《Biotechnology Advances》：From fibers to fields: electrospun nanofiber carriers at the soil-microbiome interface
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静电纺丝纳米纤维（electrospun nanofibers, ESN）为农业递送提供了多功能平台。生物可降解聚合物是开发ESN的关键材料。ESN能够保护生物制剂并提升农业应用效果。ESN能够在土壤-微生物-植物界面实现靶向互作。未来进展取决于标准化、田间验
静电纺丝纳米纤维（electrospun nanofibers, ESN）为农业递送提供了多功能平台。生物可降解聚合物是开发ESN的关键材料。ESN能够保护生物制剂并提升农业应用效果。ESN能够在土壤-微生物-植物界面实现靶向互作。未来进展取决于标准化、田间验证以及可持续制备方法的建立。当前农业面临提高作物产量与减少环境退化的双重挑战。相当比例的肥料和农药可能通过挥发、径流、淋溶、降解或脱靶沉积而损失，其程度和主要途径因化合物、作物、土壤和施用方式而异。此类低效不仅造成农民经济损失，还导致土壤和水体污染。预测表明，2010年至2050年间全球粮食需求可能增长约35%–56%，具体取决于社会经济情景（van Dijk等，2021）。向减少人工农用化学品使用的可持续耕作方式转变，已受到上述外部因素的加速推动。在此背景下，生物菌剂——包括固氮菌和根际益生菌在内的有益土壤微生物——作为传统农药和肥料的天然替代品正日益受到关注（O'Callaghan等，2022）。利用这些微生物可增强植物抗逆性和养分循环，同时减少对外源投入的依赖。根际微生物组工程（rhizosphere microbiome engineering）这一新兴理念，涉及主动调控根区微生物群落，已成为提升作物性能的前沿策略（Bano等，2021；Yang等，2023；Zhang等，2026a）。在田间部署活体微生物仍面临重大挑战。尽管典型载体（如泥炭、粉末或液体悬浮液）提供的保护有限且货架期较短，但菌剂在土壤中往往存活率低且定殖效果差（Szopa等，2022）。因此，需要新的递送方法来稳定微生物制剂、提高其耐久性并确保向根区的靶向释放，理想情况下还能在综合可持续生产系统中增强或补充农用化学品的功效。静电纺丝纳米纤维（ESN）位于农业生物技术与聚合物研究的交叉领域，其多功能性日益得到认可。静电纺丝技术通过施加强电场将聚合物溶液转化为连续纤维，直径范围从微米级到纳米级。所得无纺毡具有显著的高比表面积、轻质和高孔隙率特性（Rashid等，2021）。其结构特性使其成为微生物菌剂和生物活性化合物的有效载体，可实现控释、高载量和微环境稳定化。在考虑农业应用时，ESN在土壤中的行为及其对原生微生物的影响十分重要（Meraz-Dávila等，2021；Adhithiya Rajah等，2025）。土壤是一个复杂且具有生物活性的环境，聚合物基载体可为微生物生长创造新的表面和基质。用于农业ESN的聚合物包括天然生物聚合物、可生物降解聚酯和水溶性合成聚合物。这些类别不应等同对待，因为水溶性、纤维结构丧失以及完全生物降解或矿化代表不同的过程。ESN的环境归趋取决于聚合物化学、分子量、水解或取代度、配方以及土壤类型、pH、温度、湿度和微生物群落组成等环境因素。即使被描述为可生物降解的材料，在不利条件下也可能持续存在或产生低聚物残留（Wang等，2025）。因此，降解评估应区分溶解、碎裂、解聚、微生物同化和最终矿化等不同过程。理解这些过程及其生态后果，与证明载体的农艺性能同等重要。