使用金属-碳纳米复合材料调控改善农产品的形态测量参数的方法与流程

本发明涉及农业，即涉及纳米粉末组合物或金属-碳纳米复合材料的混合物的用途。金属-碳纳米复合材料是具有核-壳结构的纳米级颗粒，其中核为单质的纳米级颗粒，并且壳为含有大量不饱和碳-碳键的活性炭。指定的组合物可以以各种选项用作肥料、肥料添加剂、生物活性添加剂等，以改善作物生产、家畜和家禽养殖、水产养殖、昆虫养殖中的指定的参数以及调控农产品的生化组成。基于金属-碳纳米复合材料（具有碳壳的单质）的组合物或混合物，可以生产定制肥料和生物活性添加剂，专门针对某些作物、农业气候区域、某些土壤、植物品种或动物品种进行选择，以改善指定的参数和生化组成。

背景技术：

1、微量元素在作物和家畜生产中的农产品的生长和质量水平的提升中都发挥着重要作用。因此，添加必需的微量营养素是确保作物和家畜的健康生长的现代农业方法之一。

2、例如，已经确定植物能够吸收多达70种化学元素，这些化学元素会影响植物的形态测量参数，参见：semenova, i. n., singizova, g. sh., zulkaranaev, a. b.和ilbulova, g. sh.(2015).“the influence of copper and lead on the growth anddevelopment of plants using the example of anethum graveolens l. modernproblems of science and education” (3)。例如，在铜(cu)足量的情况下，植物中糖类、抗坏血酸和叶绿素的含量增加，并且铜在光合作用过程中的作用也是重要的。在铜缺乏的情况下，观察到幼叶的顶部发白和干枯。在瓜果作物中观察到干枯的顶部。铜有助于提高植物对真菌性和细菌性病害的抗性。铜是参与光合作用的质体蓝素以及其他一些含铜蛋白质和氧化酶的一部分。铜增加了植物的抗旱性、抗冻性和耐热性。

3、作物质量指标包括评估与成长中的植物相关的农业活动的各种参数，诸如作物产量，其通过某一时间段内每单位面积的产品量来估计；产品质量（其特征在于作物产品的质量（例如，外观、营养价值、抗病虫害性）），以及诸如施用肥料和化学品以提高生产力和保护植物免受病虫害侵害的效率、抗旱性和资源效率的指标。

4、作物生产质量的指标还包括经济特征，即：作物生产以及产品加工和储存的成本的评估；以及环境指标：农业活动的环境影响的评估，包括生物多样性的保护、土壤和水污染的减少、生态系统的保护。

5、这些作物质量指标对于评估农业系统的效率和可持续性以及对于从经济、环境和社会角度制定改善作物生产的策略是重要的。

6、家畜质量指标包括表征家畜生产、动物的生活条件、它们的生产力等的各种度量和数据，诸如每个某一时间段的家畜生产的总数、生产强度（每只动物或每单位面积的产品数量）、饲料效率（动物消耗的饲料量与所得家畜产品之间的关系）、生产成本、繁殖性能和环境绩效（即家畜养殖的环境影响）。

7、以上只是用于评估家畜生产效率的一些主要质量指标。

8、在大多数情况下，作物和家畜生产的质量指标是通过形态测量参数来评估的。

9、作物生产中的形态测量参数是指植物的形状、大小和结构的测量结果和特征。它们是用于评估植物生长和发育的各个方面以及确定其生产力的重要工具。这些参数包括但不限于：植物高度、叶长、叶宽和叶面积，它们是用于评估植物潜在生产力和光合能力的重要指标。另外，根系的体积（其决定了植物从土壤中吸收水分和养分的能力）、叶片和枝条的数量，以及根质量与地上部质量之间的比率对于评估植物生物量及其整体生产力是重要的。

10、家畜形态测量特征是指动物的测量结果和物理参数，诸如大小、体重、体形和其他解剖学特征。

11、微量元素的缺乏、过量或所需量会影响农产品（作物和家畜两者的生产）的形态测量特征，这些形态测量特征表征农产品本身的质量。因此，通过调控所添加微量元素的量，设定并实现所得农产品的所需质量指标是可能的。

12、用于补充植物中微量元素的常见方法包括：用微量元素溶液进行拌种、通过喷洒枝条进行追肥、叶面喷施等。虽然这些传统技术可以解决一些植物生长问题，但研究示出，传统的微量营养素补充方法不仅在提高农产品产量和质量方面受到限制，而且还会造成土壤污染，这不利于农业的可持续发展。

