納米材料在土壤與植物營養(yǎng)領域的應用進展

1、納米材料在土壤與植物營養(yǎng)領域的應用進展摘要:將納米技術應用于土壤與植物營養(yǎng)領域是該領域研究的一個新的突破,有可能解決肥料利用率、作物增產(chǎn)與環(huán)境污染等諸多問題。在總結了國內(nèi)外納米技術在土壤與植物營養(yǎng)領域應用研究的基礎上,重點分析了納米材料在土壤環(huán)境、抗菌及肥料方面的應用現(xiàn)狀、分析方法和機理,指出了優(yōu)點和不足,并進行了展望,以期對納米技術在土壤肥料與植物營養(yǎng)領域上的應用有一個總體認識,也為該領域進行深入研究拓展新的思路。 納米科學技術(NanoST)是20世紀80年代末、 90年代初期剛剛誕生并正在崛起的新興科技, 它的基本涵義是在納米尺寸(10- 7 10- 9m)范圍內(nèi)認識和改造自然,通過直接

2、操作和安排原子、分子來創(chuàng)制新的物質。由于納米材料具有小尺寸效應、表面界面效應、量子尺寸效應和量子隧道效應等基本特性,因此,出現(xiàn)許多傳統(tǒng)材料不具備的奇異特性。納米材料在吸收、催化、敏感特性和磁效應方面都表現(xiàn)出明顯不同于傳統(tǒng)材料的特性,在高技術應用上顯示出巨大的潛力。正因為如此,納米科技越來越受到世界各國政府和科學家的高度重視。美國、日本和歐盟都分別將納米技術列為21世紀最先研究的科技。從其發(fā)展過程來看, 20世紀90年代屬于納米科技初期理論研究階段,主要研究納米材料的制備方法和性質;從90年代末到21世紀初,屬于納米技術理論與實際應用相結合的階段;隨著對納米材料性質的了解不斷深入,其應用范圍也越

3、來越廣泛,許多新的名詞也隨之而產(chǎn)生。納米材料按尺寸結構可化分為準零維的納米顆粒和納米粉體、準一維的納米絲和棒、準二維的納米膜以及由納米顆粒(纖維)構成的三維納米塊體材料;按組成和結構可分為納米相材料和納米復合材料;按性狀和用途可分為納米金屬材料、納米磁性材料、納米傳感材料、醫(yī)用納米材料、農(nóng)用納米材料、有機-無機納米復合體、介孔固體和介孔復合體等。目前納米材料已經(jīng)廣泛應用于日常生活,如:納米應用于催化劑、能源、環(huán)保、電子技術、分子生物和醫(yī)學領域、軍事及農(nóng)業(yè)領域。為了改善土壤與水環(huán)境、減少因土壤引起的溫室氣體碳的排放,國內(nèi)外一些專家建議將納米材料應用于土壤與植物營養(yǎng)領域中15,因為納米材料具有小尺

4、寸效應、表面界面效應及量子尺寸效應等性質。如果將其應用到該領域,就有可能解決上述問題。目前已有部分研究者提出了此方面的要求, 并進行了一些初步性的探索工作。鑒于此,本文在查閱了國內(nèi)外相關文獻基礎上,對納米肥料和納米材料在土壤與植物營養(yǎng)等方面的應用狀況進行了初步總結,以期對納米技術在土壤肥料與植物營養(yǎng)領域上的應用有一個總體認識,為相關領域進行科學研究拓展新的思路。1在土壤與植物營養(yǎng)領域的應用1.1環(huán)境從文獻可見,鄔玉瓊16較早將納米材料應用于土壤領域。她以Fe(NO3)3,NaSO4·H2O,AlCl3,NaSiO3為原材料,采用共沉淀法合成納米級土壤氧化礦物, 并研究了其對重金屬離子

