尿素负载CaCO3纳米颗粒的合成与优化用于茄子（Solanum melongena）叶面施肥及生长促进

《Frontiers in Sustainable Food Systems》：Synthesis and optimization of urea-loaded CaCO3 nanoparticles for foliar fertilization and growth enhancement in eggplant (Solanum melongena)

　　

茄子是一种重要的农业作物，因其营养和经济重要性而在热带和亚热带地区广泛种植。提高作物生产力和养分利用效率对于应对全球粮食安全挑战和可持续农业发展日益重要。在本研究中，通过简单的沉淀法合成了尿素负载的CaCO₃纳米颗粒，并使用X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线光谱（EDX）、透射电子显微镜（TEM）、动态光散射（DLS）、热重分析（TGA）和BET分析对其结构、形态、元素和表面化学性质进行了表征。还研究了合成纳米肥料在水性条件下的氮控释行为。根据Korsmeyer-Peppas模型，释放动力学符合Fickian扩散（n = 0.45，R² = 0.98）。采用叶面喷施合成的纳米颗粒，浓度分别为1000、2000和3000 ppm，对茄子进行了盆栽试验。将结果与未处理组、磷酸二铵（DAP）处理组和尿素处理组进行了比较。评估了形态学参数，包括茎长、根长、叶面积、根/茎数和果重，以及生物化学和生理属性，如叶绿素含量、钙积累、总可滴定酸度（2.55 ± 0.15%）和总酚含量（87.7 ± 3.1 μg GAE/g）。合成的纳米颗粒表现出逐渐释放氮的行为，并改善了植物生长和生化表现，特别是在NF 3000处理下。总体而言，植物响应遵循未处理 < DAP < 尿素 < 尿素负载CaCO₃纳米肥料的顺序，表明该合成材料在叶面施用条件下具有改善养分输送的潜力。

论文解读：尿素负载CaCO₃纳米肥料的合成、表征及对茄子生长的影响

茄子（*Solanum melongena*）是茄科作物中仅次于番茄和马铃薯的世界第三大重要蔬菜，广泛栽培于热带和亚热带地区，因其丰富的维生素、矿物质及多酚类化合物（如绿原酸、花青素）而具有重要的营养和经济价值。然而，传统施肥方式下养分利用率低，氮素因淋溶、挥发和固定而大量损失，不仅限制了产量提升，还造成土壤退化和生态破坏。因此，开发高效、可控的养分递送技术成为可持续农业的关键需求。纳米肥料因其独特的尺寸效应和表面性质，能够实现养分的缓释与靶向递送，展现出提升作物产量和养分利用率的巨大潜力。已有研究报道了纳米尿素和CaCO₃纳米颗粒的单独应用，但缺乏将尿素负载于CaCO₃纳米载体并进行系统优化、且同时评估其释放动力学和茄子生理响应的研究。为此，研究人员以尿素负载CaCO₃纳米颗粒（urea-loaded CaCO₃ nanoparticles）为对象，通过沉淀法合成，并采用多种表征手段系统评估其结构、形貌和缓释性能，进而通过盆栽试验考察叶面喷施不同浓度纳米肥料对茄子形态、生化和生理指标的影响。该研究发表于《Frontiers in Sustainable Food Systems》，旨在为可持续农业提供一种高效、多功能的纳米肥料递送平台。

为全面评估所合成材料的性能，研究人员采用了多项关键技术方法。首先通过沉淀法合成尿素负载CaCO₃纳米颗粒，并利用XRD、FTIR、SEM、EDX、TEM、DLS、TGA和BET分析表征其晶体结构、化学组成、形貌、粒径和介孔特性。氮释放行为通过水相释放实验并结合Korsmeyer-Peppas动力学模型评估。盆栽试验在巴基斯坦拉合尔管理技术大学自然条件下进行（2024年8月至12月），采用完全随机设计，以叶面喷施方式施用不同浓度纳米肥料（1000、2000和3000 ppm），并与未处理、DAP和尿素处理组比较。形态学参数（根长、茎长、叶面积、根/茎数、果重）、叶绿素含量、钙积累、总酚含量和总可滴定酸度等均按标准方法测定。

