综述：下一代纳米生物刺激素：智能纳米载体介导的递送系统用于可持续作物生产

《Bioscience Nanotechnology》：Next-generation nano-biostimulants: smart nano carrier mediated delivery system for sustainable crop production

　　

在气候胁迫和土壤质量恶化条件下，对可持续农业生产需求的增加加速了创新投入技术的必要性。纳米生物刺激素（Nano-bio–stimulants）是通过生理调节增强植物生长、管理非生物胁迫且不依赖于直接养分吸收的物质或微生物，并已成为有前景的工具。然而，它们的实际应用常受限于快速降解、递送不足和溶解性差。纳米技术通过开发基于纳米载体的递送系统（nanocarrier-based delivery system）提供了变革性解决方案，该系统可增强生物活性化合物的生物利用度、稳定性和持续释放（sustained release）较长时间。重要的是，本综述将提供养分的纳米肥料（nanofertilizers）与作为生理调节剂的生物刺激素（bio-stimulants）以及常被先前文献视为可互换的纳米载体/递送载体（nano-carriers/delivery vehicles）进行了区分。本综述聚焦于用于生物刺激素递送的智能纳米载体（smart nanocarriers）的设计原则、制备策略和释放机制，同时批判性地讨论了它们与植物-土壤系统的相互作用、环境影响和商业化挑战。建立清晰的概念框架能够更机械地理解纳米赋能系统如何影响植物响应，并通过提高资源利用效率、减少农化负荷和增强韧性，支持高效、环保和可持续农业技术的发展。

**Nano-enabled agricultural inputs**
**Nano-fertilizers for direct nutrient delivery**
纳米肥料（NFs）分为金属基、聚合物基和碳纳米管类型，通过水、叶面喷施和土壤施用。它们具有封装结构、靶向释放和高表面积体积比，可提高根区养分移动性并促进吸收，减少淋溶和挥发损失。金属基纳米微量营养素（如Fe、Zn）比商业肥料更有效促进作物生长，有机聚合物基NFs（如木质素、壳聚糖等）生物相容性好、毒性低。复合NFs整合无机/有机纳米材料或有益微生物（如PGPB），实现控释并改善土壤质量。碳基纳米颗粒（如碳纳米管、氧化石墨烯）可增强养分跨根运输、离子转移和细胞膜通透性，促进根际微生物相互作用。纳米铁、纳米硅和纳米二氧化钛可增加叶绿素含量和光合速率。

**Nano-biostimulants at plant–soil interface**
纳米生物刺激素通过纳米尺度相互作用增强土壤健康、植物生长和胁迫耐受性。在土壤层面，它们改善养分（如锌、磷、铁）的移动性和溶解性，增加土壤酶活性（脲酶、磷酸酶、脱氢酶），促进有机质分解和养分循环。在根际层面，它们调节植物激素（如生长素）水平，影响根系形态（侧根形成、伸长、根毛分化）。它们具有强抗氧化潜力，通过清除活性氧（ROS）并增强抗氧化酶（SOD、APX、CAT、POD）水平来缓解非生物胁迫（干旱、重金属、盐度、热害）。部分纳米生物刺激素作为信号分子，触发系统诱导抗性（SIR），促进防御相关基因表达，提高对病虫害和环境胁迫的耐受性。

**Advantages of nano- biostimulation**
纳米生物刺激素具有小尺寸、高表面积体积比和控释特性。锌、铁、硅纳米颗粒以可持续形式释放微量营养素，改善缺素土壤中的吸收。持续控释减少养分损失（挥发、淋溶），降低环境污染和施肥频率。它们提升对盐度、温度、干旱、重金属等非生物胁迫的耐受性，通过影响植物激素和抗氧化酶（POD、CAT、SOD）减少ROS损伤。它们促进根系伸长和分枝，增加根表面积，提高水分和养分吸收。生物基聚合物纳米生物刺激素改善土壤结构和持水能力，减少灌溉频率，并改善土壤微生物群落。

