综述：利用纳米生物技术实现可持续农业：从植物纳米仿生学到人工智能驱动的精准农业

《Bioscience Nanotechnology》：Harnessing nanobiotechnology for sustainable agriculture: from plant nanobionics to AI-driven precision farming

　　

全球粮食安全正日益受到人口快速增长、可耕地减少和气候变化加剧的威胁。纳米赋能农业提供了一条有前景的途径，通过提高作物生产力、增强资源利用效率和减少环境足迹来应对这些压力。本综述综合了农业纳米技术的最新进展，包括纳米肥料、纳米农药、植物纳米仿生学和纳米传感器，并强调了它们在改善养分输送、增强胁迫耐受性、实现实时植物和土壤监测以及加强病害管理方面的作用。本综述的一个核心焦点是人工智能（AI）和机器学习（ML）与纳米生物技术的整合。这种融合使得能够对安全、靶向和特定应用的纳米材料（NMs）进行预测性、数据驱动的设计，同时通过智能决策支持精准农业。研究人员提出了一个前瞻性框架，将人工智能引导的环保型纳米材料与纳米传感器网络和实时监测平台相结合，为可持续农业集约化提供了一种可扩展且具有韧性的策略。该综述还提供了对纳米赋能农业潜在风险的批判性评估，包括纳米颗粒（NP）积累、植物毒性效应以及对土壤微生物群落的干扰。这些考虑强调了进行稳健的安全性评估、长期田间验证和协调监管框架的必要性。指出了关键的知识空白，特别是在大规模部署、多季节田间试验以及跨不同农业生态系统的标准化评估方案方面。通过平衡技术前景与环境及生态考量，本综述强调了基于田间的研究在验证实验室发现和确保现实世界适用性方面的关键作用。总体而言，它为负责任地采用纳米赋能技术提供了全面的路线图，展示了其在增强全球粮食安全、支持可持续农业系统以及实现联合国可持续发展目标，特别是目标2（零饥饿）、目标12（负责任消费和生产）和目标15（陆地生物）方面的潜力。

**引言**

可持续、经济且高效的农业发展对于满足快速增长全球人口的粮食需求，同时保护土壤、水和耕地等有限自然资源至关重要。人口预测显示人口将持续增长，加剧农业系统压力。扩大耕地面积并非可行的长期解决方案，因为它会加速森林砍伐、温室气体排放和生物多样性丧失。气候变化进一步放大了这些压力，对农业生产力和全球粮食安全构成重大风险。联合国为此设立了17个可持续发展目标（SDGs），其中目标2（零饥饿）、目标12（负责任消费和生产）和目标15（陆地生物）直接强调农业可持续性，要求在高效生产的同时对环境负责。全球可持续农业市场预计将从2022年的133.2亿美元增长至2031年的313.5亿美元（复合年增长率10.17%）。鉴于当前消费趋势，全球农业产出到2050年必须增加约70%，凸显了智能和韧性农业技术的重要性。

纳米技术已成为应对这些挑战的有前景工具，通过实现更精准、资源效率更高的农业实践。与常导致环境退化的传统投入品不同，纳米赋能方法可提高作物产量、改善病虫害管理，并减少化学投入、能源消耗和废物产生。由于其跨学科性质——涵盖材料科学、化学、生物学和工程学——纳米技术已在医学、电子、能源和环境修复领域带来变革性进展，其在农业中的应用也在迅速扩展。

在农业系统中，纳米材料（NMs）如纳米肥料、纳米农药和纳米除草剂可提高养分利用效率、增强土壤肥力，并支持植物在生物和非生物胁迫下的生长。金属和金属氧化物基纳米颗粒（NPs）在受控和田间条件下被越来越多地评估其增强作物胁迫下性能的能力。纳米传感器能够快速检测植物病原体和胁迫信号，而新出现的证据表明，纳米材料还能影响植物相关微生物组，对养分循环和作物生产力具有潜在影响。这些进展已在近期文献中得到广泛综述。

尽管有这些进展，预测植物对纳米材料的吸收、转运、积累和生理反应仍然具有挑战性。纳米材料物理化学性质的动态特性——由表面化学、组成以及与土壤、植物和环境因素的相互作用塑造——使长期行为和安全性评估复杂化。因此，将实验室发现外推至真实农业系统时需要谨慎。

