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碳基纳米材料已成为应对可持续农业重大挑战（包括土壤肥力下降、气候变化、资源利用效率低下以及日益加剧的环境污染）的有力工具。其中，碳纳米管（CNTs）和碳量子点（CQDs）因其独特的理化性质以及与植物和土壤系统的多样化相互作用而受到广泛关注。本综述对CNTs和C
碳基纳米材料已成为应对可持续农业重大挑战（包括土壤肥力下降、气候变化、资源利用效率低下以及日益加剧的环境污染）的有力工具。其中，碳纳米管（CNTs）和碳量子点（CQDs）因其独特的理化性质以及与植物和土壤系统的多样化相互作用而受到广泛关注。本综述对CNTs和CQDs进行了全面的比较分析，重点阐述其结构特征如何决定环境归趋、植物吸收、生理响应及胁迫缓解机制。CNTs主要作为一维纳米结构发挥作用，可改善土壤性质、促进养分输送并固定环境污染物；而CQDs凭借其超小尺寸、优异的水分散性和固有荧光特性，能够主动调控植物代谢、光合作用、养分获取及抗氧化防御。本综述在系统评估其合成、表面功能化和理化修饰最新进展的同时，也批判性地评价了二者在转运途径、根际相互作用及亚细胞定位方面的差异。综述进一步总结了它们在通过调控活性氧清除、渗透调节、离子稳态及胁迫响应信号通路来增强重金属毒害、盐碱胁迫和干旱胁迫耐受性方面的现有证据。为对其农业应用提供均衡评估，本文还讨论了潜在的植物毒性、环境持久性、生态风险及绿色合成策略。此外，本文探讨了CNT–CQD复合体系协同应用的新兴机遇，以及主要的知识空白和未来研究重点，包括机器学习辅助纳米材料设计、多组学表征、长期田间验证和基于生命周期的风险评估。本综述建立了一个条件依赖、情境依赖的“结构—行为—功能”概念框架，为下一代可持续农业中碳纳米材料的合理设计和安全应用提供理论指导。
主体内容总结
1. 引言
全球农业正面临人口增长、气候变化、水资源短缺、耕地减少和土壤退化等多重压力，传统农业技术如增施化肥、喷施农药和传统育种已难以应对这些复合挑战。纳米技术为提升资源利用效率、降低环境风险提供了新途径。在众多纳米材料中，碳基纳米材料（CNMs）因独特的碳质化学特性、可调的表面功能化以及相对较低的金属毒性风险而备受关注。石墨烯和氧化石墨烯（GO）虽具有优异性能，但存在水分散性差、易聚集、横向尺寸大等限制组织内转运的问题；纳米金刚石制备成本高、农业应用数据缺乏；富勒烯因强疏水性导致环境行为不可控。相比之下，CNTs和CQDs分别作为一维管状和零维准球形结构的典型代表，在维度、形貌、表面化学和电子结构上存在根本差异，决定了其与土壤—植物系统相互作用方式的差异。CNTs通常通过“物理聚集—持久保留”机制发挥“物理支架”和“外部屏障”作用，而CQDs则通过“化学分散—可生物降解迁移”机制介导“化学信号传导”和“内部信号激活”。现有综述多聚焦单一材料体系，缺乏统一框架下的系统性并排比较。本文建立了“结构—行为—功能”因果链分析框架，从合成与理化性质、土壤—植物连续体中的环境归趋、植物生长促进与养分利用效率、非生物胁迫耐受性调控四个维度对CNTs和CQDs进行了系统比较，并评估了环境安全性和协同应用前景。
2. 合成、功能化及理化性质
碳纳米管的合成主要依赖高温气相沉积技术，包括电弧放电、激光烧蚀和化学气相沉积（CVD），其中CVD因可控性强和产率高而最为常用。CVD过程中，烃类气体在600–1000 °C下于过渡金属催化剂（Fe、Co、Ni）表面热分解，催化剂纳米颗粒的尺寸和组成决定CNT的直径和手性。CVD产物需经酸洗和高温退火去除无定形碳和残余金属催化剂等杂质。碳量子点的合成分为“自上而下”和“自下而上”两类策略：前者通过电弧放电、激光烧蚀或电化学氧化将宏观碳前驱体碎裂为纳米级量子点；后者通过水热/溶剂热法和微波辅助合成等方法将柠檬酸、葡萄糖、尿素等小分子有机物碳化和成核。水热法（180–200 °C，4–10 h）是实验室制备高荧光量子产率氮掺杂CQDs（N-CQDs）的常用方法。CNT合成依赖高温和金属催化剂，需严格纯化，存在金属残留风险；CQD合成条件温和（150–250 °C）、无需金属催化剂，纯化简单，且可在常规实验室条件下实现规模化生产。
