《Environmental Nanotechnology, Monitoring & Management》：Advanced NanoBiochar approaches for heavy metal detoxification in rice, wheat agroecosystems and challenges
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纳米生物炭通过改善比表面积、分散性和活性基团暴露，有效降低水稻和小麦对重金属的吸收，缓解土壤污染并促进作物生长，但其环境风险、长期稳定性和规模化应用仍需深入研究。
加里玛·阿瓦什蒂（Garima Awasthi）| 瓦伊巴夫·夏尔马（Vaibhav Sharma）| 南迪尼·乔汉（Nandini Chauhan）| 马希帕尔·辛格·桑克拉（Mahipal Singh Sankhla）| 安贾利·阿瓦什蒂（Anjali Awasthi）| R.D. 特里帕蒂（R.D. Tripathi）| 苏达卡尔·斯里瓦斯塔瓦（Sudhakar Srivastava）| 施拉达·辛格（Shraddha Singh）| 阿努杰·夏尔马（Anuj Sharma）| 库穆德·坎特·阿瓦什蒂（Kumud Kant Awasthi）
印度古鲁格拉姆（Gurugram）K.R. 曼加拉姆大学（K.R. Mangalam University）基础与应用科学学院（School of Basic and Applied Sciences）
摘要
重金属（HMs）在生态系统中的存在及其进入食物链是全球最严重的环境和食品安全挑战之一。与农业、工业化和污水处理相关的人为活动显著增加了农业土壤和灌溉水中重金属的积累。这些金属对植物的新陈代谢、生长和生产力产生不利影响，从而降低了水稻（Oryza sativa）和小麦（Triticum aestivum）等主粮作物的产量。传统的生物炭改良剂在固定土壤中的重金属和减少作物对其吸收方面显示出潜力；然而，其有效性往往受到均匀性差、反应性低和长期稳定性问题的限制。在这种情况下，纳米技术为可持续农业和减轻压力提供了新的机会。通过纳米级改性制备的纳米生物炭（NanoBiochar）具有增强的物理化学性质，包括更大的比表面积、更好的分散性、更多的活性功能基团以及更强的吸附能力，这显著增强了其与土壤-植物系统的相互作用。最新研究表明，纳米生物炭在降低重金属生物可利用性、限制植物吸收、改善金属胁迫下的作物生长以及增强有益的植物-微生物相互作用方面比传统生物炭更有效。本文详细探讨了纳米生物炭在水稻和小麦农业生态系统中的制备方法、物理化学性质和作用机制，重点关注重金属固定、土壤-植物相互作用以及作物的生理响应。此外，还讨论了纳米生物炭应用相关的环境风险、监管挑战和可扩展性限制。未来的研究方向将特别关注针对特定作物的纳米生物炭设计、长期田间验证、根际相互作用的机制理解、标准化安全评估框架的建立，以及将其整合到可持续农业管理系统中以实现安全的大规模应用。
引言
全球农业土壤日益受到重金属污染的威胁，这构成了重大的环境、生态和食品安全危机。快速的工业化、集约化农业、采矿、城市扩张和不当的废物管理导致有毒金属（如镉（Cd）、铅（Pb）、砷（As）、铬（Cr）和汞（Hg）在土壤-植物系统中的广泛积累。由于这些金属具有不可生物降解性和持久性，它们会在农业土壤中积累，并逐渐转移到作物和食物链中，通过长期饮食暴露对食品安全、作物生产力、生态系统稳定性以及人类和动物健康构成严重风险（Manwani等，2023；Bhandari等，2023）。主要的污染来源包括磷酸盐肥料、农药、工业废水、采矿活动、污水污泥的应用、受污染的水灌溉以及工业排放物的大气沉降（Awasthi等，2022；Chopade等，2023；Raczkiewicz等，2024）。在发展中国家，有限的监管控制和不足的废水及土壤监测基础设施进一步加剧了农业可持续性和公共健康的威胁。
由于水稻（Oryza sativa）和小麦（Triticum aestivum）的广泛种植、高消费量以及从受污染土壤和灌溉水中积累金属的能力，这些主粮作物引起了全球关注（Awasthi等，2023；Chaubey等，2024）。在淹水条件下种植的水稻特别容易积累砷，因为厌氧环境增强了砷（尤其是As(III)）的移动性和生物可利用性，从而在依赖水稻的地区带来重大公共卫生风险（Fang等，2025）。长期使用化肥和污水灌溉是镉（Cd）进一步损害水稻生长、产量和品质的关键因素（Vanisree等，2022；Xia等，2024）。尽管小麦是在有氧条件下种植的，但也受到重金属暴露的显著影响，尤其是镉（Cd）和铅（Pb），这些金属在集约管理的土壤中容易积累，并在摄入后对健康造成长期风险（Zhou和Li，2022；Bhandari等，2023）。
