用于水资源及农业食品可持续性的纳米技术修复技术：一项关键性综述

《Journal of Environmental Sciences》：Nano-enabled remediation technologies for water and agrifood sustainability: A critical review

　　阿卜杜勒拉扎克·吉纳杜·奥塔鲁 | 以撒·阿尔哈姆杜·巴巴
化学工程系，工程学院，费萨尔国王大学，阿尔-阿赫萨，31982，沙特阿拉伯

摘要
快速的工业、城市和农业发展显著加速了污染物向水和土壤中的释放，给传统处理技术带来了严峻挑战。由于纳米材料具有独特的物理化学性质，包括高表面积、表面化学控制能力和催化作用，纳米技术为环境修复提供了一种新方法。本综述批判性地回顾了金属、金属氧化物、碳基和混合纳米材料在水处理和农业食品可持续性方面的最新进展。重点介绍了吸附、光催化、氧化还原转化和抗菌作用，与传统工艺相比，这些方法能更有效地去除重金属、农药、染料和病原体。通过TiO2、ZnO和AgNP基系统的案例研究，展示了其多功能性，包括污染物解毒、微生物失活和促进作物生长的能力。文章还探讨了绿色合成方法、从农业废弃物中回收资源以及纳米混合配置，作为经济高效、可扩展且环保的解决方案。同时，也指出了纳米颗粒可回收性、生态毒性、在土壤中的长期积累以及法规漏洞等挑战，并强调了混合系统、现场规模示范和技术经济分析的机遇。总体而言，本综述为将纳米技术应用于循环水资源管理和精准农业系统指明了方向，旨在实现可持续的食品生产和生态系统保护。

引言
快速的工业化、城市化和农业集约化导致污染物广泛释放到水生和陆地生态系统中，这对环境和人类健康构成了巨大风险（Araújo等人，2024年）。传统的修复技术（如混凝-絮凝、活性污泥系统和高级氧化）在某种程度上是有效的，但常常受到高运行成本、二次废物产生以及难以去除顽固有机污染物、重金属和新污染物的限制（Madhogaria等人，2024年；Saleem等人，2024年）。这促使全球范围内寻找经济高效、可持续且创新的修复策略，以符合循环经济和绿色化学的理念（Khanzada等人，2024年；Mourak等人，2025年）。

纳米技术作为一种革命性的环境修复技术，得益于纳米材料前所未有的物理化学性质，例如超高表面积与体积比、表面功能可调性以及改进的催化和吸附性能（Hasbullah等人，2019年；Lebron等人，2020年）。这些性质使纳米材料能够在分子水平上接触污染物，从而实现高效的吸附、快速氧化还原转化和有效的光催化。在纳米尺度上，零价铁（nZVI）、金属氧化物（TiO2、ZnO、Fe3O4）、碳纳米结构（石墨烯、碳纳米管）和混合纳米复合材料在废水处理中表现出优异的性能，能够清除重金属、染料和病原体（Boc?a等人，2023年；Lalmalsawmdawngliani等人，2024年）。同样，在农业领域，纳米技术推动了养分的精准输送、农药包覆、土壤改良和压力管理的发展，从而提高了作物产量和资源利用效率，同时减少了对环境的影响（Bekele等人，2024年）。尽管取得了这些进展，但纳米颗粒团聚、潜在的生态毒性和纳米材料合成的可扩展性仍是实际应用中的重要障碍（Olawade等人，2024年）。最近的研究集中在利用植物提取物、微生物途径和生物聚合物进行更环保的合成，以生产经济高效且生物相容的纳米材料，并开发具有吸附、光催化和抗菌功能于一体的多功能纳米复合材料（Mushahary等人，2024年；Nawaz等人，2024年）。此外，纳米技术与膜生物反应器、电化学系统和基于自然的解决方案相结合，被赞誉为具有协同效应和接近零排放的系统（Ambaye等人，2022年；Olawade等人，2024年）。

本综述全面而批判性地评估了基于纳米材料的废水处理和农业食品可持续性的最新进展，特别强调了材料设计、处理过程、环境安全性和农业效益的整合。与其他主要关注污染物去除过程或农业应用的综述不同，本综述旨在通过批判性地评估纳米材料的性质、合成方法和界面过程对处理过程和生态后果的影响，来弥合水处理与土壤-作物系统之间的差距。主要目标包括：（i）批判性地评估金属、金属氧化物、碳基和混合纳米材料的结构-功能-性能相关性；（ii）综合实验室、中试和现场数据以评估技术成熟度和可扩展性；（iii）研究影响大规模实施的生命周期、技术经济和生态毒理学方面；（iv）制定安全应用于循环水资源管理和精准农业的设计原则和政策策略。通过整合环境工程、材料科学和农学的不同证据，本综述为将纳米技术从实验室推向实际应用提供了跨学科框架。