表面功能化方面，CNTs主要采用共价和非共价修饰策略。共价功能化通过酸处理在侧壁和末端引入羧基（-COOH）、羟基（-OH）等含氧基团，改善水分散性，但过度氧化会破坏sp2碳骨架，影响机械强度和导电性。非共价功能化通过π–π堆积、疏水相互作用或静电吸附将表面活性剂、聚合物或生物分子包裹于CNT表面，在保持sp2结构的同时增强分散性。CQDs的表面工程具有更大的灵活性和可调性：合成与功能化可一体化进行，通过选择特定前体组合实现杂原子（N、S、P、B）原位掺杂；合成后修饰可通过酰胺化、酯化或硅烷化实现靶向分子偶联。CQDs本身具有丰富的表面羧基和羟基，天然具备优异的水分散性，无需预处理。CNT功能化属于“修复性”策略，旨在克服疏水聚集倾向；CQD功能化则属于“增强性”策略，在已有亲水表面基础上精细调控光学性质、化学反应性和生物识别能力。
结构方面，CNTs是由sp2杂化碳原子卷曲形成的一维管状结构，长径比可达103–10?。单壁碳纳米管（SWCNTs）的手性向量（n, m）决定其电子性质；多壁碳纳米管（MWCNTs）由多层同心石墨烯管组成，层间距约0.34 nm。CQDs是尺寸通常为2–8 nm的零维准球形纳米粒子，核心由sp2/sp3杂化碳混合构成，结晶度低于CNTs。CNTs本征荧光极弱，量子产率通常低于1%；CQDs则表现出丰富的激发波长依赖性光致发光（PL）和上转换发光（UCPL）特性，量子产率可通过表面钝化和杂原子掺杂显著提升。CNTs具有优异的导电性，金属性SWCNTs可媲美铜；CQDs因sp2域不连续和表面缺陷丰富，导电性较弱。
3. 土壤—植物连续体中的环境行为
在土壤环境归趋方面，CNTs因强疏水性和高长径比，在土壤中传输严重受限，易发生均质聚集。土壤柱实验表明，功能化MWCNTs在自然土壤中迁移性仍较差，二价阳离子显著增强其保留。CNTs可通过土壤真菌和细菌分泌的过氧化物酶发生生物降解，但速率极慢，且高度依赖缺陷密度和功能化程度。CQDs因亲水表面官能团和准球形几何结构，在土壤溶液中表现出优异的胶体分散性，布朗运动可克服重力沉降，在低离子强度下可长期悬浮。CQDs在土壤中的迁移能力显著高于CNTs，原因包括：零维球形结构减少了多孔介质中的物理阻滤；丰富亲水基团提供更强的静电排斥和位阻效应；亚10 nm尺寸小于大多数土壤孔隙喉道。但高离子强度或多价阳离子（如Ca2?）会屏蔽负电荷并促进桥连，诱导CQD聚集。土壤有机质如腐殖酸（HA）和黄腐酸（FA）可通过氢键和疏水相互作用结合于CQD表面。CNTs的强土壤保留性意味着环境风险集中在表层和根际，而CQDs的高迁移性则增加了地下水污染的可能性。
在植物吸收、转运与亚细胞定位方面，CNTs在特定条件下可穿透植物维管组织。电荷选择性实验表明，带正电的MWCNT-NH?和中性p-MWCNT转运效率较高，而带负电的MWCNT-COOH穿越膜能力受限。CNT直径和长度影响其吸收效率，直径小于细胞壁孔隙（5–20 nm）有利于通过。CNTs在亚细胞层面分布于细胞质、细胞壁、膜、叶绿体和线粒体中。CQDs因尺寸小和亲水性，可通过共质体和质外体两种途径进入根内，并通过蒸腾流经木质部向上转运至叶片。CQD的荧光特性使其可通过共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）直接进行亚细胞追踪，可进入细胞核和线粒体，核定位引发基因毒性担忧。研究表明CQDs可诱导基因甲基化改变，且这种表观遗传效应可遗传至T1代种子。
