综述：关于基于MXene和MBene材料的纳米农业应用的首篇综述：用于植物免疫工程、可控保护以及诱导生物刺激机制

《Advanced Materials》：The First Review on Nano-Agricultural Applications of MXene and MBene-Based Materials for Plant-Immunoengineering, Controlled Protection, and Inducing Biostimulation Mechanisms

聚焦气候变化与可持续农业，MXene/MBene纳米材料通过精准投递、抗病增强及多机制调控，成为减少农化品依赖的创新载体，其生物相容性与靶向性需进一步验证，并需符合全球农业法规要求。

　　纳米农业作为现代农业发展的重要方向，正逐步成为解决传统农业化学投入物（如农药、除草剂和土壤肥料）在植物保护与生长促进方面的局限性与环境风险的重要手段。随着全球人口和食品需求的持续增长，农业领域对高产、高质量作物的追求也不断加深，导致传统化学农药和肥料的使用量日益增加。然而，这种依赖不仅带来了对人类健康和生态环境的潜在威胁，还引发了对农业可持续性的广泛讨论。因此，研究和发展更加环保、高效、精准的农业纳米材料成为当前农业科学和环境科学领域的前沿课题。其中，碳基MXene及其衍生物MBene因其独特的物理化学性质和生物相容性，成为植物保护和生物刺激领域极具潜力的新型材料。

MXene是一种二维过渡金属碳化物（或氮化物）材料，其化学式为M_n+1X_nT_x，其中“M”代表过渡金属，“X”代表碳或氮，“T_x”表示表面官能团（如氧、氮、氢、氟、氯等）。这类材料具有较高的比表面积和可调的物理化学特性，使其在植物保护和生物刺激中表现出独特的性能。MXene的生物相容性在受控剂量下得到了验证，同时其在植物生理、代谢和免疫反应方面具有积极影响。这些特性使得MXene成为一种有前景的植物保护和生物刺激材料，能够有效增强植物对生物和非生物胁迫的抵抗力，同时减少对环境的负担。

相比之下，MBene作为与MXene结构相似的低维材料，其组成一般为MB、MB₂、M₂B₂、M₃B₄等，还可能包括混合相如(M′_2/3M″_1/3)₂B₂和M′_4/3M″_2/3B₂，其中“M′”代表过渡金属（如钛、铬、锰、铁、钼、钨），而“M″”可能包括钪、钇、锆、铌、铪等。MBene与MXene在结构和性能上存在显著相似性，这使得它们在生物应用（如抗菌、抗肿瘤）中具有广泛的前景。然而，由于MBene的合成过程和应用条件更为复杂，其在农业领域的研究仍处于起步阶段，但已显示出广阔的发展空间。

MXene和MBene的合成方法主要包括自上而下和自下而上的两种方式。自上而下的方法通常涉及对MAX相材料进行蚀刻处理，以剥离出单层或量子点形式的MXene或MBene。自下而上的方法则通过分子自组装或化学反应合成。这两种方法在材料的结构控制、表面修饰和性能优化方面各有优势。此外，纳米材料的表面化学性质对其生物相容性、功能性和环境安全性具有重要影响。例如，MXene在不同pH值下通常表现出负电荷，而MBene由于硼的存在，可能具有混合电荷特性，这为它们与植物细胞或微生物之间的相互作用提供了基础。

在农业应用方面，MXene和MBene展现出显著的潜力。它们能够作为载体，实现农药、除草剂和肥料的精确释放，从而减少化学物质的过量使用和环境影响。此外，MXene纳米材料还能够通过激活植物的氧化应激反应（如ROS的生成）增强植物的防御机制，诱导系统性抗病反应（SAR）和诱导性抗逆反应（ISR）。这些生物活性机制不仅提高了植物的抗病性，还增强了其对干旱、盐碱和光胁迫等非生物因素的耐受能力。例如，研究显示MXene纳米材料在种子萌发、幼苗成熟和植物整体生长中具有积极影响，能够促进细胞分化、增强植物的生理功能，并提高作物产量。

