氧化石墨烯在農業(yè)領域的應用研究進展

吳騰飛，唐拴虎，黃建鳳，李 蘋，付弘婷，吳永沛，張 木

（廣東省農業(yè)科學院農業(yè)資源與環(huán)境研究所/農業(yè)農村部南方植物營養(yǎng)與肥料重點實驗室/廣東省養(yǎng)分資源循環(huán)利用與耕地保育重點實驗室，廣東 廣州 510640）

納米材料自問世以來受到各領域的關注，在生物醫(yī)藥［1］、新材料新能源［2］、航空航天［3］、環(huán)境保護［4］、食品工業(yè)［5］等領域展現出廣闊應用前景。碳納米材料具有眾多優(yōu)良的化學和物理特性，目前開發(fā)的碳納米材料主要有石墨烯、碳納米管、富勒烯、炭黑、碳量子點等［6-7］。其中，石墨烯是一種由碳原子以SP2雜化軌道組成的六角形蜂巢晶格狀納米材料，具有儲量豐富、價格低廉的優(yōu)點，全國多地建立了石墨烯研究院及產業(yè)園，為石墨烯的應用和發(fā)展提供了可能。氧化石墨烯（Graphene oxide，GO）是石墨烯材料家族的重要成員，由化學氧化剝離石墨烯片層而得到，與石墨烯具有相似的單原子二維結構。氧化石墨烯表面含有大量的含氧官能團，具有親水性、強吸附性、良好的生物相容性和穩(wěn)定性等。此外，氧化石墨烯還易于被功能化修飾，可應用于不同領域，是石墨烯材料中活性最強的納米材料之一，也是近年來研究的熱點［8-9］。

為了增強農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，新興納米技術在農業(yè)領域的研究被廣泛關注，并迅速崛起［10-13］。目前，氧化石墨烯在農業(yè)領域的應用研究主要集中在以下幾方面：（1）氧化石墨烯對植物生長發(fā)育的影響；（2）作為肥料載體，達到緩效釋放肥力的效果；作為農藥載體或利用自身性能在植物保護方面的應用；（3）吸附土壤重金屬和有機污染物，達到土壤污染修復的目的；（4）開發(fā)優(yōu)良的濕度傳感器，用于精準調控農業(yè)生產［14］。本文綜述了氧化石墨烯在農業(yè)領域的研究進展，為氧化石墨烯豐富肥料種類、提高農作物產量和品質、精準防控病蟲害、減少和治理農業(yè)面源污染提供參考價值。

1 氧化石墨烯在植物生長發(fā)育方面的應用

氧化石墨烯獨特的結構和優(yōu)異的物理化學性能為其在植物生長發(fā)育中的應用提供了可能。研究發(fā)現，氧化石墨烯的生物學效應與處理濃度、植物種類等有重要關系，在特定情況下會對種子萌發(fā)、根系發(fā)育及植物生長產生積極作用（表1）。

表1 氧化石墨烯對植物生長的影響Table 1 Effects of graphene oxide on plant growth

1.1 氧化石墨烯對種子發(fā)芽的影響

氧化石墨烯表面含有豐富的親水性官能團，可以減少土壤中水分的揮發(fā)、提高植物的保水性及水分利用率。因此，氧化石墨烯可以通過提高種子含水率而促進種子的發(fā)芽和生長。王曉靜等［15］研究發(fā)現，經0.2%氧化石墨烯拌種后，高羊茅種子的萌發(fā)勢、萌發(fā)值、萌發(fā)指數可顯著提高，另還可顯著提高株高、地上部和地下部生物量。劉頓等［16］設置了不同濃度的氧化石墨烯溶液浸泡紫穗槐種子，表明低濃度（50～150 mg/L）氧化石墨烯溶液能促進種子萌發(fā)、植株長高，并推測滲透進紫穗槐種子內部的氧化石墨烯分子能夠引起種子中植物激素的有機酸含量變化，進而影響根系生長；而當氧化石墨烯濃度提高到250mg/L 時，則會明顯抑制幼苗生長。He 等［17］采用氧化石墨烯作為土壤保濕劑，發(fā)現低劑量的氧化石墨烯能顯著促進菠菜和韭菜在土壤中的萌發(fā)，這一現象歸為氧化石墨烯中的含氧官能團具有親水性，能夠吸附水分子，而疏水性的SP3C-O 結構可將水分子傳輸給種子，以加速種子萌發(fā)。Zhao 等［18］研究發(fā)現，氧化石墨烯可以提高楊山牡丹的抗旱能力，且不會在生物體內積累。

