Nanoscale biopolymer chemistry for precision agriculture

方法

综述壳聚糖、纤维素、海藻酸等五种生物聚合物纳米载体的负载释放与土壤-植物互作机制

发现

纳米生物聚合物可控释养分、提升氮素利用率约25%，并增强抗旱耐盐能力。

机会点

纳米载体与物联网、遥感决策系统的田间集成验证及标准化、成本与环境安全评估仍待研究。

可持续精准农业日益借助纳米尺度生物聚合物化学，以提升养分输送、土壤肥力管理、植物营养和抗逆性。本综述聚焦五种可生物降解的生物聚合物，即壳聚糖（chitosan）、纤维素（cellulose）、海藻酸盐（alginate）、木质素（lignin）和淀粉（starch），将其设计为纳米载体，重点关注其负载、释放及土壤—植物相互作用机制，而非对配方进行详尽罗列。可调控的表面电荷、官能团、孔隙率和生物降解性，使这些纳米生物聚合物平台能够实现养分的可控负载、缓释、保水，以及与土壤和植物系统更强的相互作用。进入土壤后，纳米尺度生物聚合物与黏土矿物、有机质、土壤溶液离子和微生物发生作用，影响养分的吸附、解吸、迁移性和根际有效性。随后，根系和叶面途径使植物能够利用这些材料进行养分吸收，进而提高养分利用效率，并改善生长、产量和品质。干旱和盐胁迫尤其凸显了其应用价值，因为在其作用下，水分状态、离子平衡、根区保护和养分有效性均可得到改善。与精准农业工具的整合也占据突出地位，涵盖纳米生物传感器、物联网（IoT）、地理信息系统（GIS）、遥感以及为位点特异性养分管理而构建的决策支持系统。然而，合成标准化、田间验证、成本、可扩展性、环境安全和监管仍是尚未解决的挑战。尽管如此，纳米尺度生物聚合物系统为可持续、气候韧性和资源高效的作物生产提供了一条有前景的路径。这一判断得到了实际结果的支持：交联壳聚糖—海藻酸盐纳米胶囊可实现氮、磷、钾的30天释放，田间施用纳米氮喷雾可满足作物需求并将常规氮投入降低约25%，同时伴随可测量的土壤微生物群落变化[1,2]。