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工程纳米材料对高等植物生长影响的研究进展
植物学报
2023, 58 (5):
813-830.
DOI: 10.11983/CBB22130
由于纳米尺寸效应和卓越的物理化学性质, 工程纳米材料(ENMs)广泛应用于生产和生活的各个领域。在农业生产领域, ENMs对高等植物生物及生态效应的风险评估备受关注。为全面认识和了解ENMs对生态系统中高等植物的影响, 该文综述了农业中常用的几种ENMs (主要包括金属、金属氧化物和碳基纳米材料)对高等植物生长的影响及作用机制, 探讨了ENMs对植物生物学效应的主要影响因素, 包括植物种类和生长介质及ENMs粒径、形状、表面特性、浓度和处理时间。同时, 从真实土壤环境、长期低剂量效应和植物吸收转运等方面对ENMs与高等植物互作研究进行了展望, 以期为ENMs在农业生产上的高效利用提供参考依据。
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图1
工程纳米材料在农业中的潜在应用
正文中引用本图/表的段落
工程纳米材料(engineered nanomaterials, ENMs)是指二维尺寸至少1个维度小于100 nm的一类人工合成材料, 主要包括碳基纳米材料(如碳纳米管(carbon nanotubes, CNTs)、石墨烯、富勒烯(fullerene, C60)和炭黑)、金属及其氧化物纳米材料(如零价金属纳米材料(AgNPs和CuNPs等)、金属氧化物纳米材料(ZnONPs、Fe2O3NPs和CuONPs等)和量子点(CdSe和CdTe等) ) (West and Halas, 2003)。纳米材料的小尺寸效应(如纳米尺寸、高比表面和可控的表面化学)使ENMs产生优越的光学、热学和物理特性。这些特性使ENMs在各个行业领域(包括日化、抗菌剂、遮光剂及运动器材等)均显示出广泛的应用潜力(West and Halas, 2003; 陈娟妮等, 2021)。据美国Project on Emerging Nanotechnologies网站统计, 目前全球有明确标注的纳米产品已达几千种, 主要产地为中国、欧洲和美国, 涉及的纳米材料包括碳纳米材料、金属及其氧化物纳米材料等, 特别是CNTs, 仅美国CNano公司的年产量就达500 t (庄文等, 2016)。中国产业调研网发布的《2017-2022年中国纳米材料行业发展现状调研与发展趋势分析报告》显示, 在节约能源和资源方面, 纳米材料在农业、能源、环境、资源和水处理等领域发挥重要作用, 尤其是农业领域(汪玉洁等, 2016; 陈娟妮等, 2019)。例如, 纳米材料作为肥料, 可控释放植物生长调节物质; 利用纳米材料检测病原菌和防治植物病虫害; 通过向土壤中加入纳米材料进行土壤修复以及肥药运输等(李晶等, 2020) (图1)。然而, 张海等(2013)研究发现, 大量的ENMs以残余废弃物残渣(焚烧炉飞尘及底渣, 废水处理装置产生的固体污泥)等形式暴露在环境中, 对生态系统产生了巨大的负面效应。高等植物是生态系统中的初级生产者, 扮演着极其重要的角色。环境中的工程纳米材料废弃物不易降解, 通过转运会累积残留在土壤、水生态系统和高等植物体中, 势必对高等植物的生长产生显著的影响(Rico et al., 2011; 曹际玲等, 2016)。ENMs对高等植物的生物学效应可直接影响生态系统的健康、稳定以及可持续发展(Rico et al., 2011)。
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