13、例如，铜(cu)是一种有毒的重金属；当铜不表现出其毒性作用时，这种金属的浓度范围非常小。即使将cu的最佳浓度提高一倍，也会产生负面影响。铜含量的增加会使植物量积累减少并使组织水合作用和叶绿素含量降低。同样，微量元素的缺乏或过量会影响动物的生长、发育和健康。对于每种微量元素，在家畜和作物两者的生产中都有最佳浓度。

14、因此，使用有效的手段和方法引入农作物以及家畜养殖必需的微量元素是现代农业发展的关键问题之一。

15、微量元素向植物组织或动物器官的靶向递送可以使用纳米技术进行，即通过以纳米颗粒的形式引入必需的微量元素的有前景的方法进行。

16、纳米颗粒是尺寸在1至100纳米的颗粒或物体。它们可以由各种材料（诸如金属、电介质或半导体）制成，并且由于其高表面活性而具有独特的物理和化学性质。这使得它们在各种领域（诸如医学、电子学、化妆品、催化和许多其他领域）中是潜在有用的。

17、已知金属纳米颗粒具有大的比表面积，因此它们可以以微剂量使用。金属纳米颗粒的毒性比相同金属的盐的毒性低10-40倍。

18、单质（即由一种化学元素的原子组成的物质，例如金属）的纳米颗粒可以用作肥料组分。纳米颗粒的小尺寸使它们更快且更有效地通过植物的根部或叶片渗透到植物中，从而提高养分利用率。已知金属（诸如铜或银）的纳米颗粒用作抗菌添加剂，保护植物免受病害侵害（参见：yamanova, r. r.和nikolaenko, g. r. (2013).“on the use of silvernanoparticles in consumer goods industry”, bulletin of kazan technologicaluniversity, 16(22), 39-41）。其他元素（诸如磷或钾）的纳米颗粒也可以包含在肥料中，以为植物提供必需营养素。

19、纳米颗粒使肥料在改善土壤和增加作物产量方面更有效。将纳米颗粒用作肥料的各种方法是已知的，例如，在发明专利“杂交水稻专用肥料”的说明书中：

20、- 提高养分利用率：纳米颗粒可以提供植物对养分的更高效分布和吸收，从而提高产量；

21、- 控制肥料释放：纳米颗粒可用于控制肥料释放速率，提供更稳定且更持久的植物营养。

22、纳米颗粒还用于家畜养殖、家禽、水产养殖和昆虫养殖，作为饲料和食品添加剂：这是纳米技术的现代领域之一，其具有改善生物体的生产和健康的潜力。纳米颗粒可以用于多种目的，诸如改善消化、增强免疫力、提高营养效率，以及甚至减少环境污染。

23、在家畜养殖中使用纳米颗粒的方法中，可以列出以下内容（参见：yausheva, e.v. (2013). “the use of nanoparticles of metal microelements in livestockfarming: prospects and threats (review)”. livestock and feed production, 3(81), 7- 11）：

24、– 改善养分吸收：纳米颗粒可以经专门设计，以改善动物对维生素、矿物质和其他营养素的吸收；

25、– 改善生物体的健康：某些类型的纳米颗粒可能具有抗菌或抗炎特性，这有助于预防疾病并改善动物的整体健康；

26、- 提高肉类和家畜产品的质量：将纳米颗粒引入日粮可以有助于改善生物体的健康和总体状况，这最终可以提高肉类、乳品和其他家畜产品的质量；

27、- 减少抗生素的使用：一些纳米颗粒可能具有提高生物体免疫力的特性，这可能会减少对使用抗生素的需求；

28、- 提高环境可持续性：纳米颗粒可用于改善营养吸收，这可以减少未经处理的废弃物的量和由家畜养殖造成的环境污染。

29、目前，在农业中使用化学化合物的主要问题之一是利用效率低下。例如，大部分施用的肥料不能被植物吸收，从而污染环境。家畜养殖的情况是类似的；日粮补充剂和维生素-矿物质复合物的使用剂量大于达到所需效果必需的剂量。

30、例如，提高施用的肥料和饲料添加剂的效率的方法之一是使用所谓的定制肥料和饲料添加剂，即专门为满足特定作物或土壤的特定需要而设计的肥料和饲料添加剂。它们考虑了诸如土壤类型、植物生长阶段和期望产量的因素。定制肥料可以比传统通用肥料更有效且更环保，因为它们只为植物提供它们需要的营养。