与传统可生物降解薄膜或本体聚合物体系不同，静电纺丝纳米纤维具有纳米级结构、极高的表面可及性和独特的水合动力学特性，可能从根本上改变其在土壤环境中的微生物定殖和降解行为。尽管基于ESN的制剂数量不断增加，但这些材料的微生物学和环境影响仍知之甚少。迄今为止，大多数研究要么侧重于评估微生物菌剂单独使用的优势，要么侧重于优化纤维形态和释放模式。将纳米纤维设计、土壤降解和微生物组响应相结合的研究仍然非常有限。以往研究主要集中于作物保护和养分递送的概念验证应用，很少关注土壤微生物互作或长期环境影响（Meraz-Dávila等，2021；Colín-Orozco等，2024）。由于土壤微生物负责聚合物降解并在土壤健康和植物生长中发挥关键作用，这一数据缺失意义重大。这些空白提出了重要的研究问题。不同的聚合物残留可能促进特定聚合物降解微生物的生长并改变土壤微生物群落。纤维材料还可能为生物膜形成创造新的生态位并影响根际动态。因此，评估纤维基系统的长期可持续性需要结合土壤微生物组、微生物生态学和聚合物科学的跨学科方法。为评估ESN的农艺潜力和生态安全性，本综述整合了微生物组研究、聚合物生物降解研究和静电纺丝技术的最新知识。与表1中总结的以往综述相比，这些综述主要关注材料设计和技术性能（Pirzada等，2020；Meraz-Dávila等，2021；Juri?等，2023；Colín-Orozco等，2024；Zaman等，2025），本工作特别关注聚合物性质与土壤微生物生态之间的界面。一个关键局限性是缺乏对ESN在土壤中生物降解的系统研究。因此，当前知识依赖于其他聚合物系统（如薄膜或水凝胶）的数据，限制了对ESN的直接解读。本综述因此提供：（i）静电纺丝在农业中应用的概述；（ii）基于类似材料的聚合物生物降解分析；（iii）关键知识空白的识别以及解决这些空白的潜在监管和方法学途径。重点强调需要标准化纤维表征方法以及纳米纤维-土壤-微生物组互作评估方法，以实现跨研究的可重复和可比结果。
1. 引言
论文引言部分指出，提高作物产量与减少环境退化是当前农业面临的双重挑战。大量施用的肥料和农药可能通过挥发、径流、淋溶、降解或脱靶沉积等途径损失，不仅造成经济损失，还导致土壤和水体污染。全球粮食需求预计在2010至2050年间增长35%–56%，推动了向可持续农业的转型。生物菌剂（bioinoculants）作为传统农用化学品的天然替代品日益受到重视，根际微生物组工程（rhizosphere microbiome engineering）成为提升作物性能的前沿策略。然而，在田间部署活体微生物仍面临存活率低、定殖差等挑战。静电纺丝纳米纤维（electrospun nanofibers, ESN）因其高比表面积、轻质、高孔隙率等特性，成为微生物菌剂和生物活性化合物的有效载体。论文强调，与传统可生物降解薄膜或本体聚合物体系不同，ESN具有纳米级结构、极高表面可及性和独特水合动力学特性，可能从根本上改变其在土壤环境中的微生物定殖和降解行为。然而，目前关于ESN的微生物学和环境影响研究仍十分有限，缺乏将纳米纤维设计、土壤降解和微生物组响应相结合的系统研究。本综述旨在整合微生物组研究、聚合物生物降解研究和静电纺丝技术知识，评估ESN的农艺潜力和生态安全性，并识别关键知识空白。
2. 文献检索与证据分类
论文通过Scopus、Web of Science Core Collection和Google Scholar进行定向检索，检索时间截至2026年6月。检索策略涵盖静电纺丝聚合物系统及其在农业、土壤环境和微生物技术中的潜在应用。初始检索获得309条记录，经去重和筛选后，最终对一百余篇文献进行批判性分析。文献按证据来源分为三类：（i）直接在农业或土壤环境中研究静电纺丝系统的研究；（ii）在受控条件下评估静电纺丝系统的实验室或温室研究；（iii）涉及可生物降解薄膜、本体聚合物、水凝胶或微塑料的类比研究。特别关注直接涉及土壤微生物群落的研究，但这类研究在现有文献中仅占很小比例。