1.2 氧化石墨烯對植株生長的影響

在植物生長階段，適宜濃度的氧化石墨烯納米材料可以促進植物光合作用、呼吸作用及基因表達等，對植物生長產生積極影響［19］。Guo 等［20］對番茄幼苗和成熟期植株的研究發(fā)現，氧化石墨烯在促進番茄的芽和莖的生長過程中存在劑量效應，適量濃度的氧化石墨烯可以提高番茄產量，促進果實的成熟。曹慧芬等［21］認為土壤中添加氧化石墨烯溶液對銀白楊扦插苗生長產生的促進作用主要是因為氧化石墨烯的添加提高了土壤肥力、改善了根系生長狀態(tài)。Zhang 等［22］揭示了氧化石墨烯可通過刺激光合作用促進蘆薈（Aloe veraL.）生長，并發(fā)現在氧化石墨烯濃度為50 mg/L 時效果最佳，不僅可以增強葉片的光合能力、提高葉的生物量，還可提高葉片的蛋白質和氨基酸含量。此外，該團隊還發(fā)現50 mg/L 的氧化石墨烯可以通過增加氣孔密度、氣孔導度和細胞間二氧化碳濃度來提高榆樹幼苗的光合作用及生長速率［23］。

1.3 氧化石墨烯對根系生長的影響

根系的生長對植物的生長發(fā)育至關重要。相對于葉片，氧化石墨烯對蘆薈根系的影響更大，10～100 mg/L氧化石墨烯均能提高蘆薈的根鮮重、總根長、總根表面積和總根體積［22］。Jiao 等［24］研究發(fā)現，20 mg/L 氧化石墨烯可顯著提高煙草幼苗根系的生長，處理35 d 后的煙草幼苗根系平均重量是未處理煙草幼苗的1.5 倍，深入研究其機理發(fā)現氧化石墨烯處理過的幼苗體內的超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）及過氧化氫酶（CAT）活性更高，同時也影響生長素氧化酶（IAA）系親屬基因的轉錄水平，導致其根系生長增強。高聰等［25］證實了50 μg/L 氧化石墨烯可同時促進擬南芥（Arabidopsis thaliana）主根和側根的生長，主要作用在根尖的分生區(qū)和伸長區(qū)的長度，對根尖長度及根冠直徑無顯著影響，主要原因是添加氧化石墨烯后增加了根系活力、減少了超氧陰離子及與根相關基因的表達上調（圖1）。Li 等［26］研究發(fā)現，氧化石墨烯處理會對蘋果植株的不定根產生積極影響，0.1 mg/L氧化石墨烯處理可減少形成不定根所需時間，改變不定根的形成方式，提高抗氧化酶活性及影響根系發(fā)育相關基因的轉錄水平，該研究為促進組織培養(yǎng)的蘋果植株根系的誘導提供了新方法和技術。

圖1 氧化石墨烯對擬南芥根系生長的可能作用機理［25］Fig. 1 Possible mechanism of graphene oxide on root growth of Arabidopsis thaliana［25］