31、定制肥料的优势（参见：vidyashree, b. s.和arthanari, p. m. (2021).“customized fertilizers - an artifact in indian agriculture: a review”.agricultural reviews, 42(1), 105-110）：

32、提高产量：为特定作物和土壤配制的肥料可以提供最佳的植物营养，从而产生更高产量；

33、改善作物质量：定制肥料可以帮助改善作物质量，诸如大小、颜色和营养成分；

34、提高效率：定制肥料只为植物提供它们需要的养分，从而减少损失并提高养分利用效率；

35、环境绩效：定制肥料可以有助于减少环境污染，因为它们减少了养分的过量施用。

36、由于纳米材料（纳米颗粒）的独特性质，此类材料在农业中的使用是有前景的。纳米材料颗粒的尺寸小于大多数植物细胞和生物体的尺寸，并且在一些情况下小于细胞膜的孔径，这确保了此类颗粒渗透和被吸收到植物和生物体的细胞中的能力。

37、因此，在同时减少农业中使用的目标物质的量的同时，可能显著提高效率。

38、作为本文所用的术语，目标物质涵盖任何无机、有机、金属合金、蛋白质、遗传或核酸材料、抗原或抗体、复合材料、组合物或含有成分，当该成分通过任何方式和任何形式施用或递送时，其影响或参与生物体或植物或其微生物区系，或具有微生物区系的生物体或植物的生理过程。

39、作为本文所用的术语，必需营养素包括一种或多种必需微量营养素和大量营养素，诸如但不限于：cu、zn、k、ca、fe、mg、mn、co、na以及其他金属和元素，例如p、si、n。

40、例如，纳米颗粒的使用允许目标物质均匀分布在植物或生物体的体积或表面上，从而确保植物或生物体更有效地吸收目标物质。目标物质的均匀吸收提高了其有效性，并防止了未被生物体使用的营养素污染环境。

41、可以确保作物和生物体对目标物质的延长释放和吸收，这可以减少它们的施用量，这进而降低了加工成本，并且还减少了环境污染的量。

42、根据现有文献，农业中使用了由氧化物化合物（诸如氧化钛、氧化铁、氧化硅和氧化锌）制成的纳米材料，参见：cn 112296329。关于将单质的纳米颗粒用于农业目的的信息很少。

43、另外，值得注意的是，通过下述已知方法获得的由单质制成的纳米材料易于凝聚，这进而阻止它们被植物吸收并导致它们的有效性降低。将具有有限凝聚能力的由单质制成的纳米材料用于农业中的各种目的似乎是纳米技术和农业发展的一个有前景的方向。

44、根据日期为2013年10月24日的发明专利ep 2911997“植物生长促进剂”（日期为2014年5月1日的国际申请公开wo 2014/064205）的说明书，已知纳米级多孔二氧化硅颗粒可以用作植物生长促进剂。已知的粒状组合物含有载体材料和嵌入在所述载体材料中的一个或多个球形多孔二氧化硅颗粒，并且每个球形多孔二氧化硅颗粒含有具有零氧化水平的纯硅和/或银颗粒的二氧化硅。

45、所引用的发明的目的是使用能够增加作物产量而不损害生长或破坏营养培养基的另外的和/或改进的化合物，以及产生可以最容易地在农业中施用的此类化合物，例如，使用水培系统。

46、已知发明和所要求保护的技术方案的共同特征是使用具有低氧化程度的单质（诸如金属）的纳米级颗粒，以及为纳米级颗粒提供防止其氧化和凝聚的条件。

47、已知技术方案的缺点是将第11族金属用作通过研磨而得到的金属颗粒，包括银。这意味着金属颗粒以及尤其二氧化硅的多孔颗粒和粒状组合物的尺寸不能在纳米范围内，这进而意味着一定重量的粉碎金属的表面积明显小于相同重量的纳米颗粒的表面积。

48、已知具有核-壳结构的单质的纳米颗粒可用于刺激农作物的生长并提高其产量。从日期为2020年10月9日的发明专利cn 112296329 b“具有核-壳结构的单质纳米粉末材料、其制备方法及其在农业中的应用的说明书中已知用于生产和应用具有氧化物膜的铁、铜和硅纳米材料的方法，该方法刺激作物生长、提高生产力并改善作物质量。