3. 静电纺丝纳米纤维作为农业工具
3.1 静电纺丝原理与纳米纤维特性
静电纺丝是利用静电力将聚合物溶液转化为连续纤维的纤维制备技术。典型装置包括装有聚合物溶液的注射器、连接高压电源（通常5–50 kV）的金属针头和接地收集器。当施加电压时，针尖处的悬垂液滴带电并伸长形成泰勒锥（Taylor cone），超过阈值后带电射流被射出并向收集器延伸，溶剂蒸发形成固体纤维。该过程高度可调，纤维形态（直径、串珠形成和排列）可通过改变溶液参数（聚合物浓度、粘度和电导率）、过程参数（电压、流速和针头-收集器距离）和环境条件（温度和湿度）进行调节。论文指出，不同聚合物体系所需的静电纺丝条件差异显著：水基体系（含PVA、PVP）偏好温和条件（10–30 kV，0.6–1 mL·h-1，12–13 cm）以保持微生物活性；聚酯溶液（PLA、PHB、PCL）则需要更高电压（23–25 kV）、更高流速（0.8–3 mL·h-1）、更大针头-收集器距离（15–25 cm）及挥发性有机溶剂混合物（如DCM/DMSO或CHCl3/DMF）。
在优化条件下，静电纺丝可制备直径从几纳米到几微米的纤维。大多数农业静电纺丝系统产生亚微米纤维（100–600 nm），具有光滑连续形态和均匀添加剂分布。所得无纺毡具有高孔隙率（60–90%）和良好渗透性，有利于气体扩散和保湿。较小纤维直径和较高孔隙率导致更快水合和增强扩散，而较厚纤维倾向于实现更持续释放。论文强调，纤维形态可能影响微生物定殖和土壤中的生物降解行为，较小纤维直径和高孔隙结构为微生物附着和酶攻击提供更大表面可及性，可能加速降解并塑造聚合物相关微生物群落。
3.2 所用聚合物类型
农业ESN已由多种聚合物制备，包括天然聚合物（壳聚糖、海藻酸盐、明胶、几丁质）、水可处理合成聚合物（聚乙烯醇PVA、聚乙烯吡咯烷酮PVP）、半合成纤维素衍生物（二醋酸纤维素CDA）、微生物合成的聚羟基链烷酸酯（如聚羟基丁酸酯PHB）以及化学聚合的可生物降解聚酯（PLA、PCL、PLGA、PBAT）。
天然生物聚合物因其环境安全性、生物降解性和生物相容性而被广泛使用。壳聚糖既可作为载体基质，又可作为具有抗菌和激发子特性的生物活性组分，刺激植物防御反应。纤维素衍生物（特别是CDA）已用作疏水或难溶性农用化学品的稳健基质。PHB作为微生物合成的聚酯，提供比典型多糖更大的结构稳定性，适合长期微生物固定化。然而，生物聚合物仍面临机械强度低、批次间变异性和需要有机溶剂等局限。
化学聚合的可生物降解聚酯（如PLA、PLLA、PCL、PBAT）提供更大机械耐久性，但需要有机溶剂。其疏水特性延迟水分渗透，降解速率因聚合物类型和土壤条件而异。PLA因其高机械强度、良好可纺性和可控降解行为而被广泛研究，但有限亲水性可能减少与微生物细胞和水性环境的相互作用，因此常与亲水聚合物共混。PCL具有高弹性、机械稳定性和缓慢水解降解特性。PBAT和PLGA作为可堆肥疏水聚合物，具有改善的柔韧性和微生物降解性。论文指出，合成可生物降解聚酯在静电纺丝过程中仍需要DCM或DMSO等有机溶剂，这是疏水性ESN系统的主要环境和监管限制之一。
水溶性合成聚合物（特别是PVA和PVP）允许温和加工条件，适合微生物封装和环境敏感化合物的递送。PVA因其低细胞毒性、优异成膜能力和中性条件下的化学稳定性而被最广泛研究。PVA基纤维和含海藻酸盐或甘油的杂化系统已证明可为固定化微生物提供有利微环境，保持细胞活力并实现湿度响应释放。然而，其高水溶性和较低机械稳定性可能限制田间条件下的耐久性，当前方法侧重于交联和与海藻酸盐、壳聚糖、明胶或可生物降解聚酯的杂化。
3.3 纳米纤维应用形式