重金属污染的持续性和规模要求迫切需要可持续的修复策略。虽然通过生物质热解制备的生物炭已被广泛用于通过吸附、络合和沉淀机制固定重金属，但其有效性往往受到表面反应性低、土壤分散性差、扩散动力学慢和长期稳定性不稳定的限制（Chaubey等，2024；Fang等，2025）。传统生物炭的特点是颗粒较大、比表面积较低、孔隙连通性有限、活性功能基团的可用性受限，这限制了其与金属离子的相互作用效率。相比之下，通过纳米级尺寸减小、纳米粒子涂层或球磨等机械处理制备的纳米生物炭表现出显著增强的表面积、孔隙率、功能基团暴露度、土壤分散性和吸附动力学（Rafique等，2022）。因此，纳米生物炭在物理化学反应性和固定效率方面优于传统生物炭，显示出在稻小麦农业系统中减轻重金属污染的巨大潜力（Jangir等，2024；Fang等，2025；Bhandari等，2023）。
纳米生物炭通过土壤-根际-植物界面的综合物理化学、地球化学和生物机制来缓解重金属胁迫，包括表面吸附和络合、离子交换、沉淀为稳定矿物相、氧化还原介导的转化以及根际微生物固定过程。我们假设纳米生物炭通过以下协同多机制途径减少土壤-植物系统中的重金属胁迫：（i）通过活性功能基团的纳米级表面吸附和络合；（ii）离子交换和沉淀为稳定矿物相；（iii）在动态土壤条件下的氧化还原介导的金属物种转化；（iv）由微生物相互作用和土壤性质改变驱动的根际介导的生物固定。这些过程共同降低了金属的生物可利用性，限制了植物对其的吸收和向可食用组织的转移，增强了作物的生理韧性，从而减轻了金属毒性并提高了受污染农业系统的生产力。
部分摘要
制备方法
纳米生物炭的制备是提高其物理化学性质的关键步骤，包括高比表面积、丰富的功能基团和增强的反应性，使其在重金属修复和促进植物生长方面非常有效。最近的研究强调了生产纳米生物炭的三种主要策略：机械尺寸减小、纳米粒子浸渍/修饰以及直接合成具有纳米级特征的材料。不同方法的优点和局限性
挑战与环境影响
纳米生物炭在固定重金属和提高作物抗逆性方面具有明显优势，但其应用引发了若干科学、环境和监管挑战。在农业生态系统中大规模采用之前，必须仔细评估潜在风险、长期稳定性和治理框架
结论
纳米生物炭作为一种有前景的多功能改良剂，通过固定污染物、改善植物健康和增强土壤功能，有助于减轻水稻和小麦系统中的重金属毒性。对生物炭的纳米级工程改造可以显著提高其吸附能力和定制的相互作用，为特定作物的修复提供机会。然而，这些进展必须结合对环境风险、长期命运和治理框架的严格评估。
未引用的参考文献
Ali等，2020；Huang等，2022；Manwani等，2024；Rehman，2020；Singh等，2022；Chaubey，2024；Bhandari，2023；Rafique，2022；Nguyen，2023；Xu，2020；Hu，2024；Beatrice，2022；Pande，2022；Raczkiewicz，2024；Faizan，2024。
CRediT作者贡献声明
加里玛·阿瓦什蒂（Garima Awasthi）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、监督、方法学设计、数据管理。瓦伊巴夫·夏尔马（Vaibhav Sharma）：方法学设计、正式分析、数据管理。南迪尼·乔汉（Nandini Chauhan）：方法学设计、正式分析、数据管理。马希帕尔·辛格·桑克拉（Mahipal Singh Sankhla）：验证、项目管理。安贾利·阿瓦什蒂（Anjali Awasthi）：可视化、研究、概念化。R.D. 特里帕蒂（R.D. Tripathi）：可视化、概念化。苏达卡尔·斯里瓦斯塔瓦（Sudhakar Srivastava）：可视化、研究
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
作者感谢K R Mangalam大学提供的种子基金支持，参考编号：KRMU/ADMIN/SEED/2025-26/4774(12A)。
