环境可持续性的纳米尺度前沿：推进纳米材料在环境安全与修复中的应用

《Environmental Nanotechnology, Monitoring & Management》：Nanoscale frontiers in environmental sustainability: advancing nanomaterials for environmental safety and remediation

　　

摘要 快速工业化、城镇化以及不可持续的人类活动所驱动的环境污染，已严重损害了水、空气和土壤的质量，对生态系统和人类健康构成了重大风险。传统处理技术往往存在效率有限、能耗高、产生二次废弃物以及对新兴污染物选择性差等问题。在此背景下，纳米技术作为一种变革性且可持续的环境修复与监测方法脱颖而出，提供了创新性、成本效益高、多功能且高性能的解决方案。本综述探讨了基于纳米材料技术在水、空气和土壤污染修复方面的最新进展，重点介绍了碳基纳米材料、金属及金属氧化物纳米粒子、层状双金属氢氧化物、金属有机框架、MXenes、聚合物纳米复合材料以及纳米增强膜的作用。其独特的物理化学性质——包括高比表面积、可调节的表面化学、催化和吸附能力——使其能够高效去除重金属、有机污染物、颗粒物和气态污染物。除修复之外，本综述还批判性地讨论了工程化纳米材料的环境归趋、生态毒性、生命周期可持续性以及监管挑战。最后，本文展望了安全设计、可生物降解和可扩展纳米材料的未来方向，以及人工智能的作用，旨在将先进材料创新与环境可持续性、人类安全相结合，支持下一代修复技术的发展。

引言 环境污染是21世纪面临的主要全球挑战之一，其升级速度令人担忧，对生态系统、生物多样性和人类健康构成了严重威胁（Fuller等，2022年；Javan等，2025年）。快速工业化、城镇化、人口增长以及不可持续的消费模式导致有害物质持续释放到环境中，包括重金属、有机污染物、药品、农药、微塑料、温室气体和病原微生物（Humbal等，2023年；Swain，2024年；Zhang等，2022a年）。这些污染物污染了空气（Rentschler和Leonova，2023年）、水（Morin-Crini等，2022年）和土壤（Hou等，1979年），扰乱了生态平衡，加剧了气候变化，并增加了心血管疾病（Münzel等，2025年）和呼吸系统疾病（Tran等，2023年）等慢性疾病的发病率。传统的修复技术，如化学沉淀、生物处理、吸附、膜过滤和高级氧化工艺，在减轻污染方面已取得相当成功（Sangamnere等，2023年；Hou等，2023年）。然而，许多方法存在固有的局限性，包括运行成本高、选择性低、污染物降解不完全、产生二次废弃物以及处理新兴污染物时效率低下。因此，迫切需要开发创新性、可持续且高效的新技术，以应对日益复杂的环境挑战（Lea-Smith等，2025年）。

纳米材料凭借其独特的物理化学特性，已成为下一代环境修复的有力候选者（Asghar等，2024年；Corsi等，2023年；Huang等，2024年）。其极高的比表面积、可调节的表面化学、丰富的活性位点、量子限域效应以及卓越的催化、光学、电学和磁学性质，使其能够以传统方法无法实现的方式与污染物相互作用。纳米技术的进步已催生了多种纳米材料的开发，包括金属和金属氧化物纳米粒子（Yang和Shen，2025年；Chaudhari等，2024年）、碳基纳米材料（Nayak和Pathan，2023年）、半导体纳米结构（Lu等，2023年）、量子点（QDs）（Rasal等，2025年）、纳米复合材料（Soni等，2024年）、金属有机框架（Lu等，2025年；Hu等，2025年）、纳米纤维（Mhalshekar等，2026年）以及仿生纳米材料（Ede等，2024年），用于环境修复。除环境修复外，纳米材料在储能与转换（Liu等，2017年；Zhang等，2013年）、催化（Zhu等，2019a年）、生物医学传感（Chen和Chatterjee，2013年；Dhenadhayalan等，2020年；Liu等，2021年）以及循环经济方法（Reda和Park，2025年）等多样化领域也备受关注。其可调节的结构、电子、光学和表面性质使其应用于高性能电极和催化剂、灵敏的生物传感器以及从废物流中回收有价值的资源。工程化纳米结构在污染物吸附、光催化降解、膜分离、化学传感、抗菌消毒、碳捕集和环境监测方面表现出色。此外，纳米技术与绿色化学（Mallari，2025年；Sharma等，2022年）、生物技术（Lea-Smith等，2025年）、人工智能（Singh等，2025a年；Siddique等，日期不详）以及循环经济原则（Dabare等，2025年）的整合正在创建多功能平台，这些平台在提高修复效率的同时减少了环境足迹。