纳米赋能农业仍处于早期发展阶段，若干未解决的挑战限制了大规模应用。关键知识空白包括对植物-纳米材料相互作用机制、输送途径、可食用组织中潜在积累、对土壤微生物群落的影响以及人类健康风险的不完全理解。此外，可扩展生产、成本效益、制剂稳定性以及不一致的监管框架仍是主要障碍。关于纳米材料对作物生产力、土壤微生物群、生物转化、生物积累、食品质量和营养安全影响的田间证据仍然有限。

人工智能（AI）和机器学习（ML）为应对这些限制提供了强大工具。AI/ML模型可根据物理化学性质（如尺寸、形状和表面官能团）预测纳米材料行为、植物反应、微生物相互作用和毒性。虽然计算建模在纳米医学中已很成熟，但其在农业纳米技术中的应用仍未被充分探索。进展受到高质量数据集的稀缺性制约，这些数据集涵盖纳米材料的生物积累、生物转化、土壤-植物-微生物相互作用、食物链转移和长期田间表现。

本综述对农业中的纳米生物技术进行了全面评估，涵盖植物纳米仿生学、纳米赋能农用化学品输送、非生物胁迫缓解、土壤健康、纳米传感器技术、纳米生物界面动力学以及纳米肥料的田间试验。它批判性地评价了毒理学风险，总结了现有监管框架，识别了关键研究空白，并强调了AI在实现安全、高效和可持续纳米赋能农业中的变革性作用。还提出了一个用于精准农业的集成纳米-AI框架。

通过综合现有知识并概述未来研究重点，本综述提供了利用纳米生物技术增强全球粮食安全同时最小化生态和人类健康风险的路线图。标准化评估方案和协调监管政策的制定对于确保纳米赋能农业技术的负责任和成功实施至关重要。

**纳米赋能农业**

纳米赋能农业正日益被认为是一种变革性策略，能够调节植物生理过程、提高农用化学品效率、增强对非生物胁迫的耐受性、实现植物健康状况的实时监测，并支持土壤和微生物功能。

**植物纳米仿生学**

植物纳米仿生学是一个新兴的跨学科领域，其中纳米颗粒（NPs）被整合到植物细胞、组织或细胞器中，以增强或重新编程植物功能。这种方法使原生植物获得新能力，包括光学成像、红外通信和自供电环境传感。纳米仿生学也被应用于提高光合作用效率和开发用于光捕获及生化检测的仿生系统。一个突出例子是将单壁碳纳米管（SWCNTs）整合到离体叶绿体的脂质膜中，使光合活性相对于未处理对照增加了约三倍。类似地，发光植物如旱金莲（Nasturtium officinale）已被设计为潜在的生物照明系统。纳米颗粒处理可改善叶片的光吸收，从而提高光合速率和碳同化。在生化水平上，这些效应与增强的RuBisCO活性、增加的叶绿素含量、改善的光系统效率、更高的气孔导度以及升高的CO₂固定和酶活性相关。光催化纳米颗粒，特别是TiO₂ NPs，通过增强近红外区域的吸收进一步扩展了光合有效辐射范围，从而增加叶片水平的太阳能捕获。这些增强是通过调节电子传递、光合磷酸化、RuBisCO羧化效率和延迟叶绿体衰老介导的。值得注意的是，TiO₂ NP应用已被证明可上调RuBisCO活化酶（rca）转录水平约51%，相对于块状TiO₂，从而改善碳代谢和光合性能。在轻度热胁迫下，纳米仿生干预还改善了水分传导和蒸腾作用，同时优化了光系统II内的能量耗散。除碳基纳米材料外，金属和金属氧化物纳米颗粒——包括Au、ZnO和Ag NPs——已被广泛研究，通过增加叶绿素浓度、相对电子传递速率、光化学淬灭和光系统稳定性来提高光合能力。然而，这些积极效应高度依赖于浓度；过量的纳米颗粒暴露会破坏光系统完整性，降低光合效率，并损害相关生理过程。总体而言，植物纳米仿生学的目标是将工程化纳米颗粒靶向整合到植物细胞器中，以改善关键生理功能，如光合作用、养分获取和胁迫耐受性。材料如SWCNTs和纳米氧化铈已被证明可增加电子传递和光合速率高达三倍，同时使植物能够充当光子化学传感器。尽管前景广阔，植物纳米仿生学的广泛采用面临重大实际挑战。成本效益仍然是一个关键障碍，尤其是在以小农耕作系统为主的发展中地区。此外，依赖先进传感器和纳米技术的精准农业平台可能对资源有限的农民来说经济上不可及，限制了大规模实施。解决这些社会经济和可扩展性挑战对于将植物纳米仿生学从实验系统转化为实际农业解决方案至关重要。

