纳米技术在肥料中的应用

全球农业进步的新时代

什么是纳米技术？
纳米技术是一项使能技术。它处于基础科学和工程学的交叉领域，并有可能对众多学科产生影响。纳米技术涉及对纳米材料的研究。.

根据ISO定义，纳米材料定义为：

根据某些监管机构（美国FDA、加拿大卫生部、欧盟食品委员会、印度生物技术部纳米农业投入品和食品使用监管指南等）的规定，如果材料表现出纳米材料（特别是食品）特有的特性或现象，则该尺寸可以扩大到1000纳米。.

根据来源，纳米颗粒可分为两类：
a) 天然纳米颗粒：这些颗粒来自烟雾、粘土、蛋白质/脂质、海洋雾气等。.
b) 工程纳米粒子：人造纳米粒子，其性质可控性更强。
属性（针对不同应用）。.

硅芯片产业对纳米技术的研究产生了重大影响。根据著名的摩尔定律，半导体微芯片上的晶体管数量每两年就会翻一番。为了克服物理限制，纳米技术必须加速发展，才能制造出更小、更快的计算机。.

纳米技术的应用：
传统上，纳米技术仅限于金属、氧化物和半导体。这是因为这些材料的纳米颗粒展现出的光电和物理化学性质与其块体材料截然不同。.

例如，金纳米粒子呈红色/蓝色；银纳米粒子呈黄色/橙色；硒化镉纳米粒子具有荧光性等等。所有这些性质都是非金属的。 纳米颗粒与其块体对应物具有相似的结构特征。这些特性使其适用于传感、催化、成像等多种应用。因此，纳米颗粒极具吸引力。.

随着时间的推移，人们的研究重点从传统的光电特性转移到了纳米技术的其他方面：其粒径和表面积。纳米技术在这里的作用有所不同；正是其微小的粒径使其能够进入生物细胞。这促使人们开始研究无机纳米颗粒（金、银、氧化铁等）在生物细胞、动物和人体系统中的渗透，以及最近在植物系统中的渗透。.

这些研究促成了纳米材料在制药领域的应用。除了用于成像和光热疗法的造影剂外，无机纳米颗粒在制药领域的应用十分有限。因此，制药领域的研究重点转向了“软纳米颗粒”。”

软纳米颗粒：
软纳米颗粒可以经过工程设计，用于包裹药物并在靶向部位释放，从而降低全身毒性并改善药代动力学特性。这里，药物分子保持其原始形态，而非纳米级。.

纳米肥料：
纳米肥料是精准农业中最强有力的解决方案之一，能够实现全球农业生产的可持续集约化。.

一项重要发现是，纳米颗粒可以通过根系或气孔被植物吸收。这促进了纳米颗粒作为活性成分输送载体应用于作物的研究。当活性成分是杀虫剂时，该系统被归类为纳米杀虫剂；而当活性成分是营养物质时，该产品则属于纳米肥料。在全球范围内，已有若干研究描述了纳米肥料的不同制备方法，并探讨了其作为优于传统肥料的选择的实用性。.

就作物营养而言，植物对养分有非常具体的要求——养分必须以植物可吸收的形式存在。植物吸收养分的方式主要以离子形式存在（阳离子如NH₄⁺、Zn²⁺、Fe²⁺等，阴离子如NO₃⁻、H₂PO₄⁻或HPO₄²⁻等）。因此，为了向植物提供合适的养分形式，通常使用纳米载体（纳米乳液、脂质、无机载体如二氧化硅等）作为植物可吸收养分的载体。更具体地说，以Coromandel公司的Gromor Nano DAP和Gromor Nano urea为例，磷酸二铵或尿素分子被包裹在纳米载体（天然聚合物）中。这些纳米载体可以直接被植物的根系或叶片气孔吸收。.

需要纳米肥料吗？

机制： 科学文献中已提出了几种纳米肥料的作用机制，其中包括：
1）更快的吸收和同化
由于纳米肥料颗粒小、表面积大，喷施后2小时内即可通过气孔和叶片毛孔被植物吸收。而其他液体肥料和水溶性肥料，其养分则需喷施后10-48小时才能被植物吸收。无论作物种类如何，气孔都分布在叶片的上表面（近轴面）和下表面（远轴面）。气孔中心部分称为气孔，大多数作物的气孔直径为0.17至0.93微米（170至930纳米）。气孔密度变化很大，每平方毫米可达40至400个。.

2）进入植物细胞的独特方式——胞吞作用。.
纳米肥料通过一种名为“胞吞作用”的独特机制进入细胞。纳米肥料被聚合物包裹后，经由气孔进入植物系统，到达细胞外膜。细胞膜折叠并包裹住纳米肥料，将其摄入细胞内。胞吞作用完成后，细胞膜恢复原状。随后，纳米肥料被运输到细胞内部并储存在细胞内区室。在细胞内，聚合物分解并释放营养物质，这些营养物质通过共质体途径输送到其他细胞。由于纳米肥料含有显著更高浓度的活性成分，因此可以一次性将全部营养物质输送到细胞内。.

对于其他液态肥料和水溶性肥料，它们进入细胞的机制不同，胞吞作用在这种情况下不可能发生。它们通过扩散作用进入细胞。这是一种速度慢得多的机制。.

3）靶向递送和控释：
纳米肥料在细胞质内缓慢代谢，释放出植物可吸收的养分。这种缓慢释放的方式能够满足植物的营养需求。.

4）触发活动
纳米肥料还能触发植物基因的上调/下调，使植物吸收更多土壤养分。植物会向土壤中释放更多有机酸和生物分子，从而释放出土壤中固定的磷或其他养分。.

科罗曼德尔的格罗莫纳米肥料：
产品研发历程：这段历程始于2018年，当时科罗曼德尔公司在孟买的印度理工学院孟买分校莫纳什学院设立了一座先进的研发中心。该中心汇聚了7位拥有高度跨学科专业知识的科学家。实验室配备了先进的基础设施和分析设备。产品研发的需求源于业务发展。具体的研发流程包括以下几个简单的步骤。.

来自不同农业气候区的多种作物（包括谷物、豆类、油籽和蔬菜）的产量数据清楚地表明，两轮叶面喷施Gromor Nano DAP，并配合75%推荐施肥量（RDF），可使产量持续提高5-17%，但有一种蔬菜（葫芦）的产量比其对应的RDF高出28%。即使在100%的RDF基础上，配合叶面喷施Nano DAP，产量也能提高2-22%，这表明叶面喷施具有显著意义。.
在印度各地共开展了2500多项农民试验。为了提高磷肥利用率，土壤施用和叶面喷施（纳米DAP）相结合的DAP施用方式是理想的选择。

2024 年最近推出的一项研究，对来自不同农业气候区的多种作物（包括谷物、豆类、油籽和蔬菜）的产量数据清楚地表明，两轮 Gromor Nano Urea 叶面喷施与 75% RDF（推荐施肥量）相结合，已持续将产量提高 4%-6%。.

在印度各地共进行了 700 多项农民试验。为了提高氮肥利用效率，土壤施用和叶面喷施（纳米尿素）尿素相结合是理想的选择。.

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