综述：利用纳米生物炭和生物炭实现可持续重金属修复及增强作物耐受性：纳米生物传感与环境健康领域的创新方法

这篇综述系统阐述了纳米生物炭(Nano-biochar)和传统生物炭(Biochar)在重金属(HMs)污染修复中的协同作用机制，重点分析了其通过静电吸引、氧化还原反应和阳离子-π相互作用等先进机制实现重金属固定化（降低作物吸收30-95%），同时提升作物产量（最高59%）和土壤健康（碳封存达30%）。文章对比了两种材料的制备工艺、修复效率及农业应用潜力，为发展气候智能型农业提供了理论支撑。

　　

重金属污染的环境挑战

全球约2400万公顷农田受重金属污染，导致作物减产高达40%，并通过食物链威胁1600万人的健康。工业活动、采矿和农业施肥是主要污染源，其中镉(Cd)、铅(Pb)、砷(As)等重金属会破坏植物细胞膜完整性，干扰光合作用，并诱发活性氧(ROS)积累。

生物炭：土壤的"黑金"

通过缺氧热解农业废弃物（如稻壳、木屑）制备的生物炭，具有多孔结构和丰富官能团（-COOH、-OH）。其修复机制包括：

1. 1.

   直接作用：通过离子交换、表面沉淀（如形成Pb₃(CO₃)₂(OH)₂）和π-电子络合固定重金属

2. 2.

   间接调节：提升土壤pH值，促进有益微生物（如芽孢杆菌属Bacillus）增殖，增强养分循环

纳米生物炭的突破性优势

通过球磨或超声处理的纳米级生物炭（粒径<100nm）具有更大比表面积（300-1500m²/g），其独特性能表现为：

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  高效吸附：对Cd和Pb的吸附容量分别达8.7mg/g和126mg/g

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  靶向修复：通过表面硫醇(-SH)基团特异性结合汞(Hg²⁺)

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  生物传感：石墨烯结构可作为电化学传感器，实时监测土壤pH和重金属生物有效性

植物防御系统的激活

两种生物炭通过三重机制增强植物抗逆性：

1. 1.

   生理调控：玉米秸秆生物炭使叶片MDA含量降低86.5%，SOD酶活性提升5倍

2. 2.

   分子调控：上调抗氧化基因OsCAT和OsAPX表达（4-5倍），抑制重金属转运蛋白BnNRAMP3

3. 3.

   根际改良：促进根系分泌柠檬酸，与重金属形成稳定络合物

应用挑战与未来方向

当前限制包括：

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  纳米生物炭生产成本较高（约50美元/kg）

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  长期使用可能改变土壤微生物群落结构

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  需建立标准化风险评估体系

研究建议优先开发基于本地废弃物的低成本制备工艺，并开展多气候区的田间验证试验。通过政策激励（如碳信用补贴）和农民培训，推动这些可持续技术在重金属污染土壤修复和精准农业中的规模化应用。