论文内容
研究背景：
近年来，潜在有毒元素（PTE）作为最有害的环境污染物之一引起了全球关注。PTE的环境污染是全球范围内的一个主要问题。含有PTE的工业流程中的大量废水被释放到水生系统中，这种高浓度的有毒排放对生态系统构成了重大风险。除此之外，PTE的主要来源之一是农业生产过程中土壤中使用的化学基肥料。PTE具有生物累积能力，不可生物降解。其毒性是指大量金属的存在可能危及人类和动物生命并导致代谢变化的现象。PTE给土壤微生物群落带来巨大风险，从生化、结构到分子改变。这些变化对土壤肥力和农业生产力有伴随的影响。由于PTE对微生物在不利环境条件下的生存有不利影响，一些微生物设计了不同的生存机制。暴露于大量使用金属的制造公司废水排放的地表水体是耐金属细菌的肥沃滋生地。有毒化学物质通过各种途径进入细菌细胞壁，通过激活特定的抗药机制，由于这些PTE的高浓度，在细胞中引发了一系列反应。因此，迫切需要采用纳米技术手段来补救环境中的PTE，以避免这种污染物即将发生的生态毒理学厄运。
研究内容：
硅（Si）约占土壤质量的70%，是地壳中最常见的元素之一。二氧化硅暴露的许多积极影响传递给各种植物，特别是粒状和囊状植物。此外，它可以减少非生物和生物压力的负面影响，这些影响直接或间接地增强植物对外部挑战的抵抗力。Si-NP最近被确定为Si的独特来源，可用于提高植物对不利环境因素的复原力。然而，据说Si-NP的大小、形状和其他特征会对植物暴露于Si-NP时的反应产生直接或间接影响。就Si-NP功效而言，人们发现应用于土壤的Si-NPs比应用于叶子的Si-NP更有效。
Si-NP处理显著增强了Cymbopogon citratus的含油量和生长。它促进了植物组织的木质化，并改善了阿维纳苜蓿的生长。纳米二氧化硅肥料增强了G. max的叶面积指数、净吸收率、相对增长率和产量。Si-NPs中Helianthus annuus的种子浸泡和种子启动增加了根部和芽的长度、生物量以及幼苗的活力指数。二氧化硅纳米颗粒（SiO2-NPs）已被证明可以增强农铁龙长atum种子的萌发和幼苗的生长。作物被发现受益于纳米硅2基肥料，因为它们通过调节释放限制氮和磷损失。SiO2-NPs可用于增强光合作用并加快光合速率。除了Si-NPs在农业生产中的众多优势外，Si-NPs还在环境补救方面取得了优异的成果。
几项研究表明，Si-NPs在石油回收中的成功应用。它还应用于通过吸附和多余的硼去除铅金属。SiO2-NPs的众多成功应用凸显了农业生态系统中PTE的补救和缓解的巨大潜力。
在这里，批判性地详尽地列举了PTE在农业生态系统中的来源和生态毒理学影响。此外，强调Si-NPs在缓解/消除PTE和植物压力以促进粮食安全的潜力。此外，还阐明了Si-NPs在可持续农业中对粮食安全的其他应用，包括Si-NPs作为农药、Si-NP在输送系统中的应用，在靶向输送核苷酸、蛋白质和其他化学品，以及作为病原体和农药残留检测的纳米传感器。尽管Si-NPs具有优势，但人们担心生态风险评估。基于此，列举了与硅NPs在农业生态系统中的应用相关的潜在风险和安全考虑因素，并提出了未来前景，以确保Si-NP的安全利用和应用。
实农业生态系统中PTE的来源
1. 实农业生态系统中PTE的来源
PTE在农业生态系统中的高发生率、积累和顽固性是由于它们由于反应性而吸附在土壤颗粒上。包括农业生态系统在内的PTE的主要来源是人为的，并汇总在家庭、工业、冶炼厂、采矿和农业的废物下。此外，PTE的自然来源包括火山爆发、降雨径流和风化（图1）。
1. PTE对农业生态系统的生态毒理学影响：对粮食安全的威胁
生命支持系统包含农业生态系统，与这个强大系统的所有其他部分一样，自私的过程确保了包括营养素在内的所需材料的平衡和持续流动。事实上，农业生态系统的功能和高效运行取决于氮循环等生物地球化学循环。这些循环取决于自然的分解代谢和合成代谢反应才能继续下去，其中大部分取决于营养水平内部和之间的成功能量转移。PTE通过污染限制生物降解和成功的养分循环来抑制正常的农业生态系统功能，从而导致对动植物群产生生态毒性；最终威胁粮食安全。
潜在的有毒元素包括锌等微量元素，对植物的正常生长和发展至关重要，但毒性水平升高，而其他元素包括Ag、As、Cd、Cr、Hg等，即使在微小浓度下也有毒，也会导致绿化、腐败和卷叶等植物疾病。首先，高水平的PTE的存在阻碍了生物降解和营养循环。PTE的最终毒性与植物根部和芽上Cu和Mn等金属的积累有关，阻碍了萌发芽、生长、营养同化、酶活动和最终光合作用等生理过程（图2)。植物中金属的积累与授粉的破坏有关，导致雌性植物的生殖不适。
硅基纳米颗粒（Si-NPs）缓解/消除PTE和植物压力以促进农业生态系统粮食安全的潜力
硅纳米颗粒在促进可持续农业方面得到了深远的用途。植物中的氧化应激主要是由于内部（代谢）或外部刺激的不平衡氧化还原活动而释放的活性氧物种（ROS）急剧增加。植物中的氧化应激通常会导致蛋白质、DNA和RNA等几种生物分子的严重损害，并促进植物中应激反应介质的释放。在最近的几项研究中，研究了硅纳米颗粒在补救植物氧化应激破坏性影响中的应用。显然，植物接触PTE会促进植物组织中ROS的释放，这可能会压倒植物的新生抗氧化系统。硅纳米颗粒（如表1、表2）已被证明通过激活或增强过氧化氢酶（CAT）、抗坏血酸过氧化物酶（APx）、超氧化物歧化酶（SOD）等抗氧化酶的活性来抵消这种氧化应激。此外，SiNPs促进了其他非酶类抗氧化代谢物的上调或过度生产，如花青素、类黄酮、酚类、谷胱甘肽等。