49、所述方法中的表面氧化物层是通过在8000至12000 pa的压力下在氩气和氧气的混合物中钝化铁、铜和硅纳米材料2至24小时而获得的，这取决于所得涂层的所需厚度。此外，根据需要和待钝化的材料，维持高达250℃的温度。所得表面氧化物涂层的层为2-10nm。

50、已知发明和所要求保护的技术方案的共同特征是：使用具有防止纳米颗粒进一步氧化和凝聚的表面涂层的纳米级金属颗粒。

51、已知技术方案的缺点是，用于纯金属的纳米颗粒的壳为此金属的致密氧化物壳，这使纯化合物的原子通过该壳的解吸显著复杂化。

52、从日期为2015年7月29日的发明专利cn 106699319“纳米碳植物营养液及其制备方法”中已知一种含有纳米碳和许多微量元素的植物营养液及其制备方法。该营养液含有离子型纳米碳溶胶、微量元素、聚天冬氨酸和黄腐酸，以重量百分比表示。

53、在日期为2010年4月19日的发明专利ru 2436623“用于改性环氧树脂的碳纳米结构的细分散有机悬浮液及其制备方法”中公开了一种基于金属-碳复合材料的细分散悬浮液及其制备方法。提出了视为原型的其在植物生长中的应用作为技术方案：korepanov, d.a., chirkova, n. m., rudenok, v. a., grabovsky, i. v.和sergeeva, e. a.(2013). “the influence of a finely dispersed suspension based on a metal/carbon nanocomposite of copper on the sowing qualities of pinus silvestrisl.”, bulletin of the udmurt university. “biology.geosciences”系列, (2), 003-007，以及lekontseva, t. g., fedorov, a. v.和kuznetsova, v. a. (2020). “finesuspension of metal-carbon copper nanocomposite as a stimulator of rootformation when cutting ornamental crops”, bulletin of udmurt university.“biology.geosciences”系列, 30(3), 357-363 (doi: 10.35634/2412-9518-2020-30-3-357-363)。

54、已知技术方案和所要求保护的方案的共同特征如下：在作物生产中，使用金属-碳纳米复合材料颗粒的悬浮液，即基于铜的金属-碳纳米复合材料的悬浮液，特别是用于播种前的拌种或浸种以及用于在植物的无性繁殖期间刺激根系形成。

55、所述方案的缺点是需要用5%的糖溶液稳定施用的悬浮液，并且仅使用铜，并且没有关于颗粒尺寸和调控其尺寸的可能性的信息。

56、在所提出的技术方案中，为了获得基于固体复合纳米材料的稳定悬浮液，无需使用糖或任何其他表面活性剂。

技术实现思路

1、针对背景技术中存在的问题，本技术方案提出使用金属-碳纳米复合材料来调控作物和家畜产品的形态测量参数。

2、金属-碳纳米复合材料具有核-壳结构，其中核为单质（例如，金属）的纳米级颗粒，并且壳为含有大量不饱和碳-碳键的活性炭。金属纳米颗粒具有1纳米至100纳米的特征尺寸。

3、所提出的各种化学元素的纳米结构金属-碳复合材料以不同比例和浓度的混合物的形式作为肥料、生物活性添加剂、饲料或肥料的添加剂或组分等的农业用途允许调控作物和家畜生产中的形态测量质量指标。

4、纳米复合材料是一种结构，其中纳米级颗粒（通常为金属）具有碳壳。这允许在一种结构中使用两种材料的有益特性。

5、本技术方案提出了在作物生产中使用碳壳中的目标物质的纳米颗粒组合物（金属-碳复合材料）作为肥料或肥料的组分，以及在家畜和家禽养殖、水产养殖和昆虫养殖中饲料的生物活性添加剂。

6、所述技术方案中的金属-碳纳米复合材料的纳米粉末组合物包括各种类型的纳米粉末材料，主要来自铁(fe)、铜(cu)、锌(zn)、锰(mn)、镁(mg)、钴(co)和碳壳中的其他金属，以各种比例混合，这取决于所得组合物的应用目的。

7、所提出的技术方案的技术结果除了纳米材料的通用特性之外，还在于以下事实：碳表面涂层（形成核-壳结构）防止单质纳米颗粒在储存、运输和使用期间的氧化和凝聚。另外，所述壳由碳组成，碳是有机化合物的组成元素。