综述：入侵植物绿色合成生物材料在废水处理中的应用：综合性综述

《Green Chemistry Letters and Reviews》：Application of green synthesized biomaterials from invasive plants for wastewater treatment: a comprehensive review

　　

废水处理被认为是环境管理体系中的关键组成部分之一，对于降低快速工业化对环境造成的影响至关重要。废水中含有大量难降解、致病性及有毒化合物，其中包括多种新兴污染物，这些污染物难以通过常规处理工艺有效去除。然而，入侵植物由于其在原生生态系统中的快速扩散，对全球生物多样性构成了严峻挑战。此外，利用入侵外来植物物种制备的生物材料可用于废水处理过程中，从液相基质中去除污染物，以实现生态可持续性。已制备的纳米颗粒（NPs）被报道具有多种药用、抗菌、抗真菌及抗氧化特性。此外，其在不同废水处理过程中的催化与吸附性能也已得到研究。同时，研究人员已对来源于不同入侵植物衍生物并经进一步改性的生物材料开展吸附研究。本研究开展了综合性综述，以评估来源于入侵植物的绿色介导纳米颗粒（NPs）与生物吸附剂（biosorbents）在催化氧化和/或吸附过程中的适用性。文中详细讨论了氧化过程的作用机制、反应条件及处理效能。此外，研究还特别关注了纳米颗粒（NPs）制备及污染物处理过程的适用性、可扩展性与可持续性。

1. Introduction

文章开篇从全球水污染问题切入，指出生活与工业排放带来的有机物、营养盐、药物、重金属及染料等污染物对生态环境与人体健康构成持续威胁，尤其是具有致突变性和致癌性的难生物降解有机污染物。主体指出，传统废水处理方法虽然可去除化学需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）、氮、磷及部分金属离子，但对于低浓度持久性污染物和新兴污染物，如药品与个人护理品（PCPs）、全氟和多氟烷基物质（PFAS）、内分泌干扰物（EDC）及微塑料等，去除效果有限。因此，文章将绿色纳米技术与入侵植物资源化利用联系起来，认为利用入侵植物提取物合成纳米颗粒（NPs）并结合吸附或催化过程，有望成为高效、低环境负担的先进处理路径。作者进一步指出，当前研究多集中于水生入侵植物制备生物炭用于吸附，而对入侵陆生植物、绿色合成催化剂、能耗分析与生命周期评价（LCA）的系统讨论相对不足，因此本综述旨在补充这一研究空白，并从循环生物经济与可持续发展目标（SDG 6、SDG 11）的角度阐明其环境意义。

2. Invasive plant management and disposal

2.1. Status on the spread of invasive plants

本节界定了入侵外来植物物种（IAPS）的概念，即能够在自然或半自然生态系统中建立种群、驱动生态变化并威胁本土生物多样性的非本地植物。文章概述了全球入侵植物扩散的地理格局，指出高收入国家报告的入侵植物数量总体更高，热点区域主要分布在欧盟、澳大利亚和北美。文中强调，入侵植物扩张已成为继栖息地破坏之后最显著的生态威胁之一。与此同时，地理信息系统（GIS）与遥感技术被视为监测、评估和缓解入侵植物扩散的有效工具，可结合卫星、航空摄影和无人机数据实现空间分布识别和入侵程度评估。作者通过已有案例说明，IAPS 在部分地区已表现出高比例分布，反映出其对生态系统安全构成的长期压力。

2.2. Adverse effects of invasive alien plants on the ecosystem

本节围绕入侵植物对生态系统的多维负效应展开。文章指出，入侵植物的无序扩张会抑制本地植物生长，削弱局地食物供给，并通过改变种群结构、遗传组成和群落互作关系导致生物多样性下降。其影响不仅体现在物种数量和组成变化，还包括对授粉网络、传播网络以及原生种遗传多样性的干扰。作者强调，一些入侵植物还能改变生物地球化学循环过程和栖息地条件，进而影响生态系统服务功能与人类福祉。该节为后文“将有害入侵植物转化为可利用生物材料”的思路提供了生态学背景。

2.3. Controlling measures

本节总结了入侵植物控制与处置的主要技术路线。文章介绍了物种分布模型（SDMs）、GIS 等工具在入侵物种监测和控制决策中的作用，同时概述了人工清除、机械收割、火烧、日晒土壤消毒、除草剂应用以及生物防治等传统管理措施。作者指出，火与入侵植物之间存在复杂相互作用，管理过程中需考虑植物化学组成和群落结构变化。更重要的是，文章提出将入侵植物生物量转化为生物炭或催化材料，用于去除生活、工业和农业废水中的重金属、有机污染物、无机污染物及药物类污染物，这种资源化利用兼具控制入侵与环境修复双重价值。