Si-NP在可持续农业和粮食安全方面的其他应用
在农业领域，控制害虫和疾病是确保高作物产量和质量的一项基本任务。然而，传统的农药往往对环境和人类健康产生负面影响。因此，需要更安全、更有效的替代方案。其中一个替代方案是使用硅纳米颗粒作为杀虫剂。硅纳米颗粒在环保和无毒的同时控制害虫方面取得了有希望的成果。
研究表明，Si-NPs对一系列害虫具有广谱的杀虫活性。例如，Si-NP已被证明对Aphis craccivora、Liriomyza trifolii和Spodoptera littoralis具有杀虫作用。Si-NP还可以抑制真菌、病毒、细菌和线虫的生长，使其对植物疾病有效。此外，Si-NPs可以促进植物生长并增加作物产量。Si-NPs作为农药的作用机制尚未完全了解。然而，人们认为Si-NP可以穿透害虫的角质层，破坏其细胞膜，导致细胞死亡。Si-NPs还可以损害以Si-NPs处理的植物为食的害虫的肠道，或导致外部形态畸形。硅纳米颗粒可以有效地控制一系列害虫进行的一项研究发现，与未经处理的植物相比，硅纳米颗粒显著抑制了西瓜（Citrullus lanatus）枯萎缩的生长，导致植物生物量和果实产量增加82%。Debnath等人（2011年）的另一项研究表明，硅纳米颗粒对侵蚀储存谷物的水稻象鼻虫Sitophilus oryzae具有杀虫的杀虫活性。纳米颗粒被证明可以有效减少象鼻虫的数量（高达90%的死亡率）和提高储存大米的质量。
Si-NPs作为检测病原体和农药残留物的纳米传感器表现出巨大的潜力。基于Si-NP的生物传感器具有高灵敏度、选择性和低LOD等几个优势，使其成为生物传感应用的理想候选者。需要进一步研究，为商业应用优化基于Si-NP的生物传感器。
5.与Si-NPs在农业生态系统中的应用相关的风险评估和安全考虑
风险评估是一种用于识别可能导致栖息地的程序，评估所造成伤害的严重性，然后规定减轻该程序造成的损害的方法。这种方法涉及4个主要步骤，包括危险评估、剂量反应评估、暴露评估和风险表征。
大量的研究促使人们相信NP对植物的不利影响是植物和纳米颗粒之间物理相互作用的一个因素。纳米颗粒附着在植物根系上，以调节植物内水和矿物质的运输。这种现象可能导致在暴露于NP的植物中观察到一些植物毒性。假设植物经历的Si-NP植物毒性可能与添加Si-NPs引起的土壤pH值变化有关。一项研究中，在250和500毫克/千克的浓度下观察到最大植物毒性超过20%。50至200纳米的硅基纳米颗粒减少了植物拟阿拉伯胺的生长。当以100毫克/毫升的浓度应用硅基纳米颗粒时，在Allium Cepa的根间期内观察到DNA损伤。应用Si-NPs后，Bt棉的植物生长和生物量下降。不到20纳米的硅基纳米颗粒抑制了水稻幼苗的萌发。然而，20纳米以上的粒子似乎对其他生长参数表现出积极影响。土壤中硅基纳米颗粒的存在增加了土壤中其他更危险的纳米颗粒悬浮液（TiO2、CuO和ZnO）的稳定性。不同浓度的这些并发症显示了Si-NPs毒性对其浓度的依赖性。因此，为了避免这种情况，确定硅基纳米颗粒在植物生长中的逐步作用已成为相关内容。如前所述，Si-NPs的物理化学特性（大小、形状、电荷、稳定性、表面积、浓度）以及植物年龄和物种是为了实现其应用的最佳效益而需要考虑的关键因素（图3).
研究结论：
纳米颗粒（NPs）通过培养植物耐受性、提高种子发芽率、改善易位和土壤肥力以及抵抗农药残留的影响，为植物生长和发展做出贡献。特别是SI-NP，降低土壤中的透水性，从而通过改善其生理能力、二氧化碳同化和植物生化反应来促进植物的性能。
环境压力对植物生产力产生负面影响，并对粮食安全构成巨大挑战。Si-NPs的应用通过改造植物的细胞、抗氧化和光合机制，改变或显著逆转植物对非生物扰动的许多非有益反应。例如，在盐胁迫条件下，Si-NPs有利于根系发育和植物生物量，以及发芽效率、叶面积和植物长度扩张。然而，据报道，在Si-NPs干预期间，植物生产力提高和二氧化碳吸收，以及水果质量的改善，以缓解水压力。通过根系运输系统在植物组织中吸收和积累重金属不可避免地影响植物的生长和发展。Si-NPs减少了改良土壤中有毒离子的吸收，而据报道，由于抗氧化酶活性增强，农艺特性显著增加。Si-NPs应用于土壤有效地恢复了通常由热应力引起的细胞结构扭曲。因此，由于作物叶子中的叶绿素含量增加，光合效率显著提高。
Si-NP在农业领域具有前途的应用。它们使作物能够克服气候变化造成的压力条件，从而促进粮食安全。
期刊信息
期刊： Science of The Total Environment
影响因子（2022）：9.8
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