按照目前世界人口增長的現狀,預計全球人口在2050年時會達到90億。為滿足不斷增長的人口而帶來的糧食需求,農產品的產量至少需要提高60%。然而,現有的耕地卻是有限的,未來甚至會因為城市建設、土壤退化等因素而進一步減少。在這種情況下,使用現代科技來實現農產品的增產是十分有必要的。納米技術的出現,為解決這一難題提供了一個策略。

納米技術擁有巨大的潛力,通過利用納米粒子獨特的性質,可以促進農作物和家禽產量的增加,同時能夠將由農業生產而帶來的環境損害最大限度降低。相比納米技術在工業界和醫學界的應用,其在農業領域的應用較新穎,主要的應用領域有以下幾個方面：

(1) 納米農藥

為了提高農作物產量,農藥在農業生產中廣泛應用。但是農藥大范圍使用的同時造成的農藥殘留會通過生物富集作用,對人類和環境均造成負面影響。納米農藥的出現,有望解決這一傳統農藥使用存在的問題。
納米農藥是通過功能材料與納米技術的結合,使農藥有效成分在制劑和使用分散體系中,以納米尺度分散狀態穩定存在。納米農藥的使用,既可以控制農藥的運輸,又可以在最低用量下實現最大的使用效果。
由于一些農藥缺乏水溶性,在傳統的技術背景之下想要使用,就必須以有機溶劑為溶解基質,但是有機溶劑對環境以及田間工作者都不利。但是利用納米技術,可以使藥物以納米尺度的微粒、微晶形態均勻分散在固態水溶性載體中,從而形成固體納米劑型。該劑型在杜絕有機溶劑和大幅度減少表面活性劑用量的同時,提高了難溶性農藥在水中的分散性,同時由于其較小的尺寸,與傳統的懸浮液相比,也可以增加農藥在葉面的粘附性和滲透性,有助于植物吸收,進而提高其生物利用度,節約農藥使用量,降低殘留污染。

(2)納米肥料

納米肥料具有超越常規肥料的潛力。相比于傳統肥料,納米肥料可以將營養物質逐步且有控制地釋放到土壤中,從而防止了土壤的富營養化和水資源污染。納米肥料的使用可以提高農作物對營養元素的吸收和利用效率,減少了肥料的施用頻率,從而避免了因過度使用肥料而對環境造成的負面影響。

在納米肥料中,營養物質可以被包裹在納米材料,或以納米級顆粒或者是乳液的形式輸送到農作物體內。有研究表明,通過葉面噴施納米肥料可以促進光合作用的增加,從而提高作物產量。SiO2和TiO2納米顆粒的化合物增加了大豆中硝酸鹽還原酶的活性,增強了植物的吸收能力,使水和肥料的使用效率更高。目前已開發出多種可用于改善傳統肥料性質的納米材料,主要是金屬基納米材料和碳基納米材料,可以影響肥料的吸收、轉運、積累,同時對農作物的生長和發育也會產生積極影響。

(3)納米生物傳感器

納米生物傳感器可以監測化肥、除草劑、殺蟲劑的含量,有助于實現更精確的水肥管理,從而提高農業生產效率。納米傳感器和基于納米技術的智能輸送系統有助于高效利用農業自然資源,例如水、營養素和化學藥品。實現精準農業。分散在野外的納米傳感器還可以檢測植物病毒和其他農作物病原體的存在,也可以監測土壤水分以及PH的動態變化,實現對農作物的實時監測。

(4)納米技術在畜牧業中的應用

納米技術在畜牧業中的應用可以提高農畜的飼喂效率和營養,最大程度地減少由動物疾病造成的經濟損失。納米飼料可以激發動物自身的自我修復力量,相當于增強了對疾病的抵抗力。納米飼料還可以作為抗氧化劑來維持健康的細胞活性,可以減少抗生素的需求,改善骨骼生長,提高磷酸鹽利用率和降低死亡率。仔豬飼料中的氧化鋅納米顆粒可防止幼仔腹瀉,改善由此引起的體重減輕的情況。銀納米顆粒具有抗菌性能,作為日糧添加劑可以有效改善斷奶仔豬的腸道微生物菌群。美國農業部和克萊姆森大學已開發出一種雞飼料,其中添加了生物活性聚苯乙烯納米顆粒,可以與飼料中的有害細菌結合,減少食源性病原體。
 

家禽的繁殖性能是影響畜牧業發展的重要因素。納米技術有助于提高人工授精的成功率,從而提高家禽繁殖的效率。納米技術可以有效地對父本的生育能力進行檢測,并且可以進行精液純化。現在已有基于納米顆粒的可育性測試技術和可用于商業化的公牛精液的納米純化技術的人工授精的案例。
 

隨著科學家們的不斷探索,納米技術在農業領域的潛在用途被不斷的發掘。也許在不久的將來,納米技術也會與其他新興的技術或學科相結合,共同助力于解決農業發展過程中遇到的難題和瓶頸。