**农用化学品输送**

纳米颗粒介导的农用化学品（AG）输送是提高农业生产力和可持续性的新兴策略。与传统制剂相比，将农药、除草剂、杀菌剂和生物肥料包裹在纳米颗粒中可增强其稳定性、生物利用度和光稳定性。金属有机框架（MOFs）已被探索作为输送系统，能够在碱性条件下实现活性成分如呋虫胺的受控释放。类似地，负载油菜素内酯的透明质酸纳米颗粒相对于其母体化合物表现出优越的农用化学品活性。纳米乳液（NEs）是除草剂的有效载体，对多种杂草物种表现出活性，包括匍匐毛地黄、细叶钮扣草、水牛草等。NEs还对多种害虫表现出杀虫功效。纳米悬浮液（NSs）提高了水溶性差的杀虫剂和杀菌剂的溶解度和功效，增强了田间性能、表面活性和作物产量。几项研究强调了植物源生物农药在控制多种植物病害方面的功效。例如，研究发现利用植物提取物合成的二氧化钛纳米颗粒诱导了高粱中显著的形态学和生化变化，从而增强了对胶孢炭疽菌（Colletotrichum graminicola）的抗性。类似地，研究证明了生物合成纳米材料在辣椒植物中作为生物防治剂的有效性，有效抑制了根结线虫和根腐真菌等土传病原体。与许多不同作物-病原体系统中的报告一起，这些发现为生物源纳米农药作为可持续工具用于管理真菌、细菌和线虫相关植物病害提供了有力证据。纳米农药是一类新兴的植物保护剂，通过多种机制发挥作用，包括破坏脂质和蛋白质结构、干扰代谢途径以及诱导氧化胁迫。它们可以降低细胞膜通透性，导致细胞坏死，并穿透害虫角质层，引起脱水和最终死亡。某些纳米农药，如石墨烯基制剂，通过调节解毒酶诱导氧化胁迫。由于其小尺寸和高表面积体积比，纳米颗粒易于与植物病原体膜相互作用，导致氧化损伤、膜不稳定和有毒金属离子的释放。这些效应受纳米颗粒特性和应用策略的强烈影响。在植物中，纳米农药还可以通过调节基因表达和破坏电子传递链来调节代谢过程，从而增加活性氧（ROS）生成并有助于增强防御反应。易于光解和快速降解的农用化学品可通过包裹在纳米材料内有效稳定。基于纳米材料的载体能够实现农用化学品在最佳工作浓度下的靶向和受控释放，从而最大限度地减少浪费，减少对非靶标生物的非预期影响，并降低与次优或过量农用化学品暴露相关的抗性发展风险。包裹在纳米材料内的农用化学品表现出受控和持续的释放特征。纳米材料包裹的农用化学品的释放速率可通过扩散、基质降解或渗透过程调节。在大多数系统中，扩散是主要释放机制，其中水分子渗透纳米多孔基质并促进农用化学品通过孔隙的逐渐迁移，受载体孔隙率和结构特征控制。此外，研究表明，通过将纳米材料的物理化学性质定制到特定应用场景，可以精细调节农用化学品释放特征。由于其小尺寸和高比表面积，纳米材料增强了农用化学品的溶解度和生物利用度，同时保护其免受挥发和环境降解。总体而言，纳米材料作为输送系统的优势包括改善稳定性、提高利用效率、增强生物活性和延长农用化学品的保质期。由于纳米颗粒的多种物理化学性质可为许多农用化学品目标量身定制，无论是作为干预措施本身还是作为稳定转化或瞬时应用的输送平台，纳米技术对于可持续农业至关重要。为了修饰遗传作物，用于植物中靶向递送RNA和大CRISPR/Cas9质粒的纳米材料是有帮助的。当负载dsRNA的层状双氢氧化物粘土纳米片局部施用时，可扩展作物对病毒和昆虫的保护。基于RNA的纳米颗粒用于治疗中可编程免疫调节的研究受到RNA可折叠成复杂3D结构以实现其多种功能这一事实的推动。尽管有这些优势，纳米赋能农用化学品仍处于早期开发阶段。尽管多家公司已申请了描述纳米制剂多种生产和应用方案的专利，但商业化可用的基于纳米技术的农业产品数量仍然有限。根据纳米技术产品数据库，全球目前商业化的9420种基于纳米技术的产品中，仅有229种用于农业应用。其中，纳米肥料约占43%，而旨在增强植物对病害、害虫和其他胁迫抗性的纳米制剂总计约占28%。高生产成本和复杂制造工艺限制了大规模采用，因为农业是低利润行业，通常无法抵消纳米材料生产所需的初始投资。此外，政府当局之间缺乏协调的监管框架和标准化的安全性评估方法是一个主要瓶颈。现有监管方法通常不足以准确评估纳米农药相关的风险，凸显了对专门评估方案和标准的迫切需求。作为回应，美国和欧洲国家的农药登记机构已开始发布针对纳米农药的特定登记政策，标志着向安全、受控的大规模应用迈出了重要一步。