在根际微生物组调节方面，MWCNTs可促进有益根际细菌的定殖。10–100 mg/L MWCNTs显著增强植物促生根际细菌（PGPR）枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）Tpb55菌株的生物膜形成，涉及胞外多糖和蛋白质产量增加以及生物膜相关基因上调。CQDs则倾向于对整体微生物群落结构和功能产生系统性影响。将生物质衍生的碳点作为土壤改良剂，可显著提高玉米根际土壤有机质含量和养分循环速率；宏基因组分析表明CQD处理富集了参与碳、氮、磷代谢的关键微生物类群（如鞘氨醇单胞菌Sphingomonas、芽孢杆菌Bacillus和假单胞菌Pseudomonas）。氮掺杂碳点可诱导玉米根系分泌更多有机酸，形成正反馈循环。
4. 植物生长促进与养分利用效率
种子引发与萌发促进方面，CNTs通过物理穿透种皮促进水分吸收，并上调水通道蛋白基因表达，从而促进萌发。Khodakovskaya等人发现CNTs可穿透番茄种子坚硬的种皮并促进水分吸收。Lahiani等人将研究扩展至大麦、大豆和玉米，证实MWCNTs可通过多种途径促进萌发和早期生长。CQDs则主要通过表面化学活性和植物激素样效应促进萌发，其促进作用在较低浓度下即可发生，剂量—响应曲线更平缓，安全范围更宽。CQD表面羧基可能与生长素受体（如TIR1/AFB）相互作用，并诱导α-淀粉酶活性升高，加速淀粉降解和可溶性糖积累。
根系结构（RSA）与养分获取方面，CNTs对根系发育的影响具有浓度依赖性和物种特异性。高浓度（1000–2000 mg/L）MWCNTs显著抑制红菠菜和生菜的根和茎伸长，而低浓度则无显著毒性。CNTs还可通过高比表面积吸附土壤溶液中的NH??、NO??、PO?3?和K?，形成缓释养分库。CQDs在较宽的浓度范围内均能促进根系发育，上调水通道蛋白基因并改善矿质养分吸收。N-CQDs处理使生菜生物量增加41.70%，叶绿素a含量、电子传递速率（ETR）和光系统II量子效率（ΦII）均显著提升，Rubisco活性增加60.61%。CQDs还可作为微量营养元素载体（如碳点—锌复合物缓释锌肥），并上调硝酸盐转运蛋白（NRT）和钾通道（AKT）基因表达。在干旱胁迫下，叶面喷施氮掺杂聚丙烯酸修饰碳点（PNDs）可降低ROS积累，使净光合速率提高206.8%，并促进根中脱落酸（ABA）和脯氨酸积累，揭示了一种通过地上部—根部信号调控根系结构的全新机制。
光合作用与碳代谢方面，CNTs对光合作用的影响具有双向性。一方面可提高叶片色素含量并增强抗氧化酶活性；另一方面SWCNTs可在光系统II（PSII）受体侧拦截电子，导致“电子泄漏”，在高光强下加剧光抑制。CQDs则通过四种机制主动增强光合作用：其一，光捕获增强，CQDs具有宽谱紫外—可见吸收和强荧光，部分具有上转换发光（UCPL）特性，可吸收近红外（NIR）光并发射可见光子，为叶绿体提供补充光合有效辐射（PAR）；其二，加速电子传递链（ETC）——CQDs可作为电子供体或穿梭体加速PSII到PSI的电子流，N-CQD处理使生菜ETR提高38.61%、ΦII提高31.24%；其三，提高碳固定酶活性——N-CQDs使Rubisco活性提高60.61%，同时谷氨酰胺合成酶活性增强，表明氮同化同步增强；其四，积累碳代谢产物——CQD处理提高叶片可溶性糖、淀粉和有机酸含量。
5. 非生物胁迫耐受性调控
