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纳米种子预处理技术通过绿色合成金属及氧化物纳米材料（如ZnO、Fe3O4、SiO2）提升种子抗逆性，促进发芽和根系发育，为可持续农业提供低毒环保方案。
Kübra ?zmen|Fulya Uzuno?lu|Ra?it Ayd?n|Osman Kahveci|Bünyamin ?ahin|Kaz?m Mavi
土耳其哈塔伊省哈塔伊穆斯塔法·凯末尔大学农业学院园艺系
摘要
新的纳米级材料正在被开发并应用于各种技术和农业领域，这表明纳米材料及纳米辅助设备的商业化将持续增长。有多种方法可以制备纳米结构样品，包括传统的化学合成和绿色合成方法。纳米预处理技术是现代农业实践的关键组成部分，因为它们适用于多种植物品种和环境条件。本文综述了用于种子预处理的金属和金属氧化物基纳米预处理剂的绿色合成方法，并将其与经典化学方法进行了比较，同时探讨了这些合成剂在可持续农业技术中的潜在应用。与其他方法相比，绿色合成被认为是获得纳米级预处理材料的最佳方法，因为它对人体健康和环境安全，且毒性较低。本文还强调了基于植物的金属和金属氧化物材料合成过程中遇到的挑战和限制因素，并讨论了这些合成产品在环境修复和可持续农业中的潜在应用，如去除有害物质、促进种子发芽、提高耐盐性和耐旱性、支持根系和植物生长以及增强产量和抗氧化酶活性。
引言
当前农业领域面临着重大的环境和经济挑战，包括人口增长、气候变化、水资源减少和环境退化。因此，迫切需要新技术来确保可持续的农业生产并提高植物对各种压力的抵抗力。纳米技术利用纳米级材料的特殊性质（如高表面积和化学反应性），以提高农业投入的效率，并实现更精准的植物施用。纳米肥料和纳米农药，特别是纳米预处理技术，在建立具有高度气候适应性和环境可持续性的生产系统中发挥着关键作用（Huang等人，2024年；Parray等人，2019年；Ridhi等人，2024年）。
纳米预处理是一种先进的播种前处理方法，包括将种子浸泡在含有纳米粒子的溶液中或在纸张之间进行处理。这些处理的主要目的是加速发芽、提高幼苗活力并增强种子对环境压力的抵抗力（Aggarwal等人，2025年；Shelar等人，2021年）。传统的预处理方法（如水预处理、渗透预处理、激素预处理等）通常使用水、盐或激素，而纳米预处理则通过直接施加功能性纳米粒子在细胞和分子层面与种子相互作用。例如，氧化锌（ZnO）、氧化铁（FeO?O?）和二氧化硅（SiO?）等金属氧化物纳米粒子可以穿透种皮到达内部组织，调节活性氧（ROS），刺激抗氧化防御系统，并加速代谢过程（Ahmad等人，2024a年；Qamar等人，2025年；Zhao等人，2025年）。
然而，传统预处理方法存在不足之处，如无法有效且可控地将生物活性物质输送到种子组织中，效果短暂，且在压力条件下效果有限。纳米预处理克服了这些缺点，通过可控释放、小粒径和靶向作用同时发挥微量元素和生物刺激剂的作用。小粒径和缓释特性有助于种子在处理过程中吸收水分和养分。因此，即使在低产或干旱土壤中，纳米预处理也能促进发芽和幼苗生长（Khan等人，2023年；Song和He，2021年；Zhuang等人，2025年）。
用于纳米预处理的纳米材料的选择基于其生物活性、溶解性和与种子生理的相互作用。金属氧化物（如ZnO、FeO、CuO、MgO和TiO?）有助于水分吸收、养分运输以及发芽过程中的抗氧化系统激活。此外，虽然银（Ag）和硒（Se）等单质纳米粒子具有抗菌和缓解压力作用，但基于生物聚合物的材料（如壳聚糖）提供了更环保的替代方案（Ahmad等人，2023年；De La Torre-Roche等人，2020年；Gopalsamy等人，2025年；Tymoszuk，2021年；Yadav和Mathur，2025年）。
种子预处理的起源可以追溯到公元前4世纪，当时Theophrastus观察到浸泡在水中的黄瓜种子发芽更快更均匀。同样，Gaius Plinius Secundus也报告说蜂蜜和水溶液可以促进发芽。16世纪时，Olivier de Serres发现将种子浸泡在肥水中可以促进植物生长。19世纪，Charles Darwin通过实验表明在海水中进行渗透处理后种子发芽率会增加。20世纪，Ells和Koehler提出了现代意义上的种子预处理概念，Heydecker于1973年将“种子预处理”一词引入科学文献。2009年，Khodakovskaya等人通过展示纳米材料对发芽的影响，将纳米技术引入种子技术，为纳米预处理奠定了基础。Mahakham等人（2016年）使用绿色合成的金纳米粒子作为种子处理剂，改善了老化玉米种子的发芽和幼苗生长（Mahakham等人，2016年；Shelar等人，2021年；Waqas等人，2019年）。这些发展历程如图1所示。鉴于这些进展，人们对绿色合成的纳米预处理剂产生了兴趣，有必要对这些方法进行详细研究，以推动可持续农业的发展。
