氮掺杂碳量子点纳米肥料在太空水培大麦中的应用：促进"繁茂太空花园"的生物亲和设计

为解决太空环境中植物营养胁迫及宇航员心理福祉问题，研究人员开展氮掺杂碳量子点(NCDOTS)纳米肥料在水培大麦中的生物亲和设计研究。通过调控氮浓度(1 mM HN vs 0.5 mM LN)和叶面施肥(FF)时机(7 DAS vs 14 DAS)，发现早期FF可提升SPAD值(最高达31)和地上生物量(S/R比3.2)，证实NCDOTS能有效缓解氮胁迫并维持植物观赏性。该研究为太空农业的氮利用效率提升和心理支持系统设计提供新思路。

　　

在长期太空任务中，宇航员面临双重挑战：封闭环境带来的心理压力与有限资源下的食物生产难题。传统解决方案往往将这两个问题割裂对待，而最新研究揭示，通过生物亲和设计（Biophilic design）将植物引入太空舱，既能提供新鲜食物，又能通过自然元素缓解心理压力。然而太空特殊环境——尤其是微重力导致的营养输送障碍和资源限制——使得常规植物栽培技术难以奏效。氮作为植物生长关键元素，其利用效率直接关系到太空农业的可行性和植物观赏价值。

针对这一交叉领域难题，国外研究团队在《Plant Physiology and Biochemistry》发表创新性研究，将前沿纳米技术与传统植物生理学相结合。研究采用非循环水培系统模拟太空条件，通过精确控制氮浓度（1 mM HN高氮 vs 0.5 mM LN低氮），并引入氮掺杂碳量子点（NCDOTS）纳米肥料，系统评估了不同施肥策略对水培大麦生长特性和生物亲和参数的影响。

关键技术方法包括：1）建立非循环水培系统模拟太空种植环境；2）应用土壤植物分析开发（SPAD）技术定量监测叶片绿度；3）采用氮掺杂碳量子点（NCDOTS）作为新型纳米肥料；4）对比分析叶面施肥（FF）与根部施肥效果；5）通过3D建模和AI（SDXL 1.0）可视化太空生物亲和设计场景；6）在真实尺寸太空舱模型中进行验证实验。

3.1 Effect of spraying after days of sowing (DAS)
研究发现施肥时机对植物生物亲和特性具有决定性影响。早期（7 DAS）叶面施肥使SPAD值从25.1显著提升至31.1，而延迟至14 DAS施肥则效果锐减。这表明幼嫩叶片对氮的吸收效率更高，与叶片表面蜡质层发育程度相关。地上生物量（shoot）在早期处理组增加27%，验证了"萨凡纳假说"中植物形态与人类心理偏好的关联性。

3.2 Spray frequency
每周两次的NCDOTS叶面喷施使0.5 mM LN条件下的分蘖数达到1 mM HN水平，但SPAD值提升有限。值得注意的是，高频施肥反而导致地上生物量下降，揭示出纳米肥料存在最佳施用频率。这一发现为太空农业的自动化施肥系统设计提供了关键参数。

3.3 Effect of applying in solution
将NCDOTS直接加入营养液的研究取得突破性发现：在LN条件下，1 ml 100 mg/L NCDOTS使地上鲜重达到1.88g，接近HN对照组（2.20g）。通过荧光检测证实表面活性剂Tween 20不影响NCDOTS的荧光特性（450 nm），为其在复杂太空环境中的应用扫清技术障碍。

3.4 Biophilic design of space chambers
基于实验数据构建的3D模型显示，SPAD值32的"理想生物亲和植物"场景最具心理舒缓效果。研究创新性地将叶片颜色RGB值（15,114,58）与叶绿素含量（LCC）关联，为太空舱视觉设计建立量化标准。人工智能生成的场景证实，具有多分蘖（70片叶）的植物布局最符合人类对"繁茂"的审美偏好。

3.5 Biophilic plant growth inside a realistic replica of a spacecraft architecture
在真实尺寸太空舱模型中，甜罗勒（Ocimum basilicum）在LN（0.5 mM）条件下的表现尤为突出：全光谱光照下SPAD值与HN组相当，但资源消耗降低50%。这一结果证实，即使在非理想光照条件（PAR 32.9 μmol m^-2
s^-1
）下，NCDOTS仍能维持植物的生物亲和功能。

该研究通过交叉创新方法，将纳米技术、植物生理学和空间设计有机结合，取得三项重要突破：首先，证实早期叶面施用NCDOTS可克服太空氮限制，使LN条件下的SPAD值提升176%；其次，建立太空植物生物亲和特性的量化指标体系（SPAD≥32，S/R≥3.2）；最后，开发出适用于真实太空舱的"繁茂花园"设计准则。这些发现不仅提高了太空农业的可持续性，更重要的是为长期太空任务中的心理健康维护提供了可量化的解决方案。研究展望部分指出，未来需在真实微重力环境中验证这些发现，并探索NCDOTS对其他必需元素的协同运输作用。

这项研究的独特价值在于，它超越了传统太空农业的"食物生产"单一维度，开创性地将植物科学、材料技术和环境心理学融合，为下一代太空栖息地设计提供了跨学科蓝图。随着人类深空探索时代的到来，这种兼顾物质需求和精神福祉的系统解决方案，或将重新定义人类与太空环境的关系。