在纳米技术的众多应用中，由于清洁水资源的日益稀缺和水环境中复杂污染物的不断增多，污水净化受到了极大关注。纳米材料可以通过吸附、催化氧化、光催化和膜辅助分离有效地去除重金属、染料、药品残留物、内分泌干扰化学物质、全氟和多氟烷基物质（PFAs）以及微生物病原体（Dutta等，2024年；Mathur等，2022年；Ethaib等，2022年；Mukhopadhyay等，2022年）。同样，纳米技术通过实现挥发性有机化合物、氮氧化物、硫氧化物和颗粒物的捕获与催化降解，以及通过先进的纳米多孔材料改善温室气体捕集，彻底改变了空气污染治理（El-Khawaga等，2025年；Saleem等，2022年）。在土壤修复方面，工程化纳米材料有助于固定或降解毒性污染物，并通过提高养分可用性和促进微生物活性来支持生态恢复（Sánchez-Castro和Molina，日期不详；Dhanapal等，2024年；Liu等，2018年；Angon等，日期不详；Qian等，2020年；Li和Luo，2020年）。此外，能够对环境污染物进行快速、超灵敏和实时检测的纳米传感器正在革新污染监测和风险评估，使更高效的环境管理策略成为可能（Xie和Wu，2025年；Gulati等，2025年）。

尽管取得了这些显著进展，纳米材料在环境修复中的广泛应用引发了关于可持续性和安全性的重要关切。此外，与生物可利用性、生物降解性、与生物体的相互作用、大规模合成、成本效益和可回收性相关的挑战仍然是商业化的主要障碍（Asghar等，2024年；Dayal等，2026年）。因此，纳米技术在环境应用方面的未来成功不仅取决于最大化修复效率，还取决于设计环境友好、可生物降解、可回收且安全的纳米材料，使其符合可持续发展和负责任创新的原则。

已有若干近期文献讨论了基于纳米材料的环境修复方法；然而，许多文献主要集中于特定的纳米材料类别或单一的修复策略，包括光催化纳米材料（Zhang等，2024年；Chen等，2023年）、氮化硼纳米材料（Sharma等，2025年；Gadore等，2024年）、氮化铁基纳米材料（Gong等，2025年）、铁氧体基纳米材料（Alqassem等，2024年）、碳基纳米材料（Nayak和Pathan，2023年；Jatoi等，2025年；Vijeata等，2024年）、碳和有机框架基纳米材料（Bhadane和Chakraborty，2025年）、纤维素酶衍生纳米材料（Wang等，2022年）、等离子体纳米材料（Adnan等，2026年）、酶固定化纳米材料（Yadav等，2025年）、植物介导和铁基纳米材料（Chauhan等，2024a年）、多酚基纳米材料（Cheng和Wen，2022年）、生物基纳米材料（Saraswat等，2023年）以及绿色合成纳米材料（Ahmed等，2022年）。这些文献为单个纳米材料平台及其修复机制提供了有价值的见解，但对将不同纳米材料策略跨水、空气和土壤修复进行全面评估的研究——连同其环境监测、可持续性、安全性和监管影响——仍然相对有限。虽然已有若干文献讨论了不同的多功能纳米材料，但其范围通常局限于特定的环境区室，如水、空气或土壤，或局限于特定类别的污染物，如重金属、空气污染物、农药或染料等。因此，需要一种全面的综述来对不同纳米材料及其在水、空气和土壤修复中的应用进行均衡评估。本综述旨在为快速发展的纳米技术驱动的环境修复领域提供整合视角，特别关注纳米材料性质、修复机制、环境表现和可持续性之间的关系。