**非生物胁迫管理**

纳米技术提供了有前景的方法来减轻非生物胁迫（如干旱、盐度、极端温度和重金属毒性）对植物的不利影响。由于其高表面积、可调反应性和靶向输送潜力，纳米颗粒促进了高效养分供应和胁迫响应性植物生理调节，从而在不利条件下增强生长、产量和韧性。这些益处通过光合效率、植物激素信号、抗氧化防御系统和细胞稳态的协调改善实现。纳米颗粒介导的胁迫耐受性效果高度依赖于植物物种、发育阶段以及纳米颗粒类型和浓度。在低或最佳剂量下，纳米颗粒通过刺激酶活性和氧化还原平衡促进种子萌发、养分吸收、光合活性和胁迫耐受性。已报道了Ag、Au和氧化铁纳米颗粒的有益效应，它们增强了抗氧化酶产生和代谢效率。相反，过高的纳米颗粒浓度会破坏细胞稳态，导致氧化胁迫、叶绿素含量降低和生长抑制，凸显了剂量优化的重要性。累积证据表明，纳米颗粒诱导了一系列广泛的生理、形态和生化反应，共同改善了植物对干旱和盐度胁迫的耐受性。这些反应包括增强根部水力导度、改善水分吸收、有效清除活性氧（ROS）以及调节激素和胁迫响应信号通路。在盐分和金属胁迫条件下，纳米颗粒独特的物理化学性质使其能够清除ROS并与有毒离子络合，从而降低离子毒性和氧化损伤。在某些物种中，纳米颗粒应用进一步促进了保护性次级代谢产物（如甘草中的甘草酸）的积累，并减少了水稻等作物的冷害。在叶片水平，纳米颗粒暴露通常导致气孔孔径减小，从而降低蒸腾速率并提高水分利用效率。这种反应归因于脱落酸信号、ROS介导途径、水通道蛋白表达和MLO家族蛋白的调节。这些机制共同有助于在高蒸气压差条件下平衡蒸腾需求，同时支持ROS依赖性生长过程。种子纳米引发是一种特别有效的基于纳米颗粒的早期胁迫耐受性增强策略。纳米颗粒处理的种子通过激活H₂O₂信号和抗氧化防御，表现出对光合结构的改善保护以及减少的细胞损伤。例如，多壁碳纳米管（MWCNT）引发通过降低丙二醛水平和增加水通道蛋白介导的水分运输，增强了葡萄（Vitis vinifera）的盐耐受性、萌发和幼苗生长。类似地，ZnO纳米颗粒基引发增加了油菜（Brassica napus）中的渗透调节物质积累，并改善了小麦的萌发和光合效率，而AgNPs增强了作物如香豌豆（Lathyrus sativus）和黄瓜（Cucumis sativus）的盐耐受性。除引发外，将纳米材料纳入种子包衣进一步推动了作物建植的精准性和可持续性。纳米赋能包衣增强了养分可用性，促进了早期幼苗活力，并提供了针对非生物胁迫和种子传播病原体的靶向保护，从而支持均匀出苗和改善生产力。金属和金属氧化物纳米颗粒在增强植物对干旱、盐度和重金属胁迫的耐受性方面发挥核心作用，通过改善水分保持、渗透调节、抗氧化能力和光合效率。在小麦中，Cu和Zn纳米颗粒通过维持氧化还原稳态、增加类胡萝卜素含量和优化叶绿素a/b比来增强耐旱性，而Fe、Cu、Co和ZnO基纳米颗粒改善了水分胁迫下大豆的耐旱性指数、相对含水量和生物量保持。非生物胁迫常通过降低养分可用性和利用效率来限制作物生产力。纳米赋能肥料通过增强胁迫条件下的养分吸收效率来应对这一限制。例如，纳米锌的叶面施用改善了干旱胁迫下小麦的锌同化和籽粒蛋白质含量。在玉米中，TiO₂ NP应用通过增加叶绿素含量、叶面积指数、相对含水量和总生物量，即使在缺氮条件下也缓解了干旱诱导的生长限制，从而增强了抗旱性。