重金属胁迫方面，CNTs主要通过其优异的吸附能力缓解重金属毒害。CNTs比表面积可达150–1315 m2/g，对Cd2?、Pb2?、Cu2?、Zn2?等二价阳离子具有高亲和力，吸附机制包括静电吸附、离子交换、π–阳离子相互作用和表面络合。功能化MWCNTs的金属吸附效率可比未修饰的CNTs高20倍。但CNTs在土壤中的聚集会显著降低有效比表面积，且“特洛伊木马效应”可能使吸附于CNTs上的金属随CNTs进入植物体内，增加内源金属暴露风险。CQDs则主要通过激活植物内源防御和解毒通路缓解重金属胁迫。水培添加CQDs可使Cd胁迫小麦根和叶中Cd含量降低33.1–57.7%，恢复受Cd干扰的抗氧化酶（APX、CAT、POD）活性，并调控谷胱甘肽合成相关基因（ATPS、APR、SiR、CS、GS）。叶面喷施CQDs可使Cd胁迫水稻根和茎中Cd积累分别降低31.51%和17.93%，其机制为下调OsNramp1抑制Cd吸收，增强Fe/Mn对OsNramp5的竞争性结合，同时下调OsHMA2、上调OsHMA3阻碍Cd转运。
盐碱胁迫方面，MWCNTs可缓解盐胁迫下油菜幼苗的生长抑制，通过调控Na?/K?选择性转运维持离子稳态。但CNT的缓解效果具有浓度依赖性，20 mg/L MWCNTs促进脯氨酸和K?积累，而50 mg/L时效果减弱并伴随叶片Na?含量升高。CQDs通过多种途径缓解盐胁迫：积累渗透调节物质（脯氨酸、甘氨酸甜菜碱、可溶性糖）；激活抗氧化系统（SOD、CAT、APX、GPX、GR）；重编程离子稳态（增强Na?外排、改善K?保留）；保护光合机构（维持叶绿素含量和PSII光化学活性）。生物质衍生的CQDs可有效清除羟基自由基（·OH），缓解绿豆在盐胁迫下的氧化损伤；氮掺杂CQDs显著增强SOD、CAT、APX活性并降低丙二醛（MDA）含量；糖基化CQDs促进脯氨酸和可溶性糖积累，改善细胞渗透势。
干旱胁迫方面，CNTs通过调节土壤—植物水分关系缓解干旱胁迫。其高比表面积和纳米孔可吸附和保持土壤水分，减少蒸发。羧基化MWCNTs可改变干旱条件下气孔导度动态，促进气孔更早或更高效地关闭以减少蒸腾失水。在花生中，MWCNTs提高叶绿素a、b和总叶绿素含量，增强PSII最大量子效率（Fv/Fm），保护电子传递链。CQDs则通过多种机制增强抗旱性：强效ROS清除能力保护膜完整性和细胞器功能；促进渗透调节物质积累降低渗透势；调节ABA信号通路（如NCED、PYR/PYL受体、PP2C磷酸酶、SnRK2激酶），优化气孔行为；改善根系结构（增加根长、表面积、根冠比）扩大水分获取；在分子水平上触发干旱响应基因表达变化。红发射CQDs可激活甘薯褪黑素生物合成基因，进而通过褪黑素信号增强钾离子稳态基因表达，强化离子平衡和干旱韧性。
多组学视角下的共性机制与差异：CNTs和CQDs均能激活SOD、CAT、POD等抗氧化系统清除过量ROS，诱导脯氨酸和可溶性糖等渗透调节物质积累，维持渗透平衡和光合稳定性，并调控应激响应基因和代谢通路。CNTs主要通过“土壤端”调节——利用高比表面积固定土壤重金属、保持土壤水分，从源头降低胁迫强度，但植物层面的分子调控往往是被动的生理响应。CQDs则通过“植物端”精准分子调控，主动靶向重金属解毒、离子稳态、ABA信号、褪黑素合成和氮代谢等关键通路，系统性解锁植物内源抗逆潜力，调控范围更广、靶向性更强。
6. 风险评估与可持续性考量
植物毒性方面，CNTs的高长径比和刚性使其能穿透细胞壁和细胞膜造成机械损伤，SWCNTs可穿越拟南芥叶肉细胞壁并诱导细胞凋亡。CNTs还可诱导ROS过量产生，导致脂质过氧化、蛋白质羰基化和DNA损伤，并可通过表观遗传修饰（如水稻根尖分生组织组蛋白H3全局高乙酰化）产生毒性。CNT植物毒性通常遵循毒物兴奋效应剂量—响应曲线，低浓度促进生长、高浓度抑制。CQDs通常被认为具有良好生物相容性，但高浓度CQDs可抑制拟南芥根尖分生组织生长，在分生组织细胞核中积累，并下调生长素生物合成基因、干扰DNA修复和细胞周期调控基因表达。非靶标生物方面，CNTs和CQDs均可调节根际微生物群落，但过量或不适当施用可能抑制非靶标微生物并破坏生态平衡。
