碳纳米管在农业中的应用研究进展

袁程飞，谢伶俐，陈 帆，许本波

(长江大学 生命科学学院，湖北 荆州 434025)

碳纳米管在农业中的应用研究进展

袁程飞，谢伶俐，陈 帆，许本波*

(长江大学 生命科学学院，湖北 荆州 434025)

碳纳米管为一种新型纳米材料，在新能源、新材料、生物传感器等诸多领域得到广泛关注和应用。由于其具有优异的跨膜能力和吸附效应等优点，在农业上也得到广泛关注和应用。综述了碳纳米管在植物生长发育调控、植物病害防治及环境保护等方面的作用，探讨了其在农业上的应用前景，为利用碳纳米管调节植物生长发育、防治植物病害、消除环境污染奠定基础。

碳纳米管； 农业； 抑菌； 环境保护

纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围 (1～100 nm) 或由它们作为基本单元构成的材料。由于纳米材料良好的机械、光学、化学及生物学特性，使其具有高硬度、高韧性、低温超塑性和易加工等传统材料无与伦比的优点，目前正被广泛应用于能源、医药、细胞和组织培养、电子、新材料和环境保护等方面。1993年，Iijima等[1]首次在高分辨率透射电镜下发现了碳纳米管(carbon nanotubes，CNTs)，其径向尺寸和轴向尺寸均为微米量级，管子两端封口，由于其独特的结构和独有物理、化学、生物学特性以及巨大应用潜力而备受人们的关注。目前，关于碳纳米管的研究主要集中在新能源[2]、新材料[3]和生物传感器[4]等方面，而在农业上的研究相对较少，主要集中在植物生长发育的调节[5]、植物病害防治[6]、环境保护[7]等方面，为此从上述三方面综述了碳纳米管在农业上的应用研究进展，为利用碳纳米管调节植物生长发育、防治植物病害、治理环境污染奠定基础。

1 碳纳米管对植物生长发育的影响

碳纳米管可以进入植物组织细胞，从而影响植物的生长和发育，影响植物体内物质代谢[8]。Canas等[9]研究发现，单壁碳纳米管对洋葱和黄瓜根的伸长具有促进作用。低浓度多壁碳纳米管可以穿过番茄种子的种皮，提高种子的吸水量，进而促进种子发芽及根、茎的生长，增加总生物量[10]。多壁碳纳米管除了可以促进番茄生长、提高其生物量外，还能够影响土壤中微生物的组成，使厚壁菌和拟杆菌数量增加[11]。Mondal等[12]研究发现，低浓度的多壁纳米管和氧化多壁纳米管能够增加芥菜种子含水量，提高根组织的吸水率和运输效率。另外，Liu等[13]发现，碳纳米管还可作为分子转运载体进入烟草细胞，并可传递不同的物质进入到不同的植物细胞器中，这其中就包括矿质元素。Tiwari等[14]研究表明，低浓度的多壁纳米管能够促进玉米幼苗对水分的吸收，加速其生长，进而提高其生物量，并且提高了植株对Fe2+、Ca2+的吸收效率。综上所述，碳纳米管能够影响植物种子及根对水分的吸收，进而影响植物对养分的吸收，从而促进植物的生长和发育[13]。除了上述碳纳米管对植物生长发育的积极作用外，也发现了一些碳纳米管的副作用。在对水稻的研究中发现，多壁碳纳米管对悬浮培养的水稻细胞有毒害作用，并引起部分细胞的团聚[15]，诱导水稻细胞ROS积累和氧化胁迫[16]；同时还发现多壁碳纳米管会导致水稻开花推迟和结实率下降，产量减少[17]。因此，碳纳米管对植物生长发育的影响是复杂多变的，这主要取决于碳纳米管的类型[9]、浓度[18]、粒径[19]以及植物基因型[9]。

