生物合成纳米颗粒在农业中的应用：纯化、表征与使用的研究进展——一项批判性综述

《Sustainable Food Technology》：Biosynthesized nanoparticles for agriculture: advances in purification, characterization, and use – a critical reviewOpen Access

　　

摘要专业翻译 本综述批判性地评估了近期关于利用植物提取物、真菌、藻类和细菌合成的生物源纳米颗粒（biogenic nanoparticles, BNPs）在农业应用中的文献。分析结果显示，研究主要集中于银纳米颗粒（AgBNPs，占研究的50%）和氧化锌纳米颗粒（ZnOBNPs，约占25%），同时对铜、硒和氧化铁BNPs也进行了研究。生物合成通常可产生稳定、结晶性好且多为球形的纳米颗粒，典型尺寸介于10至100 nm之间。合成后，通常采用离心和洗涤等纯化步骤以去除未反应的前体物质，但其他“杂质”，如保留的生物封端剂，对于赋予胶体稳定性、增强生物相容性以及贡献协同生物活性从而提升纳米颗粒的整体性能至关重要。在应用方面，BNPs在两个关键领域展现出显著功效。其一，它们可作为强效抗菌剂：AgBNPs对尖孢镰刀菌（Fusarium oxysporum）表现出95%的抗真菌活性，并使鹰嘴豆枯萎病发病率较接种对照组降低高达73.3%，显著优于标准杀菌剂的表现（发病率降低26.7%）。其二，BNPs可作为生物刺激素和逆境缓解剂：AgBNPs将水稻种子萌发率从80%提升至96%，ZnOBNPs使玉米株高较未处理对照组增加超过60%。此外，FeOBNPs使小麦植株对镉的吸收限制超过70%，CuBNPs通过增强光合效率和减少氧化损伤提高了大麦的耐盐性。这种双重功能使BNPs成为可持续农业中颇具前景的工具。然而，其广泛应用仍需进一步研究，特别是将BNPs的功效与化学合成纳米颗粒进行直接比较，以及评估其长期生态影响的研究。

论文主体内容总结

1. 引言

全球人口的快速增长加剧了农业在保障粮食安全的同时维持环境可持续性的压力。联合国预计到2050年全球农业产出需增加50%，这可能加剧环境退化。此外，全球约42%的作物因植物病原体感染或污染而损失。传统化学农药和杀菌剂虽广泛使用，但效率低下，且其施用导致土壤中有害物质积累，降低保水性和肥力，对作物产量产生负面影响。为解决这些问题，基于纳米颗粒的农业产品被提出，可用作农药、肥料、有益植物促生菌载体、刺激素和土壤改良剂。纳米颗粒可通过化学、物理或生物方法合成。化学和物理方法常需危险试剂、高能量输入且生产率低。相比之下，利用植物提取物或微生物作为还原剂和稳定剂的生物合成方法具有成本效益高、无毒和环境友好等优势，还具备操作简便、可规模化生产、原料循环利用及下游处理简单等优点。然而，生物合成也面临重要挑战，主要是缺乏标准化的合成方法，导致纳米颗粒形状、尺寸和表面电荷的差异，以及与化学合成方法相比更大的批次间变异性。自2010年代初以来，多种BNPs已被研究用于农业。银BNPs在鹰嘴豆中表现出抗真菌活性，铜、铁、锰和锌BNPs作为肥料和抗菌剂有效，硒BNPs展现出生物刺激特性。然而，生物源纳米颗粒的活性几乎 exclusively 通过离体或温室研究评估，田间实验的有限性引发对其在实际条件下功效的质疑。此外，生物合成过程中产生的固体中高达80%可能来自所用生物质的杂质，需要纯化以提高纯BNPs的产率。然而，生物合成纳米颗粒的纯化程序和表征技术仍缺乏足够标准化，这种标准化的缺失使可重复性和跨研究比较变得困难，最终限制了该领域的发展。

2. 方法

作者在Scopus数据库中使用以下检索词进行文献检索：“biosynthesis” OR “green synthesis” OR “biogenic synthesis” AND “nanoparticles” OR “biogenic nanoparticles” AND “agriculture”。检索排除综述论文，仅考虑英文论文。检索结果显示2011年至2025年间共有198篇论文。最终根据论文与本综述主题的相关性，按照流程图进行文章筛选和排除。

