化学活化生物炭促进玉米种子萌发：一种生物炭-超声波种子预处理综合方法

《Biocatalysis and Agricultural Biotechnology》：Chemically Activated Biochar for Enhancing Zea mays Germination: An Integrated Biochar–Ultrasonic Seed Priming Approach

　　**摘要要点**- 由非活性种子制备的生物炭促进循环经济。- 硼氢化钠活化所制得的生物炭效果最佳。- 超声波预处理与生物炭协同作用促进生长。- 低浓度生物炭促进种子萌发，而高剂量则具有毒性。**引言**始于20世纪的"绿色革命"标志着农业史上一项重要的技术里程碑，通过推广高产品种的引进，主要得益于哈伯-博施工艺所实现的合成氮肥使用，大幅提升了粮食产量。然而，这一模式在环境方面被证明是不可持续的，导致了土壤退化和温室气体排放的增加（Lowry等，2019）。在当前的背景下，农业面临日益复杂的挑战。气候变化加剧了非生物胁迫，如干旱（Lesk等，2022；Xiong等，2018）、热胁迫（Zandalinas等，2021）和洪涝（Bispo和Vieira，2022），以及由害虫（Prasanna等，2022）和病原微生物（Amezrou等，2024）引起的生物胁迫，这些问题已导致主要作物产量损失高达50%（Shehata和Ibrahim，2023；Savary等，2012）。因此，对能够平衡增产与环境保护的替代方案的紧迫性日益增长，尤其是考虑到预计到2050年全球粮食需求将增加50%至70%的预测（Fonseca等，2024；Chowdhury等，2024）。可持续的增强植物对非生物和生物胁迫抗性的策略日益聚焦于碳质材料作为生物刺激剂，以改善萌发、幼苗活力、生长相关基因激活及整体植物发育（Bilias等，2021；Zahid等，2025；Zhang等，2022a）。其中，生物炭因其可调控的表面化学性质和多孔碳质结构，脱颖而出，成为种子预处理应用中极具前景的生物刺激剂候选材料（Oliveira等，2023a；Oliveira等，2023b；Fartyal等，2025）。生物炭是通过在限氧或无氧条件下对生物质进行热化学处理而制备的富碳产品（Chettri等，2024；Schmidt等，2021）。该材料通常具有高比表面积、孔隙率、热稳定性以及活性含氧基团（Xi等，2020）。其生产涉及木质纤维素废弃物的高温转化，促进了碳封存和废弃物的增值利用。尽管原始生物炭具有一定的有益特性，但化学活化后的表面官能团和孔道结构的优化（Machado等，2020；Panwar和Pawar，2022；Xu等，2021；Sakhiya等，2021；Anto等，2021）对于各种应用（包括种子预处理）至关重要（López-Vargas等，2020；Yuan等，2023；Zhang等，2022b；Khatri等，2025）。近期，基于超声波的策略在种子技术中显示出令人鼓舞的结果（Huang等，2024）。超声波处理种子是一种物理技术，用于打破休眠并提高萌发率和胁迫耐受性（Rao等，2018；Sharififar等，2015）。超声处理过程中产生的机械波可改变细胞结构、增加膜通透性并刺激种子代谢，从而促进更快、更茁壮的萌发（Teixeira和Dobránszki，2014）。为评估此类先进种子预处理技术的生理功效，本研究选用玉米（*Zea mays* L.）作为模式作物。玉米是全球栽培最广泛的作物之一，其重要性体现在人类和动物营养领域，以及在生物燃料和生物制品产业中的关键作用（Rashid等，2025）。然而，玉米种子的萌发和早期幼苗建立阶段极易受到环境胁迫的影响，从而直接影响种子活力、代谢活性和作物建立（Mustamu等，2023；Ullah等，2025；Rhaman等，2024；Vijayakumar等，2023）。为解决这些发育脆弱性问题，玉米种子改良方面已尝试多种方法，包括渗透预处理（Kakar等，2023）、植物生长调节剂（Anwar等，2024）和纳米粒子处理（Meena等，2017；Punitha等，2023）。生物炭也已被研究用于改善玉米萌发和早期生长，研究表明在优化的应用速率下，种子活力、根系发育和养分吸收均有提升（Ali等，2021；Das等，2020；Zheng等，2013）。此外，当生物炭与促生微生物（尤其是*枯草芽孢杆菌*）结合使用时，观察到了协同效应，改善了玉米养分有效性和幼苗建立（Ajeng等，2023；Liao等，2024；Vlajkov等，2023）。然而，化学活化生物炭与超声种子预处理的联合使用在玉米种子中仍 largely 未被探索。