綜上所述，適量的氧化石墨烯能夠對種子萌發(fā)、幼苗生長及根系生長起到積極的促進作用，但目前關于其于植物間的具體作用機制尚不完善，且這種促進生長的作用僅限于特定濃度范圍及特定植物。有報道稱氧化石墨烯會對植物生長產生明顯的生物毒性效應［27-29］，Carniel 等［30］研究發(fā)現氧化石墨烯通過影響細胞內pH 的穩(wěn)態(tài)而對煙草和榛子花粉萌發(fā)和花粉管伸長產生不利影響，當氧化石墨烯濃度大于等于50 μg/mL 時，煙草花的花粉發(fā)芽率和花粉管伸長率分別下降20%和19%，榛子花的花粉發(fā)芽率和花粉管伸長率分別下降68%和58%。Zhang 等［31］發(fā)現將小麥在水培試驗中暴露在氧化石墨烯30 d 后，地上部生物量、葉綠素含量、光系統(tǒng)Ⅱ（PSII）活性和幾種主要營養(yǎng)元素的含量均在一定程度降低，推測氧化石墨烯可能抑制小麥的生長和光合作用、并對組織結構造成損傷等。未來還需深入研究氧化石墨烯對植物生長的影響規(guī)律和作用機理。

2 氧化石墨烯在植物補充營養(yǎng)方面的應用

施用化肥是農產品增產增收的主要途徑，傳統(tǒng)化肥養(yǎng)分利用率偏低，大量不合理施用傳統(tǒng)化肥不僅造成了極大的經濟損失，也導致一系列環(huán)境問題，不利于農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展［32］。緩控釋肥具有提高肥料利用率、降低環(huán)境風險的優(yōu)點，為綠色農業(yè)的發(fā)展提供了重要保障。近年來，納米材料因獨特的物理化學結構而成為緩控釋肥應用開發(fā)領域的研究熱點［33］。與其他納米材料相比，氧化石墨烯應用于緩控釋肥的方式和策略更加多樣化，作為新型納米肥料載體具有廣闊的應用空間。Zhang 等［34］采用氧化石墨烯膜對硝酸鉀顆粒進行了包覆，在90℃條件下保持6 h 后還原得到穩(wěn)定的還原氧化石墨烯包裹的緩釋顆粒，該結構使KNO3在水中的釋放過程延長至8 h，實現了鉀肥的緩釋。Wu 等［35］利用紫外線輻照合成的海藻酸鈉/聚丙烯酸/氧化石墨烯復合水凝膠具有強吸附活性，可高效吸附回收溶液中的NH4+作為緩釋肥料在農業(yè)生產中進行再利用，該材料在土壤中40 d 的氮釋放量高達55.5%。Andelkovic 等［36］利用儲量豐富的天然石墨巖為材料合成了鐵修飾的功能化GO-Fe 復合材料，含氧官能團結合的Fe3+可以為磷酸根離子提供豐富的吸附位點，與商業(yè)磷酸銨鎂（MAP）相比，有效減緩了磷的釋放（圖2），提高了肥料的利用率。

圖2 GO-Fe-P 緩釋肥料與MAP 對比圖［36］Fig. 2 Comparison between GO-Fe-P slow-release fertilizers and MAP［36］

氧化石墨烯在微量元素的緩釋方向也有一定的應用價值。Kabiri 等［37］利用氧化石墨烯做載體，裝配鋅（Zn）和 銅（Cu）合成了氧化石墨烯-Zn和氧化石墨烯-Cu 化肥顆粒，與商業(yè)可溶性肥料相比，制備的GO-Zn 和GO-Cu 具有雙相養(yǎng)分釋放的特征，能提供快速釋放（前5 h 約40%）和緩慢釋放微量營養(yǎng)元素的能力，這種釋放模式有利于幼苗對養(yǎng)分的高效利用。Carneiro 等［38］研究發(fā)現，在家禽糞便生物炭中添加少量氧化石墨烯可大大提高對銅和鋅的吸附，且其吸附的Cu 和Zn 表現出低的水溶性和緩釋特性，因此氧化石墨烯的加入可提高微量元素的緩釋效率。