**土壤健康与微生物群落**

土壤是重要的农业资源，整合了有机质、必需养分和多样化的微生物群落，对作物生产力至关重要。纳米颗粒的应用有可能通过减少过量的农用化学品投入和限制环境污染来改善土壤健康。在根际，纳米颗粒影响碳、氮和磷的关键生物地球化学循环，从而增加养分生物有效性并提高作物产量。特别是，微生物介导的金属纳米颗粒生物转化及其受控离子释放实现了缓慢、持续的养分供应，提高了养分利用效率同时减少了损失。金属和金属氧化物纳米颗粒可以调节微生物代谢活性和信号通路，促进土壤系统中微量营养素的可用性。然而，纳米颗粒在土壤和植物组织中的积累也可能破坏有益的植物-微生物相互作用，引发对长期生态效应的担忧。根系分泌物和微生物胞外聚合物物质对纳米颗粒暴露特别敏感，导致根际化学和微生物相互作用的变化。例如，银纳米颗粒的应用与固氮和氨氧化变形菌的减少相关，同时放线菌、拟杆菌和酸杆菌的丰度增加。类似地，TiO₂ NPs改变了小麦中丛枝菌根群落结构，尽管植物生长通常不受影响。值得注意的是，纳米颗粒诱导的土壤微生物群落变化并不总是一致的。几项研究报告了对微生物多样性或功能的最小或可忽略的影响，表明结果强烈依赖于纳米颗粒特性，如组成、粒径、表面化学和暴露浓度。这些情境依赖性反应强调了精确纳米颗粒设计和应用策略的重要性。除土壤过程外，纳米颗粒可以通过直接影响微生物存活、活性和群落结构来重塑植物相关微生物组。金属基、金属氧化物基和碳基纳米颗粒通过细胞包膜破坏、ROS生成和金属离子释放等机制对有益和非有害微生物类群产生差异效应。报告的影响包括固氮微生物、生物防治剂以及短链脂肪酸或硫氰酸盐产生菌群体变化，尽管也观察到微生物组对纳米颗粒暴露的整体韧性。除了直接的微生物效应外，纳米颗粒暴露还改变了植物的根构型、植物激素平衡和防御相关代谢产物产生。这些植物水平反应改变了根系分泌物特征，间接影响了根际和内生微生物组的招募和组装，从而将纳米颗粒-植物相互作用与更广泛的土壤微生物动态联系起来。

**纳米传感器**

纳米传感器（NSs）将环境信息转换为可测量的信号，并被分类为生物、电化学、化学或荧光型。在农业中，纳米传感器检测养分、植物病害、蛋白质、激素和其他生物分子。它们监测植物生长指标，如乙烯、吲哚-3-乙酸、脲酶、维生素C、柠檬酸和葡萄糖。活性氧（ROS），包括过氧化氢（H₂O₂）、氧气、植物硫醇和谷胱甘肽，作为胁迫和代谢活动的指标。纳米传感器还监测水分含量、湿度、ATP、钙离子、一氧化氮、果实成熟度和植物病原体。纳米传感器提供土壤健康、非生物胁迫、病原体和疾病进展的实时监测。例如，基于ZnIn₂S₄纳米片的多模态纳米传感器能够光学测量温度和湿度。它们还能及早检测有害微生物，支持及时病害管理。胁迫传感通常依赖于ROS，如H₂O₂，因其稳定性和膜通透性。近红外碳纳米管纳米传感器和单手性碳纳米颗粒可检测H₂O₂和一氧化氮，在体内产生光学信号。已在作物如生菜、菠菜和草莓中在伤口胁迫下证明了应用。纳米传感器还通过检测信息素或物种特异性标记支持害虫监测。聚苯胺-银和聚苯胺-氧化石墨烯传感器可检测来自南方绿蝽的半化学物质，而悬臂式纳米传感器可识别Euschistus heros。监测根际参数如根系分泌物、碳流和群体感应有助于开发靶向农用化学品制剂。荧光二氧化硅和金纳米颗粒基纳米传感器可检测病原体如Xanthomonas axonopodis pv. vesicatoria和Pseudomonas syringae。纳米传感器对于监测农药残留和害虫种群至关重要，能够实现精准施用并防止过度使用。它们还追踪重金属吸收；例如，基于SWCNT的近红外荧光纳米传感器可非破坏性检测根中砷酸盐积累，而由亚硒酸盐还原细菌合成的硒纳米颗粒通过抑制亚硒酸盐还原指示重金属污染。纳米传感器还通过实时监测土壤硝酸盐、钾、渗滤液以及整体植物-土壤健康，促进养分管理，推动精准农业和可持续性。通过实现快速、实时监测，纳米传感器提供了传统工具无法达到的农业决策精度，其整合预计将优化植物发育和产量。