3. Green synthesis methods for biomaterial preparation

3.1. Methods of synthesis

本节系统梳理了纳米颗粒（NPs）与生物吸附材料的制备方法。文章将纳米材料合成分为自下而上（bottom-up）与自上而下（top-down）两类路径，并进一步归纳为物理法、化学法和生物法。物理法包括激光烧蚀、机械球磨和溅射等，通常能将大颗粒材料破碎至纳米尺度；化学法则依赖溶胶–凝胶、共沉淀、水热、电化学、光化学等过程，通过还原金属前驱体形成纳米颗粒。相较之下，生物法利用植物、细菌、真菌、酶及其他生物组分进行生物还原。文章明确强调，传统物理化学法常伴随高能耗、危险化学品使用和复杂工艺条件，而绿色合成法不依赖极端温压和有毒试剂，因此更符合环境友好与可持续制备原则。

3.2. Role of phytochemicals in the removal of pollutants

本节重点讨论植物次生代谢物在绿色合成和污染物去除中的功能。作者指出，入侵植物虽然生态危害显著，但富含多种生物活性化学成分，可作为纳米颗粒合成中的天然还原剂与封端剂。常见植物化学物包括生物碱、黄酮类、糖类、氨基酸/蛋白质、糖苷、萜类、香豆素、单宁、酚类、醌类、花青素和蒽醌等。这些化合物能够通过氧化还原过程促使金属离子转化为零价或低价纳米粒子，并通过羧基、羟基、甲氧基等官能团实现粒子包覆与稳定化，抑制团聚。文中列举了多个实例，如植物提取物将Ag⁺还原为Ag⁰形成银纳米颗粒（AgNPs），并借助蛋白质、多酚或羟基官能团提升对Cd²⁺、四环素等污染物的去除效果。文章认为，植物化学物不仅决定纳米颗粒的尺寸、结构和表面化学性质，也直接影响其吸附与催化性能。

3.3. Green synthesized biomaterial

本节概括了绿色合成生物材料的结构特征、吸附机理及工程应用潜力。文章指出，绿色制备的生物吸附材料更易与真实生物环境相容，适用于原位污染控制。纳米材料通常表现出较好的晶型、纯度以及粒径和形貌均一性，粒径多处于20–50 nm范围，常通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）进行表征。作者进一步总结了吸附过程的三个阶段，即污染物向吸附剂表面迁移、在固体表面吸附以及在吸附颗粒内部扩散；其驱动力主要包括物理吸附、化学吸附与静电作用。环境因素如pH、温度、离子强度，以及材料本身的比表面积、孔隙结构和表面官能团均会显著影响吸附性能。文章同时指出，尽管大规模制备仍存在放大挑战，但植物资源来源广泛，为中试与工程化应用提供了物质基础。

3.4. Antibacterial and antimicrobial activity of biosorbents

本节强调绿色合成纳米材料和生物吸附剂除污染去除外，还具有抗菌、抗微生物和抗氧化等附加功能。文章列举了多种入侵植物提取物在临床细菌抑制中的应用，显示不同植物在抑菌强度和抗氧化活性上存在差异。例如，部分入侵植物对粪肠球菌（Enterococcus faecalis）表现出明显抑制作用，另一些植物在较低半数抑制浓度（IC₅₀）下展现较高抗氧化能力。作者据此认为，利用入侵植物绿色合成的纳米材料不仅可用于废水中污染物去除，还可能兼具消毒和去污协同作用。

4. Application of green extracts from invasive plant species in wastewater treatment

4.1. Removal of dyes using green biomaterial from invasive plants

本节综述了绿色合成材料在染料废水处理中的应用。文章表明，来源于入侵植物的金属氧化物或金属纳米颗粒可通过催化氧化、吸附或膜分离协同作用去除亚甲基蓝、刚果红、结晶紫、甲基橙、孔雀石绿和罗丹明B等染料。不同材料的去除性能与pH、投加量、初始浓度、反应时间及是否加入H₂O₂等因素密切相关。作者总结，多项研究中Langmuir 等温模型和准二级动力学模型（PSO）常能较好拟合实验数据，表明表面活性位点占据、化学吸附、氢键和静电相互作用在染料去除中具有重要作用。此外，文中还讨论了由入侵植物制备的生物炭、炭水热产物及掺植物提取物膜材料在染料处理中的良好表现，说明吸附、离子交换、氢键和偶极–离子相互作用可能共同参与了去除过程。

4.2. Removal of heavy metals using green biomaterial from invasive plants

本节聚焦绿色生物材料对Pb²⁺、Cd²⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Co²⁺、Cr⁶⁺、As³⁺和As⁵⁺等重金属离子的去除。文章汇总的大量案例表明，来源于入侵植物的银纳米颗粒、二氧化硅纳米颗粒、生物炭及各类生物吸附剂均展现出较高去除率和较强吸附容量。实验数据常由Langmuir 或 Freundlich 等温模型和准一级动力学模型（PFO）或准二级动力学模型（PSO）进行描述。作者总结，重金属去除的主要机制包括静电吸引、离子交换、表面络合、氢键作用和化学沉淀，其中带负电的羧基、羟基和胺基位点对金属阳离子的固定化尤其关键。傅里叶变换红外光谱（FTIR）结果进一步支持了芳香结构、羰基和羟基官能团在金属吸附中的作用。