**Smart release systems for precision delivery**
智能递送系统的设计始于选择具有优良基质和架构的载体（如脂质体、聚合物基质、二氧化硅-金属有机框架、胶束），以保护活性成分（养分、农药、生物刺激素）免于过早损失，实现响应植物需求和害虫压力的持续释放，并降低非靶向移动。设计考虑储存稳定性、耐冲刷性、悬浮稳定性、生物相容性和环境可接受性，以实现精准农业和减少化学品使用。

**Stimuli-responsive based release**
许多纳米生物刺激素对环境因子（温度、pH、水分、ROS）表现出刺激响应，触发和调节生物刺激素释放。pH响应系统利用酸性根区、内体条件和叶面微环境，通过离子化聚合物或酸不稳定连接体触发释放，改变聚合物溶胀、收缩和降解，调控基质渗透性和扩散路径。酶触发释放利用植物或微生物相关酶（如纤维素酶、酯酶）切割连接体，同步生物刺激素递送与生物活性。ROS响应设计靶向胁迫热点（高ROS浓度），选择性触发特定肥料或农药释放。载体表面性质（如疏水性）可调节释放动力学，例如通过调整表面疏水性控制水渗透和扩散速率，实现长达七天的控释（如CuSO₄和NPK肥料）。

**Biodegradable and eco-friendly**
可生物降解和环保型纳米生物刺激素使用天然聚合物（壳聚糖、纤维素、海藻酸盐、多糖）制备，可被土壤微生物降解。可生物降解纳米水凝胶负载NPK养分或有益微生物，以控释方式释放并减少淋溶，支持最小投入和最大产出的可持续农业。

**Smart nano-carriers for sustained release of nano-biostimulants**
**Chitosan-based nano-carriers**
壳聚糖作为天然多糖，在植物中作为分子激发子，通过一氧化氮、过氧化氢和钙离子等次级信使刺激胁迫信号通路，增强渗透调节、胁迫相关基因表达和抗氧化防御。纳米颗粒化可提高壳聚糖稳定性和控释能力。卵磷脂-壳聚糖纳米载体用于Arthrospira plantensis蛋白水解物，使番茄植株高度增加45.9%，并提升叶片黄酮、叶绿素、类胡萝卜素和果实番茄红素含量。壳聚糖-微藻（Nostoc linckia）纳米颗粒配方显著减轻干旱胁迫，提高小麦幼苗发芽率和生物量积累。壳聚糖纳米载体通过扩散和聚合物降解提供持续释放，具有生物降解性、生物相容性和内在抗菌活性，但稳定性受pH和离子强度影响。

**PLGA nano-carriers**
PLGA（聚乳酸-羟基乙酸共聚物）是可生物降解的环保载体，用于封装肥料、农用化学品和农药，实现持续释放，减少施用频率并提高养分吸收。PLGA纳米载体可响应环境刺激（温度、pH），作为智能递送系统释放负载物，减少养分淋溶。PLGA与多种生物活性化合物相容，可用于多组分农业产品。PLGA纳米载体具有可调释放曲线、优异机械强度和可控水解降解，无毒，但生产成本高，大规模应用受限。

**Liposome**
脂质体通过磷脂双层结构封装生物活性化合物，提高溶解度、稳定性和递送效率，促进生物刺激素在植物组织中的进入和系统运输，实现靶向控释。例如，纳米脂质体载体封装Zataria multiflora精油，通过种子包衣和叶面喷施，改善植物生长和胁迫相关参数。脂质体可封装亲水和疏水化合物，具有高负载效率和靶向释放，但环境稳定性较低，易氧化、聚集和过早释放。

**Nano hydrogels nano-carriers**
水凝胶分为天然可生物降解型（海藻酸盐、多糖、纤维素、壳聚糖）和合成型（聚丙烯酰胺/聚丙烯酸酯，有毒且不可降解）。纳米复合水凝胶在农业中表现出高土壤保水能力（番茄约55-79%）、小麦溶胀能力加倍，减少灌溉需求（豆类15%），干旱条件下增加植物生物量30-40%。负载植物化学物质、微量营养素或生物刺激素的水凝胶可提高养分吸收，对真菌病原体（如镰刀菌枯萎病）提供36-80%保护，并将采后病原污染减少约90%。海藻酸盐衍生的水凝胶用于微囊化焦谷氨酸，提高蔬菜耐旱性，但长期稳定性差，易在土壤中降解。水凝胶通过吸水、溶胀和扩散控释，释放行为受温度、土壤水分和微生物活动影响。天然聚合物水凝胶成本效益高，PLGA和脂质体水凝胶控释更好但成本高。

