利用零废物硝化氧化过程的废水来控制植物-土壤系统中的养分流失，从而实现对农业废弃物原料的升级循环利用

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Controlling nutrient loss in plant-soil systems using effluents from a zero-waste nitro-oxidation process for upcycling of agrowaste feedstocks

零废弃硝氧化过程产生的纤维素纳米纤维含废液作为肥料，应用于生菜种植土壤，5周淋失测试显示其氮磷钾流失量较传统化肥分别减少9.8%-39%、1.5%-17.5%、7.3%-32.4%，其中马粪源肥料显著提高生菜产量，且所有硝氧化肥料均使土壤氮磷残留量分别提高12%和346%，钾残留仅 spent grain 肥料增加8%。Langmuir模型显示纤维素纳米纤维对钾吸附机制可靠（R2=0.996, 0.902）。

　　这是一项关于利用一种名为“零废弃硝基氧化工艺”的方法，将农业或食品废弃物转化为含有纤维素纳米纤维的肥料，以改善土壤中营养元素的流失和保留的研究。该研究由多位科学家共同完成，包括Paul E. Aikpokpodion、Noel Womack、Rasel Das、Benjamin S. Hsiao和Christian O. Dimkpa。他们来自康涅狄格农业实验站的分析化学系，研究地点位于美国康涅狄格州纽黑文市。

研究的背景是，传统肥料在植物生长过程中往往效率低下，导致大量营养元素通过淋溶和径流流失，造成环境污染和资源浪费。氮、磷和钾是植物生长所需的主要营养元素，其中氮和磷的利用率普遍较低，约为施用总量的30%。这种低利用率主要是因为传统肥料中的氮和磷极易溶解，容易随雨水流失，进入水体，造成富营养化等生态问题。相比之下，钾的淋溶损失相对较少，但在沙质土壤或有机质含量低的土壤中仍可能产生显著影响。因此，如何有效管理氮、磷和钾的流入和流出，减少对生态环境的负面影响，成为农业可持续发展的重要课题。

近年来，纳米技术被广泛应用于农业废弃物的再利用，特别是通过生产纳米纤维素材料，为农业化学品的管理提供新的思路。纤维素是一种地球上最丰富的天然生物聚合物，其纳米形式具有更大的比表面积和更高的反应活性，因此在调节营养元素的释放和利用方面表现出独特的优势。传统方法如TEMPO氧化法已被用于制备纤维素纳米纤维，但这些方法往往伴随着化学试剂的废弃和回收问题。相比之下，硝基氧化工艺则是一种更环保、更低成本的替代方法，它仅使用硝酸作为化学试剂，且产生的废液可以直接中和并再利用为液态肥料。这种工艺不仅减少了化学废弃物的排放，还实现了资源的循环利用，因此被称作“零废弃工艺”。

本研究的重点是评估不同农业废弃物（如啤酒糟、马粪、棕榈废弃物和食品废弃物）经过硝基氧化工艺处理后所获得的纤维素纳米纤维肥料在调控土壤-植物系统中氮、磷和钾动态方面的潜力。研究团队假设，这些含有纤维素纳米纤维的肥料能够有效减少营养元素的流失，并促进其在土壤中的保留和植物吸收，从而提高作物产量和土壤健康。

实验过程中，研究人员使用了这些含有纤维素纳米纤维的肥料，并将其应用于种植生菜的土壤中。通过为期5周的淋溶实验，他们发现与传统肥料相比，这些新型肥料的氮、磷和钾流失显著减少。具体而言，氮的流失减少了9.8%至39%，磷的流失减少了1.5%至17.5%，钾的流失减少了7.3%至32.4%。此外，研究还发现，来自马粪的硝基氧化工艺肥料显著提高了生菜的产量，而其他来源的肥料则未表现出显著的产量差异。

