纳米颗粒的绿色合成及其在农业上的应用研究进展

陈城 吴楚

（长江大学园艺园林学院，湖北荆州 434025）

纳米技术研究是一个新兴的科学领域，纳米材料是目前材料科学中最具活力的研究领域之一。纳米颗粒（nanoparticles，NPs）可使用3 种途径合成，即物理、化学和生物方法，每一种合成途径都有优缺点（Marimuthu et al.，2020）。在过去几年中，NPs 的大规模生产采用的是化学方法，该方法条件简单，产量大，易于控制，适合大规模生产，但在合成过程中需要添加还原剂以及多种分散剂和稳定剂，会对环境造成污染。纳米颗粒的合成有两种方法：自上而下和自下而上合成。自上而下的合成方法即将散装材料的尺寸缩小到纳米级，此过程是通过各种技术进行的，例如蒸发-冷凝、激光烧蚀或其他物理方法（Baker et al.，2005；Prasad et al.，2012；San et al.，2014；Picca et al.，2016；Sportelli et al.，2016；Sakono et al.，2020；Zhan et al.，2020）。相反，自下而上的合成方法即将原子组装成原子核，然后生成NPs（Yamamoto et al.，2017；Parashar et al.，2020）。NPs 的绿色合成是一种自下而上的合成方法，类似于化学还原，其中昂贵的化学还原剂被天然产物（如植物叶片）的提取物所取代，用于合成金属或金属氧化物NPs（Mahadevan et al.，2017；Kshirsagar et al.，2018；Bhuiyan et al.，2020；Adak et al.，2021）。NPs 绿色合成过程所产生的废弃物很少，且对环境影响很小（Salam et al.，2014；Prasad et al.，2016）。与传统方法相比，其生物合成途径被认为是安全、环保、经济和无毒的（Abdelghany et al.，2018；Fouda et al.，2019；Ullah et al.，2020；Salem &Fouda，2021）。因此，绿色合成方法对纳米材料的生产与应用具有重要意义。目前，NPs 已广泛应用于医学、农业、信息技术、生态和环境、能源和工业等方面，在人们的日常生活中发挥着重要作用，因此NPs 的研发与应用已成为一个快速发展的研究领域。纳米技术在农业领域的应用和益处引起了高度关注，特别是在开发独特的纳米杀虫剂和纳米肥料方面（Zulfiqar et al.，2019；Sihag et al.，2021；Scott-Fordsmand et al.，2022）。本文对近年来NPs 绿色生产技术的发展及其在农业方面的应用进展进行综合评述，旨在促进其在农业领域的应用，以期达到减肥增效、减少农业面源污染的目的。

1 纳米颗粒绿色合成技术

纳米材料可控、简单、经济和安全的合成是新时代纳米技术发展所必需的（Rai et al.，2018）。NPs 绿色合成是一种经济高效且环保的技术，并且在合成过程中无需使用高温、高压、高能量和有毒化学物质（Adeyemi et al.，2019）。在真菌和植物材料中发现的天然可利用的生物化合物已被证实可以替代化学还原剂用于纳米颗粒的绿色合成（Sudheer et al.，2022）。

1.1 基于真菌材料的纳米颗粒合成

真菌具有合成纳米颗粒的能力（Siddiqi et al.，2018；Elegbede et al.，2019，2020）。与其他生物方法相比，利用含有不同代谢物的真菌生物质滤液作为制造金属NPs 的绿色合成方法更加经济、高效（Mohamed et al.，2019；Soliman et al.，2021）。目前，许多真菌已被广泛应用于NPs 的生物合成，例如青霉菌（Ma et al.，2017；Neethu et al.，2018a）、构巢曲霉（Vijayanandan &Balakrishnan，2018）、木霉菌（Mishra et al.，2014；Qu et al.，2019）、尖孢枝孢菌（Bhargava et al.，2016）、尖孢镰刀菌（Naimi-Shamel et al.，2019）、棒曲霉菌（Verma et al.，2011）、米曲酶变种（Binupriya et al.，2010）等。不同的真菌可合成不同类型的纳米颗粒（表1）。真菌的广泛使用归因于它们能够分泌大量蛋白质或酶，且其为容易生长繁殖，并易于继代培养的可再生资源（Spagnoletti et al.，2019），具有生产可用于不同方向化合物的巨大潜力。在银纳米颗粒的生物合成中使用真菌作为还原剂和稳定剂具有能产生大量蛋白质、高产量、操作简单和毒副作用低等优点（Guilger-Casagrande &de Lima，2019）。