**Fabrication techniques of smart nano-carriers**
**Nano-encapsulation methods**
纳米封装通过物理包埋养分、农药、酶等在保护壳内，提高稳定性、生物利用度和持续释放。主要方法包括固体脂质纳米颗粒、脂质体、纳米乳液（两亲性脂质自组装成双层或液滴）、聚合物胶束（两亲性嵌段共聚物）和聚合物/无机胶囊（界面聚合或层层沉积）。可调控负载效率、载体完整性和释放机制（扩散、侵蚀、降解、刺激解离）。

**Polymer-based Nano-formulations**
基于聚合物的纳米制剂使用可生物降解聚合物（PLGA、PEG化嵌段共聚物、壳聚糖及其衍生物）制备纳米胶囊、纳米颗粒和聚合物胶束，可调尺寸、表面化学和释放动力学。制备方法包括纳米沉淀、乳液-溶剂蒸发和自组装。聚合物纳米制剂具有可预测释放、监管熟悉性和可扩展性。

**Hydrogel-nanocomposite systems**
水凝胶纳米复合材料将水合聚合物网络与分散的纳米填料（粘土、碳基片、二氧化硅、磁性纳米颗粒）结合，兼具高含水量、高机械强度和可编程传输。纳米填料提供额外控制开关（交联密度、扩散选择性、刺激响应）。它们可实现从简单扩散到多级释放的转变，控释养分以满足植物需求，改善土壤保水、养分有效性和植物生理响应，减少灌溉需求，提高作物产量。但大多数商用丙烯酸酯基水凝胶不可生物降解，生物降解纳米复合水凝胶是研究热点。

**Surface functionalization approaches**
表面功能化通过界面工程决定纳米递送系统与生物环境（植物组织、土壤微生物）的相互作用，控制生物刺激素释放。常用生物聚合物涂层（海藻酸盐、壳聚糖、木质素、淀粉）增强附着、润湿性和抗水解/UV降解。壳聚糖功能化纳米颗粒与带负电的植物细胞壁静电相互作用，增强叶面吸收和根穿透。通过连接配体（植物肽、寡糖、激素模拟分子）实现靶向递送，识别胁迫诱导受体或转运蛋白。功能化还可通过氧化还原、pH或酶可降解连接体实现，确保在特定根际条件（酸性根区、酶富集微生物生物膜）下释放。最近出现“生态冠层感知”设计，使纳米颗粒在土壤有机质和根分泌物存在下保持稳定，减少聚集并确保生物利用度。

**Sustained release mechanisms of bio-stimulants**
**Diffusion-controlled release**
扩散控释基于菲克定律，释放速率取决于浓度梯度、涂层厚度、土壤水分和孔隙度。涂层控释肥料（CRFs）中，水进入涂层溶解养分核心，溶解养分通过半透膜扩散到土壤，释放速率由聚合物组成、厚度、孔隙度、温度、pH和水分决定。可工程化设计以满足作物需求，提高养分利用效率（NUE），减少挥发和淋溶损失。适用于苗圃保护、精准农业和高价值作物。

**Degradation-controlled release**
可生物降解基质或涂层（壳聚糖、海藻酸盐、纤维素、淀粉、改性PVA）通过微生物活动或水解降解释放养分。体侵蚀与表面侵蚀行为控制释放速度。可生物降解制剂减少聚合物残留。通过调节聚合物组成和交联调控降解速率，实现与作物需求同步的养分供应，提高NUE并减少环境污染。

**Osmotic and swelling-controlled systems**
渗透和溶胀控释系统利用水吸收产生的物理力调节养分供应。渗透系统通过半透膜壳、渗透剂和亲水溶胀基质，以恒定速率驱动溶解养分释放。溶胀系统中，亲水聚合物（如水凝胶）吸水膨胀，增大孔径，使养分缓慢扩散。这些方法在高水分波动土壤中有效，可缓冲变化，提高土壤保水性和植物生长。