环境暴露、持久性与转化方面，CNTs可通过直接施用（土壤改良剂、纳米肥料）和间接途径（废水灌溉）进入农田土壤，因强疏水性和高长径比在土壤中传输受限，倾向于在表层和根际积累。CQDs因亲水表面官能团和纳米级尺寸在土壤溶液中具有良好胶体分散性，迁移性更高，增加地下水污染风险。CNTs的生物降解极为缓慢，可长期存在于土壤中，并可能发生聚集、碎裂或表面涂层降解，产生次级微/纳米碳颗粒。CQDs表面官能团丰富，更易被微生物代谢利用，但其田间矿化速率和代谢产物毒性仍需深入研究。
食物链传递与慢性风险方面，CNTs可穿透植物维管组织并在木质部、韧皮部细胞及细胞质、细胞壁、膜、叶绿体、线粒体中积累。CQDs因小尺寸和亲水性具有更高吸收效率，可通过木质部进行长距离转运至叶片，甚至进入细胞核和线粒体。若CNMs在可食用组织中积累，将构成人体膳食暴露风险。目前关于CNMs沿食物链（植物—草食动物—肉食动物）的营养传递和生物富集研究极为有限。长期土壤积累可能对土壤生态系统和植物产生慢性毒性，CNTs在土壤中的强保留性使风险集中于表层和根际，CQDs的长期环境行为和潜在慢性效应仍需深入评估。
职业暴露方面，纳米材料生产、配制和农业应用过程中，操作人员可能通过吸入、皮肤接触或意外摄入暴露于CNMs。CNTs的纤维状结构可能诱发石棉样肺部炎症反应，应在CNMs全生命周期内实施适当防护措施并建立严格操作规范。
绿色合成与生命周期评估方面，传统CNTs和CQDs合成路线依赖化石碳源、高能耗和有毒催化剂或溶剂。利用农业/林业废弃物（椰壳、稻壳、甘蔗渣）作为碳前体是绿色CNT合成的进展，但生物质衍生物CNTs产率低、缺陷密度高，目前尚不适合大规模农业应用。CQDs的水热合成本身较为绿色，多种天然生物质（柑橘汁、水葫芦、蓖麻籽、仙人掌、龙舌兰提取物）可单独作为前体，在180–250 °C下反应获得高量子产率CQDs。生命周期评估（LCA）需覆盖原料获取、合成与生产、农业应用、环境归趋与转化、废物管理五个阶段，同时还需考虑技术经济因素，包括生产成本、规模化生产可行性、产品稳定性、应用效率及与现有农业实践的兼容性。
7. CNT–CQD复合材料的潜在协同应用
CNT–CQD复合材料的协同效应源于界面形成的异质结，可通过光诱导电子转移（PET）和福斯特共振能量转移（FRET）实现高效电荷和能量转移。构建策略从弱到强依次为非共价组装、共价键合和原位生长。作为纳米肥料载体，CQD表面基团可螯合养分实现缓释/响应释放，CNTs可促进细胞穿透以递送CQD—养分复合物，但相关研究较少，缺乏体内系统研究。复合传感平台方面，CQDs提供荧光“开—关”响应，CNTs放大信号并导电，可用于土壤重金属、农药残留和植物激素监测。重金属检测中，CQD荧光可被Hg2?、Pb2?、Cu2?等离子通过静态猝灭或电子转移高效猝灭，CNT的引入可进一步提高猝灭效率和灵敏度。环境安全性是复合材料应用的关键瓶颈，目前生态毒理学数据几乎完全集中于单一CNT或CQD，复合材料在土壤中的迁移、转化、降解行为及其对微生物群落的影响、营养传递和生物富集风险等关键知识空白亟待填补。
8. 结论、研究空白与未来展望
CNTs和CQDs并非替代关系，而是功能互补的“纳米农业工具”：CNTs锚定土壤—根际界面，CQDs靶向植物内部信号网络。当前关键研究空白包括：真实环境中长期归趋与老化产物；分子识别与界面特异性（缺乏直接证明这些材料与特定植物受体蛋白物理结合的证据）；多胁迫条件下的系统行为；CNT–CQD复合材料的毒性机制；从模式植物向主要粮食作物的尺度转换。未来研究应沿三个维度推进：精准化——建立机器学习驱动的定量结构—活性关系（QSAR）模型，预测非线性剂量—响应关系，开发数字孪生平台；系统化——采用同步辐射X射线荧光显微镜（SR-XRF）、纳米二次离子质谱（NanoSIMS）和单细胞拉曼光谱等单颗粒原位追踪技术，结合空间转录组学、蛋白质组学、代谢组学和离子组学；可持续化——开发将CNTs作为结构支架、CQDs作为传感和信号组件的刺激响应型纳米平台，实现环境信号感知和可控释放，同时建立基于标准生命周期的生态风险评估框架，并开展多地点、长期田间试验验证。
