纳米生物技术用于农业食品安全

^{到2030年中期，全球人口预计将增至86亿，因此必须有效满足全球粮食安全需求。传统的农业实践包括增加农药和化肥的使用以提高农业生产力，却没有意识到其对人类健康和环境的不利影响。}

^{纳米生物技术将纳米技术与生物技术相结合，通过提高农业产量和食品质量及安全，在应对这些挑战方面显示出巨大的前景。}

^{例如，纳米传感器可以改进疾病检测，纳米农药和纳米肥料可以提高农业生产力，智能包装材料可以提高食品质量和安全性。这些技术极大地满足了全球人口增长带来的粮食需求，同时对人类健康和环境的危害却很小。}

什么是纳米生物技术？

纳米生物技术利用纳米材料（尺寸在 1 至 100 纳米之间）的独特性质，例如尺寸小、反应性高、表面积大，为生物学和医学等各个科学研究领域开发新工具，以克服传统技术的局限性^。2

在当前的农业形势下，大量使用化肥和化学农药会污染环境、危害人类健康并影响生物多样性，纳米生物技术具有优势。

基于纳米技术的产品已显示出提高全球粮食安全和质量的巨大潜力。

主要应用领域包括使用先进包装材料提高食品质量、使用纳米肥料和纳米农药提高食品生产率、以及使用纳米传感器进行污染检测和管理。

纳米生物技术在农业食品系统中的作用

食品安全监测与检测

纳米传感器和纳米粒子的抗菌特性用于检测污染物和病原微生物。

将纳米颗粒（例如十二烷基硫酸钠）与银纳米颗粒结合，可增强对抗金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌活性。使用_二氧化钛或银纳米涂层已成功去除对消毒剂具有抗性的生物膜^。2

^{纳米传感器已成功用于毒素检测。一种利用金纳米棒竞争性分散的光学纳米传感器可检测食品中的黄曲霉毒素B1 (AFB1)。一种光学碳纳米管免疫传感器可检测食品}中的葡萄球菌肠毒素B。3

脂质体纳米传感器可检测低浓度的有机磷农药（对氧磷和敌敌畏）^。4

纳米传感器嵌入包装材料中，可充当指示器或智能标签，当食品暴露于氧气、湿气、温度或病原体污染时，会发出信号或改变颜色^。3

智能包装系统中的纳米传感器可监测食品在储存、运输和货架销售过程中的新鲜度。这些纳米传感器可监测食品的物理特性（温度、pH值、湿度和光照）；气体（氧气和二氧化碳）、病原体和毒素的存在；新鲜度（乳酸、乙醇和乙酸）；以及分解情况^。5

增强作物保护

纳米生物技术通过降低土壤毒性、控制养分释放、提高作物产量和改善光合作用，在解决化学农药和化肥的不利影响方面显示出良好的前景。

纳米肥料将促生长物质和营养物质封装在螯合物、纳米聚合物或乳液中，从而促进植物生长。施用铜纳米颗粒可提高小麦品种Millat-2011的叶面积、叶绿素含量和根干重，从而促进其生长和产量^。3

^{二氧化硅纳米农药已证明可使米象 ( Sitophilus} oryzae)死亡率达到 90% 。3

含有农药（戊唑醇、咪鲜胺、抑霉唑和吡虫啉）的阿拉伯半乳聚糖和甘草甜素复合纳米输送系统可提高农药溶解度，从而更好地渗透到油菜和玉米种子中^。1

作物产量取决于种子产量。纳米技术可用于提高储存种子的发芽率。银纳米粒子使卵叶乳香树的发芽率提高了95% ^。3

纳米技术在消除环境中的有毒成分、促进土壤修复和环境安全方面也发挥着重要作用。例如，纳米零价铁已被用于修复受砷和汞等重金属污染的土壤^。1

食品包装与保鲜

食品包装的目的是通过阻挡引起腐败的气体和清除氧气来抑制污染和腐败，并保护食品免受外部冲击、温度和微生物感染。

智能包装包括纳米传感器，例如电子鼻，可以检测变质番茄释放的挥发性化合物。由石墨烯和银纳米复合材料组成的表面增强拉曼散射传感器可以检测食品中禁用的色素添加剂。这些包装系统可以追踪包装食品在储存和运输过程中的质量。