**Smart release kinetics models**
智能释放动力学模型基于刺激响应涂层（温度、pH、水分、氧化还原、光、酶），改变溶解度、溶胀和键断裂以实现按需释放。pH敏感涂层在根际（根分泌物改变局部酸度）加速降解或溶胀，靶向释放养分。温度敏感涂层根据土壤热条件改变基质渗透性。水分敏感水凝胶在土壤充分湿润时释放最多养分。这些模型结合质量传递方程和刺激响应特性，预测不同环境条件下的养分释放速率，支撑精准农业和环境智能养分管理。

**Applications of smart nano carrier-bio- stimulants in Soil, crop health and crop productivity**
**Soil health and microbiome modulation**
纳米载体生物刺激素通过调节本土微生物群落改善土壤健康，增强作物抗逆性。纳米生物炭和纳米水处理提高土壤酶（脱氢酶、过氧化氢酶）效率，指示健康微生物组。纳米材料与根际微生物相互作用增强养分循环和植物刺激，改善逆境下植物生长。

**Enhancement of nutrient use efficiency (NUE)**
叶面喷施麦芽糊精或海藻酸盐功能化纳米复合材料作为可持续生物刺激素，提高番茄产量和品质。纳米赋能递送系统将微量营养素直接靶向叶面或根区，增强缺素条件下养分吸收，提高作物生产力和环境可持续性。

**Enhanced stress tolerance ability**
智能纳米生物刺激素提高对盐度、干旱和重金属毒性的耐受性。纳米水凝胶封装生物刺激素通过增强土壤保水和植物水分利用效率缓解干旱胁迫。脂质体纳米载体促进植物源纳米生物刺激素渗透，提高韧性和产量。疏水CuS纳米颗粒封装在可生物降解木质素-PLGA纳米载体中，实现七天控释，减少环境淋溶。CuS纳米颗粒抑制水稻真菌病原体Gibberella fujikuroi，叶面喷施减少bakane病32.5-30%。纳米硫（原生和硬脂酸包覆）显著提高番茄对Fusarium oxysporum的抗性，减少病害进展50%以上。铁掺杂硫化铜（Fe-CuS）微纳米颗粒增强番茄对Fusarium感染抗性，激活茉莉酸和乙烯防御通路。

**Effects on field trial study**
田间试验显示，纳米刺激素提高种子发芽、株高、叶面积、叶绿素含量、光合效率和根系结构。含氧化锌（ZnO）、氧化铁（Fe₂O₃）、二氧化硅（SiO₂）、壳聚糖纳米颗粒和纳米封装海藻提取物的纳米配方提高作物产量，减少化肥施用量。在小麦和玉米中，叶面喷施纳米刺激素显著增加籽粒产量、生物量积累和氮利用效率。在番茄、黄瓜、葡萄、苹果和柑橘中，增强开花、坐果、果实大小和营养品质。纳米刺激素通过激活抗氧化酶、促进渗透调节物质积累和提高水分利用效率，增强对干旱、盐度、热害和氧化胁迫的耐受性。多地点试验显示肥料需求减少20-40%而不影响产量。纳米Fe/SiO₂显著缩短大麦和玉米的平均发芽时间，提高幼苗长度、株高和叶绿素含量。纳米配方提高小麦产量并缩短生育期，促进高粱生长，通过纳米锌应用增加茎长和根系发育。全球荟萃分析显示平均作物产量增加约10%，同时减少甲烷、氧化亚氮和二氧化碳排放。

**Effects on crop productivity**
近期研究表明，纳米刺激素显著改善多种作物的营养生长和产量性状，刺激种子发芽、根系增殖、叶绿素合成、光合活性和养分同化，增加生物量积累和产量。含锌、铁、硅、壳聚糖和纳米封装海藻提取物的配方提高氮、磷、钾利用效率，减少养分损失，转化为谷物、蔬菜和水果的增产和品质提升。纳米刺激素在非生物胁迫下激活抗氧化防御系统，增加渗透调节物质积累，调节植物激素信号，提高水分利用效率。纳米赋能递送系统增强根际相互作用，支持有益微生物种群，改善养分循环和植物健康。田间和荟萃分析显示，纳米赋能农业投入品可使作物产量平均提高约10%，在优化纳米配方下，小麦、玉米和水稻产量提高20-55%。

