综述：纳米技术驱动的食用植物中铁、锌和硒的生物强化

本综述系统阐述了纳米颗粒（NP）在铁（Fe）、锌（Zn）和硒（Se）等必需微量元素生物强化中的应用策略与机制。文章深入探讨了纳米颗粒的类型、施用方法（如叶面喷施、土壤施用和种子纳米引发），以及其在植物体内的吸收、转运和积累过程。与传统施肥相比，纳米肥料（NF）具有靶向性强、缓释高效等优势，能有效提升作物营养价值，为解决全球“隐性饥饿”和保障粮食安全提供了可持续的新途径。同时，综述也指出了当前研究存在的空白以及环境安全、规模化应用等挑战。

　　

铁（Fe）、锌（Zn）和硒（Se）是维持人体健康的关键微量元素，然而全球范围内缺乏这些元素的问题依然严峻，导致所谓的“隐性饥饿”。纳米技术驱动的生物强化，作为一种新兴且可持续的策略，通过利用纳米颗粒（NP）的独特性质，为提升食用作物的营养价值带来了新的希望。

不同的纳米颗粒配方和形状

纳米肥料（NF）主要可分为三类：纳米尺度养分、纳米添加剂和纳米包膜。用于生物强化的纳米颗粒可由有机或无机材料制成，包括金属、金属氧化物（如Fe₃O₄、ZnO）和聚合物等。这些纳米颗粒的尺寸、形状、组成和表面性质深刻影响着营养元素的输送效率。例如，小于50纳米的金属基纳米颗粒更容易通过气孔进入叶片，而带负电荷的纳米颗粒在根部更易被吸收和转运。

纳米颗粒的应用和吸收方法

纳米颗粒的有效性高度依赖于其施用方式，主要包括叶面喷施、土壤施用和种子处理（图1a, b）。

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  叶面喷施：叶片是纳米颗粒进入植物体的重要门户。纳米颗粒可通过气孔、水孔等亲水途径或角质层裂缝等亲脂途径进入叶片（图1c）。其吸收效率受颗粒大小、表面电荷（Zeta电位）、浓度以及植物物种等多种因素影响。研究表明，叶面喷施纳米铁氧化物（50 ppm FeO₄-NPs）能显著促进植物生长。
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  根部吸收：根系主要通过质外体和共质体途径吸收纳米颗粒（图1d）。根际环境，如根分泌物和土壤微生物，会显著影响纳米颗粒的生物有效性。通常，叶面吸收比根部吸收更为高效。
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  种子吸收（纳米引发）：种子纳米引发是一种播种前处理技术，将种子浸泡在纳米颗粒溶液中后再播种。这种方法不仅能改善种子萌发和幼苗生长，还能诱导植物产生对逆境的“记忆”效应，增强抗逆性。但需注意纳米颗粒浓度，过高可能引发毒性。

纳米颗粒在植物体内的转运和积累

纳米颗粒被吸收后，在植物体内通过木质部（自下而上）和韧皮部（自上而下）进行长距离转运（图1e）。转运方向和效率取决于纳米颗粒的特性、施用方法和植物生理状况。例如，带负电或中性电荷的纳米颗粒在韧皮部中的移动性更好。

纳米颗粒最终会在植物的可食用组织（如果实、种子、叶片）中积累（图1f）。它们可能发生生物转化，以离子或其他化学形态储存于液泡、质体等细胞器中。有趣的是，某些纳米颗粒（如ZnO-NPs, CuO-NPs）的应用不仅能增加其自身元素的含量，还能促进其他矿物质（如K, P, Mn）的吸收和积累，显示出协同生物强化的潜力。

块状肥料与纳米形态肥料的植物有效性比较

与传统块状肥料相比，纳米肥料在提高养分植物有效性方面具有明显优势。纳米颗粒因其小尺寸和巨大比表面积，在根际或叶面具有更高的溶解度和移动性，从而促进植物对养分的吸收和利用。例如，Fe₂O₃和ZnO纳米颗粒比其块状氧化物形式能更有效地增加食用组织中的Fe和Zn含量。

基于纳米颗粒的铁生物强化策略

铁缺乏是一个全球性的公共卫生问题。纳米颗粒为铁的生物强化提供了有效手段。研究表明，无论是通过土壤施用柠檬酸盐包覆的CoFe₂O₄-NPs、种子引发用Fe₃O₄-NPs，还是叶面喷施纳米螯合铁肥，均能显著提高小麦和水稻籽粒中的铁含量（增幅可达106%-156%）。然而，计算表明，多数策略下，食用100克强化产品所提供的铁仅能满足每日参考摄入量（RDI）的一小部分，提示需要优化策略并选择天然高铁含量的作物品种。

基于纳米颗粒的锌生物强化策略

锌缺乏在发展中国家尤为普遍。锌对于植物和人类的多种生理功能至关重要。纳米氧化锌（ZnO-NPs）作为锌肥显示出巨大潜力。通过叶面喷施、土壤施用或种子包衣等方式，ZnO-NPs能显著提高番茄、葡萄、小麦、土豆等多种作物可食部分的锌浓度，部分增幅甚至超过400%。值得注意的是，锌的生物强化在果蔬中似乎比在谷物中更有效，这可能与谷物籽粒中锌的装载和分布存在解剖学障碍有关。同样，评估其对每日锌摄入量的贡献发现，叶菜类蔬菜（如菠菜、生菜）的贡献率较高，而谷物仍需进一步改善。

基于纳米颗粒的硒生物强化策略

硒对人体健康至关重要，但并非植物必需元素。通过施用硒纳米颗粒（Se-NPs），可以有效地将无机硒转化为生物可利用的有机形态（如硒代蛋氨酸SeMet），并积累在作物可食部分。叶面喷施Se-NPs能大幅提高蚕豆、小麦、萝卜、番茄和水稻等作物中的硒含量（增幅从400%到超过7000%不等）。一些策略甚至能使原本检测不到硒的作物组织（如茄子、番茄果实）富含硒。然而，硒的安全窗口较窄，施用剂量需精确控制，以避免硒中毒（Selenosis）风险。

未来发展方向

纳米颗粒介导的生物强化前景广阔，但仍面临挑战与机遇（图3）。未来的研究应聚焦于：

1. 1.
   纳米颗粒设计与合成：优化纳米颗粒特性，开发环境响应型纳米材料，实现养分的可控释放。
2. 2.
   与植物生理的相互作用：利用组学技术和先进成像手段，在分子和整体水平上阐明纳米颗粒与植物的互作机制。
3. 3.
   环境影响与安全性：全面评估纳米颗粒在环境中的归趋、生态风险及长期效应，建立相应的风险评估和监管指南。
4. 4.
   田间试验与放大：在不同农业生态系统中进行大规模田间试验，验证其有效性、可行性及经济性，推动其从实验室走向实际应用。

规模化挑战与机遇

将纳米颗粒生物强化策略推向大规模应用仍存在诸多挑战，如纳米颗粒生产的重现性、质量控