3 氧化石墨烯在植物病蟲害防治方面的應用

3.1 氧化石墨烯在蟲害防治方面的應用

化學農藥的低效性和長期使用造成生物多樣性喪失、食物鏈中生物積累、病蟲害抗性和農業(yè)面源污染等問題，納米制劑作為一種新型高效的農藥產品，具有比表面積大、吸附能力強等優(yōu)勢，可與多種農藥相結合，具有良好的載藥能力。功能化氧化石墨烯載體既能保留農藥活性成分，還能夠延長藥效，減少其在環(huán)境中的流失，達到緩控釋放、高效利用、減少污染的目的。Wang 等［39］發(fā)現氧化石墨烯與殺蟲劑復配在防控亞洲玉米螟（Ostrinia furnacalis）方面具有較強的協同增效性，其片層結構可對昆蟲的體壁造成機械損傷，造成昆蟲快速失水，此外昆蟲體壁的損傷可形成新的農藥傳輸通道，大大提高農藥的利用率。Wang 等［40］發(fā)現氧化石墨烯和3 種殺蟲劑（噠螨靈、毒死蜱和高效氟氯氰菊酯）結合可產生協同效應，氧化石墨烯作為農藥載體可以吸附在螨蟲的角質層上，大大提高藥效及螨蟲的死亡率（圖3）。Wang 等［41］通過物理吸附法將高效氯氟氰菊酯（LC）負載在具有溫度響應功能化的氧化石墨烯基功能材料上，該納米農藥制劑可通過溫度變化實現對農藥的控制釋放，提高農藥利用率的同時可實現病蟲害精準控制。由此可見，基于石墨烯作為農藥載體和農藥增效劑，未來在植物蟲害保護方面有廣闊的發(fā)展空間和應用前景。

圖3 氧化石墨烯做載體增強殺螨劑效果的作用示意圖［40］Fig. 3 Schematic diagram of graphene oxide as a carrier to enhance the effects of acaricide［40］

3.2 氧化石墨烯在細菌和真菌防治方面的應用

植物感染病原體后會引發(fā)腐爛、畸形及萎焉等癥狀，病原菌引發(fā)的植物病害能使農作物的產量降低，品質下降，造成較大的經濟損失。研究發(fā)現氧化石墨烯可對細胞產生氧化應激反應和物理損傷，具有較高的殺菌活性，可開發(fā)作為綠色環(huán)境友好的病蟲害防治劑［42-43］。Chen 等［44］研究發(fā)現氧化石墨即使在極低劑量（250 μg/mL）的條件下仍對水稻白葉枯病菌有強殺菌性能，細菌死亡率可高達99.48%，而常見的殺菌劑噻枯唑對細菌的致死率僅為13.3%。Liang 等［45］開發(fā)的新型氧化石墨烯/納米銀（GO-Ag）復合材料在相對較低的濃度下即可對水稻白葉枯病表現出極強的滅活性，機理研究表明該復合物一方面能破壞細胞的完整性，另一方面能夠誘導活性氧的產生并抑制DNA 的復制。

真菌尖孢鐮刀菌是最具破壞性的土壤傳播菌之一，容易使番茄、辣椒和茄子等發(fā)生枯萎病。EI-Abeid 等［46］制備出氧化銅修飾的氧化石墨烯抗菌納米材料，利用極低濃度（1 mg/L）的rGOCuO 納米材料對番茄和茄子進行處理，就能大大降低枯萎病和腐根病的發(fā)病率。灰霉菌真菌中的葡萄孢菌，其孢子能隨空氣傳播。Hao 等［47］研究發(fā)現，100、200 mg/L 的還原氧化石墨烯能顯著抑制灰霉菌的生長，利用氧化石墨烯處理后的玫瑰花瓣上灰葡萄孢（Botrytis cinerea）的繁殖半徑得到控制，有效減少病斑的數量，降低花瓣的腐爛程度。與傳統(tǒng)農藥制劑相比，氧化石墨烯對病原菌的防控具有制備簡單、高效、環(huán)保的優(yōu)點，有利于提升農業(yè)環(huán)境品質。

