羧基化的碳纳米点增强了Suaeda salsa在盐碱土壤修复以及生菜轮作生产中的应用效果

《Soil and Tillage Research》：Carboxylated carbon nanodots enhance Suaeda salsa-mediated phytoremediation of saline-alkali soils and rotational lettuce yield

　　

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  CFCN（羧基化碳纳米点）能够提高Suaeda salsa在盐碱土壤中的植物修复效率。
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  CFCN通过化学过程调节盐离子的浸出，显示出环境安全性。
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  CFCN增强了Suaeda salsa和轮作生菜对盐碱环境的耐受性。
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  CFCN与Suaeda salsa结合使用可改善土壤质量、酶活性和微生物群落。
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  在经过修复的盐碱土壤中，轮作生菜的产量显著增加。

引言

随着全球有限耕地资源与不断增长的粮食需求之间的矛盾加剧，改善和利用盐碱土地已成为确保全球粮食安全和促进生态可持续性的关键问题（Li等人，2025a；Li等人，2025b）。根据联合国教育、科学及文化组织（UNESCO）和粮食及农业组织（FAO）的数据，全球约有10亿公顷的土地受到盐碱化的影响，其中中国占约1亿公顷（Wei等人，2025）。中国的黄河三角洲是典型的海岸盐碱土壤，其形成是由于陆地和海洋相互作用下大量沉积物的积累（Chen等人，2022）。盐碱土壤中极高的pH值和钠离子（Na⁺）干扰以及养分失衡导致了严重的土壤硬化、生物多样性减少，以及农业生产和生态系统功能的限制（Mei等人，2026）。虽然传统的物理方法（如土壤置换、水利工程）和化学方法（如石膏、酸性盐）可以在短期内改善土壤性质，但它们存在成本高昂、操作复杂、维护费用高、环境风险大以及可能造成二次污染等缺点（Mei等人，2026）。相比之下，植物修复是一种基于植物的原位修复技术，为盐碱土壤的改善提供了一种环境友好和可持续的方法（Xu等人，2025）。Suaeda salsa是一种原生于黄河三角洲的盐生植物，因其对盐分的极高耐受性而被认为是修复盐碱土壤的理想物种（Wei等人，2025）。它的根系能够改善土壤结构，增加有机物含量，并提高水分保持能力和渗透性，从而缓解盐分和碱度带来的问题。然而，仅依靠植物修复可能会受到环境条件和植物生长周期的限制（Xu等人，2025）。因此，通过积极调节植物-土壤相互作用机制来开发创新的植物修复方法，为盐碱土地的修复提供了可持续的解决方案。

纳米技术在推进农业技术和环境恢复方面具有巨大潜力，它可以提高作物产量，增强肥料效果，并减轻养分损失和环境影响（Zhang等人，2021）。在盐碱环境中，纳米材料（NMs）的应用可以增强植物的抗逆性，提高作物产量和质量。例如，功能性二氧化硅纳米粒子可以通过调节根系代谢和增强微生物多样性来缓解作物的盐胁迫（Chen等人，2025）。同样，将5克/公斤的石墨烯施加到土壤中可以显著提高紫花苜蓿的光合作用和抗氧化系统功能，从而增强其在盐碱土壤中的抗逆性和生长能力（Chen和Wang，2021）。氧化石墨烯也被发现可以通过调节水田芥的次生代谢和抗氧化酶系统来减轻盐胁迫的负面影响（Golkar等人，2021）。与这些研究结果一致，我们之前的研究证实，功能性碳纳米点（FCNs）可以作为有效的植物生长调节剂，在盐碱土壤中显著提高作物的生长、抗逆性和抗病性（Chen等人，2022）。提高作物的抗逆性有助于建立健康的根际环境，而根际环境在通过调节土壤结构、养分循环和微生物群落来修复盐碱土壤方面起着关键作用（Wei等人，2025）。通过增强植物-土壤之间的正向反馈效应，纳米材料对恢复土壤微生态系统、自然功能和自我修复能力有显著贡献（Wang等人，2025）。例如，巯基功能化的碳纳米点通过多方面的植物-土壤-微生物机制丰富了促进植物生长和抵抗重金属的细菌，从而在污染条件下显著提高了作物产量（Zhang等人，2025）。类似地，掺杂纳米零价铁的生物炭增强了微生物多样性和代谢途径活性，在促进受污染土壤的修复方面表现优异（Zhao和Song，2025）。然而，尽管最近的研究确认了纳米材料在土壤改良和增强作物耐盐性方面的多功能作用，但研究重点主要还是集中在纳米材料对植物生理和土壤结构的调节作用上。

