《Next Materials》：Controlled delivery of sulfur nanoparticles to sunflower plant using nano sulfur loaded alginate film for enhanced growth
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本研究制备了预吸附硫代硫酸钠的海藻酸钠薄膜，并通过草酸还原反应生成负载硫纳米颗粒（SNPs）的薄膜，分别命名为 SNLSA(6)175、SNLSA(6)375 和 SNLSA(6)600，其中括号内数字代表成膜溶液中海藻酸钠的质量体积浓度（w/v），下标数字代
本研究制备了预吸附硫代硫酸钠的海藻酸钠薄膜，并通过草酸还原反应生成负载硫纳米颗粒（SNPs）的薄膜，分别命名为 SNLSA(6)175、SNLSA(6)375 和 SNLSA(6)600，其中括号内数字代表成膜溶液中海藻酸钠的质量体积浓度（w/v），下标数字代表每 100 ml 溶液中用于负载硫代硫酸根离子的硫代硫酸钠用量（mg）。研究人员利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）和扫描电子显微镜（SEM）对薄膜进行了表征。透射电子显微镜（TEM）分析显示，大多数纳米颗粒呈圆柱形，平均长度为 90–115 nm，宽度为 25–40 nm。研究调查了硫纳米颗粒从海藻酸盐薄膜中的动态释放过程，并采用不同的动力学模型对数据进行了解析。动力学模型的拟合优度顺序为：幂函数模型 ≈ Schott 模型 > 一级动力学模型。根据幂函数模型确定的三种薄膜的释放指数'n'值在 0.4–0.6 之间，表明这是一个以扩散控制为主、链松弛过程贡献较小的释放过程。将空白样品 SNLSA (6)0 及负载硫纳米颗粒的样品 SNLSA (6)175、SNLSA(6)375 和 SNLSA(6)600 浸入水中，利用“滴灌系统”灌溉向日葵植株。经过九天的灌溉期后，植株的总高度分别约为 195.8 ± 6.2 mm、223.3 ± 9.1 mm、236 ± 8.3 mm 和 255.5 ± 11.1 mm。最终估算得出，在普通土壤、含元素硫土壤以及混合了薄膜样品 SNLSA (6)175、SNLSA (6)375 和 SNLSA (6)600 的土壤中生长的植株，其硫吸收率分别为 0.186%、0.287%、0.441%、0.598% 和 0.589%。数据的统计分析表明，样品 SNLSA (6)375 在向植物提供硫纳米颗粒方面效果显著。
**基于海藻酸钠薄膜与滴灌系统的硫纳米颗粒可控递送及促生机制研究解读**
硫作为植物生长必需的大量元素之一，广泛参与氨基酸（如半胱氨酸和甲硫氨酸）、维生素、辅酶及次生代谢产物的合成，对植物的生长发育、光合作用效率提升以及生物和非生物胁迫的防御机制构建具有关键作用。然而，尽管元素硫在农业领域地位重要，但由于其水溶性差、植物吸收受限以及易因淋溶和挥发造成显著损失等局限性，作物缺硫现象频发。传统硫酸盐肥料虽易溶但易淋失并引发环境问题，而叶面喷施元素硫又存在剂量难控、潜在药害及成本高等弊端。随着纳米技术的发展，利用纳米尺度营养物质提高生物利用度成为热点，其中硫纳米颗粒（SNPs）因其在土壤中可被微生物缓慢氧化为硫酸盐从而实现持续释放的特性，被视为解决上述问题的理想方案。此外，滴灌系统（DIS）作为一种节水节能、能直接将养分输送至根区的灌溉技术，正逐渐应用于现代农业。本研究旨在结合水凝胶可控释放系统（HCRS）与滴灌技术，开发一种基于天然多糖海藻酸钠（SA）的创新递送策略，以实现硫纳米颗粒向向日葵植株的高效、可控及环境友好型供给，该研究成果发表于《Next Materials》。
