综述：多糖聚合物基纳米颗粒在纳米肥料和纳米农药中的应用——一篇综述

本综述系统分析了多糖聚合物（PPs）基纳米颗粒作为智能递送系统在可持续农业中的应用潜力。文章重点探讨了壳聚糖（chitosan）、藻酸盐（alginate）、纤维素（cellulose）和淀粉（starch）等天然聚合物的合成策略、控释机制（如pH/温度响应行为）及其与土壤环境的相互作用，并指出其在减少农用化学品（如肥料、农药）滥用、降低环境风险（如土壤微生物群破坏、地下水污染）方面的显著优势，同时提出从实验室创新迈向田间应用的转化路径与未来挑战。

　　

多糖聚合物基纳米颗粒在农业中的应用与机制

引言

全球人口增长和植物病原体威胁加剧了对粮食安全的迫切需求。尽管传统化肥和农药仍不可或缺，但其过度使用导致害虫抗性、土壤微生物群破坏和环境污染等问题日益严重。智能聚合物材料，尤其是多糖基纳米颗粒，为农用化学品的可控和靶向递送提供了创新解决方案。这类系统利用天然多糖的环境兼容性和可调控的物理化学特性，旨在实现 agrochemical 的高效利用与生态风险最小化。

聚合物类型

多糖聚合物主要分为天然与合成两类，本综述聚焦于天然多糖基聚合物，如壳聚糖、淀粉、纤维素和藻酸盐。这些材料凭借其独特的结构特征（如分子量、分支度和功能团可用性）形成纳米颗粒输送系统。例如，壳聚糖的胺基可通过与多价阴离子（如三聚磷酸盐，TPP）发生离子凝胶化形成稳定纳米载体；藻酸盐的羧基则促进钙离子交联，形成可控释放体系。

聚合物合成方法

多糖基纳米颗粒的合成策略多样，直接影响其尺寸、形态及功能。离子凝胶法依靠静电作用在温和条件下形成纳米颗粒，适用于亲水性化合物（如尿素）的封装，封装效率常高于85%。乳液溶剂蒸发法则适用于疏水性农药（如阿特拉津），尽管使用有机溶剂，但其高封装效率（>90%）和可调释放特性使其在复杂活性成分输送中具有优势。纳米沉淀和聚电解质复合化等技术也被广泛采用，用于改善载体的生物降解性和响应行为（如pH或酶触发释放）。

释放机制与动力学

多糖纳米颗粒的释放行为受多种机制调控。水解降解：聚乳酸（PLA）和聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）等通过酯键水解逐步释放内容物，降解速率可通过共聚比例和分子量调节。酶介导降解：壳聚糖和藻酸盐在土壤酶作用下降解，其速率可与植物吸收窗口匹配，从而提高养分利用效率。交联密度：高交联矩阵延缓释放，但过强交联可能阻碍降解。此外，亲水聚合物矩阵（如淀粉水凝胶）在湿润土壤中溶胀，形成扩散通道，其释放速率受聚合物分子结构、土壤湿度和离子强度影响。

稳定性和土壤相互作用

纳米颗粒的稳定性是其农业应用成功的核心。胶体稳定性：通过表面电荷（zeta电位）和稳定剂（如聚乙二醇，PEG）维持分散状态，防止聚集。化学稳定性：抗氧化和水解能力确保载体在到达靶点前保持完整。生物稳定性：土壤微生物和酶可降解聚合物，但需平衡降解速率与有效递送需求。纳米颗粒与土壤组分的吸附/解吸行为也影响其生物利用度和移动性，例如带正电的壳聚糖纳米颗粒易吸附于土壤黏粒，减少淋溶但可能限制作用范围。

应用案例

多糖纳米载体已广泛用于农药和肥料的控释：

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  除草剂：藻酸盐-膨润土复合载体显著减少异丙隆在土壤中的移动，降低地下水污染风险。

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  杀虫剂：壳聚糖-藻酸盐球体延迟咪唑啉类杀虫剂释放达36小时，提高杀虫持久性并减少施药频率。

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  杀菌剂：负载羧菌灵的壳聚糖-果胶纳米颗粒对 Aspergillus parasiticus 和 Fusarium oxysporum 表现出增强的抑制活性，且对番茄、玉米等作物种子发芽无不利影响。

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  肥料：羟基磷灰石-尿素纳米复合物在60天内持续释放养分，水稻田间试验表明其可提高产量并减少50%肥料用量。

刺激响应系统（如pH、温度敏感载体）进一步提升了精准农业潜力。例如，壳聚糖/γ-聚谷氨酸复合物在碱性土壤（pH 8.5）中释放率高达69.5%，适用于靶向递送；温敏聚合物聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAm）在田间温度变化下调控活性成分释放。

优势与挑战

多糖聚合物载体可有效减少养分和农药淋失，提高水肥利用效率，尤其在干旱环境中发挥重要作用。然而，其应用仍面临挑战：成本较高、内容物提前释放、缺乏标准化评估方法以及合成材料在环境中的降解不确定性。未来需开发绿色提取技术、优化材料结构，并加强多糖与土壤生态系统的互动研究。

未来研究方向

探索海洋多糖（如海藻提取物）和基因修饰碳水化合物结构有望拓展材料来源。智能传感器集成与AI驱动设计将助力开发自适应释放系统。同时，必须解决规模化生产、环境毒理学风险和监管标准缺失等转化瓶颈，以推动多糖纳米载体从实验室创新迈向田间实践。

结论

多糖聚合物纳米颗粒为可持续农业提供了高效、环保的农用化学品递送方案。通过理性设计合成策略、释放机制和土壤适应性，这些系统有望显著提升作物产量、减少环境足迹。然而，实现其广泛应用仍需跨学科合作，解决稳定性、成本和大田验证等关键问题。