在土壤中，所有硝基氧化工艺肥料均显示出更高的氮和磷保留率，平均分别提高了12%和346%。相比之下，钾的保留率仅在啤酒糟来源的肥料中提高了8%。这些结果表明，纤维素纳米纤维的引入能够有效减少营养元素的流失，同时提高其在土壤中的保留能力，从而对环境产生积极影响。此外，这种新型肥料不仅能够满足作物的营养需求，还能作为土壤改良剂，改善土壤结构，提高土壤肥力。

在研究方法上，研究人员采用了多种分析手段，包括元素分析和吸附等温线分析，以评估这些新型肥料的性能。元素分析结果显示，传统肥料的氮含量为2980毫克/升，而硝基氧化工艺肥料的氮含量则在902至910毫克/升之间。这表明，通过硝基氧化工艺处理后的肥料，其氮含量显著降低，但仍能提供足够的营养支持。磷和钾的含量同样显示出不同的变化趋势，具体数值在实验数据中有所体现。

吸附等温线分析则用于探讨纤维素纳米纤维在调节钾动态方面的机制。研究发现，用于描述钾吸附和脱附过程的Langmuir模型具有较高的拟合度，吸附过程的R2值为0.996，脱附过程的R2值为0.902。这表明，纤维素纳米纤维对钾的吸附和脱附行为具有良好的可预测性，能够有效控制钾的释放速率，减少其随水流失的可能性。

研究团队还强调了这些发现的环境意义。首先，他们认为这些成果展示了如何通过纤维素纳米纤维技术实现农业废弃物的可持续再利用，减少对环境的污染。其次，这种新型肥料的应用不仅有助于提高作物产量，还能减少对传统肥料的依赖，从而降低农业生产对环境的影响。此外，该研究还为未来农业废弃物的再利用提供了新的方向，特别是在开发环保型肥料和土壤改良剂方面。

本研究的成果表明，通过硝基氧化工艺处理后的农业废弃物，可以转化为具有高环境效益的肥料。这些肥料在减少氮、磷和钾流失方面表现出显著优势，同时还能提高土壤中的营养保留能力。研究还指出，不同废弃物来源的肥料在效果上存在差异，例如，来自马粪的肥料在提高生菜产量方面效果更为明显，而来自啤酒糟的肥料则在提高钾保留率方面表现出更强的能力。这说明，纤维素纳米纤维的性能可能受到原材料来源和处理条件的影响，因此需要进一步研究不同废弃物的最佳处理方式。

研究团队在结论中总结，这些含有纤维素纳米纤维的肥料不仅能够有效减少营养元素的流失，还能促进其在土壤中的保留和植物吸收，从而提高作物产量和土壤健康。这种新型肥料的应用代表了一种零废弃的农业发展路径，符合可持续发展的理念。此外，该研究还强调了纳米技术在农业废弃物管理中的重要性，为未来农业技术的发展提供了新的思路。

本研究的意义不仅限于农业领域，还涉及环境保护、资源循环利用和可持续发展等多个方面。通过将农业废弃物转化为具有高附加值的农业输入，如纤维素纳米纤维和液态肥料，可以有效减少对环境的污染，同时提高农业生产的效率和可持续性。这种技术的应用，有助于推动农业向更加环保和高效的方向发展，减少对自然资源的依赖，降低农业生产对生态环境的负面影响。

在研究过程中，团队还强调了合作的重要性。他们感谢了美国国家科学基金会对该项目的支持，以及扫描电子显微镜技术专家的帮助。这些支持和合作对于研究的顺利进行起到了关键作用，使得研究人员能够更全面地评估这些新型肥料的性能，并深入探讨其在农业和环境中的应用潜力。

综上所述，这项研究展示了硝基氧化工艺在农业废弃物再利用方面的巨大潜力。通过将这些废弃物转化为含有纤维素纳米纤维的肥料，可以有效减少营养元素的流失，提高其在土壤中的保留能力，从而改善土壤健康和作物产量。此外，这种技术的应用还符合可持续发展的理念，为未来农业和环境治理提供了新的解决方案。