导致后代发生遗传突变。
农业氮（N）和磷（P）肥料，已被确定为导致全球富营养化问题的主要人为因素，农民使用化肥时也会导致他们的利润率降低，长期使用常规肥料在世界范围内导致了严重的环境影响，例如地下水污染、水富营养化、化学燃烧、土壤退化和空气污染。
由于养分释放率高，常规肥料会对作物的养分利用效率（NUE）产生负面影响和/或将不能生物利用的养分转化为作物。
纳米肥料相对于传统化肥的优势
农民伯伯们现在即将可以获得纳米肥料，这是一种在科技方面来说的话相对较新的肥料。
对于希望改善植物和土壤肥力的健康和生产的个人来说，它们是理想的选择，因为它们与传统化学肥料相比具有许多优势。
纳米肥料在将养分直接输送到植物细胞中的有效性的提高是其最显著的好处。
通过这样做，植物可以获得所需的所有养分，而不会过量进入土壤或流入附近的水体，如湖泊和溪流，这可能会由于这些水体中过多的氮或磷造成的养分污染而破坏环境。
基于纳米技术的商品可以降低农民的成本，并减少重要应用对环境的整体影响，因为它们比传统肥料产品更有效地提供重要的营养物质。
微量营养素，如锌或铁，可能不容易通过传统方法获得，如果土壤中存在低水平，就会极大地影响作物产量。
由于纳米颗粒，研究人员现在可以创建缓释配方，这降低了浸出的风险，同时在关键的生长阶段仍然为植物提供必要的营养，例如开花和结果，当需要更高水平的某些矿物质来支持生殖过程并帮助在这些条件下生长的作物发挥其最大潜力时。
可以与纳米生物肥料（NBF）结合使用，以提高作物的抗逆性。尽管它有可能推出新的作物管理策略，但在实施之前应仔细检查其局限性。
与传统的农业生产方法相比，纳米技术提供了几个明显的优势，包括改善养分的可用性。
为了提高施用量效率，特定微量营养素的靶向输送需要更慢的释放速度，减少浸出损失，并提高产量潜力（表），所有这些都解释了为什么它成为当今种植者越来越受欢迎的选择。
纳米肥料的开发需求
由于过去几十年人口的激增，农业生产力已经提高，以满足数十亿人的需求，特别是在发展中国家。
土壤养分缺乏给农民造成巨大的经济损失，并显著降低人类和牲畜的营养质量和谷物数量。
为了增加作物产量，可以使用水培法等技术，但是，这些技术非常昂贵，因此，需要负担得起的可持续技术来提供营养补充剂，并通过减少资源消耗和肥料使用来提高作物产量。
传统的肥料使用方法涉及使用比必要多得多的肥料，而纳米技术方法强调使用较少量的肥料。
随着纳米技术的进步，现在可以大规模生产生理上重要的金属纳米颗粒，可用于增强肥料配方，以增强植物细胞的吸收和养分保护。
NFs可以减少通过浸出造成的养分损失，从而提高养分利用效率并解决因大量使用肥料而产生的环境问题。
纳米结构肥料可以通过有针对性的输送和缓慢或受控释放机制来提高养分利用效率，为了响应环境触发因素和生物需求，它们可以精确地释放其活性成分。
NFs通过提高光合作用、种子发芽、幼苗生长、碳水化合物和蛋白质合成以及氮代谢的速率，显示出提高作物生产力。
纳米肥料的种类
根据营养素和载体的类型，有不同类型的NF，例如基于常量营养素，基于微量营养素，碳基和聚合物基。
大量的营养素（例如氮（N），磷（P），钾（K），镁（Mg），硫（S）和钙（Ca））已与纳米材料相结合，目的是为作物提供准确数量的养分并最大限度地减少其体积需求，并具有降低购买和运输成本的好处。
植物主要的常量营养素是氮（N），磷（P）和钾（K）。
氮对植物发育至关重要，因为它在能量代谢和蛋白质合成中起着重要作用。
氮以硝酸盐的形式被植物吸收，营养素含有氮，氮是能量代谢和蛋白质合成所必需的营养素。植物不能以大气形式使用氮，即使它占大气的78%左右。
硝酸盐和铵（NH4+）是植物可以吸收的N的特定化学形式，由于其对土壤颗粒表面的亲和力低，带负电荷的硝酸盐不易被土壤吸收，将氮与羟基磷灰石和沸石相结合可增加土壤中的氮吸收并减缓氮释放。
与N一样，P对于运输和储存能量，光合作用执行，根系生长，开花和有机化合物的产生至关重要，钾对光合作用、光子易位、蛋白质合成、离子平衡、调节植物气孔和水分的使用、激活植物酶和许多其他过程至关重要。
可以激活至少2种参与植物生长的酶，在硫（S）、钙（Ca）和镁（Mg）中，钙基NFs在稳定细胞壁、将矿物质保留在土壤中、运输矿物质、中和有毒物质和形成种子方面起着至关重要的作用。