表1 用于纳米颗粒生物合成的真菌

1.2 基于植物材料的纳米颗粒合成

植物介导的纳米颗粒绿色合成是利用植物提取物合成纳米颗粒。与使用微生物进行NPs 的绿色合成相比，使用植物提取物具有成本效益和环保优势（Ahn et al.，2019）。基于植物材料的NPs 合成是指在室温与常压下，利用茎、叶等提取物中的生物分子（如水溶性植物代谢物和辅酶）将金属离子还原为纳米颗粒（Mittal et al.，2013）。目前为止，植物部位如叶片、茎、根、花、种子、树皮及其代谢物已成功用于纳米颗粒的有效生物合成（表2）。

表2 用于纳米颗粒生物合成的植物名称及部位

2 纳米颗粒的毒性

纳米技术有望减少农业投入的成本和对环境的影响，同时提高农产品的质量和产量。虽然NPs的应用对社会发展有着积极的影响，但释放到环境中的NPs 污染空气、水和土壤，对植物、微生物和动物构成严重威胁。NPs 的植物毒性取决于植物种类、生长条件、接触时间、浓度、NPs 的类型和大小等（Dash &Kundu，2020）。Siegel 等（2018）研究发现，无论金纳米颗粒的具体大小如何，高浓度的金纳米颗粒均能使拟南芥侧根的数量和长度显著减少；植物直接暴露于金纳米颗粒中能够诱导植物产生毒性，抑制侧根生长。Xia 等（2016）研究发现，银纳米颗粒可能通过渗透真菌细胞并破坏细胞壁和细胞成分来抑制毛孢子菌的生长。纳米颗粒对动物也能产生毒性作用。Gao 等（2019）研究发现，稀土纳米氧化钇能够破坏小鼠骨组织，影响骨骼的发育。Sun 等（2016）研究发现，短期接触高剂量（＞ 12.5 mg·L-1）的氧化铜纳米颗粒会导致斑马鱼胚胎和幼体肝脏发育不全，视网膜神经发育不良，并伴随着运动能力的下降，显示出肝毒性和神经毒性。尽管目前研究了一些纳米材料的生物效应，但是各种类型纳米颗粒的毒性机制仍不清楚。

3 纳米颗粒对植物的影响

作为陆地生态系统中的主要生产者，植物在具有大量天然纳米材料的环境中进化（Zuverza-Mena et al.，2017）。对不同植物进行的试验研究表明，NPs 可以抑制或促进种子发芽、植物生长和发育。另外，NPs 对植物的抗虫、抗病以及各种抗逆能力也有一定的影响。

3.1 纳米颗粒对植物生长发育的影响

NPs 对植物的生长发育具有促进或抑制作用，具体影响取决于NPs 的浓度、形状、大小、组成和表面功能。据报道，低浓度（≤ 500 mg·L-1）的零价铁纳米颗粒可促进水稻的发芽和生长（Guha et al.，2018）；而高浓度（＞1 000 mg·L-1）的零价铁纳米颗粒却抑制水稻的生长（Wang et al.，2016）。100 mg·L-1的氧化铈纳米颗粒能促进大豆生长，光合速率提高54%；但在500 mg·L-1浓度下，大豆光合速率降低约36%（Cao et al.，2017）。Jhansi 等（2017）把小尺寸（15 nm）的氧化镁纳米颗粒渗透到花生种子中，发现其促进了花生幼苗的生长和发育。Azeez 等（2019）研究发现生物合成的银纳米颗粒可用于促进长蒴黄麻（Corchorus olitoriusL.）的生长，提高根和芽的伸长率以获得更多的营养吸收；还可用于延长其货架期并增强其对病害的生理耐受性。Venkatachalam 等（2017）研究发现，氧化锌纳米颗粒处理的棉花叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素含量显著增加。NPs 通过提高植物光合系统的酶活性以及叶绿素含量来改善植株生长。Lu 等（2020）在使用20 μg·mL-1氨基功能化介孔二氧化硅纳米颗粒的拟南芥中发现，其类胡萝卜素含量增加了61.7%，叶绿体光合能力增强了34.3%。Siddiqui 等（2014）发现使用6 g·L-1二氧化硅纳米颗粒与NaCl 处理相比，南瓜叶片中总叶绿素含量增加了345%，叶绿素降解速率降低了45.13%，碳酸酐酶活性提高了26.62%。Malik 等（2021）发现铜纳米颗粒和银纳米颗粒可增强小麦成熟胚胎外植体的体细胞胚胎发生和再生。在100～1 000 mg·L-1浓度范围内，随着氧化铜纳米颗粒浓度的增加，水稻的光合速率、蒸腾速率、气孔导度和光合色素含量逐渐下降，最终导致其无法进行光合作用（Costa &Sharma，2016）。其他纳米颗粒对植物生长发育影响的研究结果见表3。