**农业中的纳米生物界面动力学**

推进农业植物纳米生物技术需要理解纳米颗粒如何进入植物并与植物组织相互作用的机制。目前，对这些过程的认识仍不完整。因此，阐明早期纳米颗粒-植物界面以及控制吸收和转运的决定因素对于预测纳米颗粒在植物内的行为以及合理、应用特异性的纳米材料设计至关重要。

**叶面吸收途径** 报道的纳米颗粒通过叶片进入的主要途径是气孔和角质层，毛状体和排水孔被认为是额外的但探索较少的途径。叶片的上下表面气孔密度和角质层特性的差异强烈影响吸收效率。开放的气孔，孔径约3-10 μm，对纳米颗粒施加最小的尺寸限制，因此被认为是主要进入途径。角质层是由角皮素、蜡质、多糖和酚类化合物组成的疏水屏障，覆盖大部分叶片表面，在调节纳米载体-叶片相互作用中起核心作用。物种特异性角质层组成和厚度差异以及叶片内异质性导致纳米颗粒穿透和保留的显著差异。

**叶面进入后的内部运输** 一旦纳米颗粒穿过表皮，它们主要通过韧皮部分布，尽管控制韧皮部装载和长距离运输的机制仍不清楚。已提出两条主要途径：(i) 从叶肉细胞通过胞间连丝和维管束鞘细胞到韧皮部的共质体运动；(ii) 通过细胞间隙然后进入韧皮部组织。胞间连丝被认为是共质体途径中的关键通道，促进纳米颗粒从叶肉组织转移到维管束。C₃和C₄植物之间的结构差异表明，C₄物种可能由于叶肉和维管束鞘细胞之间的紧密关联而倾向于共质体运输。一旦进入韧皮部，压力驱动的质量流被认为控制纳米颗粒的转运。

**根部吸收和维管运输** 在根-土壤界面，根系分泌物是纳米颗粒吸收的第一道屏障。这些分泌物包括低分子量化合物（如有机酸、氨基酸、糖和酚类）和高分子量组分如粘液和蛋白质。由于高达30-40%的光合固定碳可以作为分泌物释放，这些化合物强烈影响纳米颗粒在根际中的聚集、表面化学和生物有效性。与分泌物相互作用后，纳米颗粒遇到根表皮，通过质外体或共质体途径进入。质外体运动受细胞壁孔隙度和细胞间连通性限制，而共质体运输进一步受质膜、细胞器膜以及胞间连丝的大小和密度限制。在根内部，内皮层及其富含木质素和木栓质的凯氏带是质外体运输的主要屏障。尽管理论上对纳米颗粒不可渗透，但在凯氏带之外检测到纳米颗粒表明存在调节或替代运输机制。一旦纳米颗粒进入木质部，蒸腾驱动的流动成为向上运动和全部分布的关键决定因素。