3. 结果

3.1 生物源纳米颗粒的合成

在所分析的文献中，使用多种不同化学元素合成了多种类型的BNPs，如Ag、Zn、Cu、Fe、Mg、Ti、Se、Ni和Mn。生物源同时提供还原剂和封端剂。然而，纳米颗粒的最终性质，包括尺寸、形貌、表面化学、结晶度和胶体稳定性，受到合成条件的强烈影响，如前体类型和浓度、提取物与前体比例、pH、温度、反应时间和下游处理。细菌因其快速生长、遗传可操作性和代谢多样性而被证明是有效的“纳米工厂”。细菌纳米颗粒合成可通过胞内和胞外途径发生，后者因简化下游处理和回收而更受青睐。分泌的聚合物质如多糖、蛋白质、核酸、糖醛酸和脂质含有功能基团，促进金属离子还原和纳米颗粒稳定化。多种细菌物种已被报道可介导金属和金属氧化物纳米颗粒的生物合成，包括芽孢杆菌属、大肠杆菌等。硝酸还原酶等酶类参与还原过程。微生物次生代谢产物，特别是脂肽，已显示出作为天然封端和稳定剂的巨大潜力。细菌合成高度依赖反应条件，文献中报道的一些系统狭窄的最佳窗口可能导致观察到的批次间变异性。真菌也通过被称为真菌合成（mycosynthesis）的过程提供生物合成平台。真菌分泌的胞外酶、蛋白质和其他生物分子可还原和稳定金属离子。真菌来源的纳米颗粒通常表现出比细菌纳米颗粒更高的稳定性，并具有独特的理化性质。藻类和蓝藻构成另一个生物合成平台，其富含多糖的基质同时充当还原剂和封端剂。植物基合成方法也代表一种可持续的替代方案。植物的各种部位及其代谢物，如多酚、类黄酮和萜烯，充当天然还原剂和稳定剂。然而，所选基因型、盐的选择和pH等多个因素都会导致所产生纳米颗粒在尺寸、形状、氧化态和zeta电位方面的差异。除植物物种选择外，合成参数对最终纳米颗粒产生系统性影响。提取物浓度通常与颗粒尺寸正相关，温度具有依赖来源的效应，前体浓度和pH同样具有决定性作用。微波辅助合成作为快速替代方案近期兴起，可在几分钟内产生非常小的颗粒。所有生物途径面临的反复挑战是生物源本身的固有变异性，这直接决定批次间一致性。

3.2 生物源纳米颗粒的纯化

纳米颗粒生物合成中采用多种合成后纯化和清洗步骤以获得纯、稳定且功能性的纳米颗粒。常见程序包括离心、过滤、洗涤、浸泡、干燥和煅烧。离心是最常用的技术，用于将纳米颗粒沉淀与上清液分离，参数各异，通常为4000至27000 rpm，持续10至30分钟，且常重复多次。离心因其避免溶剂暴露、基本保留生物封端层和表面化学特性而被广泛采用。其主要局限是回收不完全和颗粒聚集。洗涤对于最小化残留试剂至关重要，但过度洗涤可能去除稳定化生物分子层。洗涤是纯度与生物功能性之间权衡最为显著的步骤，溶剂选择起核心作用。水可去除可溶性盐同时有助于保留有机涂层，而醇基洗涤可能去除多酚、萜烯、有机酸等有助于封端层和生物活性的生物分子。因此，洗涤的次数、持续时间和类型受纳米颗粒最终用途影响。过滤作为初始或补充纯化策略，通常用于去除生物质或大聚集体，因其相对温和且不化学改变封端层，最适合作为早期粗澄清步骤而非最终纯化方法。空气干燥或烘箱干燥通常用于植物、真菌或细菌合成的纳米颗粒，但干燥是封端层热损伤最常发生的步骤。冷冻干燥是最温和的选择，最能保留生物功能性，但成本更高、更复杂。在分析的十一项研究中，对金属氧化物纳米颗粒和复合材料进行了高温处理，如400°C煅烧2至4小时，通常用于结晶、相发展、去除有机残留物和增强稳定性。煅烧是最剧烈的纯化步骤，应被理解为一种刻意选择而非默认操作。目前不存在通用的纯化方案。溶剂体积和洗涤步骤数量通常未标准化，而是根据合成方法、纳米颗粒组成和预期应用进行调整。这种异质性本身对可重复性构成问题，因为纯化参数很少以足够详细程度被报告以供复制，封端层在清洗前后也很少被量化。

3.3 生物源纳米颗粒的表征

表征对于确定BNPs的形貌（如形状、尺寸和聚集状态）至关重要，这影响植物对纳米颗粒的吸收和对病原体的毒性，同时也可识别表面化学和功能基团以确定封端/稳定化作用。多种分析技术可用于确定尺寸、形状、形貌、结晶度、表面化学、元素组成和胶体稳定性，包括EDX/EDS、FTIR、XRD、SEM和TEM、DLS、共聚焦显微镜、AAS和ICP-MS/ICP-OES。这些技术不仅在测量内容上有所不同，而且在操作时所处的物理状态上也有所不同，这对解释具有直接后果。TEM/SEM、AFM、FTIR和XRD在干燥或固体样品上进行，报告颗粒本身的固有性质：干态尺寸、形状、结晶度和表面基团。DLS、UV-Vis、AAS、ICP-MS/OES和共聚焦显微镜在胶体或分散状态下操作，报告介质依赖性性质：流体动力学直径、zeta电位、浓度和原位定位。这种区分并非无关紧要。在所有BNP类型中，UV-Vis常作为颗粒形成的第一确认手段，但它是间接的、整体水平的测量，不能解析纳米颗粒尺寸或形貌，因此不应单独用于确认合成成功。SEM/TEM等一些表征技术用于所有类型BNPs，在干态下确认尺寸和形貌。TEM提供真实的初级尺寸，可可视化封端层，并通过选区电子衍射确认结晶度，而SEM更快、覆盖更大视野但分辨率较低。较小的晶粒尺寸常与更强的抗菌活性和更高的植物促生功效相关。AFM增加了三维形貌和表面纹理信息。XPS提供表面元素组成和化学/氧化态信息。ICP-MS/ICP-OES提供多元素定量分析。AAS用于测定溶液中总金属浓度。共聚焦显微镜用于荧光成像和BNPs在细胞和组织中的定位与渗透研究。拉曼光谱用于确认氧化物BNPs的晶相并补充FTIR关于金属-氧键的信息。由于BNPs在农业中以水分散体形式应用（种子引发、叶面喷施、土壤浇灌），胶体态测量至少与干态测量同等重要。