《Environmental Nanotechnology, Monitoring & Management》：Synthesis and evaluation of chitosan functionalized urea nanofertilizer for efficient foliar application: insights into structure and function
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壳聚糖功能化尿素纳米肥料通过Zn-Ni协同作用显著提升小麦氮同化效率，减少传统尿素用量1.8-3.7倍，其结构稳定性与脲酶活性增强机制已获证实。
作者：Damyanti Prajapati, Ajay Pal, Shivani Mandhania, Khaidem Aruna Devi, Shanti Kumar Sharma, Harish, Vinod Saharan
印度拉贾斯坦邦乌代布尔市Maharana Pratap农业与技术大学Rajasthan农业学院分子生物学与生物技术系，邮编313 001
摘要
本研究通过两步离子凝胶化方法合成了一种新型壳聚糖功能化的尿素纳米肥料（CS-f-Urea NF），其中添加了锌（Zn）和镍（Ni）以增强植物叶片对氮（N）的吸收。利用NTA、DLS、FTIR、HR-TEM、EDS、XPS、BET和BJH等技术分析了CS-f-Urea NF的关键结构和功能特性。结果表明，与传统的叶面尿素处理相比，使用CS-f-Urea NF处理的小麦叶片中尿素酶活性显著增加，这有助于提高氮的吸收效率。随之而来的是氮含量的提升以及叶绿素水平的增加，从而显著促进了植物生长。实验结果表明，锌有助于壳聚糖复合物的结构稳定，而镍则增强了尿素酶介导的氮吸收过程。本研究表明，使用CS-f-Urea NF进行叶面施肥时，所需尿素量仅为2%尿素处理量的1.8至3.7倍。
引言
壳聚糖是一种可生物降解的生物聚合物，来源于海鲜废弃物，作为一种可持续且多用途的生物资源，在环保农业应用中具有巨大潜力。基于壳聚糖的纳米载体已被广泛用于作物研究中，以增强养分吸收并促进植物生长（参考文献：Das等，2024；Ingle等，2022；Prajapati等，2022；Riseh等，2023）。过去20年间，全球氮需求几乎翻了一番（FAO，2022），但环境问题却往往被忽视。尿素作为植物氮的主要来源，已被添加到许多基于壳聚糖的纳米制剂中以促进植物生长（参考文献：Elshayb等，2022；Guhra等，2022；Kondal等，2021；Pabodha等，2022；Sharma等，2022；Umar等，2022；Zafar等，2021；Sahewalla等，2026）。相关文献强调了通过优化纳米肥料的结构和组成来提高氮吸收效率的重要性，从而实现经济和环境上的可持续性，并减少对传统肥料的依赖。这些纳米肥料的效应主要归因于其纳米级尺寸、高表面积和缓释特性（参考文献：Prajapati等，2022）。然而，如何在减少肥料使用量的同时提高氮吸收效率并降低环境影响仍是一个挑战（参考文献：Govindasamy等，2023）。为了改善叶片对氮的吸收，研究尿素酶的活性至关重要，因为尿素酶的活性在植物叶片中起着关键作用（参考文献：de Castro等，2022；Guckeisen等，2021；Krogmeier等，1989）。目前关于如何通过改进植物叶片中的尿素酶活性来提高尿素利用效率的研究较少（参考文献：Kumar等，2025；Sahewalla等，2025）。通常情况下，叶面尿素浓度超过2%会对植物产生毒性，因此需要在降低尿素施用量的同时提高氮的吸收效率。本研究旨在通过修改基于壳聚糖的纳米制剂的组成来增强尿素酶活性，从而提高尿素利用率并促进植物生长。基于以下假设，本研究开发了一种壳聚糖功能化的尿素纳米肥料：首先，锌因其对壳聚糖功能基团C2-NH?和C6-OH的高亲和力，能够在离子凝胶化过程中增强壳聚糖-TPP复合物的结构稳定性（参考文献：Mohan等，2024；Sihag等，2025）；其次，镍作为植物尿素酶的辅因子，可以进一步参与壳聚糖-TPP-Zn复合物的形成，从而增强尿素酶活性（参考文献：Sahewalla等，2025）。因此，通过离子凝胶化方法合成了这种壳聚糖功能化的尿素纳米肥料（CS-f-Urea NF），并对其结构和功能特性进行了全面分析。实验结果表明，CS-f-Urea NF显著提高了植物叶片中的尿素酶活性和氮含量，同时增强了植物的氧化还原平衡，从而在减少尿素使用量的情况下提高了氮的吸收效率。因此，本研究的目的是利用生物聚合物衍生物来降低尿素的使用量。
材料
低分子量（50–190 kDa）的壳聚糖（脱乙酰度80%）、三聚磷酸钠（TPP）、尿素、锌（ZnSO?）、镍（NiSO?）、脂肪酶（猪胰腺来源）及其他化学试剂均购自美国密苏里州圣路易斯的Sigma-Aldrich公司。小麦品种Raj-1482的种子由印度拉贾斯坦邦乌代布尔市Maharana Pratap农业大学Rajasthan农业学院的植物育种与遗传学系提供，该种子来自全印度小麦协调研究项目。
CS-f-Urea NF的合成
CS-f-Urea NF是通过离子凝胶化方法合成的（见图S1）。在总反应体积为200毫升的条件下，生成了600毫克的Zn-Ni壳聚糖复合物；进一步将Zn-Ni壳聚糖复合物与尿素按1:2的比例混合后，得到了1800毫克的CS-f-Urea NF（见图S2）。
DLS和NTA分析
DLS分析显示，Zn-Ni壳聚糖复合物的粒径为325.1纳米，多分散指数（PDI）为0.5，ζ电位为+27.4毫伏（见图1a和b）。在pH 7的条件下，每毫升Zn-Ni壳聚糖复合物中含有1.26×101?个粒径为300纳米的颗粒。
讨论
过度使用化肥会导致养分失衡、土壤淋溶、生态破坏和健康风险，因此需要对其进行规范管理。本研究探讨了壳聚糖在增强氮吸收方面的潜力。壳聚糖主要通过其功能基团（–OH和–NH?）与锌离子结合。这种结合过程可用路易斯酸碱理论来解释，其中锌离子作为路易斯酸接受电子。
结论
研究表明，锌、镍和尿素与壳聚糖的相互作用显著提高了植物的氮吸收效率，为改进传统尿素肥料的效率开辟了新的途径。为了验证本研究的结果，需要进行田间实验和环境风险评估，以将这项技术应用于实际生产中。
未引用参考文献
Deshpande等，2017；Gibal等，2009；Kalia等，2017；Kottegoda等，2017；Madusanka等，2017；Ramírez-Rodríguez等，2020；Saharan等，2017；Witte，2011。
CRediT作者贡献声明
Damyanti Prajapati：负责初稿撰写、实验研究及数据分析。
Ajay Pal：负责初稿撰写、实验研究及数据分析。
Shiwani Mandhania：负责审稿与编辑、结果验证、实验监督及软件应用。
Khaidem Aruna Devi：负责初稿撰写、实验研究及数据分析。
Shanti Kumar Sharma：负责审稿与编辑、结果验证、实验监督及软件应用。
Harish：负责审稿与编辑、结果验证及实验监督。
Vinod Saharan：其他相关工作。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本研究结果的已知财务利益或个人关系。
致谢
本研究在印度拉贾斯坦邦乌代布尔市Maharana Pratap农业大学分子生物学与生物技术系的纳米研究实验室进行，得到了该校研究机构的资助。Damyanti Prajapati感谢DBT-JRF（DBT/2018/MPUAT/1123）提供的资金支持。
