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随着全球人口增长与城市扩张，水培农业日益重要，但纳米营养输送在水培作物中的作用尚不明晰。研究人员用Chrysalidocarpus lutescens叶提取物绿色合成 ZnO 单金属（MNP）和 Zn-Cu 双金属纳米颗粒（BNP）。结果显示其能促进Cicer arietinum生长，且生态安全，为水培农业提供新方案。
研究背景
在人口持续增长的今天，预计到 2050 年全球人口将达 100 亿。与此同时，城市的不断扩张使得肥沃农田的面积急剧减少。在这样的背景下，传统农业面临着巨大的挑战，粮食短缺的危机逐渐显现。而水培农业凭借其高效利用水和肥料、适应不同气候条件等优势，成为了农业发展的新希望，尤其在城市和垂直农业领域展现出巨大潜力。
然而，水培农业要实现高产量，精准供应植物生长所需的微量营养元素至关重要。锌（Zn）和铜（Cu）作为植物生长不可或缺的微量元素，在植物的新陈代谢过程中发挥着关键作用，参与电子传递、能量转换、酶激活、蛋白质合成以及光合作用等重要生理活动。但现实却很残酷，全球范围内耕地中 Zn 和 Cu 缺乏的问题十分普遍，分别约有 49% 和 14% 的耕地受此困扰。
当前在农业生产中，常用的金属微量元素肥料存在诸多问题。无机形式的 Zn 和 Cu 盐在无土栽培中容易因溶液 pH 值变化而沉淀，导致植物难以吸收；螯合态的微量元素肥料虽然营养输送效率较高，但成本高昂，难以大规模应用。纳米形式的金属微量元素肥料虽被视为解决这些问题的潜在方案，在土壤栽培中也展现出促进作物生长等优势，但在水培领域的研究却相对匮乏，尤其是双元素纳米肥料的研究，以及纳米肥料对水培植物代谢影响的评估，几乎是一片空白。而且纳米肥料潜在的毒性问题也引发了人们的担忧，其对植物和土壤微生物的影响尚不明确。为了突破这些困境，探索更高效、安全的水培作物营养输送方式，科研人员踏上了探索之旅。
研究团队与研究内容
来自国内的研究人员针对上述问题开展了深入研究。他们创新性地利用Chrysalidocarpus lutescens（散尾葵）的酒精叶提取物（ALE），通过绿色合成路线制备 ZnO 单金属纳米颗粒（MNP）和 Zn-Cu 双金属纳米颗粒（BNP）。选择散尾葵是因为其富含多种植物化学物质，具有强大的自由基清除能力和较高的 IC50值。研究人员运用响应面法优化 MNP 和 BNP 的结构均匀性和批量产量，并以鹰嘴豆（Cicer arietinum）为试验作物，对比 MNP、BNP 与非纳米级 Zn 和 Cu 在水培条件下的效果，同时评估纳米颗粒对微生物的生态安全性。
研究采用的关键技术方法主要有：利用植物提取物进行纳米颗粒的绿色合成，通过响应面法优化纳米颗粒合成条件，在水培系统中进行作物种植实验，以及对微生物进行安全性测试实验。
研究结果
- 纳米颗粒的合成与优化：研究发现，在 pH 值为 9、ALE 浓度为 3% 时，MNP 和 BNP 的结构均匀性和产量达到最佳。MNP 每批产量为 20.54 ± 0.15 g，BNP 每批产量为 18.37 ± 0.30 g。两种纳米颗粒均为 30 - 85 nm 的六方纳米晶体，在碱性 pH（约 9）条件下稳定，具有均匀的孔体积、表面积和表面电荷。
- 对作物生长的影响：不同剂量的 MNP、BNP 处理鹰嘴豆实验表明，250 和 500 mg/L 剂量的 MNP 和 BNP 显著促进了鹰嘴豆的发芽，发芽率提高约 40 - 45%，胚芽生长增加约 18 - 22%。同时，这些纳米颗粒增强了幼苗的叶绿素稳定性，降低了氧化应激。
- 生态安全性评估：MNP 和 BNP 对根瘤菌（Rhizobium sp.）和伤寒沙门氏菌（Salmonella typhi）等微生物生态安全，在 250 mg/L 至 2000 mg/L 的剂量范围内均保持活性。
研究结论与意义
这项研究成功开发了一种高效且经济的绿色合成方法，用于制备对作物生长至关重要的 MNP 和 BNP。这些纳米颗粒不仅产量可观，而且具有良好的生物相容性，富含有机成分。它们在水培系统中表现出色，能够有效促进作物生长，同时保障微生物的生态安全。这一研究成果为水培农业或其他农业平台提供了新的营养输送方案，有望解决当前 Zn - Cu 营养生物利用度的问题，改善植物整体生理状态，推动农业可持续发展。该研究成果发表在《Chemosphere》上，为相关领域的研究提供了重要的参考，为未来农业发展开辟了新的方向，让人们看到了纳米技术在农业领域应用的广阔前景。