表3 纳米颗粒对植物生长发育的影响

3.2 纳米颗粒对植物抗病虫害能力的影响

NPs 可以用作治疗植物真菌病害的杀真菌剂。Kaur 等（2018）测试了由假单胞菌属和嗜铬杆菌属生物合成的银纳米颗粒对鹰嘴豆感染的尖孢镰刀菌的抗真菌活性，结果表明浓度为100 μg·mL-1的银纳米颗粒对鹰嘴豆感染的尖孢镰刀菌的体外抗真菌活性高达95%。在水稻中，银纳米颗粒已被用于防治多种病害，如鞘枯病（Soltani Nejad et al.，2017）、细菌性枯萎病（Annakodi et al.，2015）等。Iliger 等（2021）研究了铜纳米颗粒对辣椒炭疽病菌的抑制作用，结果表明500 mg·L-1铜纳米颗粒对菌丝的抑制效果为93.75%，明显优于500 mg·L-1多菌灵50%可湿性粉剂（72.82%）和2 500 mg·L-1氯氧化铜50%可湿性粉剂（85.85%）。Lakshmeesha等（2020）合成的氧化锌纳米颗粒具有抗真菌活性，可用于防治大豆种子传播的真菌。同样，Irshad 等（2020）制备的绿色二氧化钛纳米颗粒对小麦锈病具有较好的抗真菌活性，特别是用藜麦提取物合成的NPs。另外，Athanassiou 等（2018）研究表明，金属NPs 可以用作防治各种昆虫和害虫的有效杀虫剂。纳米杀虫剂作为一种绿色植物杀虫剂，提高了蚜虫/纳米载体复合物对草莓主要虫害（绿桃蚜虫和双斑蜘蛛螨）和病害（白粉病）的防治效果，满足了草莓绿色可持续生产中病虫害管理的需要（Yan et al.，2021a）。其他纳米颗粒对植物抗病虫害能力影响的研究结果见表4。

表4 纳米颗粒对植物抗病虫害能力的影响

3.3 纳米颗粒对植物抗非生物胁迫的影响

纳米颗粒可以减轻非生物胁迫对植物的不良影响。叶面施用氧化锌纳米颗粒可以通过调节植物抗氧化系统来缓解低温胁迫对水稻的伤害（Song et al.，2021）。硒纳米颗粒通过增强高粱抗氧化防御系统而抵御高温胁迫伤害（Djanaguiraman et al.，2018）。NPs 还可提高作物对渗透胁迫的耐受性，例如高盐度、干旱等。氧化铈纳米颗粒通过更好地维持胞质K+/Na+的能力来提高棉花的耐盐性（Liu et al.，2021）。在干旱胁迫下，植物根际促生菌可以使植物具有耐旱性，当它们与氧化硅纳米颗粒联合应用时，植物耐旱能力更强（Akhtar et al.，2021）。氧化锌纳米颗粒能够减轻黄瓜的镉胁迫（Shah et al.，2021）。虾青素纳米颗粒的应用有助于维持镉胁迫下小麦植株的养分获取和离子稳态，从而改善了镉胁迫下植物的形态生理特征、超微结构和营养状况（Zeshan et al.，2022）。氧化铁纳米颗粒可减轻水稻幼苗中的砷毒性（Khan et al.，2020）。其他纳米颗粒对植物抗非生物胁迫影响的研究结果见表5。

表5 纳米颗粒对植物抗非生物胁迫的影响

4 纳米颗粒在农业中的应用

纳米技术是一种先进的创新方法，用于开发和分析基于金属NPs 的新配方，在农业领域具有许多潜在应用（Saratale et al.，2018），是改善农业产业的有效工具，有助于促进全球经济的发展。纳米颗粒在农业中主要应用于纳米肥料、纳米农药和纳米保鲜材料等方面，可以帮助提高农产品的质量和产量，减少化学污染，甚至保护植株免受环境压力，因此纳米颗粒在农业上已得到了广泛应用。

4.1 纳米肥料

传统矿物肥料受养分吸收效率和高损失的影响，而纳米肥料的发展为这种经济损失带来了新的解决方案。应用纳米复合肥进行控释，可以改善土壤肥力，促进作物对养分的吸收，调节根际微生物，刺激作物生长和产量增加（Wang et al.，2020）。Fouda 等（2020）研究表明，叶面施用20 mg·L-1银纳米颗粒的洋葱在生长状态、产量和品质等方面都表现为最好。与使用较大剂量（2 000～2 500 mg ·L-1）的商品肥相比，绿色合成的银纳米颗粒可用作环保纳米肥料。Yusefi-Tanha 等（2020）将氧化锌纳米颗粒作为在缺锌土壤中生长作物的新型纳米肥料以提高大豆产量。Sharma 等（2022）研究发现采用氧化镁纳米颗粒处理后，硬皮豆芽根的长度、生长量和叶绿素含量明显增加；碳水化合物和蛋白质的积累量分别增加了4%～20%和18%～127%，总酚类化合物和类黄酮含量分别增加了7%～20%和50%～84%。

