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本文聚焦二氧化硅纳米颗粒（SiO2 NPs）在农业领域的应用。阐述其在应对生物和非生物胁迫、农药及肥料领域的作用，介绍合成方法，分析面临的挑战。为推进精准农业和可持续种植提供参考，值得关注。
一、引言
全球农业发展面临严峻挑战，人口增长使粮食需求不断攀升，气候变化引发的生物胁迫（如病原体和害虫侵害，导致主要作物每年减产 10%-40% ）、非生物胁迫（像干旱、盐碱和极端温度，使作物生产力降低超 50% ）以及环境退化（例如土壤酸化和水体富营养化）等问题愈发突出。
纳米技术为解决这些难题带来新契机。硅（Si）在植物生理中具有重要作用，二氧化硅纳米颗粒（SiO2 NPs）作为纳米材料，粒径在 1-100nm 之间，因粒径小，比表面积大，能产生表面 - 界面效应，增强表面活性和化学反应性，还可穿透植物细胞壁和细胞器，在农业创新中极具潜力。不过，其在农业应用中仍面临环境、经济和监管等方面的挑战。
本综述旨在系统评估SiO2 NPs 在农业中的应用、生物活性分子机制和可持续生产技术创新，为优化基于SiO2 NPs 的农业干预措施提供参考，并探讨未来研究方向。
二、SiO2 NPs 在农业中的应用
现代农业面临环境压力加剧和农用化学品利用低效的问题，SiO2 NPs 成为多功能解决方案，可增强作物抗逆性，提高资源利用效率，推动可持续农业发展。
- 应对作物生物胁迫的作用
- 赋予植物对病原体的抗性：SiO2 NPs 施用于植物后，能穿透根细胞壁，经胞间连丝扩散，通过木质部运输到地上组织。它可作为生物刺激剂，引发植物对病原体的系统防御反应，在多种作物上效果显著，能使多种作物的病害指数降低 60%-87% 。其抗性机制包括物理和生化过程，物理上在表皮组织积累形成复合物阻挡病原体入侵；生化上激活植物防御机制，上调防御酶活性，合成抗菌化合物，调节激素信号通路。
- 赋予植物对害虫的抗性：SiO2 NPs 具有广谱杀虫活性。作用于昆虫时，可吸附在昆虫或其幼虫的角质层脂质层，干扰气体交换和气管收缩，或磨损表皮蜡层使其脱水死亡；被昆虫摄入后，会损伤消化道或产生自由基，干扰代谢。其杀虫效果受粒径、形态和表面功能化等因素影响，不同粒径对害虫的致死率差异明显，经表面活性剂模板修饰和功能化后，杀虫活性显著增强。
- 应对作物非生物胁迫的作用
- 重金属胁迫：重金属胁迫会抑制植物生长、破坏光合作用并诱导氧化损伤。SiO2 NPs 可在多个层面缓解这些影响，如提高叶绿素和类胡萝卜素积累，增强光合作用；提升抗氧化酶活性，促进抗氧化物质积累，清除活性氧（ROS）；调节重金属转运基因，减少植物对重金属的吸收和积累。在油菜和菜豆的实验中，SiO2 NPs 处理后，植株在光合作用、抗氧化能力和重金属积累方面都有明显改善。
- 盐胁迫：盐胁迫会破坏植物的渗透平衡和离子稳态，影响光合作用、酶催化和激素调节，导致 ROS 积累，损害植物生长发育。SiO2 NPs 通过形态和代谢两方面的机制缓解盐胁迫，在形态上，它能增加细胞壁厚度和机械强度，减少水分流失；在代谢方面，可刺激渗透调节物质的生物合成，维持细胞膨压和渗透平衡，还能调节离子稳态，稳定膜电位，优化酶活性和代谢功能。
- 干旱胁迫：干旱胁迫会破坏植物的水分平衡和代谢功能，导致气孔关闭，抑制光合作用和养分吸收，同时 ROS 积累造成氧化损伤。SiO2 NPs 能通过多种机制缓解干旱胁迫，如调节植物水分关系，增加根长，提高水力传导率，调节气孔孔径，减少蒸腾；稳定类囊体膜，促进叶绿素生物合成，增强光化学效率；加速相容性溶质积累，增强渗透调节能力；增强抗氧化酶活性，中和 ROS，减少氧化损伤。在蚕豆实验中，SiO2 NPs 处理显著提高了植株的光合速率、相对含水量和养分吸收，降低了 ROS 水平。