众所周知，纳米材料（NMs）的结构特性，尤其是其表面官能团，对其生物和环境功能起着决定性作用（Chen等人，2020a）。例如，负电荷的羧基（?COOH）可以提高纳米材料的亲水性和分散性，从而改善其与植物和土壤成分的相互作用。因此，优化纳米材料的表面化学性质以提高其生物相容性、环境功能和安全性对于其在农业和环境修复中的实际应用至关重要。此外，关于纳米材料如何调节植物-土壤系统中的关键过程，仍存在许多未知之处。盐离子传输和转化的动力学、根际微生物群落的响应以及纳米材料介导的植物-土壤反馈效应仍缺乏充分研究。因此，本研究旨在建立一种协同的纳米-植物修复策略，以可持续地修复盐碱土壤并提高轮作作物的生产力，重点阐明纳米材料在植物修复中的环境安全性、调节作用和协同机制。具体目标有三个：（1）合成不同羧基含量的羧基化碳纳米点（CFCNs）并将其与Suaeda salsa结合，用于修复黄河三角洲的盐碱土壤；（2）揭示CFCNs在土壤中调节盐分和养分传输的动力学行为，并阐明CFCNs驱动的土壤质量改善和微生态系统恢复的根际效应及植物-土壤反馈机制；（3）通过轮作生菜作物的产量和生理评估来验证修复效果。这项研究为开发一种绿色、高效和可持续的生态修复模型提供了科学基础，该模型将CFCNs与植物修复技术相结合。

章节摘要

CFCNs的合成与表征

本研究中使用的FCNs和CFCNs是通过使用石墨作为阳极的电解方法合成的。所得材料的形态、成分和表面化学性质通过透射电子显微镜（TEM，JEOL JEM?F200，日本）、傅里叶变换红外光谱仪（FTIR，Bruker Tensor 37，德国）、X射线光电子能谱仪（XPS，Escalab 250Xi，美国）、拉曼光谱仪（inVia，Renishaw，英国）和Zeta电位分析仪（Malvern）进行了表征。

CFCNs的结构特性

本研究中合成的FCNs和CFCNs是直径小于5纳米的纳米点（如图S1所示）。这两种纳米材料都具有优异的水溶性，其1.0克/升的溶液的pH值约为2.0。拉曼光谱（图1a）显示出两个特征性的碳峰：一个位于约1340厘米^?1的D峰，与结构缺陷相关；另一个位于约1580厘米^?1的G峰，对应于类似石墨的平面振动模式。

结论

在本研究中，我们通过将羧基化碳纳米点（CFCNs）与本地盐生植物Suaeda salsa结合，开发了一种协同的纳米-植物修复策略，用于可持续修复黄河三角洲的盐碱土壤。我们的研究结果表明，具有更高羧基含量的CFCNs在提高植物修复效率方面明显优于传统FCNs，有效降低了土壤的pH值、盐度（SAR）和总盐浓度（TSC），从而将严重盐碱化的土壤转化为适宜种植的土壤。

CRediT作者贡献声明

Libin Tian：验证、软件开发、数据分析。Qiong Chen：写作——审稿与编辑、初稿撰写、资金获取、数据分析、概念构思。Junjie Huang：软件开发、数据分析。Jianing Yang：数据可视化、软件应用、数据分析。Yuyan Wang：项目监督、软件应用。Xiaohua Ren：验证、数据分析。Shuang Zhou：数据可视化、数据分析。Mei Yan：项目管理、资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了山东省自然科学基金[资助编号ZR2023QB124]、国家自然科学基金[资助编号22306071、52173168]、济南大学科技计划[资助编号XRC2553]、泰山学者计划[项目编号TSQNtstp20221131]以及济南城市整合发展战略[资助编号JNSX2023021]的支持。作者感谢Shiyanjia实验室（//www.shiyanjia.com)

Qiong Chen|Libin Tian|Jianing Yang|Junjie Huang|Xiaohua Ren|Yuyan Wang|Shuang Zhou|Mei Yan