MBene在农业应用中的表现同样值得关注。它们具有较高的结构稳定性和机械性能，适合需要长期耐久性和稳定性的生物活性材料。在某些研究中，MBene被用于提高植物对病原体的抵抗力，如通过诱导ROS的生成，增强植物的抗菌、抗真菌和抗病毒能力。此外，MBene在土壤修复和重金属污染治理方面也展现出独特优势，能够有效减少重金属在土壤中的生物可利用性，并通过调节植物细胞壁的组成和代谢活动，增强植物对环境胁迫的适应能力。然而，由于MBene的合成和应用仍处于早期阶段，其在实际农业中的安全性、生物相容性和生态影响仍需进一步研究。

除了直接的植物保护功能，MXene和MBene还被用于调控植物的生理和生化反应，如促进植物生长、调节植物激素（如茉莉酸和水杨酸）的表达，以及增强植物的抗氧化能力。这些功能使得MXene和MBene成为农业纳米技术中重要的生物刺激材料，能够提高作物的产量和质量，同时减少对环境的污染。例如，研究显示，通过MXene的表面修饰，可以显著提高其在植物体内的生物活性，增强植物对病原菌的抵抗能力，同时减少对土壤微生物的负面影响。

此外，MXene和MBene在植物抗逆反应中的作用也引起了广泛关注。通过调控植物的氧化应激反应，它们能够增强植物对干旱、盐碱和光胁迫等环境压力的适应能力。例如，某些研究发现，MXene能够通过激活植物的防御基因表达，提高其对特定病原菌的抵抗力。同时，MXene的光热效应（photothermal effect）使其能够在特定波长光照下释放活性成分，提高农药的使用效率和持久性。

在农业实践中，MXene和MBene的应用还涉及对植物生长和代谢的调控。例如，通过表面修饰，MXene能够提高其在植物根系和叶片上的附着力，从而实现更有效的营养输送和病原体抑制。此外，MXene的纳米结构使其能够作为高效的载体，实现农药和肥料的精准释放，从而减少化学物质的浪费和环境污染。这些特性为现代农业提供了可持续的解决方案，有助于减少对传统化学农药和肥料的依赖，同时提高作物的产量和质量。

然而，尽管MXene和MBene在农业应用中展现出巨大的潜力，它们的生态影响和生物安全性仍需进一步评估。例如，某些研究指出，MXene在高剂量下可能对植物细胞和土壤微生物产生一定的毒性作用，尤其是在长期暴露的情况下。因此，未来的纳米农业研究需要更加关注这些材料的生态风险和生物相容性，通过优化合成方法、表面修饰和使用剂量，确保其在实际农业中的安全性和可持续性。

在欧盟等地区的农业法规中，对纳米材料的使用提出了严格的审查要求。例如，欧盟的“Farm to Fork Strategy”和“European Green Deal”政策旨在减少农药和化肥的使用量，同时提高农业生产的环境友好性。这些政策为纳米农业的发展提供了法律框架，同时也促使研究者在开发新型纳米材料时更加注重其生物安全性和环境兼容性。此外，欧洲食品安全局（EFSA）等机构也在制定相关指南，以评估纳米材料在农业和食品中的安全性。

在实际应用中，MXene和MBene的开发还面临一些技术挑战。例如，它们的合成过程可能涉及高温、强酸等条件，这些条件在大规模生产中可能增加成本和环境负担。此外，纳米材料的生物降解性和长期生态影响尚未完全明确，因此需要更多的研究来验证其在农业中的可持续性。通过引入绿色合成方法和生物可降解材料，可以进一步降低这些纳米材料的环境影响，并提高其在农业中的应用前景。

综上所述，MXene和MBene作为新型纳米材料，在农业领域的应用潜力巨大。它们不仅能够提高作物的产量和质量，还能减少对环境的污染，提高农业的可持续性。然而，要实现这些材料的广泛应用，仍需进一步研究其生物相容性、生态影响和长期安全性。通过跨学科合作和技术创新，可以推动纳米农业的发展，使其成为未来农业生产的可持续解决方案。