综述：农业废弃物可持续合成二氧化硅纳米颗粒（SNPs）的研究进展：植物胁迫缓解与可持续性三角

这篇综述系统探讨了从农业废弃物（如稻壳、甘蔗渣）中可持续合成二氧化硅纳米颗粒（SNPs）的技术及其在缓解植物非生物胁迫（盐害、干旱、重金属毒性）中的应用，并创新性地提出从经济、环境、社会可持续性三角（Sustainability Triangle）角度评估SNPs生产的综合效益。文章强调SNPs通过调节离子稳态（K+/Na+平衡）、增强抗氧化防御系统（ROS清除）和改善光合作用等机制提升作物抗逆性，同时指出需结合技术经济分析（TEA）和生命周期评估（LCA）推动规模化应用。

　　

农业废弃物衍生SNPs的可持续合成与应用

摘要

二氧化硅纳米颗粒（SNPs）作为多领域应用的无机纳米材料，近年来在农业抗逆领域展现出独特价值。通过从稻壳、甘蔗渣等富含硅的农业废弃物中提取SNPs，不仅实现了废弃物高值化利用，还契合联合国可持续发展目标（SDG 12和13）。研究表明，SNPs能有效缓解盐度（Na⁺竞争性抑制）、干旱（提高水分利用效率）和重金属污染（螯合作用）导致的作物减产（50%-70%），其机制涉及调控K⁺/Na⁺平衡、增强超氧化物歧化酶（SOD）活性及稳定光合系统II（PSII）。

SNPs的合成方法

热解法在550-750°C下燃烧有机质获得高纯度无定形硅，但伴随CO₂和PM_2.5排放；化学溶胶-凝胶法通过酸/碱处理控制孔径（5-3000 ?）和表面硅醇基（Si-OH）功能化，但强腐蚀性试剂增加环境风险；生物转化法利用镰刀菌（Fusarium）在温和条件下生物矿化硅酸（Si(OH)₄），虽环保却面临产率瓶颈。优化策略如响应面法（RSM）可平衡反应温度（152.67°C）与时间（6 h），使粒径达276 nm且多分散指数（PDI）降至0.1896。

抗逆应用机制

在盐胁迫中，SNPs通过抑制Na⁺转运蛋白（如SOS1）减少50%钠离子积累，同时提升钾吸收（K⁺含量增加30%）；干旱条件下，纳米硅（100 mg/L）使小麦叶片相对含水量（RWC）提高25%，并通过诱导气孔关闭减少水分流失；针对重金属（如Cd²⁺），SNPs与金属形成硅-金属共沉淀体，使水稻根系镉吸收降低40%。典型案例包括：香蕉在盐渍土中产量提升33.3%，大豆种子萌发率在-5 bar渗透压下仍保持80%。

可持续性挑战与未来

尽管技术经济分析（TEA）显示年产1.2万吨SNPs需4025万美元投资（回收期4.8年），但生命周期评估（LCA）揭示化学法每千克SNPs产生8.7 kg CO₂当量。未来需开发生物-化学耦合工艺，并建立包含社会效益（如农村就业）的三维评价模型，真正实现从"实验室创新"到"田间可持续"的跨越。