**与根际微生物的相互作用** 纳米材料可以显著影响根际微生物群落，根据其物理化学性质、浓度和环境背景产生刺激或抑制效应。某些纳米材料选择性增强有益微生物种群同时抑制病原体，有些通过促进电子传递过程促进微生物代谢。过渡金属基纳米材料和释放的离子如Fe、Zn和Cu在调节微生物能量转换、氧化还原平衡和代谢活性中起重要作用。相反，纳米材料添加可能通过多种机制对根际微生物产生负面影响。这些包括对细胞表面的物理粘附损害膜完整性、释放有毒离子或活性物质诱导氧化和基因毒性胁迫、与细胞内生物大分子直接相互作用以及破坏膜结合受体和电子传递系统。这些效应综合起来可能损害微生物通讯、代谢功能和群落结构，最终改变微生物生态位分化和生态系统功能。

**纳米肥料在农业中的田间试验**

尽管大量实验室和盆栽研究证明了纳米材料在农业中的潜力，但其成功转化为实践取决于严格的大规模田间验证。田间试验对于评估纳米赋能投入品在真实土壤、气候和作物管理条件下的农艺性能、环境安全性和实际可行性至关重要。最近一项大规模田间研究将氮和锌纳米肥料与有机耕作实践相结合，评估了其在谷类作物（小麦和珍珠粟）和油料作物（芥菜和芝麻）上的表现。在印度哈里亚纳邦的两个地点（Khaliyawas和Khatawali）进行的160个田间示范中，采用随机区组设计，覆盖总面积1225英亩。与传统化学肥料系统相比，纳米肥料、有机肥和生物肥料的联合使用导致平均产量持续提高，小麦增加5.35%，芝麻增加24.24%，珍珠粟增加4.2%，芥菜增加8.4%。这些产量增长与改善的作物生长性状相关，包括小麦中更高的分蘖密度、珍珠粟中更大的穗长、芝麻中更高的蒴果数量以及芥菜中更多的角果形成。总体而言，结果表明纳米赋能有机系统可以在减少对散装化学肥料依赖的同时提高生产力，支持更可持续的农业实践。与此同时，纳米尿素和纳米磷酸二铵（DAP）已在印度和其他几个国家商业化，声称低剂量叶面施用可以达到或超过使用传统颗粒氮肥的产量。尽管有这些报告，独立和全面的评估仍然有限。许多现有田间研究缺乏稳健的实验对照、机制测量和长期评估，使得难以验证产量优势、理解养分输送途径或评估潜在的环境和生态风险。除养分管理外，纳米赋能植物保护策略在田间条件下也显示出前景。例如，壳聚糖包覆的有机铜纳米颗粒（Cu-oleate@CS NPs）对柑橘炭疽病菌（Colletotrichum gloeosporioides）表现出强抗真菌活性。体外测定显示在500-1000 μg/mL浓度下有效抑制菌丝生长，而0.33%制剂的田间应用在第二次叶面喷施后在橙树上实现了高达54.18%的病害控制。这些结果证明了聚合物稳定的铜纳米制剂作为传统杀菌剂有效且环境友好替代品的潜力。总体而言，这些研究强调了精心设计的田间试验在验证纳米赋能农业技术中的重要性。这些试验提供了对田间水平功效、作物反应、环境行为和长期可持续性的关键见解，确保基于纳米技术的干预措施在大规模采用前在农艺上可行且环境上负责任。