5、的吸附情況。結果表明,將多種鹽混合通過共沉淀法所合成的土壤氧化礦物要比單一的氧化礦物的吸附效果好,這無疑為防治土壤重金屬污染開辟了新的途徑。但是,納米級土壤氧化礦物是否有利于土壤的通透性和保水、保肥性、是否可以減少或緩沖土壤中農(nóng)藥等有毒物質的吸附作用以及鈍化重金屬的污染等問題還有待進一步研究。溫善菊17采用化學液相沉淀法制備了含無機金屬離子的納米微粒。通過土柱淋洗、水培、砂培等試驗研究了土壤納米微粒對土壤保肥、供肥及作物生長發(fā)育的影響。結果表明,納米微粒以膠液的形式進入土壤后,由于具有一定的磁性,可以吸附土壤中的離子,對土壤中氮素養(yǎng)分的淋失具有顯著的降低作用,但這種降低作用與土壤的容重有密切的

6、關系,以土壤容重1.1g/cm 3為最佳,增大或降低都會削弱納米粒子的這種作用。不足的是,溫善菊沒有闡述清楚究竟是土壤容重還是納米微?；蚴嵌叩膮f(xié)同作用影響了氮磷鉀的淋失效果,也沒有梅18采用微乳化和物理、化學插層法制備了納米說明納米微粒對氮素養(yǎng)分的解吸作用。而劉秀級高嶺土,研究了納米級和天然高嶺土對營養(yǎng)元素氮、磷、鉀和有機碳的吸附及解吸特性。結果表明,在相同的初始處理濃度下,納米級高嶺土對氮、磷、鉀和有機碳的吸附量均比天然高嶺土高。納米級和天然高嶺土對氮、磷、鉀和有機碳的解吸量與其吸附量呈正相關。但是劉秀梅也沒有闡述清楚納米高嶺土吸附和解吸養(yǎng)分的機理。另外,張夫道19課題組通過對所研制的納米

7、-亞微米級緩釋材料進行微生物降解試驗表明, 7種納米-亞微米級緩釋材料對小麥出苗無影響,且增加了小麥地上部干重、葉面積、葉綠素含量。JooSungHee20采用化學液相沉淀法制備了納米零價鐵,由于納米零價鐵具有磁效應可吸附離子、小尺寸效應可與離子反應,起到降低污染物濃度等作用,因此,研究認為納米零價鐵(NZVI) 能夠減輕土壤中除草劑的污染。Manning21運用納米零價鐵(FeO)與地下水中的六價鉻反應,生成Cr(OH)3來減輕六價鉻對地下水的污染。Shin22 研究認為納米零價鐵(NZVI)能夠減少硝酸鹽的含量,在25的納米零價鐵細胞反應器里, 3d之內(nèi)硝酸鹽含量顯著減少, 7d之內(nèi)減少了

8、50%。而Yang23指出在酸性環(huán)境條件下更有利于其減少硝酸鹽的含量。YuanChingLien24認為納米鐵在低pH值時,會出現(xiàn)零點電荷,增大其吸附能力,因而能夠影響環(huán)境對砷的吸收,減輕環(huán)境中砷的污染。上述人員從不同角度對納米零價鐵進行了研究,其最終的反應機理還有待進一步論證。另外, RuiqiangLiu25利用羧甲基纖維素合成一種新的材料納米磷酸鐵,通過試驗檢驗其在土壤中原位固定Cu2+的可行性。一系列的試驗表明,在低劑量PO43- 0.61和3.01mg/g的3種土壤(堿性、中性、酸性)中,納米藍鐵礦顆粒能有效地減少Cu2+淋溶量和生物可利用度,顯著減輕土壤Cu2+的污染。Varana

