综述：生物基碳量子点：一种用于农药去除和可持续植物保护的新兴纳米技术范式

《Science & Sports》：Biobased carbon quantum dots: An emerging nano-enabled paradigm for pesticide removal and sustainable plant protection

碳量子点通过调节ROS、激活防御基因和改善细胞功能，缓解植物非生物（干旱、重金属、盐碱等）和生物（病原体、昆虫、杂草）胁迫，与纳米肥料协同可优化土壤微生物并降低毒性。当前挑战包括毒性阈值、规模化生产和技术标准，未来需结构-功能优化与可持续农业整合。

　　碳量子点（Carbon Quantum Dots, CQDs）作为一种新型的纳米材料，近年来在植物保护领域展现出巨大的潜力。它们以其可调控的表面化学特性、高生物相容性以及独特的光学性能而受到广泛关注。这些纳米尺度的碳颗粒不仅能够改善植物对多种胁迫因子的响应能力，还在促进植物生长、增强抗病能力、优化土壤微生物环境等方面发挥着重要作用。随着全球人口的增长和对粮食需求的增加，传统农业实践在提高作物产量的同时也带来了严重的生态问题和环境负担。因此，寻找一种既能有效保护作物，又能减少对环境和生态系统的负面影响的新型技术成为迫切需求。CQDs作为其中的创新解决方案，正逐步被引入到可持续农业体系中，为未来的植物保护提供新的思路。

CQDs的核心特性来源于其独特的结构和合成方法。这些纳米颗粒通常呈零维球形结构，具有较高的荧光强度和可调控的尺寸，这使得它们在水中的溶解性良好，并能够与其他纳米材料或纳米乳液形成弱共价键，从而增强其化学稳定性。CQDs的物理特性使其在多种应用场景中表现出色，例如在植物细胞内的追踪、对生物分子或病原体的高灵敏度检测、高分辨率成像以及对植物系统中微生物动态的实时监测。这些功能得益于CQDs的光学和电子特性，如尺寸可调的荧光、优异的光稳定性以及对紫外可见光的强吸收能力。

CQDs的合成方法主要包括自上而下（top-down）和自下而上（bottom-up）两种方式。自上而下的方法通常通过物理手段如超声波剥离、激光烧蚀、热处理、电化学剥离、机械剥离、球磨和化学处理等来实现。这种方法被认为是CQD生产中最便捷且产率较高的策略，因为它操作简单，且适用于多种材料的加工。然而，为了获得理想的尺寸和表面修饰，自上而下的方法往往需要高成本的设备和严格的实验条件，这在大规模生产中可能会带来一定的挑战。相比之下，自下而上的方法通常依赖于化学反应，通过将有机或无机前驱体进行分解和重组来合成CQDs。这种方法虽然具有较高的可控性，但可能涉及复杂的反应过程和较高的生产成本。

随着对可持续农业的需求日益增长，CQDs的绿色合成方法逐渐成为研究的重点。绿色合成不仅能够降低生产成本，还能减少对环境的污染，提高材料的生物相容性。许多研究已经表明，利用生物质及其衍生物作为前驱体合成CQDs具有诸多优势，如丰富的原料来源、良好的生物相容性、抗菌活性以及可再生性。此外，生物质来源的CQDs通常具有较高的水溶性和生物活性，使其在植物保护中表现出更优异的性能。因此，绿色合成方法被认为是未来CQD生产和应用的重要方向。

CQDs在植物抗逆性方面的应用主要体现在其对非生物胁迫和生物胁迫的缓解能力。非生物胁迫包括干旱、重金属污染、化学胁迫、盐碱、高温和紫外线辐射等。这些胁迫因子会破坏植物的正常生长，影响其生理功能。研究表明，CQDs能够通过调节植物体内的活性氧（ROS）水平，提高植物对这些胁迫因子的抵抗能力。例如，在干旱条件下，CQDs可以增强植物细胞的水分保持能力，促进其对水分的吸收和利用效率。在重金属污染的土壤中，CQDs能够通过吸附或转化重金属离子，降低其对植物的毒害作用。此外，CQDs还能通过增强植物的抗氧化系统，如超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）等酶的活性，帮助植物抵御因环境变化引起的氧化损伤。