图1显示，种子预处理最早出现在公元前371年，最初是简单的预湿润处理，然后在20世纪70年代随着Barric和Drennam对可控预处理的定义而成为系统化的方法。21世纪，纳米技术的进步促进了纳米结构碳材料在预处理中的应用。如今，种子预处理已成为一种多方面的策略，得到纳米技术的支持，并广泛用于提高可持续农业的产量。
农业中的绿色纳米预处理技术出现于2010年后。然而，在过去十年中，科学数据库中关于这一主题的出版物数量稳步增加。越来越多的研究和积极的结果提高了人们对这一领域的兴趣。本研究旨在为未来的研究指明方向，并总结当前关于绿色纳米材料在可持续农业中应用的文献。
本文全面回顾了使用通过绿色合成方法获得的金属和金属氧化物纳米粒子作为各种植物种子预处理剂的文献。这些技术在农业可持续性方面的发展、当前应用及相关生物学效应已在科学出版物中得到评估。相关领域的研究按时间顺序呈现，详细介绍了从特定植物提取物合成纳米粒子并将其应用于各种农作物的人员。所获得的数据反映了纳米预处理技术的历史发展以及基于绿色合成方法在农业应用中的重要性。纳米技术在农业生产中的应用也被评估为一种创新方法，特别是在数字农业中的成像系统方面。本文评估了当前相关文献的现状，并为未来的研究提供了科学依据。作者旨在通过整合分散的文献，提供关于通过绿色合成生产的纳米材料在农业中应用的简要概述。我们还试图阐明实验室条件下获得的数据与实际应用中获得的数据之间的差异，探讨不同纳米材料的作用机制，并介绍有关植物-土壤相互作用的最新发现。另一个目标是强调纳米预处理处理中剂量、时间和方法的标准化需求，并报告有关绿色合成过程有效性的各种进展。
本文旨在通过系统分析现有研究并提供明确的科学路线图，为未来的研究提供指导。因此，本研究对于指导政策、研究和应用具有重要意义，因为它揭示了环保、高效、低风险的纳米技术解决方案在可持续农业中的科学基础。
部分摘录
绿色合成纳米粒子的可持续性和环境命运
纳米粒子的溶解情况与其溶解状态和速率、吸收途径、毒性机制以及潜在的环境污染风险有关。然而，关于纳米粒子作用机制的可靠信息仍然不足。纳米粒子的作用机制受多种因素影响，包括粒子类型和大小、在农业生产中的应用方式（如纳米预处理、纳米肥料、纳米信息素等）、应用时间和剂量。
纳米预处理剂的绿色合成与表征
绿色合成提供了一种可持续、环保的纳米粒子生产方法，既不需要有毒化学物质，也不需要高能量输入，而是利用植物提取物、微生物、藻类和生物聚合物等生物制剂。植物提取物含有黄酮类、酚类化合物、生物碱和蛋白质等植物化学物质，这些物质可作为金属离子和纳米粒子的天然还原和稳定剂，从而实现环保的生产。绿色合成纳米预处理剂对幼苗的影响和机制
理解纳米粒子与植物之间的相互作用对于阐明纳米粒子的吸收、运输和积累至关重要。已有研究表明，纳米粒子可以通过非质体和质体途径进入植物叶片和根部。证据表明，黄瓜根部的纳米粒子主要通过非质体途径传输。基于金属的纳米粒子作为纳米预处理剂
现代社会的快速工业化和城市化导致了有害气体和有毒化学物质的过度排放，造成了严重的环境退化。为了应对这些问题，探索和利用自然过程来开发可持续的纳米材料合成方法至关重要。由于纳米技术独特的物理化学和功能特性，基于纳米技术的应用与生物系统高度兼容。未来展望与挑战
使用纳米材料进行种子预处理的目的是在各种具有挑战性的环境中（包括有害金属引起的毒性）提高植物表现、促进发芽率并增强种子活力。这种方法利用纳米粒子的独特性质（如反应性和高表面积与体积比）来诱导种子有益的变化。虽然使用绿色合成的纳米预处理剂进行种子包衣仍处于起步阶段，但显示出巨大的潜力。结论
使用植物提取物制备的纳米预处理剂是现代农业中一种创新且有前景的方法。本文强调了使用各种植物提取物进行纳米结构材料的绿色合成，强调了它们在促进种子发芽和活力、幼苗生长、根系发育以及整体植物生长方面的潜力，从而推动更可持续的农业实践。未来的研究可以探索将这些纳米级材料输送到植物各部分的新方法。
CRediT作者贡献声明
Bünyamin ?ahin：撰写——审稿与编辑、可视化、监督、方法学、研究。Kaz?m Mavi：撰写——审稿与编辑、可视化、监督、方法学、研究。Ra?it Ayd?n：撰写——审稿与编辑、方法学、研究、概念化。Osman Kahveci：撰写——审稿与编辑、方法学、研究。Kübra ?zmen：撰写——审稿与编辑、方法学、研究。Fulya Uzuno?lu：撰写——审稿与编辑、方法学利益冲突声明
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