静电纺丝纳米纤维的应用形式主要包括种子包衣（seed coatings）和纤维毡（fibrous mats）。超薄多孔种子包衣可同时递送养分、生物活性化合物和有益微生物，同时形成保护性物理屏障。亲水性聚合物（特别是PVA和PEO）常用于种子包衣系统，因其可在温和水性条件下静电纺丝。PVA基含甘油、海藻酸盐或微生物菌剂的纳米纤维已证明可延长微生物活力并改善种子萌发和幼苗建立。PEO纳米纤维包衣含丛枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi, AMF）（根内根孢囊霉Rhizophagus irregularis）可保持孢子活力并实现逐渐根定殖。此外，CDA纤维负载杀菌剂和杀虫剂在潮湿条件下保持结构完整性，实现活性化合物持续释放。
纤维毡类系统适用于需要长期活性的土壤环境。PHB基无纺布结合结构稳定性和生物防治活性，PHB/纤维素杂化系统改善表面润湿性和机械弹性。包裹型纤维组件（wrap-type fiber assemblies）已作为局部植物应用的保护材料出现，如PBAT/PHMG静电纺丝包裹物应用于葡萄修剪伤口可有效防止真菌感染，同时作为透气机械屏障。论文指出，后纺丝功能化（post-spinning functionalization）已成为改善材料性能的有效策略，如浸涂PHB毡表面修饰壳聚糖低聚糖或羟乙基纤维素可显著增强微生物粘附、细胞活力和机械内聚力。然而，纤维毡的长期环境行为仍了解甚少，其降解动力学强烈依赖于聚合物组成、土壤特性、温度、湿度和微生物活性。研究可生物降解地膜表明，聚合物降解可能促进"塑料圈"（plastisphere）的形成，即聚合物表面发展的特化生物膜群落。鉴于ESN极高的表面积和多孔结构，其可能比传统可生物降解薄膜提供更有利的微生物定殖基质，但这一可能性在很大程度上仍未探索。
3.4 ESN表征方法
论文强调，缺乏标准化分析方案仍是ESN研究的重大挑战。全面的ESN表征应包括纤维形态、化学组成、物理化学性质、生物性能和环境行为的多学科评估。形态和结构表征是ESN评估的第一阶段，扫描电子显微镜（SEM）是最常用技术，透射电子显微镜（TEM）提供纤维内部结构信息，X射线衍射（XRD）提供结晶度、相组成和分子组织信息。物理化学性质可通过BET分析量化比表面积、孔体积和孔径分布。光谱技术（FTIR和拉曼光谱）用于确定化学组成和分子间相互作用。机械表征（拉伸强度、弹性模量和断裂伸长率）评估材料耐久性和柔韧性，接触角测量确定表面润湿性。热分析（TGA和DSC）提供材料稳定性和降解信息。释放研究应在环境相关条件下进行，生物降解评估应被视为农业ESN表征的核心组成部分。论文提出，未来ESN研究应包含标准化最低评估集，涵盖纤维形态、化学组成、润湿性、机械稳定性、降解行为和环境相关条件下的碳矿化。对于微生物基系统，应评估加工和储存期间的微生物活力、释放和定殖能力，以及通过16S/ITS分析、酶活性测定和土壤功能测量评估与土壤微生物组的相互作用。
4. 生物活性负载
静电纺丝可保护选定活性剂并改变其释放特征。生物活性化合物方面，常规静电纺丝已用于将多营养溶液（multinutrient solution, MNS）封装在PVA纳米纤维中，实现肥料截留和控释，促进绿豆生长并增强氮和微量元素吸收。尿素-生物炭负载PLA纤维具有增强的机械抗性和控释性能。CA/明胶ESN种子包衣负载铜化合物实现活性剂可调释放，增强番茄和莴苣生长并防止镰刀菌感染。同轴静电纺丝可实现活性化合物控释，壳层聚合物保护核层封装的生物活性物质免受不利环境条件影响。PLA壳层包覆NPK肥料与PVA共混可制备机械稳定纤维，约60%的NPK在最初6小时内释放，其余在28天内逐渐释放。作物保护剂方面，多种农药已成功封装于ESN中，但多数工作仍限于纤维表征和实验室规模释放评估，农业效果尚未验证。
