综述：铁纳米粒子作为可持续农业的高效纳米肥料

《Discover Plants》：Iron nanoparticles as efficient nano fertilizers for sustainable agriculture

本文系统综述了铁纳米粒子（Iron nanoparticles， INPs）作为新型纳米肥料在可持续农业领域的应用与机制。综述指出，与传统铁肥相比，INPs凭借其纳米尺寸、高比表面积、受控释放等特性，能精准、高效地提供铁元素，有效解决植物铁缺乏问题，尤其在碱性、钙质土壤地区。INPs不仅显著促进植物生长、提高产量，还能增强光合作用、提升抗逆性，并有望通过农业生物强化策略改善人类缺铁性贫血等健康问题，是实现精准与可持续农业的桥梁技术。

　　

在农业领域，铁元素的缺乏是限制植物生长和产量的全球性问题，尤其是在碱性或钙质土壤中。铁纳米粒子（INPs）作为新一代纳米肥料，为解决这一难题带来了革命性的希望。

引言

铁是植物叶绿素合成、呼吸作用及多种酶促反应必不可少的微量营养素。然而，传统铁肥在土壤中溶解度低、生物可利用性差，导致养分流失和环境污染。相比之下，铁纳米粒子凭借其纳米尺度、高表面活性和可控释放行为，能够实现养分的靶向输送，显著提升植物对铁的吸收和利用效率。

背景

铁缺乏不仅影响作物健康，还与全球范围内（尤其是印度）广泛存在的缺铁性贫血密切相关。农业生物强化，即通过提高作物可食用部分的铁含量来改善膳食营养，正成为一种可持续的解决方案。INPs通过增强铁的溶解性、吸收率和在植物体内的积累，有望同时提升土壤肥力、作物产量和人类健康。

数据分析方法

本综述基于Google Scholar、PubMed等电子数据库，系统回顾了2010年至2025年间发表的关于INPs作为肥料的研究文献。在筛选出的368篇相关文章中，有130篇详细阐述了INPs作为植物生长促进剂的作用，其中38篇使用了生物合成INPs，92篇使用了商业INPs。

INPs使用的形式

作为肥料应用的INPs主要有几种形式，其中最常见的是氧化铁纳米粒子，包括磁铁矿（Fe₃O₄NPs）和赤铁矿（α-Fe₂O₃-NPs 和 γ-Fe₂O₃-NPs）。此外，零价铁纳米粒子（Zero-valent INPs）、铁-锌双金属纳米粒子、铁-铜双金属纳米肥料、铁-壳聚糖复合材料等也显示出应用潜力。

INPs的使用浓度范围很广，在土壤中通常为25 mg/kg 至 3000 mg/kg，在水培系统中为1 mg/L 至 200 mg/L，而作为叶面喷施剂则为0.6 mg/L 至 6000 mg/L。选择何种纳米粒子及其剂量取决于土壤类型、植物种类和期望的营养释放曲线。然而，过量使用可能导致养分径流和水污染，因此需遵循推荐指南谨慎使用。

施用方式

INPs可通过多种方式施用，主要包括土壤混施、叶面喷施和种子引发。

土壤施用

将INPs直接混入土壤，可为植物根部提供持续、均匀的铁元素供应。这不仅能改善养分吸收，还能通过与土壤微生物的长期相互作用，长期促进土壤健康和肥力。INPs进入植物根系的机制复杂，可能涉及静电吸附、通过根毛或细胞膜的内吞作用或被动扩散等途径。进入根系后，INPs可通过共质体或质外体途径运输，最终进入木质部，转运至植株的地上部分。

叶面喷施

将INPs直接喷洒在植物叶片上，是一种快速高效的补铁方式，尤其适用于土壤条件限制铁有效性的情况。这种方法能绕过土壤，直接通过叶片气孔或表皮吸收，养分利用更精准高效，且能减少土壤积累和地下水污染的风险。铁对叶绿素合成和光合作用至关重要，叶面喷施INPs能迅速纠正铁缺乏引起的黄化、生长受阻和减产。

种子引发

种子引发是一种预处理技术，将种子浸泡在含有INPs的溶液中。INPs能渗透种皮，在种子萌发时释放铁离子，为幼苗早期生长提供关键营养储备。这种方法可以增强种子活力，促进发芽，并提高幼苗对各种环境胁迫（如干旱、盐分）的耐受性。同时，INPs还可能发挥一定的抗菌活性，减少土传病害的发生。

铁纳米粒子的吸收机制

根部吸收

植物主要通过两种策略从土壤中吸收铁。策略I（还原策略）：植物通过根系释放质子（H⁺）降低根际pH，并分泌铁螯合物还原酶，将难溶的三价铁（Fe³⁺）还原为可吸收的二价铁（Fe²⁺），然后通过IRT1（铁调控转运蛋白1）等转运蛋白吸收。策略II（螯合策略）：某些单子叶植物分泌植物铁载体，与Fe³⁺结合形成可溶复合物，再通过专一转运蛋白吸收。INPs，特别是氧化铁纳米粒子，因其高比表面积和反应活性，能更有效地提供生物可利用的Fe²⁺，其稳定性和可控释放特性优于零价铁纳米粒子，能确保植物持续获得铁营养。

叶片吸收

叶片吸收始于INPs沉积在叶片表面的角质层。纳米粒子可通过气孔、角质层裂隙或亲水孔道进入叶片内部。进入表皮细胞后，可能通过内吞作用被摄取，并通过胞间连丝在细胞间进行共质体运输，最终到达叶肉细胞。在叶肉细胞中，INPs被溶解，释放出的铁离子参与叶绿素合成和光合作用电子传递等关键生理过程。纳米粒子的大小、表面电荷、包被剂以及环境温湿度都会影响其吸收效率。

种子引发吸收

种子引发过程中，INPs随水分一起被种子吸收，附着或穿透种皮。在种子萌发时，INPs被活化并释放铁离子，为胚根和胚芽的早期发育提供铁元素。这些铁离子对呼吸作用、光合作用及多种代谢过程所需的酶合成至关重要。同时，INPs还能刺激抗氧化酶活性，帮助幼苗应对萌发和早期生长阶段的氧化胁迫。

INPs的作用途径

INPs通过多种途径促进植物生长和发育。

增强养分有效性

INPs不仅能提高土壤中铁的生物有效性，还能通过改变土壤pH或与其他土壤成分相互作用，影响氮、磷、钾等其他必需养分的有效性和吸收。

改善光合作用

通过更高效地供应铁，INPs支持叶绿素合成，从而增强植物的光合能力。它们还能影响气孔开闭，改善气体交换和水分利用效率，这对光合作用至关重要。

增强酶活性

铁是植物许多代谢过程中关键酶的辅因子。充足的铁供应能激活这些酶的活性，从而促进植物的整体新陈代谢和生长发育。INPs的精准输送确保了铁在酶系统中得到高效利用。

总之，铁纳米粒子代表了一种连接纳米技术与可持续作物生产的有前景的桥梁。它们在提高养分利用效率、促进植物生长、增强抗逆性以及通过生物强化改善人类营养健康方面展现出巨大潜力，为实现全球可持续和精准农业的目标提供了创新解决方案。