镁对植物生长至关重要，因为它存在于叶绿素分子的核心并激活酶，除了有助于叶绿素的形成外，硫还可以提高氮的效率和植物的防御能力。此外，还需要产生一些氨基酸。
基于微量营养素的纳米肥料
植物生长所需的微量营养素比宏量营养素少得多。
B、Fe、Cu、Mn、Zn、Mo和Cl元素存在于微量营养素中，电子转移系统、叶绿素生物合成和某些酶功能需要铁，尤其是血红素蛋白。
不同的代谢酶使用锌进行催化活动和过程，例如细胞分裂，色氨酸合成，光合作用，蛋白质合成以及维持膜结构和电位。
由于锌在植物性饮食中的生物利用度低，锌缺乏在世界范围内很常见，植物中的硝酸盐还原酶依赖于钼，Mo也是氮酶中的重要元素，对豆科作物的固氮至关重要。
除了线粒体呼吸、细胞运输、抗氧化活性、蛋白质运输和激素信号传导外，铜在几种生理过程中发挥着重要作用，细胞周期调节、核酸合成、细胞生长和膜功能均受硼调节。
聚合物纳米肥料
纳米颗粒可以由聚合物携带，如壳聚糖、藻酸盐、白蛋白等。聚合物，例如上面提到的那些，正在被广泛研究它们在向植物输送NPs中的应用。
壳聚糖是一种阳离子生物聚合物，价格低廉，用于促进植物生长、种子发芽、养分吸收、光合速率和作物产量。
此外，壳聚糖的抗菌特性已在各种研究中得到证实，当以叶面模式施用时，锌壳聚糖NPs可以促进小麦植株的生长，Cu-壳聚糖NPs在玉米和番茄植株中具有潜在的生长促进作用。
沸石基纳米肥料
沸石，是天然存在于世界中的的，通过逐渐向作物植物释放养分，基于沸石的 NF 增加了作物在整个生长周期中对养分的可及性。
这可以防止由于土壤中的反硝化、挥发、淋溶和固氮而导致的养分损失，由于其大表面积和调节氮释放的能力，纳米沸石及其组合已被广泛用于设计NFs。
基于沸石的复合肥料，以提高生菜植物的养分利用效率而闻名，沸石基氮肥对玉米产量以及藻溶胶和酚的质量具有促进生长的活性。
碳基纳米肥料
碳是地球上生命存在的关键组成部分，碳纳米管（CNT）是一种工程碳纳米材料，具有优异的物理化学性质和稳定性。
在含有碳纳米管的营养培养基中种植植物可增加种子发芽和枝条长度，CNT（碳纳米管）可以穿透番茄种皮，促进种子内部的吸水并影响其生长速率和发芽。
碳纳米管治疗可提高烟草细胞的生长速度，同样，在椰枣中研究了愈伤组织、胚胎发生和胚胎萌发、根伸长和生根阶段。
无论生长阶段如何，碳纳米管处理都会影响细胞的培养，根数和胚胎萌发率提高。
可持续农业的纳米生物肥料
过度依赖化肥对自然生态系统和人类生活产生了不利影响。
这些化学肥料的一种新型替代品是生物肥料，它已成为可再生、补充和环保的植物养分来源。
生物肥料主要由基于微生物的配方组成，可施用于表面，土壤或种子，通过向植物提供必需的营养物质来改善生长特性。
这些包括各种组，例如固氮，磷增溶和动员，植物促进生长的根际细菌（PGPR）和菌根生物肥料，由于它们的寿命差、作物特异性、土壤和环境限制导致的田间不稳定、有益菌群的可获得性有限、对恶劣环境易感以及高剂量要求，使用受到限制。
已经开发和探索了基于纳米材料的肥料来克服这些缺点，凭借其独特的尺寸依赖性和光学特性、高表面积体积比和微量营养素的受控释放，NBF是化学肥料的有吸引力的替代品。
通过用纳米材料涂覆有机肥料，通过将有机肥料还原到纳米级（1-100 nm）来生产NBF。
促进生长的细菌或微量营养素，通过称为纳米封装的过程涂覆在聚合物上，为了提高营养吸收效率并最大限度地减少应用损失，主要使用壳聚糖和沸石。
由于使用NBF，本地微生物群落得到增强，酶活性和作物抗病能力得到改善，NBFs通过近30%的养分固定化提高了植物的胁迫耐受性，此外，NBFs毒性较小，高度稳定，具有成本效益且环保。
它们最大限度地减少了由于土壤淋溶、气化、侵蚀等造成的养分损失，然而，尽管有这些优点，NBF也存在一些缺点，包括缺乏技术专长、劳动密集型生产方法，以及在商业和大规模使用之前需要评估风险。
纳米肥料提高生物和非生物胁迫耐受性
作为作物植物中一种新型的环保抗逆成分，NFs正在研究中。
各种应激源倾向于促进活性氧（ROS）的形成和有毒离子的沉积，从而损害生化途径和活跃生长的组织，NPs的使用是对抗不同生物和非生物胁迫的有效且有前途的方法。
非生物胁迫主要由环境因素引起，如温度（极冷或极热）、土壤成分（盐浓度和养分可用性）、pH值、干旱、洪水、土壤含水量、湿度等。