**纳米赋能农业中使用的纳米材料的毒性、生物转化、生物积累和暴露途径**

尽管纳米材料提供了显著的农艺优势——如改善养分输送、增强胁迫耐受性和提高农用化学品应用效率——但越来越多的证据表明它们也可能对植物和农业生态系统产生不利影响。这种双重行为，即在低或最佳剂量下有益，在较高或长期暴露下产生毒性，强调了需要进行全面的纳米植物毒理学评估以支持安全和可持续的农业部署。植物毒性是植物中纳米颗粒暴露最常报道的负面结果之一，通常表现为种子萌发减少、幼苗生长抑制、根和芽发育受损，以及在严重条件下植物死亡。这些效应强烈依赖于纳米颗粒的物理化学性质，包括尺寸、溶解度、表面电荷、化学组成和暴露浓度。金属基纳米颗粒如AgNPs、CuO NPs和ZnO NPs经常表现出剂量依赖性的植物生长抑制，特别是在较高浓度下，它们会阻塞根组织、破坏细胞分裂并干扰激素调节的发育过程。除了早期生长阶段，纳米颗粒暴露可能改变叶片形态、减少叶面积、延迟开花并损害生殖发育，最终影响作物产量和适应性。在生理和生化水平上，纳米颗粒破坏多种代谢过程。干扰必需大量和微量营养素（如N、P、K、Fe、Zn）的吸收和运输损害了蛋白质合成、碳水化合物代谢和能量平衡。纳米颗粒暴露还改变了次级代谢产物谱，包括酚类、类黄酮和生物碱，并修饰了参与光合作用、碳代谢和抗氧化防御的酶活性。这些干扰背后的核心机制是氧化胁迫，因为过量的纳米颗粒诱导ROS产生导致脂质过氧化、蛋白质氧化和核酸损伤。同时，植物激素生物合成和信号传导的破坏——特别是生长素、细胞分裂素、赤霉素和脱落酸——进一步加剧了生长抑制和发育异常。遗传毒性效应代表了纳米颗粒毒性的一个关键维度。大量研究报道了DNA链断裂、染色体畸变和微核形成，尤其是在响应较小、更具反应性且能够穿透细胞和核屏障的纳米颗粒时。DNA损伤可能源于直接的纳米颗粒-DNA相互作用或通过ROS和活性氮（RNS）间接产生，导致氧化碱基（如8-氧代-鸟嘌呤）、单链和双链断裂以及无嘌呤/无嘧啶位点。此外，纳米材料粘附到真核膜上可诱导膜损伤并激活DNA损伤反应途径导致细胞死亡。原核和真核细胞之间细胞组织和防御系统的差异导致了不同的吸收途径和修复能力，其中真核细胞——特别是哺乳动物系统——对纳米材料诱导的遗传毒性表现出更大的易感性。纳米颗粒毒性的严重程度进一步受环境和生物因素调节，包括土壤性质（pH、有机质、微生物活性）、植物物种和发育阶段，其中幼苗通常表现出更高的敏感性。不利影响不仅限于植物；金属纳米颗粒可破坏根际微生物群落，损害与固氮细菌和菌根真菌的有益关联，并间接影响养分循环和土壤肥力。因此，植物对纳米颗粒的耐受性在物种之间甚至同一物种内差异很大，取决于纳米颗粒类型、剂量和暴露持续时间。特别令人关切的是纳米颗粒及其转化产物在植物组织中的积累，因为这为进入食物链提供了途径。虽然低剂量纳米颗粒暴露可能刺激萌发和生长，但此类毒物兴奋效应背后的机制仍不清楚。因此，需要系统的跨物种研究来定义安全浓度阈值和应用方案，以最大化效益同时最小化风险。报告结果的高度变异性强化了纳米颗粒-植物相互作用的剂量和情境依赖性，并强调了进行长期、综合风险评估的必要性。植物可能通过多种途径暴露于纳米材料。一个主要途径是将生物固体土地应用于农业土壤，其中重复输入可导致纳米材料逐渐积累，即使当前预测的环境浓度仍低于毒性阈值。第二个途径涉及有意使用纳米赋能农业产品，包括肥料、农药、土壤改良剂和植物保护剂。虽然这些投入品提供了高效养分输送和改善作物性能，但它们也增加了纳米材料在土壤和可食用植物组织中积累的可能性。第三个暴露途径来自基于纳米技术的土壤修复实践，其中理解纳米材料的形态、转化和生物有效性对于评估植物反应和潜在营养级转移风险至关重要。重要的是，许多纳米材料在植物体内并不保持其原始颗粒形式，而是发生生物转化，改变其表面化学、形态和迁移性。例如，nZnO通常转化为Zn(II)复合物如Zn-柠檬酸盐、Zn-磷酸盐或植酸结合形式，而nYb₂O₃转化为Yb-磷酸盐、nAu的物种依赖性定位以及nAg的配体复合形式已在多种作物中报道。这些转化决定了纳米材料的生物有效性和生物效应，可能通过控制有益离子如Zn、Cu、Se或Mo的释放来支撑农艺效益，或产生对生态系统和人类健康具有影响的毒性产物。生命周期植物毒性研究进一步表明，纳米材料暴露可导致金属在水果、谷物和种子中的生物积累，引发对食品安全和长期农业可持续性的担忧。在某些条件下，纳米材料应用可能增加可食用组织中有毒金属浓度，带来潜在风险但尚未被充分量化。因此，对纳米颗粒毒性、转化和积累的机制理解对于平衡纳米技术的效益与生态和人类健康保护至关重要。

**人工智能与机器学习在纳米赋能农业中的应用**

纳米技术与人工智能（AI）和机器学习（ML）的整合正通过提高资源利用效率、减少投入