本综述探讨了新兴纳米材料在污染水、空气和土壤修复方面合成、功能化及应用方面的最新进展。它讨论了代表性纳米材料类别、其物理化学特性及修复机制，以及它们在去除、降解或固定各种环境污染物中的应用。除修复性能外，本综述还批判性地审视了环境监测、资源回收、环境归趋、纳米毒性、生命周期可持续性和监管考量，以评估这些技术的实际适用性和环境影响。

对于文献评估，从主要的科学数据库（包括Web of Science、Scopus、PubMed和Google Scholar）中，通过关键词组合（如"nanomaterials""nanotechnology""environmental remediation""water remediation""soil remediation""air remediation""nanotoxicity"）识别了相关研究。优先选择2016年至2026年期间发表的近期文献，同时酌情纳入部分早期研究以提供基础性背景。

章节片段

纳米材料在环境修复中的应用：分类与性质 纳米材料可以根据不同的标准分为几个大类。通常，化学组成、维度、形貌、组成/来源等参数被用于分类（Singh等，2019年）。按尺寸，材料被分为纳米、微米和宏观材料。按维度，纳米材料进一步分为零维（0D）、一维（1D）、二维（2D）和三维（3D）纳米结构（图1）。

纳米材料的合成与功能化及其在环境中的应用 纳米材料的物理化学性质——包括粒径、形貌、表面化学、结晶度和孔隙率——在决定其生物学性能和技术应用中起着至关重要的作用（Joudeh和Linke，2022年）。纳米材料合成方法大致分为自上而下和自下而上两种途径（Abid等，2022年；Kar和Skrabalak，2025年）（图2）。自上而下的方法涉及通过物理方式将块体材料减小为纳米级结构。

用于水修复的纳米材料 水是维持所有生命形式、支撑全球经济发展、农业、工业和公共卫生的不可或缺的自然资源（Khin等，2012年；Roy等，2021年）。然而，快速工业化、城镇化、人口增长和集约化农业活动已严重恶化了全球水质。据目前估计，全球超过80%的废水未经充分处理便被排入自然生态系统，特别是……

纳米材料在环境修复中的局限性与未来方向 尽管纳米技术驱动的环境修复取得了显著进展，但若干关键挑战仍限制了基于纳米材料技术的规模化转化和商业化。虽然纳米材料展现出卓越的吸附能力、催化活性和污染物选择性，但其环境归趋、长期稳定性、可扩展性以及潜在的生态影响仍未得到充分理解。在其被释放到……

结论 水、空气和土壤污染仍然是全球最紧迫的环境挑战之一，威胁着生态系统健康、生物多样性和人类福祉。随着环境污染物复杂性的持续增加，传统修复技术往往无法提供高效、可持续且成本效益高的解决方案。本综述强调，工程化纳米材料已成为强大的替代方案，提供高吸附能力、催化活性和选择性……

致谢 作者感谢印度理工学院甘迪纳加尔分校（IIT Gandhinagar）的基础设施和资金支持。作者还感谢IIT Gandhinagar的图书馆服务提供前沿研究论文访问和抄袭检测工具。R.S.感谢IIT Gandhinagar的杰出博士后研究金（APD）（OTH/R&D/13516）。D.B.感谢SERB-DST、GUJCOST、GSBTM、STARS-MoES的研究资助。N.M.也感谢IIT Gandhinagar的博士后研究金（SPON/63008 & OTH/13544）。

CRediT作者贡献声明 R.S.、N.M.、A.K.、C.K.和A.K.Y.撰写了正文手稿。S.S.和D.B.编辑了手稿。所有作者均审阅并批准了手稿的最终版本。

发表同意 两位作者均已阅读并批准手稿的最终版本。

伦理批准 不适用。

利益冲突声明 本研究未获得任何资助机构的财务支持。作者声明，他们没有任何已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

Raghu Solanki | Nilesh Makwana | Aachal Kannaujiya | Charli Kaushal | Amit.K. Yadav | Subramanian Sankaranarayanan | Dhiraj Bhatia