碳纳米管可以影响植物的生长发育，而植物的生长发育在一定程度上是通过基因的表达来调控的。因此，碳纳米管可能是影响了相关基因的表达，从而影响植物的生长发育。Khodakovskaya等[20]研究表明，多壁碳纳米管能够诱导番茄叶片和根部一些未知基因的表达，使其与应激相关基因的转录水平上调，其中包括水通道蛋白基因LeAqp2，并上调与细胞分裂和分化相关基因的表达水平。低浓度的多壁碳纳米管还能够提高烟草水通道蛋白基因NtPIP1及与细胞分化相关的NtLRX1基因的转录水平[21]。此外，多壁碳纳米管还可以使大麦(PIP1)、玉米(PIP1-1)和大豆(IP1-2)的水通道蛋白基因转录水平上调[22]。Vander等[23]研究发现，拟南芥PIP1基因过表达增强了拟南芥对干旱胁迫的耐受性。该研究间接说明，用多壁碳纳米管处理植物有可能提高植物的耐旱性。García-Sánchez等[24]比较分析不同处理拟南芥的转录组发现，碳纳米管能抑制拟南芥中与根毛发育相关基因的表达，上调与胁迫相关的一些基因、ABA合成关键基因NCED及部分植物生长素响应因子的转录水平，并激活激素运输相关基因的表达。综上，碳纳米管能影响一系列基因的表达，可激活一些耐逆相关基因，但这方面的研究还有待于深入进行。

2 碳纳米管在植物病原菌防治中的应用

2007年，Kang等[25]首次研究发现，碳纳米管具有抗菌能力。而后大量研究证明，碳纳米管对革兰氏阳性菌[26]和革兰氏阴性菌[27]等均具有抑菌作用，是一种广谱抗菌剂。在此基础上，一些科学家将碳纳米管用于植物病害的防治研究。Wang等[28-29]研究发现，单壁碳纳米管和多壁碳纳米管对植物青枯病有良好的防御能力，对禾谷镰刀菌和尖孢镰刀菌也具有高效抑菌作用。研究发现，碳纳米管的抑菌作用是建立在碳纳米管与病原菌细胞表面有效接触的基础上的[25]，其可能的杀菌机制主要是细胞膜损伤(物理穿刺作用)和氧化应激反应[30]，而这种物理性的抑菌作用不容易引起病原菌的抗性，从而有望成为一种新型杀菌剂来防御植物病害。

在应用中发现，碳纳米管表面缺少羟基(-OH)和羧基(-COOH)等功能基团，抗菌活性有限，因此需要对碳纳米管进行改性。如纳米铜具有较强的杀菌能力，但是纳米铜容易在水中囤聚，影响了其杀菌活性，将纳米铜负载在碳纳米管上，由于碳纳米管具有巨大的比表面积，能够装载这些金属及其氧化物，从而解决铜纳米粒子的分散性和稳定性差的问题，提高其杀菌效率，还能够有效发挥碳纳米管和铜纳米材料的协同杀菌效果[31]。

3 碳纳米管在环境保护中的应用

3.1 碳纳米管在水污染治理中的应用

碳纳米管具有比表面积大、表面疏水性强和π电子系统共轭等特点，这些都使得碳纳米管对有机物和无机物具有很强的吸附亲和力。因此，碳纳米管是一种良好的吸附材料，在污水治理方面有广阔的应用前景。

3.1.1 碳纳米管对重金属的吸附 一些常见的重金属，如Cd2+、Ni2+、Pb2+、Cr2+和Hg+等都是高毒性、难降解的环境污染物，对生态环境危害巨大，对人类健康存在潜在的巨大威胁。Tofighy等[32]研究表明，碳纳米管对水中的二价重金属离子(Cu2+、Zn2+、Pb2+、Cd2+、Co2+)具有良好的吸附能力，且其具有一定的再生能力，再生不影响其吸附效果，极大方便了碳纳米管的循环使用。虽然碳纳米管具有很多的优点，但也存在一些实际应用问题，如碳纳米管从水溶液中回收困难、吸附的选择性差、容易聚集沉淀等。因此，在将碳纳米管应用于吸附除去水中污染物之前，需要对碳纳米管进行表面改性，而表面改性主要是通过碳纳米管自身官能团的改变及其与其他材料复合形成复合材料来实现的。Peng等[33]首次采用碳纳米管-磁性金属氧化物复合材料去除水中的Pb2+和Cu2+，该复合材料可采用简便的磁处理将其分离，可有效解决碳纳米材料回收难的问题。

