农业纳米生物技术与应用 课件 第1章 农业4.0与纳米技术

NanobiotechnologyforAgriculturalapplicationHonghongWuCollegeofPlantScience&TechnologyHuazhongAgriculturalUniversity1农业纳米生物技术与应用第一章：农业4.0与纳米技术2农业4.0Anestimated12millionhectaresoflandislostduetodroughtanddesertificationeachyear.(FAO)Aman,2019,DeathoftheNile.干旱是全球性的问题Suzukietal.2014,New.Phytol.Droughtcausesabout50billionsofdollarslosseachyear.Abialaetal.2018,LandDegrad.Dev.5我国盐碱地约1亿公顷，综合利用盐碱地有利于粮食安全“开展盐碱地综合改造利用，要充分挖掘盐碱地开发利用潜力，加强现有盐碱耕地改造提升，有效遏制耕地盐碱化趋势，稳步拓展农业生产空间，提高农业综合生产能力，做好盐碱地特色农业大文章。”6ControlSalinityWuetal.2015,J.Integr.PlantBiol.ControlSalinity78

农业及发展这是一个跨时代的议题，它不仅关系到食物生产和食品安全，还涉及到生态平衡、资源可持续利用和社会经济发展。9农业4.0与可持续发展内涵

智慧农业是以节地、节水、节肥、节粮为目标，发展精细、智能、现代化农业，是农业现代化4.0版蓬勃发展的关键。

以智慧、信息、创新技术为基础的农业4.0，可实现农业生产的精细化、虚拟化、自动化、可持续性发展。10农业面临具体问题以及农业科技发展气候变化、资源匮乏对当今世界文明、农业产业发展带来了巨大挑战。土地资源是农业生产活动的基础，但其在现代文明发展和城市快速扩张中造成了严重的、不可逆转的资源匮乏和全球污染的后果。农业纳米生物技术是可能的一个出路。11纳米技术12Baydaetal.,2020Molecules13庄子（约公元前369年—约公元前286年），名周，战国时期宋国蒙（主流说法为今河南商丘东北）人。战国中期思想家、哲学家、文学家，道家学派代表人物，与老子并称“老庄”。1420世纪50年代，科学界普遍认为质子、中子是构成原子的基本粒子，是不可再分的最小物质单位。毛泽东根据哲学原理，对此不以为然。他说：“从哲学的观点来看，物质是无限可分的。质子、中子、电子也应该是可分的，一分为二，对立统一嘛！不过，现在实验条件不具备，将来会证明是可分的。你们信不信？你们不信，反正我信。”他赞赏关于“基本粒子并不是最后的不可分的粒子”的观点，并说：“世界是无限的。时间、空间，是无限的。空间方面，宏观、微观，是无限的。物质是无限可分的。所以科学家有工作可做，一百万年以后也有工作可做。”“There’sPlentyofRoomattheBottom:AnInvitationtoEnteraNewFieldofPhysics.”RichardFeynmanatAnnualAmericanPhysicalSocietyMeeting,Caltech,1959纳米技术的出现Feynmansuggestedthatitshouldbepossible,inprinciple,tomakenanoscalemachinesthat"arrangetheatomsthewaywewant"anddochemicalsynthesisbymechanicalmanipulation.1981:AlexeiEkimovdiscoverednanocrystalline,quantumdotsinaglassmatrix.

1985:

HaroldKroto,SeanO’Brien,RobertCurl,andRichardSmalleydiscoveredtheBuckminsterfullerene(C60),alsoknownastheBuckyball.1617纳米科学与技术通常指纳米级尺度（0.1~100nm）的科学与技术。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或由它们作为基本单元构成的材料。什么是纳米材料Onedimension<100nm1820按三维尺度分类按化学组成分类按材料物性分类按应用分类纳米材料分类21目前最流行的分类方法是从三维外观尺度上进行分类，按照其在三维空间中的尺寸，纳米材料可以分为四类：零维、一维、二维、三维纳米材料。纳米材料分类以碳基纳米材料为例，零维纳米材料：碳量子点，一维纳米材料：碳纳米管，二维纳米材料：石墨烯，三维材料：石墨。22其中零维纳米材料是指纳米材料自身的三个维度都小于100nm，如量子点、纳米颗粒等。一维纳米材料则是指纳米材料自身有两个维度小于100nm，如纳米棒、纳米管、纳米纤维等。纳米材料分类23二维纳米材料则是指纳米材料自身仅有一个维度小于100nm，如纳米片、纳米膜等。三维纳米材料则是由上述维度纳米材料中的一种或多种基本单元组成的具有多级结构的复合材料，比如纳米玻璃、纳米陶瓷等，但就其整体尺寸而言已经不再处于100nm纳米范围。纳米材料分类24纳米材料分类根据化学组成分类，可分为纳米金属、纳米晶体、纳米陶瓷、纳米玻璃、纳米高分子和纳米复合材料。按照材料物性分类，可分为纳米半导体、纳米磁性材料、纳米非线性光学材料、纳米铁电体、纳米超导材料、纳米热电材料等。按照应用分类，可分为纳米电子材料、纳米生物材料、纳米生物医用材料、纳米敏感材料、纳米储能材料、纳米建筑材料、纳米隐形材料等。25纳米材料形貌（呈现形式）纳米材料的呈现形式多种多样：球状（规则和不规则）片状多边形大分子聚合物管状棒状微粒状等不同类型的纳米材料26不同形貌的纳米材料27AbouAitahetal.2018,Oncotarget28Khanetal.2018,Book:AdvancesinPhytonanotechnology(pp215-240.)Theshapeofnanomaterials29Varandaetal.2019,An.Acad.Bras.Ciênc.30纳米材料在自然界中广泛存在。自然界中的纳米材料分三类：自然界自生的纳米材料、特定合成的纳米材料以及人类生产活动中产生的纳米材料。纳米材料的来源人类生产活动中所产生的纳米材料的来源主要有汽车尾气、发电厂、内燃机、秸秆焚烧、烧烤油炸等。如汽车尾气中纳米颗粒可以小到1.3-3.0nm。SilicaCarbonGoldSilverCadmiumCeriumMore…(Sand)