研究结果部分如下：

**XRD分析**：通过X射线衍射确认CaCO₃呈菱面体方解石相，尿素负载后特征峰仍保留，平均晶粒尺寸约36.1 nm，表明尿素成功嵌入且未破坏CaCO₃晶体框架。

**FTIR分析**：傅里叶变换红外光谱显示CaCO₃的CO₃^2?振动峰及尿素的特征峰（C-N伸缩、N-H弯曲），证实尿素与CaCO₃基体之间存在相互作用，形成复合物。

**SEM分析**：扫描电子显微镜显示颗粒呈板状和棱角状，平均粒径约55.2 ± 2.5 nm，存在部分聚集，但总体处于纳米尺度。

**EDX分析**：能量色散X射线光谱检测到C、N、O、Ca元素，无其他杂质信号，进一步确认尿素和CaCO₃的共存。

**TEM分析**：透射电子显微镜观察到的颗粒尺寸约为45.9 ± 1.0 nm，与SEM结果吻合，验证了纳米尺度特征。

**DLS分析**：动态光散射测得水合粒径约125 nm，略大于SEM/TEM值，归因于水相中颗粒的部分聚集及溶剂化效应，但仍属纳米范畴。

**BET分析**：氮气吸附-脱附等温线显示介孔特征（type IV），比表面积为42.5 m²·g^?1，平均孔径7.4 nm，孔容0.07 cm³·g^?1，介孔结构有利于尿素的负载和缓释。

**TGA分析**：热重分析显示50–150 °C失重4.2%（吸附水和乙醇），200–450 °C失重22.8%（尿素分解），600–780 °C失重38.6%（CaCO₃分解为CaO和CO₂），残余34.5%，估算尿素负载量约22.8 wt%。

**形态学参数研究**：盆栽试验中，NF 3000处理组获得最大根长（28.4 ± 0.5 cm）、茎长（40.1 ± 0.8 cm）、叶面积（115.8 ± 1.7 cm²）、根数（18）、茎数（5）和果重（244.3 ± 1.9 g），均显著优于未处理、DAP和尿素处理组，表明纳米肥料可有效促进茄子营养生长和产量形成。

**总酚含量（TPC）研究**：采用Folin-Ciocalteu法测定，NF 3000处理组TPC为87.7 ± 3.1 μg GAE/g，显著高于尿素（77.2 ± 2.8 μg GAE/g）、DAP（63.9 ± 2.5 μg GAE/g）和未处理组（42.3 ± 1.8 μg GAE/g），说明缓释氮促进了酚类物质积累，增强抗氧化能力。

**总可滴定酸度（TTA）研究**：NF 3000处理组TTA最高（2.55 ± 0.15%），尿素组（1.93%）、DAP组（1.76%）和未处理组（0.67%）依次降低，表明钙离子可能通过调节呼吸作用减缓有机酸向糖转化，从而改善果实风味和贮藏性。

**氮释放行为分析**：合成的尿素负载CaCO₃纳米颗粒在48小时内累计释放约85%的氮，而纯尿素在30分钟内即几乎完全释放，释放曲线明显延缓。Korsmeyer-Peppas模型拟合表明扩散指数n = 0.45，R² = 0.98，符合Fickian扩散机制，说明氮从介孔基质中受控释放，有利于减少淋溶和挥发损失。

**叶绿素含量分析**：NF 3000处理组叶绿素a（2.34 ± 0.16 mg·g^?1）和叶绿素b（0.69 ± 0.06 mg·g^?1）含量均为最高，高于尿素、DAP和未处理组，这与氮的持续供应促进光合色素合成一致。

**钙含量分析**：原子吸收光谱法测得NF 3000处理组果实钙含量为9.8 mg·g^?1，显著高于未处理（4.9 mg·g^?1）、DAP（5.7 mg·g^?1）和尿素组（6.2 mg·g^?1），证明CaCO₃载体不仅作为氮的递送系统，还直接为植物补充了钙营养。

**机制见解**：综合表征与生理数据，尿素负载CaCO₃纳米肥料的优异性能源于其介孔结构提供的物理限域和表面吸附，使氮呈Fickian扩散缓慢释放，同时CaCO₃本身作为钙源和载体，协同增强了养分吸收和利用效率。NF 3000处理下叶绿素、TPC、TTA和钙含量的同步提升，说明该纳米肥料兼具缓释氮和补钙双重功能，优于单一常规肥料。

讨论部分指出，与常规肥料相比，该纳米肥料通过缓慢释放氮延长了养分有效期，同时避免了高浓度盐分对叶片的损伤。钙的补充还可能通过调节细胞壁稳定性和酶活性增强植物抗逆性。研究结论认为，尿素负载CaCO₃纳米颗粒是一种高效的多功能纳米肥料，在叶面施肥条件下能够显著改善茄子生长、产量和品质，为可持续农业提供了一种有前景的养分递送策略。未来仍需进一步研究其在不同土壤和气候条件下的长期效应及环境安全性。