9、si26得出納米鐵能夠顯著減輕多氯聯(lián)苯污染的土壤,是修復多氯聯(lián)苯污染的土壤的優(yōu)良催化劑。從而看出,國外對納米鐵不同形態(tài)結構修復污染土壤的研究較深入。1.2抗菌王荔軍27從植物體內(nèi)的納米結構SiO2和化學合成的納米結構SiO2在葉表的沉積,以及沉積之后賦予植物葉片獨特的物理學特性入手,詳細討論了納米結構SiO2抑制真菌孢子和寄主表面的高度專一性的超分子識別過程的第一步反應,從而提出納米結構SiO2可能改變植物葉表面原有的拓撲結構和疏水等物理學特性,即形成特殊的雙親性表面,影響真菌胞外物質的釋放和芽管、附著胞及侵染釘?shù)男纬?阻斷真菌孢子早期的侵染過程,但沒有探明確定靶向的真菌病害的控制措施。張萍2

10、8研究出納米TiO2光半導體材料,是一種具有抗菌與環(huán)境凈化功能的新型環(huán)境友好材料。首次探索了將其應用于植物病害防治的可能性,因為它可以改變微生物的RNA和DNA結構,具有一定的殺菌效果。在黃瓜霜霉病防治研究的栽培試驗中發(fā)現(xiàn),噴施可以顯著地降低黃瓜霜霉病的發(fā)病率和病情指數(shù),減少葉片病斑數(shù)量與病斑面積。試驗研究結果初步證實了其對黃瓜霜霉病害具有一定的防治作用,為以納米TiO2光半導體溶膠材料為主要有效成分的植物抗菌劑與保護劑的開發(fā)提供了參考依據(jù)。王朝明29通過采用表面活性劑包裹法對納米TiO2進行表面改性,使其表面形成一個親脂性的外殼,從而實現(xiàn)與親脂性農(nóng)藥的復合,明顯提高了農(nóng)藥的使用效果及溴蟲腈的

11、光降解速率。王爽30研究發(fā)現(xiàn),以生物活體為主要成分的植物病害生防制劑在自然環(huán)境中的存活能力受各種非生物因素的影響,其中包括環(huán)境中的納米顆粒對微生物的影響。植物有益蠟樣芽胞桿菌(Bacilluscereus905)受納米顆粒影響而存活率明顯降低,主要是因為TiO2表面產(chǎn)生的.OH和其他活性氧如H2O2、O2-.都參與了滅菌作用。Park31研究了納米二氧化硅-銀控制植物病原微生物的效果,論述了納米二氧化硅-銀對植物病原真菌在3.0mg/kg的不同程度的影響。Sanpui32研究發(fā)現(xiàn)將作為包膜材料的殼聚糖與銀粒制成納米復合顆粒具有殺菌的功效。GuChunju33也得出了類似的結論。綜上所述,國內(nèi)外

12、將納米技術應用于抗菌研究,其機理主要有兩類:一類是載有Ag+納米材料,利用Ag+細胞膜上的蛋白質失活,從而殺死細菌;另一類是ZnO、TiO2的納米材料的光催化作用,與H2O或OH -發(fā)生反應形成一種具強氧化性的羥基殺死帶菌病菌6。1.3納米材料包膜或膠結的緩/控釋肥料納米材料由于具有獨特的物理化學特性,對植物生長有刺激作用,可促進植物代謝和改善植物的生長環(huán)境。納米觸媒處理(活化)水后,可改變水分子的排列方式和能態(tài),使水分子團變小、活性增大,改變了與其它物質和生物體的作用行為,如增加水的溶解能力、提高水的細胞生物透性以及具有一定的磁性,能夠吸附養(yǎng)分離子等特點,在種植業(yè)領域有廣闊的應用前景35,也

13、為植物營養(yǎng)的發(fā)展提供了新的技術。張夫道首先提出了納米肥料的概念,到目前為止也只有張夫道領導的課題組在進行納米材料包膜或膠結緩/控釋肥料的研究,且已形成了一定規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化,作物增產(chǎn)效果明顯。其利用納米材料上述原理制備了4種納米級材料膠結包膜型緩/控釋肥料。通過冬小麥-夏玉米輪作下3年6季的田間試驗,與普通氮磷鉀化肥配施相比,提高小麥對氮素的利用率2.80 23.38個百分點,玉米對氮素的利用率提高1.01 21.63個百分點,番茄和食用甘薯提高氮素利用率13 30.98個百分點19,淋溶出土壤-作物系統(tǒng)的氮素減少2.00 24.90個百分點,能有效地提高氮素利用率和減少硝態(tài)氮的淋溶損失36。國外

