综述：探索金属和金属氧化物纳米材料在现代农业中的潜力：最新综述

《Sustainable Chemistry for the Environment》：Exploring the Potential of Metal and Metal Oxide Nanomaterials towards Modern-Day Agriculture: A Recent Overview

金属氧化物纳米材料（MONMs）通过生物合成方法在可持续农业中展现出作为纳米肥料、农药及抗菌剂的应用潜力，可提升作物产量和土壤质量，但需进一步研究其环境安全性和规模化应用机制。

　　

Sradhanjali Raut | Swetaleena Satapathy | Tanushree Sahoo | Amisha Sahukar | Sushree Sarada Mohanty | Annapurna Sahoo | Susanta Kumar Biswal | Gagan Kumar Panigrahi | Shraban Kumar Sahoo

应用化学系，应用科学学院，Centurion技术与管理大学，奥里萨邦-752050，印度

摘要

可持续的生态系统管理促进了环保农业技术的应用，包括使用金属和金属氧化物纳米材料（MONPs）来提高作物产量。来自植物、细菌和真菌的生物合成纳米颗粒为这些材料赋予了可持续性。这些纳米颗粒的尺寸范围从1到100纳米，相比传统肥料和农药，它们提供了更安全、更高效的机制。作为纳米肥料、纳米农药和抗菌剂使用，它们能够改善土壤质量、提高作物产量并减少对环境的影响。尽管具有潜力，但在农业中MONPs的利用仍然不足，需要进一步研究以充分发挥其优势。最近的进展强调了利用植物和微生物进行生物合成方法来生产经济高效且环保的MONPs。MONPs与植物的相互作用可以增强养分吸收、光合作用、抗氧化酶水平以及基因调控，从而提高产量和抗逆性。此外，MONPs在农业废弃物管理和作为检测养分、病原体和毒素的纳米生物传感器方面也显示出巨大潜力，有助于保护植物和土壤健康。纳米技术为现代农业面临的挑战（如土壤退化、害虫侵扰和农用化学品效率低下）提供了解决方案。纳米颗粒可以通过模拟抗氧化酶来缓解非生物胁迫，确保作物在恶劣环境中的生存能力。然而，关于它们在土壤中的命运、迁移性和毒性的研究仍然有限，大多数研究仅限于实验室阶段。了解植物与纳米颗粒之间的相互作用将有助于改进其在可持续农业中的应用。本文强调了开展广泛研究以有效整合MONPs到农业中的必要性。随着食品需求的增加和环境问题的日益严重，基于纳米技术的农业有望提高作物产量、土壤肥力和实现可持续农业实践。

引言

可持续农业对于实现联合国第17个可持续发展目标“零饥饿”至关重要。农业还包括土壤管理、灌溉、害虫控制等方面[1]、[2]、[3]。农业的主要目标是提供食物和资源以满足人类需求，同时它对经济增长和环境管理也至关重要，因为它能够提高土壤肥力并解决营养不足问题，而肥料是农业的关键[4]、[5]。肥料是施用于植物或土壤中的物质，为植物提供支持强健生长和增加产量的重要养分。一般来说，肥料可以分为无机肥料和有机肥料两类[6]。堆肥、粪肥和骨粉就是有机肥料的天然来源示例，它们可以在增强土壤结构的同时逐渐补充养分[7]、[8]。化学合成的无机或合成肥料通常能提供精确且高浓度的必需养分，主要是钾（K）、磷（P）和氮（N）[9]。 由于当前农业面临诸多问题，全球粮食供应的可持续性和安全性受到威胁。气候变化导致极端天气、洪水和干旱频发以及天气模式不可预测，这些都严重影响了作物产量[10]、[11]。集约化耕作、森林砍伐和过度放牧导致土壤退化，而水资源的污染和不当使用限制了其可用性[7]、[12]、[13]。化学农药的不当使用也会伤害有益昆虫和环境，常常加剧害虫和疾病的爆发。此外，栖息地丧失和生物多样性降低削弱了生态系统适应环境变化的能力[14]、[15]。 小农户面临经济压力，如市场价格波动和大型农业企业的竞争，尤其是在资源和现代技术获取有限的发展中国家。某些地区劳动力短缺进一步加剧了这些挑战[16]、[17]。在环境保护与生产力之间寻求平衡的需求日益增加，这引发了人们对可持续性的更多关注[18]。同时，供应链中的食物浪费仍然是一个严重问题，阻碍了全球粮食安全的保障。应对这些挑战需要全球范围内的协调行动和创新[19]、[20]。 近年来，纳米技术已被用于现代农业的问题解决。在农业中应用纳米材料（NMs）旨在减少养分短缺、提高作物产量、降低用于植物防护的化学物质用量并降低制造成本[21]、[22]、[23]。最新的科学文献指出了纳米技术和纳米科学在提高农业食品可持续性方面的潜在机会[24]。新的策略和方法不断被开发出来，例如基于NMs的产品推出，以改变现代农业实践[3]、[21]。纳米技术在多个领域显著提升了应用性能。最新科学文献指出了纳米技术和纳米科学在提高农业食品可持续性方面的潜在机会[16]、[20]、[25]。 纳米颗粒（NPs）是具有三个纳米级尺寸的粒子，范围从1到100纳米，而纳米材料是指至少有一个维度小于100纳米的材料[26]。这些材料具有很高的敏感性，可以通过两种主要方法实现目标修改：“自上而下”方法是将大分子分解成纳米级颗粒，“自下而上”方法也称为“分子纳米技术”[11]、[27]、[28]。碳、金属和金属氧化物是多种基于纳米的树枝状大分子（纳米级聚合物）和纳米生物材料的构建块。根据应用的不同，会使用各种类型的纳米颗粒，如铁纳米颗粒、金、铝、银、二氧化硅、铜、锌、氧化铈（Ce?O?）、氧化锌和二氧化钛（TiO?）[29]、[30]。这些材料在提高生产力和效率方面的重要性也得到了证实；它们被用于农业中的作物生产和强化[31]、[32]。 铜和银等金属纳米颗粒具有抗菌特性，可以作为保护作物免受有害病毒侵害的屏障，同时减少对化学农药的需求及其造成的环境污染。当纳米颗粒与种子涂层混合时，可以为植物提供持久的抗病性[10]、[33]、[34]。金属氧化物纳米颗粒可作为肥料，有助于促进植物生长并输送对植物生长至关重要的养分[35]、[36]、[37]。纳米颗粒通过吸收养分来增加作物产量。在黑暗环境中，金属氧化物纳米颗粒可以提高光合作用效率，从而提高作物产量[38]、[39]、[40]。通过使用金属和金属氧化物纳米颗粒，我们可以减少环境影响并促进可持续农业。 纳米颗粒具有较大的表面积，因此有助于改善土壤质量、促进植物生长，并提高农业产量和可持续性[41]、[42]。本研究结合了纳米驱动的养分输送（NEND）、害虫和疾病控制（PDC）以及环境调节（ER）的最新进展，重点关注可持续和精准农业。与以往的报道不同，本文详细探讨了纳米材料的特性与其农业性能之间的关联，以及相关的安全问题和未来直接应用潜力，从而提供了对当前情况的全面理解以及对未来的展望。本文解释了纳米材料在减少农业环境影响和提高资源利用效率方面的作用。