**Environmental safety and risk assessment**
**Biocompatibility and degradation behaviour**
生物相容性和降解行为决定纳米材料的环境安全性。有机化合物制备的生物相容性纳米材料易于在环境中降解，不长期残留，对土壤微生物生态无毒。金属基纳米材料可能在环境中积累，对土壤微生物产生不利影响。降解行为影响养分生物利用度和循环，因此设计时需考虑生物相容性和降解性，以避免长期环境影响。

**Ecotoxicological considerations**
评估生态毒理学考虑至关重要，纳米材料可能对非靶标生物和生态过程产生不利影响。纳米颗粒可能产生氧化应激并破坏土壤动植物细胞膜，因其小尺寸可深入生物组织和土壤基质。一些纳米材料促进有益细菌和菌根真菌生长，加速养分转化，而金属基纳米材料（Cu、Zn氧化物）可能抑制固氮、解磷和有机质转化相关细菌。纳米材料影响植物-土壤信号通路和微生物生理。生态毒理影响取决于类型、尺寸、浓度、表面化学、持久性金属氧化物（ZnO、TiO₂）和环境背景，可能通过食物链传输到不同营养级。通过地表径流进入水生生态系统，破坏正常生物活动。需使用标准慢性/急性毒性协议评估累积和长期效应，包括多物种响应、环境归趋模型和生态系统尺度影响。

**Challenges and future prospects**
**Scale-up and industrial production**
实验室规模到工业转化的挑战包括批次重现性、工艺标准化和原材料成本。生物基纳米载体（如多糖或蛋白质衍生系统）的原料变异性影响产品均匀性和功能性能。工业上，IFFCO和Nanosys等已启动纳米肥料和纳米赋能作物投入品的商业化，但主要聚焦养分递送，而非真正的纳米生物刺激素系统。需采用质量源于设计（QbD）、连续制造和绿色纳米化学方法，通过公共-私营伙伴关系和试点示范设施缩小学术创新与工业部署的差距。

**Regulatory frameworks for nano-biostimulants**
监管框架存在不确定性，当前农业法规（如OECD指南）未充分区分传统农化制剂和纳米赋能产品，导致安全评估、标签要求和批准路径的空白。缺乏纳米材料在农业中表征的全球统一标准（如聚集行为、粒径分布、长期环境归趋），以及标准化生命周期评估和纳米特异性风险评估方法。需制定纳米特异性风险评估指南、标准化表征协议和清晰分类标准，区分纳米生物刺激素、纳米肥料和纳米载体，并通过简化批准路径和国际协调加速商业化。

**Artificial intelligence driven next-generation smart nano-biostimulants**
下一代智能纳米生物刺激素将整合AI设计、基因响应行为和微生物组互动功能，推动超精准农业。AI和机器学习优化纳米材料组成，预测环境相互作用，根据土壤条件和植物生理定制动力释放。基因响应纳米载体感知植物胁迫基因表达信号分子，仅在胁迫条件下释放养分。微生物组互动纳米材料选择性促进有益微生物生长，抑制病原菌，改变根际信号以改善养分循环和韧性。生物混合系统（水凝胶、微生物群落、纳米传感器）可实现实时反馈，用于土壤修复和植物健康监测。需解决生物安全、生态风险和伦理问题，跨学科研究将推动可持续智能生物刺激素的发展。

**Conclusion**
纳米材料智能设计用于纳米生物刺激素的持续释放，涉及工程化载体在植物需要时精准递送养分、信号分子或生物活性化合物。先进纳米载体（聚合物纳米颗粒、水凝胶、纳米粘土、脂质基系统）通过可控孔隙率、表面功能化和刺激响应特性调节释放动力学。pH、水分、酶和根分泌物响应系统确保根际靶向递送，减少损失，提高养分利用效率和作物生产力。整合可生物降解材料和智能涂层实现逐步溶解，同时维持土壤健康。这种智能设计促进植物生长，增强胁迫耐受性，支持可持续精准农业。