4 氧化石墨烯在土壤污染修復方面的應用

隨著農業(yè)和工業(yè)化進程的加快，土壤中重金屬元素（鉛、鎘、鋅等）污染日益嚴重，對人類健康造成嚴重威脅，急需尋找一種高效、穩(wěn)定且安全的土壤重金屬修復材料。氧化石墨烯可用于吸附重金屬，達到環(huán)境污染修復或污染物富集的效果。目前有關氧化石墨烯吸附去除重金屬或有機污染物的研究主要集中在水環(huán)境介質中，在土壤修復方面的研究相對較少。Baraga?o 等［48］對比了氧化石墨烯納米顆粒對土壤中數種重金屬修復情況，發(fā)現氧化石墨烯納米顆粒能有效的固定土壤中的Cu、Pb 和Cd，對As 卻無固定作用，為土壤重金屬污染修復提供新的途徑。Xu 等［49］成功制備出多孔還原氧化石墨烯，并將其作用于土壤電動修復的輔助電極，與傳統(tǒng)方法相比，多孔還原氧化石墨烯作為輔助電極，通過降低土壤pH、影響電場分布，使得Cd 的去除率提高12%。武海燕等［50］研究氧化石墨烯對土壤中重金屬的去除效果及其對重金屬的固化機制，發(fā)現氧化石墨烯對重金屬離子的吸附主要依靠靜電吸附、離子交換及表面絡合作用，并通過DLVO 理論計算發(fā)現負載重金屬的氧化石墨烯更易固化在土壤中。

氧化石墨烯不僅可以修復土壤重金屬污染，還可用于土壤有機污染的去除。Ren 等［51］利用氧化石墨烯固定細菌顆粒（GOBP），發(fā)現GOBP的機械強度、表面積和中孔比例均大大提高，與傳統(tǒng)的固定細菌顆粒相比，土壤中多環(huán)芳烴（PAHs）的原位去除率提高18.51%，另外該結構不僅提高嵌入菌的豐度，同時提高本土潛在降解菌的豐度，其作用機理示意圖如圖4 所示。這種納米固定細菌顆粒為惡劣環(huán)境下的土壤有機物物修復提供新的微生物固定形式。Liu 等［52］成功研發(fā)了海藻酸鈉/氧化石墨烯/芽孢桿菌C5 固化劑，研究發(fā)現氧化石墨烯的加入顯著提高了其機械強度、穩(wěn)定性和巨大的表面積，有利于芽孢桿菌C5 的附著和生長，其對原油的去除效率是游離芽孢桿菌C5 的2.1 倍，30 d 后原油的去除率可達64.92%。上述研究為固化微生物修復污染土壤提供了一種新方法。

圖4 氧化石墨烯固定細菌修復多環(huán)芳烴污染土壤的機理示意圖［51］Fig. 4 Mechanism diagram of graphene oxide immobilized bacteria to repair polycyclic aromatic hydrocarbons contaminated soil［51］

氧化石墨烯作為一種土壤污染修復的新技術具有一定的潛力，但該項研究仍處于起步階段，其對土壤環(huán)境中也可能存在一些潛在的風險。Cao等［53］發(fā)現氧化石墨烯能顯著增強植物對As（Ⅲ）和（Ⅴ）的吸收，毒性大小與As 的價態(tài)、濃度及植物種類相關。在砷污染的土壤中，應慎重考慮氧化石墨烯對植物造成的危害及相應風險。此外，氧化石墨烯具有廣泛的抗菌性，會對土壤生物存在輕微的毒性［54］。未來可對氧化石墨烯進行修飾，實現土壤污染降解、固定去除的同時，降低對土壤環(huán)境的潛在風險。

5 氧化石墨烯在農業(yè)濕度傳感器方面的應用

土壤濕度是農作物生長發(fā)育的基本條件，實時、有效地監(jiān)測土壤墑情是穩(wěn)固生產的重要保證措施。氧化石墨烯巨大的比表面積及其表面富含的氧官能團，使其反應活性良好，具有提高濕敏傳感器靈敏度的可能性。Palaparthy 等［55］使用氧化石墨烯為傳感膜，開發(fā)出一種低成本、高靈敏度、穩(wěn)定性強的微型傳感器，該傳感器受溫度和土壤電導率（鹽度）的影響可忽略不計，可用于研究不同深度的土壤水分剖面。相對濕度在50%～94%之間變化時，該氧化石墨烯傳感器的靈敏度可達1240%。Siddiqui 等［56］研發(fā)出基于氧化石墨烯納米陣列的電容式傳感器，可實現20 cm深度（可根據需要拓展深度）的土壤水分監(jiān)測，該傳感器具有的超薄結構能夠實現土壤的無損測試。

