综述：超越气泡：农业纳米气泡研究从机制到应用

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Beyond the Bubble: From Mechanism to Applications in Agricultural Nanobubble Research

　　

摘要
纳米气泡（NB）技术越来越多地在农业系统中受到研究，因为它可以改善气体传递，改变界面过程，并修改水和根区的生物及化学条件。然而，报告的益处仍然难以具体归因于纳米尺度气泡状态，因为溶解气体增加、活性气体化学、生成条件和测量局限性往往同时发生变化。本综述 critically 考察了纳米气泡的稳定性、生成和表征，特别关注这些不确定性如何影响对农业应用的解释。对 2021 年至 2026 年发表的主要农业研究，根据作物和生产系统、处理气体、生成方法、表征方法和处理 - 对照设计进行了定量评估。在 51 项研究中有 27 项（52.9%）识别出直接的纳米气泡表征，而 51 项研究中有 24 项（47.1%）未报告本综述中评估的可识别的直接表征技术。根据本综述应用的气体匹配标准，51 项研究中有 13 项（25.5%）包含可比气体对照，10 项（19.6%）有意改变相关溶解气体浓度，28 项（54.9%）缺乏合格的类似气体对照。这些发现表明，现有文献提供的证据表明，基于纳米气泡的处理系统能够影响农业性能，但这并不意味着这些效应 specifically 源于纳米尺度气泡状态。根据确定的方法学缺口，提出了针对气泡特性、溶解气体暴露、处理条件、实验对照、重复和工程输入的最小报告要求。未来的规模化应将在匹配条件下将纳米气泡系统与常规气体输送方法进行比较，并将能源和气体消耗与实际农业成果联系起来。

引言
纳米气泡（NB）技术在农业领域受到越来越多的关注，因为分散在水中的微小气体填充域可能会改变气体传递、溶解气体可用性、界面过程以及植物根系经历的物理化学条件。农业研究报告称，在使用含纳米气泡的水处理后，种子萌发、根系发育、养分吸收、生物量、作物产量、胁迫耐受性和根际条件发生了变化。然而，被称为纳米气泡水的处理在气体种类、溶解气体浓度、气泡尺寸分布、气泡浓度、生成条件、水质化学、处理时间和应用方法上可能存在很大差异。

这在展示基于纳米气泡的处理系统的有效性之间创造了一个重要区别，以及展示 specifically 归因于纳米尺度气泡状态的效应。氧气和空气纳米气泡处理可能会增加溶解氧（DO），氢气可能 independently 影响氧化还原信号，二氧化碳可能会改变 pH 值和无机碳化学。流体动力学或声学生成方法可能 additionally 引入剪切、压力波动或空化相关效应。

纳米气泡，也称为超微气泡，是直径范围从 10-1000 纳米的小气体填充腔体，但常被引用为 200 纳米 [1]。它们的独特性质包括大的比表面积、缓慢的上升速度、高的传质效率和高的界面电位 [1]，[2]。纳米气泡被分类为表面纳米气泡，附着于浸没表面，或本体纳米气泡，自由分散在液相中 [3]。这一区别很重要，因为它影响形成机制、稳定性和表征方法，这些在本体和表面纳米气泡之间有所不同。

气泡已根据各种因素进行分类，如尺寸分布，从而产生三个独立的泡沫类别：大泡、微泡和纳米气泡，也称为常规气泡、细气泡和超微气泡，分别 [4]。大泡范围为 0.6-10 毫米，微泡通常介于 1-100 微米之间。气泡不仅根据尺寸分布分类，还根据其介质中的行为及其特性进行分类。

此外，纳米气泡的非常小的尺寸减缓了它们上升到表面的速度，并使它们在实验时间尺度上看起来几乎悬浮；然而，它们的密度仍然小于周围液体，因此具有正浮力 [5]，[6]。常规气体传递方法与使用细气泡和超微气泡的方法相比，传质率显著较低。依赖大泡或溶解气体扩散的方法效率相对较低，因为它们的快速浮力和气体从液相逸出 [7]。相比之下，纳米气泡的小直径、大的比界面面积和低聚并倾向允许它们在液体中悬浮较长时间，尽管简单的扩散理论预测孤立的小气泡应该溶解。总体而言，这导致了传质性能，但气泡尺寸、浓度和传质系数之间的定量关系在系统中的普遍性仍然不足。