现代农业中金属或金属氧化物纳米材料的合成

在现代农业中，为了合成具有独特性质的金属氧化物纳米颗粒，采用了一些先进的方法[43]、[44]。常见的技术包括共沉淀法、溶胶-凝胶法、水热合成和环保绿色合成等。

在共沉淀法中，通过使用化学试剂改变金属盐的尺寸和形状将其转化为金属/金属氧化物纳米颗粒[28]。在溶胶-凝胶法中，液体形成固体凝胶

金属或金属氧化物纳米材料在农业中的应用

由于MONPs的独特性质和相关机制（如前文所述），它们在可持续农业中的应用（如纳米肥料（NFZs）、纳米农药（NPDs）、抗菌剂（AMBs）和纳米生物传感器（NBSs）是一个快速发展的研究领域[115]、[116]。与传统农用化学品相比，使用基于MONPs的NFZs/NPDs/NBSs/AMBs的研究表明，植物对生物和非生物胁迫的耐受性得到了改善

当前情况

对可持续农业实践日益增长的需求推动了先进材料的探索，这些材料能够在减少环境危害的同时提高生产力。金属和金属氧化物纳米材料（MONMs）已成为解决关键农业挑战的创新方案，包括土壤退化、害虫侵扰、养分不足和气候变化等问题。农业中的一个主要问题是重金属和污染物造成的土壤污染

未来挑战

金属和金属氧化物纳米材料（MONMs）具有提高农业生产力和可持续性的潜力，但在广泛采用之前需要解决一些挑战。这些挑战包括环境安全性、人类健康问题、监管空白、经济可行性以及与传统农业实践的整合。

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  关于MONMs的最大担忧之一是它们对环境和人类健康的影响。由于它们的微小尺寸和高反应性，

结论

金属和金属氧化物纳米材料（MONMs）为现代农业挑战提供了创新解决方案，包括养分输送、害虫控制和土壤健康改善。它们的独特性质提高了除草剂和肥料的效率，从而在最小化环境影响的同时提高产量。MONMs还通过促进微生物活动和吸收污染物，在土壤修复中发挥着关键作用，从而有助于实现可持续农业实践。

CRediT作者贡献声明

Sradhanjali Raut：撰写原始稿件、可视化、验证、软件操作。 Swetaleena Satapathy：撰写原始稿件、可视化、验证、软件操作。 Tanushree Sahoo：撰写原始稿件、可视化、验证、软件操作。 Amisha Sahukar：撰写原始稿件、可视化、验证、软件操作。 Sushree Sarada Mohanty：撰写原始稿件、可视化、验证、软件操作。 Annapurna Sahoo：撰写原始稿件、可视化、验证、软件操作。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

我们感谢Centurion技术与管理大学对这项研究的支持。