14、已有部分研究者于2007 2008年分別在不同國家、國際會議上基于解決糧食安全、高效水環(huán)境、廢棄物處理、城市化與工業(yè)化、空氣質量與溫室氣體濃度的背景下建議將納米技術應用到農(nóng)田,并提出了“nanofertilizer”一詞15,但是由于“nanofertilizer”屬于新名詞,目前尚未形成專業(yè)術語,在Springerlink、ProQuest、Annual Reviews、Sciencedirect(1979 2008年)等農(nóng)業(yè)英文期刊網(wǎng)站未查到,更未見納米材料包膜或膠結緩/控釋肥料研究的文章。2結論與展望由于納米技術產(chǎn)生于20世紀90年代初,其自身發(fā)展與完善需要一個過程,而將納米技術運用到其

15、他領域則只有對自身充分認識和掌握后才能夠做到,因此,國內(nèi)外研究報導納米技術運用到其他領域的文章基本都是在2000年以后,而且由于納米技術的重要性和性質的特殊性,世界各國普遍都在研究,優(yōu)點是研究的角度、方向和材料多種多樣, 但也形成了一個研究分散、深度不夠的缺點。其在土壤-植物營養(yǎng)領域存在問題如下:(1)將納米材料作為納米結構肥料運用到作物增產(chǎn)上的研究較少,運用的材料較泛,雖然都起到了一定的增產(chǎn)效果,但基本上都缺乏機理方面的研究,相同的材料之間缺乏對比研究,而且是否有毒、負面影響也尚不清楚,這樣就很難快速對納米結構肥料進行改進和應用;另外,納米結構肥料雖然有增產(chǎn)的效果, 但畢竟提供的營養(yǎng)元素有限

16、;(2)將納米材料作為膠結或包膜材料來研制膠結或包膜緩/控釋肥料, 國內(nèi)外僅有一個小組,從作物產(chǎn)量角度來看,施用納米材料膠結或包膜緩/控釋肥料是最直接的增產(chǎn)方式之一,可以包含作物所需要的全部營養(yǎng)元素, 但至今尚未有太多的人關注此方面,此方面的研究有一定潛力。在土壤-植物營養(yǎng)領域,納米材料在抗菌及改善環(huán)境方面應用研究要比在其他領域的研究少得多,但是相對于作物增產(chǎn)的研究,又相對較多,也給了我們一定的啟示。納米材料由于具有磁性等特殊的性質,能夠吸附某些離子,或與其反應形成新的物質,因此: (1)可以降低土壤硝酸鹽的淋洗, 固定或活化重金屬離子,減少土壤對其吸附,減輕土壤或地下水的污染;(2)有可能改

17、變土壤物理化學結構,減少二氧化碳的排放;(3)納米粒子在土壤和植株體內(nèi)的運輸和利用有可能改變土壤和作物對養(yǎng)分的利用方式,提高養(yǎng)分利用率;(4)從上述研究材料中發(fā)現(xiàn),殼聚糖作為一種新生的納米材料,是否具有抗菌、保水、良好的成膜性等多種性質值得研究。如果將納米材料抗菌和改善環(huán)境的優(yōu)點與納米材料膠結或包膜緩/控釋肥料相結合,研制出多功能的緩/控釋肥料,將是肥料領域的巨大飛躍。參考文獻: 1 楊文勝,高明遠,白玉白,等.納米材料與生物技術M.北京:化學工業(yè)出版社, 2005. 1- 3. 2 徐國財.納米科技導論M .北京:高等教育出版社,2005. 2- 4. 3 倪星元,沈軍,張志華.納米材料的理

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