作物水分信息的實時、無創(chuàng)監(jiān)測是節(jié)水灌溉及精準管理的重要依據。基于氧化石墨烯的智能植物傳感器與電子通信設備的聯合應用可實現水分、肥料和農藥的自動精準分配。Lan 等［57］基于激光誘導技術，利用氧化石墨烯為傳感單元，開發(fā)出一種靈敏度高、穩(wěn)定性好的柔性電容傳感器，可在不對植物造成物理損傷的情況下實現對植物蒸騰作用的實時和長期監(jiān)測，這對提高作物產量具有重要意義（圖5）。Li 等［58］基于柔性氧化石墨烯研發(fā)出一種新型的無創(chuàng)水分傳感器，該傳感器可與植物無害共存，持續(xù)跟蹤植物的水分運輸，可有效揭示植物在不同光照環(huán)境下凈光合速率和蒸騰作用的協同效應。該研究不僅有助于提高未來作物的生產力，還可對作物生命周期的生理信息進行定量監(jiān)測，提供一種構建智能種植系統(tǒng)的新技術。

圖5 氧化石墨烯濕度傳感器及截面圖［57］Fig. 5 Graphene oxide humidity sensor and sectional view［57］

6 研究展望

目前，氧化物納米顆粒（如二氧化鈦、氧化鐵、氧化鋅等）及碳納米管等納米材料對植物生長影響的研究相對比較成熟。已有研究結果顯示，納米材料對植物生長的影響是多種因素相互作用的結果，如作物種類、培養(yǎng)介質、培養(yǎng)方式、材料濃度、材料性能（形狀、尺寸、帶電性）等的不同均會對植物生理的影響產生差異。相較于其他納米材料而言，氧化石墨烯的發(fā)現比較晚，需要進行深入的探索和研究，未來可從以下幾個方面開展研究：

（1）氧化石墨烯對植物生長影響的研究尚處于起步階段，尚缺乏關于氧化石墨烯與植物生長之間的深層次機理揭示。因此，未來需要借助物理、化學、分子生物學等表征手段，深度揭示氧化石墨烯與植物生長發(fā)育過程之間的相互作用機制。以期更好地開發(fā)利用氧化石墨烯材料來調控植物生長發(fā)育。

（2）現有研究發(fā)現，氧化石墨烯可以作為緩控釋肥和納米農藥應用到農業(yè)領域，這些應用必將使大量的氧化石墨烯投放到土壤中，氧化石墨烯在土壤中的遷移轉化及對土壤微生物群落影響的研究相對較少。現有報告也表明氧化石墨烯在一定條件下具有生物毒性，應在深入研究氧化石墨烯作用原理的基礎上，從材料角度改良其性狀，研究氧化石墨烯在土壤中的環(huán)境行為及生物效應，并開發(fā)安全穩(wěn)定的氧化石墨烯是未來研究的重點方向，同時這項研究也是氧化石墨烯應用于農業(yè)生產領域不可或缺的前提。

（3）氧化石墨烯在植物病蟲害防治方面的應用范圍相對狹小，僅在少數病蟲害防治上有成功報道，未來需要進一步擴大氧化石墨烯在植物保護領域的應用范圍和作用對象。氧化石墨烯對重金屬的吸附固定有一定作用，但目前的研究主要關注重金屬在土壤中的變化，關于氧化石墨烯與重金屬共存時對植物生長的影響規(guī)律和作用機理仍比較缺乏，有待進一步深入研究。

（4）氧化石墨烯應用成本相對偏高，未實現產業(yè)化生產。未來想實現大規(guī)模推廣應用還需要進一步降低成本，提高生物相容性。

雖然有關氧化石墨烯在農業(yè)上的應用仍處于起步階段，但其已顯示出獨特優(yōu)勢，為農業(yè)生產提供了新的思路、技術和方法，有望通過科技創(chuàng)新推動新一輪農業(yè)技術革命，解決糧食資源短缺及農業(yè)面源污染問題，更加有力推進綠色農業(yè)、智慧農業(yè)的發(fā)展。