这些气体填充腔体由于曲率效应表现出高内部压力，正如杨 - 拉普拉斯方程所述。杨 - 拉普拉斯关系预测较小的气泡应经历较高的内部压力并快速溶解。然而，据报道，纳米气泡表现出长的寿命，突显了一个仍未解决的根本性不一致。由于在气 - 液界面形成双电层，纳米气泡具有带负电荷的表面 [1]。当离子在纳米气泡表面周围积聚时，形成双电层，在界面处产生带电层，并在周围层中产生可扩散的反离子层 [8]。该电荷的量取决于溶液条件，如 pH 值、离子强度和溶解气体类型，这些共同影响稳定性、界面相互作用和聚并阻力。

因此，表观持久纳米尺度气体域的观察导致了几个 proposed 稳定机制，包括界面电荷、气体过饱和、污染或表面活性物质，以及结构化界面水 [1]。目前没有任何单一机制能为文献中报告的本体纳米气泡观察范围提供完整解释。这些不确定性对于农业应用特别相关。氧气和空气纳米气泡处理可能会增加溶解氧（DO）并修改气体分布，而含臭氧系统引入强氧化化学 [9]，[10]。基于氢气或二氧化碳的处理可能会 independently 影响生物或化学过程。因此，纳米气泡处理后的观察响应并不一定证明是对纳米尺度气泡状态本身的响应。该效应可能 instead 源于气体可用性增加、气体化学、与生成相关的流体动力学条件，或这些因素的组合 [11]。

一个仍然存在的根本挑战是纳米气泡的可靠尺寸选择性表征。原子力显微镜（AFM）、动态光散射（DLS）和纳米颗粒追踪分析（NTA）等技术通常用于估计纳米气泡尺寸和密度 [4]。这些表征方法使污水处理、水产养殖和农业领域的研究成为可能。然而，不同工具的结果之间存在显著差异，原因在于不同的检测原理、灵敏度极限和数据解释模型 [12]。此外，当前表征方法无法区分纳米气泡与其他纳米颗粒 [13]。因此，文献中报告的一些纳米气泡信号可能源于杂质、胶体或蛋白质聚集体，在解释 past 结果时需要考虑到这一点。

另一个 ongoing 研究的关键领域是了解纳米气泡在 varying 环境条件下的稳定机制。各种研究报告称，由于负 zeta 电位和表面张力效应等性质，纳米气泡能够在水和盐水环境中长期保持稳定 [12]，[13]。这些观察结果很难用扩散模型解释，因此 proposed 了几个替代解释，包括表面钉扎、污染和与过饱和区域的动态气体交换 [14]，[15]。一些研究考察了温度和 pH 值对纳米气泡的影响，但需要进行 more 受控的比较调查，以了解本体纳米气泡与电解质、pH 值、温度和离子强度的相互作用，以及它们的稳定性受到如何影响 [8]，[16]，[17]。

随着纳米气泡技术的进步，生成技术的可扩展性和实际应用需要改进。空化、超声、溶剂交换和电解等生成方法已在 various 行业中建立和测试 [2]。然而，对能源效率、成本效益和长期可靠性的了解缺乏，需要得到解决。此外，很少有研究展示纳米气泡系统在工业规模上的集成，这引发了关于它们是否可以添加到现有运营基础设施中的问题。弥合这一缺口不仅需要更好的反应器设计，还需要明确的证据表明纳米气泡提供优于常规曝气或气体投加在相同条件下的益处 [18]。

先前的综述已建立了微泡和纳米气泡技术在水处理、生态恢复和农业系统中的广泛应用领域。本综述的目的是回答一个更具体的问题：在农业或环境应用研究中，能多 confidently 将改进归因于纳米气泡，而不是溶解气体增加、活性气体化学或处理的其他成分？

本综述将提到的问题分解为三个层次。首先，考察纳米气泡行为的物理化学基础，并解决未解决稳定机制和纳米气泡识别限制。其次，根据可能 reasonably 解释这些响应的机制，评估报告的环境和农业响应。这考虑了纳米气泡相关效应，并将其与气体输送分开。对 2021 年至 2026 年间发表的 51 项主要农业研究进行结构化定量描述性评估，用于评估当前证据基础的组成和方法学质量。

定量评估考察了作物和生产系统代表性、处理气体、纳米气泡生成机制、表征机制以及气体匹配对照的使用。分析然后确定了未来农业纳米气泡研究的最小实验和报告要求，并定义了 meaningful 规模化所需的工程信息。

章节片段
综述方法
先前的研究已经考察了纳米气泡在农业领域的物理化学性质、生成方法和潜在应用。然而，证据的组成和方法学质量尚未得到解决。为了解决这一缺口，进行了一项结构化定量描述性评估，以确定哪些作物和农业系统已被研究，使用了哪些气体和生成机制，以及研究中如何表征纳米气泡，