研究人员主要采用了以下关键技术方法开展研究：首先，利用化学还原法，将预吸附不同浓度硫代硫酸钠的海藻酸钠薄膜置于草酸溶液中，通过歧化反应原位生成硫纳米颗粒，制备出不同负载量的 SNLSA 系列薄膜；其次，综合运用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）及透射电子显微镜（TEM）对薄膜的化学结构、表面形貌及纳米颗粒的粒径尺寸进行表征；再次，通过浊度法建立硫纳米颗粒浓度标准曲线，并结合幂函数模型、一级动力学模型及 Schott 模型等多种动力学方程，解析纳米颗粒在水中的动态释放行为；最后，构建模拟滴灌实验装置，以向日葵（Helianthus annuus）为模式植物，通过定量分析植株高度变化及植株体内硫含量，评估不同处理组的促生效果及硫吸收效率。
**研究结果**
**海藻酸钠薄膜的制备与表征**
研究人员通过加热蒸发法制备海藻酸钠固体薄膜，并利用硫代硫酸钠与草酸反应在薄膜基质中原位生成硫纳米颗粒。FTIR 光谱分析显示，负载后的薄膜保留了海藻酸的特征峰，并出现了归属于单质硫的特征峰（476 cm?1, 655 cm?1等），证实了硫纳米颗粒的成功负载。SEM 图像表明，未负载的纯海藻酸钠薄膜表面粗糙且呈现微米级颗粒结构，而负载硫纳米颗粒后，薄膜表面纹理变得相对平滑，纳米颗粒填充了部分孔隙。TEM 分析进一步揭示，生成的硫纳米颗粒多呈圆柱形，平均长度分布在 90–115 nm 之间，宽度为 25–40 nm，部分呈现不规则几何形状。
**硫纳米颗粒的释放动力学**
动态释放实验显示，随着时间推移，硫纳米颗粒的释放速率逐渐加快，这归因于未交联的海藻酸钠薄膜结构疏松，水分侵入后促进了颗粒释放。在 180 分钟内，不同负载量的薄膜释放量存在显著差异。动力学模型拟合结果表明，幂函数模型和 Schott 模型对实验数据的拟合效果最佳。计算得出的释放指数'n'值介于 0.4 至 0.6 之间，说明硫纳米颗粒从薄膜中的释放主要受扩散机制控制，同时伴有少量的聚合物链松弛过程贡献。此外，薄膜在释放结束后仍保持一定形态，未完全溶解，这可能是由于反应副产物草酸根离子与海藻酸链间形成的氢键网络起到了物理交联作用。
**滴灌系统下的植株生长响应**
在为期七天的滴灌实验中，研究人员观察到植株生长高度与递送载体中的硫含量呈正相关。与仅使用纯水或空白薄膜灌溉的对照组相比，接受硫纳米颗粒处理的向日葵植株生长显著加速。具体而言，经 SNLSA(6)0、SNLSA(6)175、SNLSA(6)375 和 SNLSA(6)600 处理后的植株累积高度依次增加，其中 SNLSA(6)600 组别植株最高，表明高浓度硫负载能更有效地促进生物量积累。
**植株硫吸收定量分析与机制探讨**
对收获植株进行硫含量测定发现，各处理组的硫吸收率显著高于普通土壤对照组和元素硫土壤组。统计数据显示，SNLSA(6)375 和 SNLSA(6)600 处理组的植株硫含量最高，且两者在统计学分组上同属最优组别（Group a），显示出优异的促生效果。尽管 SNLSA(6)600 的平均硫含量略高，但其标准差较大，表明实验结果波动性较强；相比之下，SNLSA(6)375 表现出更高的稳定性和一致性。关于吸收机制，研究推测尺寸在纳米级别的硫颗粒可通过根表皮细胞壁和细胞膜渗透，或通过根尖凯氏带的裂隙进入根系，亦可能通过形成纳米级膜孔积累于根部。进入植物体后，硫纳米颗粒可随木质部和韧皮部运输至植株各部位，或在土壤微生物作用下氧化为可溶性硫酸根离子，经由根部特异性硫转运蛋白被吸收利用。
**结论**
综上所述，本研究证实了未交联的载硫纳米颗粒海藻酸钠薄膜具有作为植物营养递送系统的巨大潜力。通过将纳米硫技术与滴灌系统相结合，不仅实现了水分和硫资源的最小化消耗，还显著提升了向日葵的生长表现和硫素吸收效率。该方法克服了传统硫肥利用率低和环境污染风险高的问题，为现代农业提供了一种高效、可控且环境友好的新型施肥策略。