研究方法
使用Scopus、Web of Science Core Collection和ScienceDirect等主要科学数据库进行了全面的同行评审文献搜索，重点关注2010年1月至2026年3月期间发表的研究，特别是关于纳米材料在水净化、废水管理和可持续农业实践中的应用。为了确保覆盖范围，对标题、摘要和作者关键词应用了布尔运算符组合。代表性搜索词包括：
•“纳米材料”或“纳米颗粒”或“金属氧化物纳米颗粒”或“碳基纳米材料”
•和“废水处理”或“水修复”或“污染物去除”
•和“农业”或“土壤改良”或“作物生产力”。
这种方法有助于检索包含实验研究、机制分析和纳米材料在环境和农学应用中的应用研究。

筛选标准
只有符合以下条件的研究才能被纳入综述：
•发表于同行评审的期刊，并以英文撰写
•探讨了金属、金属氧化物、碳基或混合纳米材料在废水处理或农业相关应用中的用途
•提供了污染物去除、吸附、光催化或抗菌活性的实验结果、机制解释或可量化的性能指标

排除的标准包括：
•会议摘要、书籍章节或未经同行评审的报告
•仅关注地表水或海水淡化过程，与废水或农业无关
•缺乏足够的实验或分析数据，或 purely 计算/理论研究，缺乏实证验证

初步筛选包括阅读标题和摘要以去除重复项和不相关的条目。然后对符合资格标准的文章进行全文评估，提取关键信息，包括纳米材料类型、目标污染物、合成路线、反应或吸附机制、性能指标以及作者指出的限制或挑战。

结果分析
通过对选定研究的定性综合，识别出反复出现的趋势，比较不同纳米材料的有效性，并阐明主导的机制途径，包括吸附、光催化降解、氧化还原作用和抗菌效果。结果按主题组织，提供了基于纳米材料的解决方案在环境修复和农业改进方面的结构化、基于证据的概述。

纳米材料类型及其在水处理中的应用
纳米材料根据维度大致分为0D（量子点、碳点、小纳米颗粒）、1D（纳米管、纳米棒、纳米纤维）、2D（石墨烯、层状纳米片）和3D（框架、树枝状聚合物、堆积组装体），并根据组成分类为碳基、金属、金属氧化物、聚合物系统、树枝状聚合物、量子点和工程复合材料，每种材料都有其独特的物理化学特性，适用于从环境修复到光催化应用的不同领域。

光催化在废水处理中的应用
二氧化钛纳米颗粒（TiO2 NPs）因其高化学稳定性、可调的表面化学性质以及暴露于紫外光时生成活性氧物种（如羟基自由基•OH和超氧阴离子•O2?）的能力而被广泛认为是废水处理的默认光催化剂。这些活性氧物种能够氧化降解从有机染料和药品到农药和工业废水的各种污染物。

锌氧化物纳米颗粒（ZnO NPs）因其强大的抗菌和光催化性能而在废水和农业环境领域受到密切研究，这些性能使其在环境修复和农业修复中非常有用。它们的活性归因于多种机制，包括生成活性氧物种、释放锌离子和破坏微生物膜。银纳米颗粒（AgNPs）由于其广谱抗菌活性、催化作用和表面等离子体共振（SPR）而在废水处理、农业和环境修复中具有广泛应用。

碳基纳米材料，特别是碳纳米管（CNTs）和氧化石墨烯（GO），表现出优异的电学、热学和机械性能，在处理农业废水方面表现出高效（表9）。CNTs具有大的表面积和吸附能力，有助于有效去除废水中的重金属和有机化合物（Rodoshi Khan和Bin Rashid，2024年）。

纳米复合材料的应用
纳米复合材料在废水处理中的应用已成为应对水资源短缺、农业污染和工业废水的一种可能方法。许多研究人员使用不同类型的纳米复合材料去除废水中的污染物（表12）。Afsharpour等人（2021年）使用Pistacia lentiscus作为天然前体合成了新型氮掺杂多孔生物石墨烯（NPBG），然后与WO3混合。

结论
纳米技术通过利用金属、金属氧化物、碳基和混合纳米材料的独特物理化学性质，在废水处理和农业可持续性方面带来了范式转变，相比传统技术具有更优越的污染物去除、病原体杀灭和资源回收能力。越来越多的证据表明，纳米材料具有多重功能，能够同时实现污染物解毒、养分循环利用，甚至促进植物生长。

作者贡献声明
阿卜杜勒拉扎克·吉纳杜·奥塔鲁：编写——审稿与编辑、原始草稿撰写、软件使用、资源管理、方法论设计、资金获取、数据分析、概念构思
以撒·阿尔哈姆杜·巴巴：编写——审稿与编辑、原始草稿撰写、可视化设计、资源管理、研究实施、数据分析、概念构思

披露
作者使用生成式AI（GenAI）平台进行初步结构合成和关键词提取（Google AI Mode）。图形生成通过文本到图像扩散模型（DALL-E 3）和专用图形工具（FigureLabs）完成。所有AI辅助输出均经过与原始资料的严格实证验证，作者对内容和视觉效果负最终责任。

资金声明
本研究得到了沙特阿拉伯费萨尔国王大学研究生教育和科学研究 vice presidency 的科学研究部支持 [资助编号 KFU262016]。

利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢
感谢沙特阿拉伯费萨尔国王大学和尼日利亚米纳联邦科技大学提供了出色的研究环境和必要的技术设施。