纳米肥料形式的NPs，因其在促进植物生长和减轻非生物胁迫方面的双重作用，而被采用和研究。
植物的胁迫耐受性随着各种NF的提高，这包括首席执行官2NPs和纳米肥料（N，P，K，Zn，Fe），纳米硼、和磷酸钙。
这些NFs已被证明可以增强养分的吸收，改善干旱下的生长和光合性能，增加生物量，增加盐胁迫下的细胞膜稳定性等。
植物的生物胁迫包括细菌、真菌、线虫、昆虫、病毒等引起的感染。
作物中最常见的病原体是细菌和真菌，它们在作物中引起各种疾病并阻碍生产力，应用NPs可抑制许多革兰氏阳性和革兰阴性细菌病原体。
已经清楚的是各种锌纳米颗粒和复合材料来对抗黄单胞菌轴足PV，菜豆属、柑橘属、米曲霉属米曲等， 属于属的真菌病原体，如镰刀菌、痞菌、曲霉菌、胶痘等，受到Cu、CuO、ZnO、Ag、Au、MgO、TiO和纳米颗粒的有效控制。
茄科罗尔斯顿菌是西红柿细菌性枯萎病的土壤传播病原体，可通过CuO、ZnO和FeO NPs有效管理，各种抗病毒纳米材料也能够对抗植物病毒，例如烟草中的萝卜花叶病毒，大麦黄花叶病毒（BaYMV），马铃薯病毒Y（PVY）和番茄花叶病毒（ToMV），还有更多可以使用各种纳米颗粒进行控制。
因此，使用纳米材料可以以环保和可持续的方式减轻由各种生物应激成分引起的压力。
纳米肥料的大规模生产和商业化
在过去的十年中，商业和大规模生产NM的工艺的开发受到了极大的关注。
许多纳米衍生产品已经可用，然而，NFs的大规模工业化生产尚未实现，纳米肥料在应用于农业之前需要得到很好的表征和识别。
在商业化之前，需要彻底的研究和基于科学的证据，由于报告表明NFs在较高浓度下具有毒性，缺乏以土壤或田间为基础的研究，重点是作物养分，用作肥料的纳米材料类型，有效和高效的施用方法，以及最重要的是缺乏经济高效的生产技术。
在商业生产之前，应先制定道德准则和安全措施，然后再用于农业和人类。
NPs由于其大小而可以穿过膜屏障，使它们能够以多模式方式进入人体，这些问题亟待解决。
在农业中使用NFs在非常低的浓度下具有有益的促进生长的作用，在如此低的浓度下，NFs不会对环境造成任何显著的毒性作用，NF是通过使用各种生物和前体材料生产的，鉴于纳米肥料所表现出的有益特性，人们更加关注开发和商业化生产的启动。
NF商业化的想法仍处于早期阶段，需要时间和精力才能普及，进一步扩大生产规模，需要对技术和科学研究进行深入研究，随后必须在全面生产之前建立试点工厂，同时，必须考虑精通质量检查设施和最终产品的低成本生产，通过克服上述所有问题，可以实现大规模生产的目标。
纳米肥料应用的挑战
纳米材料可以用作纳米肥料和杀菌剂/杀虫剂的载体。
NFs用作生长促进剂，土壤肥料，并提高农产品的质量和数量，NF是基于纳米的精确和可持续农业和田间应用的关键组成部分之一。
化肥利用效率低下，导致化学物质在水体中积累，造成富营养化，为了克服这个问题，纳米基产品在农业田间应用中越来越受欢迎。
NFs的应用，考虑到高产量和低损失，有必要彻底评估其最佳活性和浓度，以获得最有效的结果，为了降低对生态系统中其他生物因素造成伤害的可能性，在植物研究中应量化NFs的残留量。
应同时设计和实施安全措施，这是为了定义可用于作物生产的纳米颗粒的类型、大小和形状。除了溶解度、稳定性、表面反应性和电荷外，这些因素在农业生产中起着重要作用。
植物中NFs的反应性仍然是非特异性的，不可避免地，NFs和其他纳米基农用化学品的机制及其在植物中的吸收仍然没有得到很好的理解。
结论
世界人口在增加，生产更多粮食的需求也在增加，营养缺乏是农业部门作物生产力低下和重大经济损失的主要原因。
尽管施用化肥可以提高作物产量，但从长远来看，这不是一个可行的选择，当前农业研究的一项重要努力是找到化学肥料的替代品，这将使农业更加环保。
纳米技术已成为农业的重要组成部分，基于纳米技术的智能肥料已被创造出来，以提高农业产量并改善土壤健康。
可以对这些纳米智能肥料进行综合研究，以确保持续的技术改进和商业化，该分析应侧重于优化制造技术，并确定无毒或可生物降解，低成本的连续基质材料，以使纳米肥料在经济上可行的业务。
当改进的生产技术在世界各地大规模应用时，对化学肥料施用的需求将减少，从而减少与农业活动相关的碳排放。