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纳米技术推动农业科技创新
发布时间:2018-05-14      信息来源:      发布人:zhangzhi      点击:

“我国量子科学已经领先世界了,纳米科技正处在与国际并跑阶段。”这是中国农业科学院农业纳米研究中心主任、农业环境与可持续发展研究所研究员崔海信对我国纳米科技发展状况作出的判断。日前,在该院举办的农科讲坛上,崔海信作了以“纳米科技与农业的绿色发展”为主题的报告。

  《国家“十一·五”基础研究发展规划》提出,要在蛋白质科学、量子科学、纳米科学技术、发育与生殖生物学等科学前沿领域实现重大突破,达到国际先进水平。目前,我国在农业纳米材料制备技术与新型投入品创制方面取得了重要进展,促进了现代前沿科技与传统农业的有机结合。

  “十一·五”以来,崔海信作为我国纳米农业的领衔科学家,带领团队针对典型农药、兽药与疫苗,系统阐述了利用纳米材料的小尺寸智能表面与环境响应的特性,改善药物理化性状与生物活性,构建了靶向传输和智能释放等功能的新型载药系统,创立了农业纳米药物制备的方法,相关研究处于国际领先的水平。

  现代与传统的切合点

  纳米技术、信息技术和生物技术被称为现代科学技术前沿的三大主导学科,它们与传统产业技术的交叉与融合,推动了精密制造、新材料、新能源等高端产业的技术革命。

  崔海信向记者介绍,纳米科技是研究100纳米尺度空间内的物质特性及其相互作用规律的一门科学,也是创造微小物质和机器的一门科学。其基础是物理学、化学和材料科学,它本身是多学科交叉的技术科学,它跟传统的科技领域进一步交叉融合,形成了二次分支、三次分支。

  “跟农业有关的纳米科技分支有纳米显微技术、纳米自组装技术、纳米影像学技术、纳米分析技术。”崔海信表示,目前农业生产链条的每个环节都有纳米技术的参与。

  崔海信归纳了纳米科技在农业上的应用领域,主要有传感器、农业投入品、食品加工以及生物工业等。上述领域也是美国农业部支持的一些纳米科技项目。

  以食品为例,可以利用纳米技术来改善功能食品、健康食品和强化食品的营养价值、风味、质地和口感。另外,把纳米食材粒度化,像淀粉、纤维素、香料、调味品、维生素;把一些不是很稳定的蛋白和生物活性物质用纳米微胶囊装载起来,促进体内的营养吸收和生物利用率,改善生物活性。

  日常生活中,很多农产品或食品都会用到保鲜膜。据介绍,可以利用纳米技术把保鲜膜设计成选择性的透气、保水、保温、抗菌等多功能,“看起来很普通,但对食品质量的影响非常明显。”崔海信说。

  另外,还可以利用纳米技术做标识和防伪系统。走进超市,都会发现现在每个商品都有一个条形码,用纳米量子点或者分子标签就很小,甚至很难伪造。目前,纳米科技在该领域发展比较快。

  当前,纳米科技与农业结合最密切的领域是纳米剂型化农业化学投入品,包括肥料、农药、兽药、饲料等。如纳米肥料,依据作物吸收模式利用肥料载体控制肥料养分释放速度,提高氮肥等速溶性肥料的养分吸收率,改善难溶性磷肥与矿物微肥在土壤中的溶解度与分散性。

  崔海信介绍,纳米农药利用纳米药物载体控制药物最低有效释放浓度,降低食品与环境残留污染。纳米兽药实现靶向传输,延长它的持效期,降低毒副作用。

  而在饲料的应用上,可以把饲料的素材纳米化,然后纳米结构化和纳米尺度化,增加吸收利用。对于精品饲料里面的微量元素、维生素、抗菌剂等难溶性、不稳定的添加成分,通过纳米技术进行加工,可改善其分散性和生物利用率。“但目前限于成本,仅仅是理论研究”。崔海信说。

  改善农业投入品效能

  自美国2000年启动了纳米科技专项以后,其他欧美国家相继都在开展纳米农业的研究。“十一·五”以来,国家“863”计划、“支撑计划”、“重大科技专项”和“重大科学研究计划”等科技项目也相继支持了农业纳米技术相关领域的研究工作。2006年,崔海信主持了“863”计划项目“新型高效生物药物载体与新制剂创制”课题,2014年,主持了国家重大科学研究计划部署在纳米农业领域的第1个“973”计划项目“利用纳米材料与技术提高农药有效性与安全性的基础研究”。

  这些年来,崔海信团队在农药、化肥等投入品方面进行了系统探索。关于纳米农药的研发,崔海信认为,可以利用纳米技术控制农药释放速度和改善其分散性。比如,一部分生物农药在环境中不稳定,需要用纳米载体来包裹,让它在田间效果更长一些。

  早在2016年底,记者在首届纳米科技与农业可持续技术发展国际会议上获悉,崔海信团队已成功开发了一批高效、安全的杀虫剂、杀菌剂、除草剂等纳米农药新剂型,正致力于产业化开发和推广应用研究。

  据介绍,他们的团队充分利用纳米技术,将农药粒子从传统的5微米降低至100纳米,小尺寸效应可减少叶面农药脱落,提高了农药的利用率。

  目前,该团队通过纳米化和载体的应用及工艺的开发,重点发展了4种农药剂型,分别是纳米微乳剂、纳米混悬剂、微胶囊制剂和固体制剂。以纳米微乳剂为例,崔海信介绍,乳油制剂有机溶剂含量达90%,以水取代有机溶剂,用这种技术可以缓解“三苯”的污染。

  据测算,在病虫害防治效果相同的前提下,与传统农药相比,全面推广使用纳米技术,可降低农药投放量30%以上,每年减少“三苯”类溶剂50万吨,大幅度降低农药残留污染,改善生态环境。

  助力农业可持续发展

  据测算,每年有数亿吨生产资料向农业生产系统投放。“如果用纳米技术能够增效,我想这是资源高效利用的一个重要方面,缓解资源压力。”崔海信说。

  如何用纳米技术来控制面源污染、保证食品安全,是崔海信团队一直考虑的问题。目前消费者对农药、兽药、肉蛋奶残留非常关心,“虽然国家制定了很多法规标准,没有好的药剂,是很难做到的。”崔海信告诉记者。

  此外,国家发布了绿色农业发展的文件,农业部也在制定纳米绿色防控技术的一个清单,纳米农业投入品也被列到初稿里面。在崔海信看来,这些新产品可以推动化肥农药、饲料、食品加工等产业升级,提高附加值,来推动新产业,促进三产融合,形成新业态。

  关于发展新学科,崔海信认为,纳米技术与不同领域交叉,会产生很多新的领域,使传统的农业科学能够向更前沿、更纵深、更先进的方向发展。

  “随着工业化与城市化进程的推进,采用纳米技术与新材料等前沿科技推动农业科技原始创新,有利于实现农业可持续发展。”崔海信说。近年来,该团队不断引进有关化学、材料学、药物学背景的青年才俊,这些学者跟农学领域的专家进行交叉,推进纳米农业多学科交叉研究。

  在谈到纳米农业研究的前景时,崔海信表示,将带领科研团队面向纳米学科前沿,按照农业绿色发展的要求,进一步聚焦农业资源高效利用与可持续发展、源头控制农业面源污染、农产品质量与食品安全改善、生物灾害绿色防控等问题,为推动我国农资产业技术升级,提高农产品加工质量与效率,促进生物质资源多级转化利用,培育新兴战略产业,促进一二三产融合作出新的贡献。

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