3.1.2 碳纳米管对有机物的吸附 碳纳米管除了对重金属离子具有良好的吸附能力外，对有机物也有很强的吸附能力。多壁碳纳米管对水中有机污染物1，2-二氯苯的吸附效果远远好于活性炭[34]，其对二恶英的吸附量也明显高于活性炭和γ-Al2O3[35]。另外，碳纳米管对脂肪烃[36]、酮[37]、胺[38]、酚[39]等也具有很强的吸附能力。而且，硝酸、柠檬酸和高锰酸钾处理过的碳纳米管比未处理的碳纳米管吸附能力更强[38]。

3.2 碳纳米管在农药残留检测中的应用

随着电分析化学的发展，人们开始采用电分析方法检测农药残留物，且具有很好的效果。赵峥逸等[40]利用多壁碳纳米管修饰玻碳电极(MWCNTs/GC)建立了除草剂敌草隆的快速检测方法，MWCNTs修饰电极灵敏度高、稳定性好、检测线性范围较广、抗干扰性好。屈永霞等[41]利用多壁碳纳米管修饰玻碳电极建立了一种新的检测百草枯的电化学分析方法。

碳纳米管不仅可以作为基础电极的修饰材料，同时也可作为酶的固定材料。刘润等[42]将乙酰胆碱酯酶(AchE)和牛血清白蛋白固定在羧基化多壁碳纳米管修饰玻碳电极表面，利用乙酰胆碱酯酶能够选择性地催化底物水解，且其催化活性能被有机磷农药抑制的特性，制成用于测定有机磷农药的生物传感器。

3.3 碳纳米管在重金属污染检测中的应用

碳纳米管修饰电极不仅能用来检测农药残留，还能用来检测重金属种类和含量。Wu等[43]利用多壁碳纳米管修饰电极，在不引入汞膜的条件下在水中可同时检测Cd2+和Pb2+含量，此电极性能稳定、选择性强。肖亦等[44]报道了用碳纳米管修饰玻碳电极同时测定土壤中Cu2+和Cd2+含量的电分析方法。

4 展望

尽管碳纳米管能够影响植物种子的萌发及根系的发育，但因纳米材料的种类和植物基因型不同，其产生的效果不同[8-19]，目前上述影响机制尚不明确。因此，需要借助当前的分子生物学手段(如基因组及转录组)揭示碳纳米管影响植物生长发育的代谢途径及作用机制。在此基础上，更好地利用碳纳米管材料调控植物的生长发育，服务于农业生产。

现有研究发现，碳纳米管影响水通道蛋白等基因的表达[20-22]，从而影响植物对水分的吸收和转运，因此其在农业上具有广泛的应用前景，而且目前已经取得一些成果，但需深入研究碳纳米管是否能提高植物耐旱性，以及如何将碳纳米管应用于植物耐旱性。现有研究表明，碳纳米管有可能对生物体产生一定毒性，因此需要深入研究碳纳米管的作用原理，保证其安全性和稳定性是未来研究的重点，也是应用碳纳米管的前提。

虽然碳纳米管技术已经在植物病害防治方面有一些应用报道，但只在少数病害的防御上有成功报道，因此其应用范围狭小，迫切需要进一步扩大其抑菌对象。同时需要利用新技术不断降低使用成本。碳纳米管是一种良好的吸附材料，在污水治理方面有广阔的应用前景，但对其本身是否污染环境需要进一步研究。

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Research Progress on Applications of Carbon Nanotubes in Agriculture

YUAN Chengfei,XIE Lingli,CHEN Fan,XU Benbo*

(College of Life Science,Yangtze University,Jingzhou 434025,China)

Carbon nanotubes(CNTs) serve as a new kind of nanophase materials,which have been widely used in new energy,new materials and biosensor.In this paper,the applications of carbon nanotubes in plant growth regulation,plant disease control and environmental protection were summarized,and its application prospect in agriculture was discussed,which laid the foundation for the applications of carbon nanotubes in regulating plant growth,controlling plant disease and protecting environment.

carbon nanotubes; agriculture; bacteriostasis; environmental protection

2015-09-15

国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2011AA10A104)

袁程飞(1989-)，男，湖北襄阳人，在读硕士研究生，研究方向：植物生物技术。E-mail:511825116@qq.com

*通讯作者：许本波(1977-)，男，湖北安陆人，副教授，博士，主要从事植物生物技术研究。 E-mail:benboxu@yangtzeu.edu.cn

X85;TB383.1

A

1004-3268(2016)02-0007-05