利用猪粪便废弃物合成的碳点促进植物生长：一种可持续的方法

《ACS Agricultural Science & Technology》：Plant Growth Enhancement Using Carbon Dots Synthesized from Swine Effluent: A Sustainable Approach

纳米碳点BioC-dots通过绿色合成法从猪场废水中制备，具有400-600 nm紫外光激发下的发光特性，经毒性测试证实对斑马鱼胚胎安全。田间试验表明BioC-dot3在0.33 mg mL?1浓度下显著促进大豆叶面积和干重增长，而BioC-dot4对玉米总干重提升效果更佳，验证了生物碳点作为植物生长促进剂的应用潜力。

　　这项研究探讨了如何将固体和液体生物废弃物转化为功能性纳米材料，并聚焦于一种从猪场废水合成的新型发光纳米碳材料——BioC-dots。这些纳米材料展现出在农业应用中的巨大潜力，特别是在促进作物生长和提高农业可持续性方面。通过不同的功能化方法，研究人员合成了多种BioC-dots，并对其理化性质、发光特性以及对植物生长的影响进行了深入研究。

BioC-dots的直径范围在2至6纳米之间，具有独特的发光能力。当暴露于紫外光（UV）照射时，它们能够发出400至600纳米波长范围内的光，这种发光特性使其具备作为光敏剂的潜力。光敏剂在农业中的作用在于通过将紫外线转化为可见光，从而增强植物对光的吸收效率，进而提高光合作用的效率。这一特性对于在光照条件有限或干旱环境下提高作物产量尤为重要。

在合成过程中，研究人员利用巴西马托格罗索州圣安东尼奥-多-勒弗格的猪场废水作为原料，并通过与不同的功能化剂（如柠檬酸、葡萄糖和尿素）混合来制备不同类型的BioC-dots。这些材料通过微波加热的方式在特氟龙反应器中进行处理，随后通过硝酸纤维素膜进行过滤，以获取纯净的纳米材料。研究团队还对材料进行了干燥处理，以便进一步分析其固态特性。

在表征方面，研究采用了多种分析手段，包括紫外-可见光谱（UV–vis）、发射光谱、红外光谱（FTIR）、拉曼光谱、热重-差示扫描量热联用（TG-DSC）以及X射线光电子能谱（XPS）。这些技术帮助研究人员深入理解BioC-dots的结构和组成，从而评估其光吸收能力和发光特性。例如，紫外-可见光谱揭示了不同BioC-dots的吸收特性，而发射光谱则展示了其在不同激发波长下的光发射行为。红外光谱和拉曼光谱进一步确认了纳米材料表面存在的不同官能团，如羟基、羧基和氮基团等。

通过分子建模，研究团队还探索了不同尺寸的碳点（C-dots）对电子结构的影响。结果显示，具有110个碳原子的C-dots表现出与24个碳原子的C-dots不同的电子分布特征。这表明，纳米材料的尺寸和表面官能团的种类对它们的光学性能有着显著影响。此外，XPS分析揭示了BioC-dots中碳、氧、氮等元素的分布情况，进一步验证了其低毒性和环境友好性。

在植物生长实验中，研究团队评估了BioC-dots对大豆和玉米的影响。实验采用温室种植方式，使用不同浓度（0.033和0.33 mg mL?1）的BioC-dots进行叶面喷洒。结果表明，这些纳米材料在一定程度上促进了植物的生长，特别是在大豆的叶面积、比叶面积和干重方面表现尤为突出。其中，BioC-dot 3在0.33 mg mL?1的剂量下对大豆的叶面积产生了显著的促进作用，而BioC-dot 4则对玉米的总干重有明显提升。这些发现表明，BioC-dots在不同作物上的应用效果存在差异，可能与植物的光合作用机制有关。

值得注意的是，所有BioC-dots在100 mg L?1的浓度下对斑马鱼胚胎的毒性测试显示，只有在最高浓度时才出现一定的毒性反应。这说明BioC-dots在较低浓度下是安全的，能够用于农业环境而不会对生态系统造成负面影响。同时，这种合成方法还具备环保优势，能够有效减少农业废弃物的污染问题，并为可持续农业发展提供新的思路。

研究进一步探讨了BioC-dots在干旱条件下的应用潜力。由于它们的发光特性能够改善植物对光的吸收，从而增强光合作用效率，这些纳米材料可能成为缓解干旱对作物生长影响的重要工具。此外，它们还表现出一定的抗氧化能力，有助于减少植物体内活性氧（ROS）的积累，提升植物对环境胁迫的耐受性。这些特性使得BioC-dots不仅在促进作物生长方面具有潜力，还可能在提高作物品质和产量上发挥重要作用。

从实验数据来看，不同功能化方式对BioC-dots的性能产生了不同的影响。例如，柠檬酸功能化的BioC-dot 2表现出较强的光发射能力，而葡萄糖功能化的BioC-dot 3则在特定激发波长下显示出独特的光谱特性。尿素功能化的BioC-dot 4虽然在光发射方面不如其他两种，但其对玉米的促进作用较为显著。这些结果表明，功能化剂的选择对BioC-dots的性能有着关键性影响，为后续优化其应用效果提供了理论依据。

研究还指出，BioC-dots在不同作物上的应用效果存在差异，这可能与它们的光合作用类型有关。大豆作为C3植物，其光合作用过程中光呼吸现象较为明显，而玉米作为C4植物则具备更强的二氧化碳浓缩机制，因此对光敏剂的响应可能不如大豆显著。这一发现对于未来在不同作物上推广BioC-dots的应用具有重要意义，提示研究人员需要根据作物类型和生长环境调整使用策略。

综上所述，这项研究为利用农业废弃物合成功能性纳米材料提供了新的方法，并展示了这些材料在农业应用中的广阔前景。BioC-dots不仅具备良好的生物相容性和低毒性，还能够通过其独特的发光特性增强植物的光合作用效率，从而促进作物生长。此外，它们的合成过程成本低廉，且具有环保价值，有助于推动农业废弃物的资源化利用。这些特性使得BioC-dots成为一种具有广泛应用潜力的新型纳米材料，特别是在提高作物产量、改善土壤环境以及应对农业可持续发展挑战方面。未来，随着对这些材料的进一步研究，其在农业领域的应用可能会更加广泛和深入。