纳米气泡的物理与界面特性
几个因素会影响纳米气泡的物理化学行为，包括气泡尺寸、气体组成、zeta 电位、溶解气体浓度、溶液化学和界面特性（表 1）。本体纳米气泡与表面纳米气泡之间的区别仍然重要，因为这些系统在几何形状、输运行为、稳定机制和适当的表征方法上有所不同。本体纳米气泡分散在液相中，而表面纳米气泡附着于固 - 液

表征与测量局限性
可靠的表征仍然是纳米气泡研究的主要挑战之一。与通常可以直接可视化的较大气泡不同，本体纳米气泡接近或低于常规光学显微镜的分辨率极限。因此，它们的表征 heavily 依赖于对布朗运动、光散射、表面性质或密度相关行为的间接测量。当前表征技术的主要挑战之一是其无法区分

农业中的纳米气泡：机制与生物响应
近年来，纳米气泡在农业中应用的研究大幅扩展。报告的响应包括种子萌发、根系发育、养分吸收、生物量、光合性能、作物产量、胁迫耐受性、土壤性质和根际微生物群落的变化（图 5）。然而，这些结果源于在气体组成、溶解气体浓度、气泡性质、培养系统、生成方法、处理

作物代表性与农业系统
总共在 51 项研究中识别出 60 个作物或植物出现实例，因为一些出版物研究了不止一种物种（图 6A）。生菜和番茄品种是最常被研究的作物，占作物出现实例的 10%，其次是水稻，占 8.3%。小白菜/大白菜、萝卜和草莓各占 5.0%，而辣椒、大麦、小麦和百慕大草各占 3.3%。剩余的 43.3% 涵盖了 other 作物范围

农业纳米气泡研究的标准化
定量评估显示，农业纳米气泡研究之间的比较仍然受到不一致的处理定义、表征、气体报告、对照设计和工程报告的限制。仅在 51 项研究中的 27 项（52.9%）中识别出直接的纳米气泡表征。关于溶解气体对照，51 项研究中的 13 项（25.5%）包含合格的类似气体比较器，而 10 项（19.6%）有意改变了相关溶解气体浓度。此外，气体

研究优先级与工程规模化
尽管纳米气泡技术在农业和环境系统中展示了潜力，但超越受控实验室实验的转化仍然受到不一致的处理表征、不足的工程数据和缺乏独立的田间规模验证的限制。在本评估的研究中，51 项研究中有 18 项（35.3%）在田间或中试规模进行，5 项（9.8%）提供了 at least 一些关于发生器/泵功率或能源使用的定量信息，但仅 2 项（3.9%）

结论
纳米气泡技术在农业和环境系统中显示了相当大的潜力，特别是对于改善气体输送、修改根区和 aquatic 条件，以及增强现有的物理、化学和生物过程。然而，这里审查的证据表明，对纳米气泡处理的 positive 响应不应 automatically 被解释为 unique 纳米气泡特异性机制的证据。

在许多研究中，纳米气泡（NB）的生成同时会改变溶解气体。操作定义列表 缩写全称定义 AFM 原子力显微镜 一种利用纳米级探针扫描样品并测量表面形貌和界面特性的高分辨率表面成像技术。ATP 三磷酸腺苷 活细胞中主要的能量携带分子，常用作生物活性和细胞代谢的指标。BOD 生化需氧量 微生物生物降解可生物降解有机碳所需的溶解氧的量。CRediT 作者贡献声明 Chetna Agnihotri：撰写—审阅与编辑、撰写—初稿、可视化、方法论、形式分析、数据整理、概念化。Robert L.F. Liang：撰写—审阅与编辑、监督、资源、方法论、经费获取、数据整理、概念化。Marina Freire-Gormaly：撰写—审阅与编辑、经费获取。利益冲突声明 作者声明关于本稿件的发表不存在利益冲突。致谢 本研究由NSERC发现计划（RGPIN-2020-06087，PI：Dr. Marina Freire-Gormaly）和CSA FAST 2023计划（PI：Dr. Marina Freire-Gormaly）资助。作者也感谢约克大学机械工程系和Lassonde工程学校通过Lassonde创新基金2021提供的财政支持。在准备本工作期间，作者使用了由OpenAI开发的语言模型ChatGPT以及Grammarly进行 Chetna Agnihotri | Robert L.F. Liang | Marina Freire-Gormaly 约克大学Lassonde工程学校机械工程系，加拿大安大略省多伦多市Keele St. 4700号，邮编M3J 1P3