生物胁迫主要包括病原微生物（如真菌、细菌、线虫、病毒和卵菌）以及害虫和杂草等。CQDs在缓解这些生物胁迫方面同样表现出色。例如，CQDs能够通过激活植物的防御机制，如刺激防御酶的活性和调节植物激素的合成，提高植物对病原体的抵抗力。研究发现，CQDs可以进入植物细胞，并在细胞核内与DNA结构相互作用，从而促进防御基因的表达，增强植物的抗病能力。此外，CQDs还能通过干扰病原体的生长和繁殖，减少其对植物的侵害。在对抗害虫方面，CQDs能够通过改变植物细胞的生理状态，诱导氧化应激，从而破坏害虫的细胞结构，抑制其生长。对于杂草，CQDs可以通过影响其根系发育，增强对杂草的抑制作用。

除了对植物本身的保护作用，CQDs在改善土壤环境和促进土壤微生物健康方面也具有重要价值。作为新型的纳米肥料（CNFs），CQDs能够提供较高的比表面积，增强对水分和养分的吸附能力，并通过缓慢释放这些物质来提高肥料的利用率。这种特性使得CQDs成为一种“智能肥料”，能够在不同环境条件下调节养分的供给，从而提高作物的生长效率。此外，CQDs能够促进土壤微生物的生长和活性，提高土壤的肥力。研究表明，CQDs与传统肥料的结合能够显著提高土壤的养分保持能力，减少肥料的流失，提高作物的产量。同时，CQDs还能通过吸附和降解土壤中的有害物质，降低土壤的毒性，提高其生态安全性。

然而，尽管CQDs在植物保护领域展现出诸多优势，其应用仍然面临一些挑战。首先，CQDs的毒性问题需要进一步研究。虽然研究表明CQDs具有较低的细胞毒性和良好的生物相容性，但其长期积累可能会对植物和土壤微生物产生潜在影响。因此，需要对CQDs的毒性阈值进行更精确的评估，以确保其在实际应用中的安全性。其次，CQDs的规模化生产和应用仍然存在一定的困难。由于CQDs的合成需要特定的条件和设备，其大规模生产可能面临成本和技术上的限制。此外，CQDs在实际田间应用中的效果仍需进一步验证，以确保其在不同土壤类型和气候条件下的适用性。最后，CQDs的监管体系尚不完善，需要建立相应的标准和规范，以促进其在农业领域的规范化应用。

未来的研究应重点关注CQDs的结构-功能优化，以提高其在植物保护中的效率和安全性。此外，还需要探索CQDs与其他纳米材料的协同作用，以开发更高效的复合型纳米肥料和植物保护剂。通过优化CQDs的合成方法和表面修饰，可以提高其在水中的分散性，增强其生物活性，并减少其潜在的毒性。同时，还需要加强对CQDs在田间应用中的研究，评估其对植物生长、土壤健康和生态环境的综合影响。此外，建立完善的监管体系和标准化流程，将有助于推动CQDs在农业领域的广泛应用。

在实际应用中，CQDs可以与传统的农业管理方法相结合，形成更加综合和可持续的植物保护策略。例如，将CQDs与生物防治技术相结合，可以提高植物对病原体和害虫的抵抗力，减少对化学农药的依赖。同时，CQDs还可以与纳米肥料协同使用，提高土壤的肥力和微生物活性，促进作物的健康生长。此外，CQDs在精准农业中的应用也具有重要意义，例如通过监测土壤中的病原体和有害物质，提高农业生产的效率和安全性。随着对CQDs研究的不断深入，其在农业领域的应用前景将更加广阔。

综上所述，CQDs作为一种新型的纳米材料，具有广泛的潜在应用价值。它们在植物抗逆性、土壤健康和生态环境保护等方面展现出显著的优势。然而，其应用仍然面临一定的挑战，如毒性控制、规模化生产和监管体系的建立。因此，未来的研究应重点关注这些方面，以推动CQDs在农业领域的进一步发展和应用。通过不断优化CQDs的性能和应用方法，可以实现更加高效、环保和可持续的植物保护策略，为农业生产的绿色转型提供新的技术支持。