活性包装将具有抗氧化、抗菌或吸氧特性的成分融入食品中。碳纳米管被用作抗菌薄膜，用于包装熟鸡肉或鸡肉丝。此外，还添加了乙烯吸收粉，以保持水果和蔬菜的新鲜度。

利用纳米生物技术改善粮食安全

纳米沸石、水凝胶和纳米粘土能够增强土壤的保水能力，有助于在作物生长季干旱期间将水分缓慢释放到土壤中。

纳米材料影响土壤的物理特性（孔隙度、质地、容重和结构）。例如，碳纳米管凭借其弹性特性，使沙壤土的聚集度提高了35% ^。6

纳米材料通过影响土壤特性来改善土壤质量和作物产量。例如，纳米肥料会根据植物的需求释放养分，防止过量的肥料流失或转化为气态。

工程纳米材料影响土壤微生物多样性、作物产量和养分循环。例如，当凹凸棒石粘土与牦牛粪热解物混合时，有益微生物和养分的有效性有所提高^。6

碳纳米管、金属和石墨烯纳米粒子通过调节离子平衡和减少盐引起的损害，提高了作物对环境压力（如盐胁迫）的适应能力。

例如，在盐胁迫下，对油菜植株进行叶面施肥锌纳米颗粒改变了与激素、生理或发育反应相关的基因表达^。7

精准农业是一种精心规划和控制的技术，它利用信息技术来确保植物获得精确数量的资源，以维持或提高生产力。精准农业的优势如下：

1. 传感器数据和地理测绘的结合使得种子能够种植在合适的深度，并且种子之间有足够的间距，从而获得丰收。
2. 传感器研究受害虫侵扰或矿物质缺乏的区域，并允许农民使用肥料或杀虫剂处理这些区域，防止过量使用并保持土壤质量。
3. 实时天气模式数据使农民能够改变环境条件、降低风险，从而保持足够的农作物产量。
4. 降雨不规律和气温升高导致水分胁迫，影响农业生产力。为了适应气候变化，雨养玉米生产系统采用了气候智能型农业策略，包括半月坑、覆盖和永久性种植盆，以增强土壤水分储存^。8

在发展中国家，超过40%的食物损失发生在收获后和加工阶段。将产品浸入可食用纳米涂层中，可以防止其脱水，保持其质地，抑制呼吸作用，并减少微生物的生长。

纳米生物技术对农业食品安全的优势

纳米传感器具有极高的灵敏度和特异性，能够在极低浓度下检测到污染物和病原体。基于纳米技术的检测方法速度很快。例如，使用带有糖分子的磁性氧化铁纳米粒子，在45分钟内即可检测到样本中88%的大肠杆菌。

在包装阶段安装纳米传感器，以便消费者通过颜色变化来判断食品质量。

纳米肥料可以在作物整个生长期内缓慢释放养分，使植物能够充分吸收养分，减少因浸出造成的浪费。

与传统食品检测方法相比，纳米传感器体积小、试剂需求量低，具有成本效益。

精准农业使农民能够有效地管理田地，以提高作物产量，节约资源，并减轻与气候变化相关的风险。

挑战与担忧

纳米材料体积小，反应性强，可在水、土壤或生物体中积累。这引发了人们对其毒性、生物累积性和生态影响的担忧。

纳米颗粒很容易通过皮肤吸收并进入血液，造成DNA损伤和自由基产生。单壁碳纳米管会抑制肾细胞增殖并引发肺部炎症^。10,11

纳米材料的合成可能会在环境中产生不可生物降解的污染物^。12

纳米颗粒沉积在叶片和花朵上，形成一层有毒层，可能抑制花粉管的穿透。纳米颗粒还可能影响水分和矿物质的运输^。3

人们缺乏对纳米材料在不同农业环境下如何相互作用的了解，这使得标准化和扩大规模变得困难。

开发和安装纳米技术的初始成本很高，这限制了发展中国家农民使用该技术。

关于纳米材料的使用、处置及其环境影响的监管尚处于起步阶段。许多发展中国家仍然缺乏规范纳米技术使用的法规。

必须开发评估纳米粒子与生物体相互作用的体外和体内研究以及强大的毒性和风险评估技术，以便更广泛地采用该技术。

必须向公众普及纳米技术在农业领域的益处和风险。公众参与和透明的沟通对于纳米技术的成功应用至关重要^。12

未来展望

绿色合成纳米材料

^{利用植物、细菌、藻类和真菌合成纳米材料，以限制环境中化学物质的积累。利用马铃薯叶提取物制备的基于二氧化锰纳米}_颗粒的纳米肥料，可以提高豇豆的光合色素含量、抗氧化活性和生长。13

人工智能和机器学习方法

监督学习算法（例如 KNN）已被用于预测水分保留并了解纳米材料毒性的因素。

采用无监督学习算法（先验算法、K-means）预测不同土壤和气候条件下纳米材料的转变。

强化学习（马尔可夫决策过程）在水培领域具有潜在应用，可确定对营养和微生物组成变化的实时响应^。14

可扩展生产

纳米生物技术的主要障碍是如何扩大这些创新方法的规模，以满足全球农业需求。不同类型的土壤、作物和气候条件会改变纳米材料的响应。

必须开发具有成本效益且可扩展的生产方法来生产足够数量的纳米材料，同时又不损害其质量和功能特性。

开发新的纳米生物技术方法与监管指南和安全规程的进步息息相关。研究人员、监管机构、行业利益相关者和农民之间的合作对于成功将纳米技术融入农业至关重要。

结论

随着世界努力应对气候变化、人口增长和环境恶化，纳米生物技术已被证明是一种彻底改变作物生长、保护和生产等农业实践的有希望的解决方案。

纳米材料通过增强营养吸收、抗病性和防虫害能力，同时减少环境破坏，提高作物产量并促进可持续农业。

水凝胶成功解决了与水资源短缺和种子发芽相关的挑战，纳米传感器可以实时监测土壤和作物的健康状况。

纳米材料也带来一定的生态风险，应通过制定严格的监管协议和安全评估来解决，以协助负责任地实施。

采用标准化协议和安全评估负责任地进行的纳米生物技术创新将提高农业生产力，促进可持续农业实践，并有助于粮食安全。