- 在农药和肥料领域的应用
- 作为多功能农药递送平台：SiO2 NPs，尤其是介孔型，具有独特的物理化学性质，可作为先进的农药递送系统。其高比表面积、可调节的孔结构和可修饰的表面化学性质，便于通过多种策略封装生物活性化合物，提高农药稳定性，实现时空可控释放。它与化学农药和生物农药兼容性良好，能促进农药在植物组织中的靶向沉积和转运，提高利用率，减少环境残留。对于生物农药，SiO2 NPs 还能提高其稳定性，如包裹后的光敏性生物农药光稳定性增强，杀虫活性保留时间延长。
- 在肥料领域的应用：传统肥料应用存在养分利用率低的问题，大量养分通过径流、淋溶和降解等途径流失。SiO2 NPs 作为新型纳米肥料，可通过多种机制优化养分递送。它能作为载体，封装大量营养元素（N、P、K），提高肥料溶解性，实现控释，减少施肥频率和养分损失；还能直接促进植物生长，增加植株高度、叶片数量和果实产量，增强细胞壁强度，调节离子吸收；此外，它能改善土壤理化性质，调节根际微生态，促进有益微生物生长，增强养分循环，提高作物生物量。
三、SiO2 NPs 的生物合成方法
SiO2 NPs 的合成方法多样，传统物理和化学方法虽应用广泛，但存在能耗高、产生化学污染物等问题。近年来，生物合成方法发展迅速，利用生物细胞或提取物、天然生物材料和肽介导的仿生矿化等实现了资源高效和环保的合成。
- 传统合成方法概述
- 物理方法：机械粉碎是常见的物理合成方法，通过球磨机或超声波设备的高能碰撞将块状二氧化硅破碎成纳米颗粒。该方法操作简单，可规模化生产，但存在粒径分布宽、形貌不规则、易引入杂质和结构缺陷等问题，影响颗粒的胶体稳定性和功能性能。
- 化学方法：化学合成方法包括微乳液法、化学气相沉积（CVD）、溶胶 - 凝胶法和沉淀法等。微乳液法能精确控制粒径，但需大量有机溶剂和多步纯化；CVD 法可制备高纯度、均匀的纳米颗粒，但设备要求高，能耗大；溶胶 - 凝胶法反应条件温和，能制备高比表面积的纳米颗粒，但反应时间长，易出现团聚；沉淀法成本较低，但颗粒多分散，含有残留离子杂质，需进一步纯化。
- 生物合成方法详述
- 利用生物细胞或提取物合成：利用生物细胞或提取物合成SiO2 NPs 是一种绿色创新方法。生物资源中的细菌、真菌、藻类和植物提取物等可作为多功能生物模板或提供氧化还原活性分子，促进纳米颗粒形成。在温和条件下，生物体内的特定还原酶将硅酸盐前体转化为无定形二氧化硅核，生物分子表面的功能基团可作为封端剂，稳定纳米颗粒，增强其生物相容性和功能。酵母介导合成的纳米颗粒环境友好，Bryophyllum pinnatum 叶提取物合成的纳米颗粒对植物生长有促进作用，且经多种生物合成的纳米颗粒生物安全性高。
- 以天然生物材料为前体合成：富含硅的生物质，如农作物和工业废料，是合成SiO2 NPs 的可持续原料。通过干燥、碱处理和机械研磨等步骤，可将这些低成本资源转化为高纯度二氧化硅前体。该方法具有原料丰富、成本低、碳足迹小且能保留生物活性微量元素等优点。利用稻壳灰和竹叶灰合成的纳米颗粒纯度高，生物相容性好，在吸附和药物递送等领域有应用潜力。