超声波处理可增强水分吸收（Nogueira等，2025；Nogueira等，2026），而异原子掺杂生物炭则可提供生物活性官能团；不过，两者联合应用的潜在协同效应尚未得到研究。本研究通过整合声空化效应与活化生物炭，以增强其与种子微环境的相互作用，填补了这一研究空白。本研究采用因自然老化而丧失活力的大豆籽粒（非活性种子）合成生物炭，并分别以KOH、ZnCl?或NaBH?对其进行化学活化。随后，将这些碳质材料作为预处理剂应用于经超声波处理的玉米种子。选择大豆籽粒作为碳前体，是因为其高蛋白含量（干重基础35-40%），这为热转化过程中原位自掺杂提供了内在氮源，从而无需外加氮掺杂剂（Qin等，2022）。所选活化剂各具不同的化学功能：KOH生成高度多孔的碳材料；NaBH?因其还原能力以及在热解过程中可能引发的脱氧和脱羟基反应而被选用，这有助于生成含氧表面基团较少、石墨有序度可能提高的生物炭；ZnCl?则促进纤维素溶胀和挥发，增强孔道发育（Ate?，2024；Hong等，2026；Jedynak和Charmas，2024）。非活性大豆种子的增值利用以及种子预处理策略的开发，可能有助于资源效率和循环生物经济目标；但在评估该方法的总体可持续性时，必须考虑化学活化的环境和经济影响。**分段摘要****材料**所有化学试剂均从商业渠道购买，未经进一步纯化即直接使用。由巴西农业研究公司（Embrapa，巴西巴拉那州隆德里纳）提供的因萌发不 viable 而被废弃的大豆籽粒批次，被用作生物炭合成的生物质；玉米种子（*Zea mays* L.）Al Piratininga品种则采购自BRseeds Sementes LTDA。硼氢化钠（NaBH?，98%）购自Sigma-Aldrich，氧化锌……**结果与讨论**用于合成多孔碳质材料的实验方法如图1A所示。大豆衍生的生物质作为生物炭生产的碳前体，分别以KOH、NaBH?或ZnCl?进行化学活化。图1B展示了77K下的N?物理吸附等温线；根据IUPAC分类法（Sing，1982；Condon，2006），这些等温线被归类为IV型，具有H4型滞后环，表明存在微孔和介孔。**结论**本研究证明了经化学活化的大豆衍生物炭与超声波处理相结合，作为一种播前策略，能够改善*Zea mays L.*的萌发和早期幼苗发育。在各类活化剂中，NaBH?表现最佳，这与其硼官能团及更高的氮含量有关。剂量-反应分析揭示了毒物兴奋效应（hormetic effect），即中等浓度可增强幼苗活力，而较高浓度则……**CRediT作者贡献声明****Bráulio Silva Barros：** 写作-审阅与编辑、写作-原稿撰写、监督、资源提供、项目管理、资金获取、概念化。**Joyce dos Santos Farias：** 写作-审阅与编辑、写作-原稿撰写、调查研究、形式分析。**Flávia Gomes da Silva：** 写作-原稿撰写、方法论、调查研究、形式分析。**Joanna Elzbieta Kulesza Barros：** 写作-审阅与编辑、写作-原稿撰写、资源提供、调查研究、资金……**未引用参考文献**巴西农业、畜牧业与供应部，2009；Dong等，2023；Qin等，2022；Sing，1985。**利益冲突声明**作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。**数据可用性**数据可向作者请求获取。**利益冲突声明**? 作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。**致谢**作者感谢CNPq/MCTI/FNDCT通过INOVA GRAFENO计划（资助项目409160/2022-9，B.S.B.）提供的资金支持，以及通过FACEPE的PERNAMBUCANAS INOVADORAS计划（资助项目APQ-0791-3.03/24，J.E.K.B.）提供的支持。F. Gomes和J. Farias感谢CAPES（资助项目88887.963596/2024-00）和CNPq（资助项目382758/2023-4）提供的奖学金。B. S. Barros感谢CNPq提供的研究生产力津贴（资助项目314590/2021-8）。作者还感谢中央分析……Joyce dos Santos Farias | Flávia Gomes da Silva | Joanna Elzbieta Kulesza Barros | Milosz Grodzicki | Rafael de Lima Oliveira | Bráulio Silva Barros