4.2 纳米农药

纳米农药代表了一种新兴的纳米生物技术发展，它可以封装农药以进行控释并提高农药的选择性和稳定性（Paramo et al.，2020；Usman et al.，2020）。作为农用化学品的特殊载体，纳米材料可以为除草剂、化肥和杀虫剂提供更大的比表面积，并确保其按需释放（Shang et al.，2019）。Lv 等（2021）在前人合成的抗病毒化合物氯因康嗪的基础上，对制备的氯因康嗪负载海藻酸钠纳米凝胶进行了改进，发现其表现出比氯因康嗪更高的叶片粘附力，并且表现出长达7 d 的持续释放效果，并能持续激活活性氧和抗氧化水平，诱导植物体内水杨酸含量的增加及其应答基因PR2的表达，从而实现烟草对烟草花叶病毒侵染的持续抗性。Vivekanandhan 等（2021）研究发现，微生物介导合成的铜纳米农药对目标害虫具有高毒性，而对非目标生物体表现较低毒性。NPs 的施用剂量及其毒性仍然是NPs 作为纳米农药商业化的主要问题。

4.3 纳米保鲜材料

大多数水果和蔬菜由于其易腐烂的性质，不能在自然条件下长期贮存。传统的保存方法具有高生产成本和（或）保质期不能令人满意和（或）不良残留等局限性，而纳米技术相关的保质期延长策略有可能弥补传统保存方法的缺点（Liu et al.，2020）。在包装材料中使用纳米材料可防止污染并保持食品新鲜（Salem &Fouda，2021）。纳米复合材料由于其抗菌特性已被广泛应用于食品包装和保存（Bhuyan et al.，2019）。例如银纳米颗粒由于其对食物腐败微生物的灭活特性而被广泛应用于食物的贮存中。银的特殊性质，如低温下的低挥发性和稳定性以及对各种类型微生物的毒性，使其成为食物贮存的有益选择。此外，不同种类的NPs 已被广泛应用于作物衍生食品的贮存中（Bhuyan et al.，2019）。Zheng 等（2016）通过向原有包装材料中加入纳米材料制成了新型纳米包装材料，具有纳米材料的表面等离子体性质，并表现出很好的力学性能、透气性和光催化性等。徐庭巧等（2016）进行了纳米碳酸钙改性聚乙烯膜对2 ℃下杨梅果实贮藏品质和生理影响的研究，结果发现纳米碳酸钙改性聚乙烯膜的氧气和二氧化碳透过率分别为普通低密度聚乙烯膜的72.39%和81.33%，从而有利于在包装袋内更快的形成低氧和高二氧化碳的环境，纳米碳酸钙改性聚乙烯膜包装比普通包装杨梅果实的腐烂率降低了23.74%，而总酚和花色苷含量分别增加了7.63%和14.75%；而且纳米碳酸钙改性聚乙烯膜包装延缓了杨梅果实原果胶的降解和水溶性果胶的增加，维持了果实的品质。

5 结论与展望

近年来，NPs 的生物合成由于其经济前景而受到广泛关注。各种微生物和植物提取物可用于NPs的高效生物合成。有效利用化肥、杀虫剂、除草剂和植物生长因子/调节剂是提高作物产量的重要途径。通过不同的战略构建农药和化肥输送系统可以提高其利用率，这有助于减轻环境污染和过度使用农业投入物对非目标生物体造成的负面影响（An et al.，2022）。国际社会对环境保护和可持续发展的广泛关注，为NPs 的绿色合成及其在包括农业在内的各种技术中的应用提供了一个充满希望的未来。

目前，农业生产面临着气候变化、植物病害、环境污染等各种问题。适当地使用封闭在各种纳米制剂中的农药和化肥，可以达到更好的施用和控释效果，并防止环境污染。纳米颗粒作为纳米肥料、纳米农药和纳米保鲜材料的应用已有许多研究。纳米技术在农业领域中应用广泛，但与其他领域相比尚未商业化和进入市场。限制纳米技术在农业应用中发展的主要因素是回报低、生产成本高以及农业领域的技术转移效率低（Kim et al.，2018）。而且，相关农业部门对纳米材料的风险分析尚未全面进行，这些材料对人类和环境构成的风险仍然未知。目前，纳米技术处于发展阶段，还有诸多问题有待解决，纳米颗粒的绿色合成及实际应用大多停留在实验室阶段，关于绿色还原过程中涉及的合成机理和确切的代谢产物仍不清楚，纳米颗粒与作物之间相互作用的潜在机制仍需深入研究和探讨。使用生物合成方法来实现纳米颗粒的大规模生产仍需进行进一步研究。目前对纳米材料潜在的安全性问题报道甚少，对于多数纳米材料的毒性评价都只停留在简单的表面毒性方面，未来需要系统性地研究纳米颗粒的生物效应及其毒性机制。