- 肽介导的合成：肽介导的仿生矿化受海洋硅藻生物矿化机制启发，能实现对二氧化硅纳米技术的精确控制。以 R5 肽为代表的硅形成蛋白和肽，可在生理条件下快速促进硅酸缩聚。合成的SiO2 NPs 生物相容性优异，如 R5 肽合成的纳米颗粒在高浓度下对小鼠成纤维细胞活力影响小。此外，一些天然硅形成蛋白和肽在不同 pH 条件下表现出独特的矿化能力，像 EctP1 在酸性条件下活性突出，溶菌酶兼具引导硅形成和抗菌特性。近年来，还发展出基于肽介导的多功能杂化材料，如将弹性蛋白样多肽（ELPs）与 R5 肽结合，可制备具有特定结构的纳米复合材料，展现出良好的应用前景。
- SiO2 NP 合成方法的比较分析与策略选择
传统物理和化学合成方法在工业规模生产中占主导，反应动力学快，能精确控制化学计量，但存在可持续性问题，如能耗高、碳排放大，且使用的表面活性剂可能有毒。生物合成方法具有环境优势，能实现农业废弃物资源化利用，降低成本，且生物分子模板可遗传编程，实现材料的模块化工程。不过，生物合成方法在农业应用中需考虑规模化和经济可行性，不同生物合成途径的关键影响因素不同，如细胞或提取物合成需优化生物反应器设计，天然生物材料合成需关注原料获取和预处理效率，肽介导合成可通过微生物细胞工厂实现大规模生产。选择合成方法时，需综合考虑应用场景，农业应用倾向于生物合成方法，而工业制造更看重物理和化学方法的规模化生产能力，同时，融合多种技术的混合系统也为合成提供了新方向。
四、SiO2 NPs 在农业应用中的挑战
SiO2 NPs 在农业应用中面临多方面挑战，需采取针对性策略，确保其可持续和安全应用。
- 环境安全问题：SiO2 NPs 在农业应用中的环境命运和生态系统相互作用尚不明确。在土壤环境中，它与共存污染物的相互作用复杂，可能促进或抑制污染物在作物中的迁移和积累，影响食品安全。SiO2 NPs 可能在食物链中生物积累，从土壤转移到作物，再进入水生环境，最终威胁人类健康。其对不同生物的毒性存在差异，浓度依赖性明显，且表面功能化会改变其环境行为和毒性。目前，人类生物积累模式和剂量 - 反应关系缺乏数据，难以建立准确的风险评估模型。
- 经济可行性和规模化障碍：SiO2 NPs 从实验室到农业应用的转化面临经济和规模化难题。传统合成方法成本高昂，生物合成虽理论上可持续，但在提取、纯化和下游加工过程中成本较高，且存在硅转化率低、批次间不一致等问题，影响其在农业中的大规模应用。纳米颗粒的结构不一致性，如多分散指数（PDI） > 0.2，也会降低其在精准农业中的性能。要实现经济可行性，需优化生物合成过程，提高自动化水平，降低成本。
- 监管碎片化：SiO2 NPs 的监管在全球存在碎片化问题，不同地区的风险评估范式和治理框架差异大，定义、风险分类和测试协议不统一。这导致跨国生产商需进行重复测试，增加合规成本，阻碍其全球农业推广。为解决这些问题，国际上正通过协调机制统一化学清单和数据共享平台，加强基础研究为政策制定提供依据，推动公私合作促进技术创新和行业自律。
五、结论与展望
SiO2 NPs 在农业创新中具有增强作物抗逆性和精准递送农用化学品的潜力，生物合成方法为其提供了可持续的生产途径。然而，在环境安全评估、成本效益规模化和全球监管协调方面仍面临挑战，政策碎片化阻碍了其标准化商业化。
未来需跨学科协同合作，深入研究SiO2 NPs 与植物、土壤微生物和环境系统的相互作用机制，尤其是分子层面的机制，建立环境影响预测框架，评估其生态毒性和生物地球化学循环。同时，应优先发展创新的合成和应用技术，如混合合成方法和智能农业应用，提高其成本效益和农艺性能。此外，加强国际合作，促进数据共享、资源整合，建立统一的监管标准，对推动SiO2 NPs 在农业中的可持续应用至关重要。通过解决这些问题，SiO2 NPs 有望推动农业向可持续和精准化方向变革，实现生产力与生态保护的平衡。