4.3. Removal of emerging contaminants using green biomaterial from invasive plants

本节讨论新兴污染物去除，重点涉及抗生素、酚类、农药及其他痕量有机污染物。文章指出，近年来绿色合成纳米材料用于新兴污染物去除的研究持续增加，其中吸附是最常见且经济性较高的策略。具体案例显示，利用入侵植物提取物制备的CuO纳米颗粒可高效去除利福平，AgNPs 可催化还原2-硝基苯酚，改性生物炭则对土霉素盐酸盐等抗生素表现出很高吸附容量。文中认为，π–π相互作用、电子供受体作用、氢键和离子交换是新兴污染物吸附的主要机制；当生物炭表面富含–OH、C＝O及芳香结构时，更有利于与药物分子形成相互作用并提高吸附稳定性。部分研究还涉及植物修复路径，显示某些水生入侵植物能够通过根际过滤及与微生物协同代谢去除痕量污染物。

4.4. Removal of pollutants from real-time wastewater or pilot-scale studies

本节从工程化角度评估实验室成果向中试和实际废水应用转化的可能性。文章指出，多数研究仍停留在批量或柱式实验室尺度，而中试和商业系统在体积、流量、污染负荷、停留时间、催化剂投加和泵送成本等方面存在显著差异。已有少量研究显示，入侵植物衍生吸附剂或绿色催化剂在柱实验、连续流反应器和真实工业废水处理中仍能保持较高去除效率。与此同时，作者也强调了放大过程中的若干瓶颈，包括植物化学还原机制不清晰、产品长期稳定性不足、纳米颗粒易团聚、产率偏低以及质量控制困难等。尽管如此，再生利用和重复使用研究表明，一些绿色合成纳米颗粒在多轮循环后仍能维持较好活性，说明其具备进一步工程开发潜力。

5. The sustainable considerations for green-synthesized biomaterial

本节集中讨论绿色合成材料的生命周期评价（LCA）、能耗与环境影响。文章指出，LCA 应覆盖原料获取、预处理、合成、使用和最终处置全过程，以“从摇篮到坟墓”视角衡量纳米材料环境绩效。作者认为，能耗是全球变暖潜势（GWP）和累积能量需求（CED）的主要来源，尤其煅烧和离心阶段往往对应较高的CO₂排放。文中归纳了LCA中常用的评价指标，包括GWP、酸化潜势（AP）和生态毒性，并比较了绿色合成与化学合成在这些指标上的差异。整体来看，绿色合成路线通常因减少有毒化学品和高能耗步骤而具有更低环境负荷，在部分研究中还表现出较低的成本和较高的生产效率。不过，文章也指出，原料预处理如超声、微波、冷冻干燥等过程本身可能具有较高能耗，因此绿色合成并非天然“零负担”，仍需通过过程优化和工业放大评估实现真正可持续化。

6. Significance and limitations of the study.

本节说明了该综述的学术与应用价值及其局限。文章认为，本综述可为研究人员理解入侵植物绿色合成纳米材料在废水处理中的应用、生命周期评价、能耗及成本分析提供系统参考，也可为政策制定者和工程管理者升级传统污水处理厂提供依据。其局限主要在于现有文献对绿色合成机理的解释尚不充分，可获得的数据有限，且关于计算模拟和机理预测模型的研究仍较少。此外，当前文献主要聚焦吸附过程，而高级氧化过程（AOP）、膜技术和其他催化途径的系统研究仍相对匮乏。

7. Conclusion and future perspective

结论部分指出，工业废水中的有毒和难降解污染物以及入侵植物的快速扩散，分别构成了污染控制与生态保护两方面的全球性挑战。综述认为，将入侵植物生物量转化为生物吸附剂和催化材料，是兼顾生态治理与资源化利用的可持续方案。植物化学物在金属前驱体还原、纳米颗粒稳定和污染物去除中发挥关键作用，而绿色合成生物材料同时具备吸附、催化以及抗菌抗氧化特性。尽管工业放大仍面临机理不清、稳定性不足、储存困难和再利用评价不足等问题，现有生命周期评价结果总体支持绿色合成优于传统化学法。文章最后提出未来研究方向，包括扩大实验尺度、深入解析绿色合成机理、开展更全面的LCA与成本–效益分析、关注纳米颗粒回收及生态影响、构建计算模型以解释还原和封端路径，并强化纳米颗粒稳定性与循环使用能力研究。