《Journal of Nanotechnology》：Bridging Nature and Technology: Leveraging Phytochemicals and Green Nanotechnology in Sustainable Agricultural Practices
对可持续农业实践日益增长的需求，要求采用能够将自然资源与先进技术相结合的创新路径。植物化学物质作为来源于植物的生物活性化合物，因其在提升作物生产力、增强抗虫性以及提高环境韧性方面的作用而得到广泛认可。与此同时，绿色纳米技术已成为一种变革性工具，能够通过生物源合成途径开发环境友好型纳米材料。本综述对植物化学物质及其在可持续农业中的应用，以及绿色纳米技术在现代农业系统中的原理与重要性，进行了深入评述。两者共同推动向农业纳米诊疗系统（agri-nanotheranostic systems）转变，这类系统将诊断与治疗统一于精准农业之中。植物化学物质与生物源纳米颗粒的协同应用，有望提高作物产量、改善土壤健康、管理病虫害、支持畜牧生产力并降低生态足迹。此外，纳米包封技术可保护生物活性化合物免于降解，从而确保其在作物系统和动物系统中的高效递送。尽管现有结果前景良好，但规模化、监管模糊性以及长期安全性数据不足等挑战仍然存在。解决上述局限对于确保这些技术的负责任采纳至关重要。研究人员强调需要跨学科协作、包容性政策制定以及技术转移，尤其是在中低收入国家。未来展望突出了纳米赋能农业中的新兴创新，包括精准递送系统、智能纳米传感器以及综合性可持续农作体系。结合全球合作与“同一健康”（One Health）视角，植物化学物质与绿色纳米技术的整合具有显著潜力，可推动可持续食品系统发展，并增强气候韧性、粮食安全与生态平衡。
1. Introduction
引言部分首先界定了植物化学物质的科学内涵，指出其属于植物来源的次生代谢产物，具有多样化的技术功能特性与生物功能特性。尽管这些化合物并不直接参与植物生长和繁殖，但在植物防御体系中具有关键作用，并在可持续农业与畜牧业中展现出重要应用潜力。正文进一步强调，农业废弃物与食品废弃物中的生物活性植物化学物质可通过可持续提取技术获得，并进一步用于植物基功能食品、可降解活性包装材料、动物饲料及农业投入品，从而体现出资源增值利用与循环农业理念。
该部分同时指出，现有文献多呈碎片化分布，往往聚焦于单一类别植物化学物质、孤立作物系统或单一用途，缺乏面向农业—畜牧业一体化系统的综合视角。为回应这一不足，论文提出绿色纳米技术（green nanotechnology）作为支撑平台，以解决植物化学物质稳定性、生物利用度和田间应用效果不足等限制。文中认为，绿色纳米技术通过利用植物提取物、微生物及其他生物源材料进行纳米材料合成，减少乃至避免有害溶剂的使用，为农业食品系统中的纳米应用提供了环境友好框架。
引言还从全球粮食需求增长、农药与抗生素过度使用、环境退化、生物多样性丧失以及抗微生物药物耐药性（antimicrobial resistance, AMR）加剧等现实问题出发，论证将植物化学物质与绿色纳米技术整合的必要性。论文明确提出，该综述的创新性在于从系统层面整合作物生产与动物养殖证据，阐明绿色纳米技术如何作为统一平台，放大植物化学物质的功能潜能，并将其与AMR、气候变化、废弃物资源化以及传统集约化农业的生态影响等全球性议题联系起来。作者进一步围绕应用、影响、局限性与转化路径四个维度设置论述主线，为全文搭建了问题导向型分析框架。
2. Phytochemicals: Overview and Applications
本节概述了植物化学物质的分类基础及其在农业、动物健康和食品系统中的应用价值。文中指出，植物化学物质可依据化学结构与生物合成来源进行广义分类，这一分类基础决定了其在多场景中的功能差异。由于其兼具功效性与经济可行性，相关化合物已在农业领域获得持续关注。
2.1. Sustainable Phytochemical Extraction Technologies
该小节聚焦植物化学物质的可持续提取技术，区分了传统方法与新兴方法。传统提取依赖有机溶剂、加热和持续搅拌，典型方法包括浸渍法、索氏提取法和水蒸馏法。相较之下，新型提取技术强调在提升提取效率的同时降低环境影响。文中列举了超声辅助提取、微波辅助提取、超临界CO
2流体提取以及酶辅助提取等绿色技术，指出这些方法能够提高活性成分释放效率、降低溶剂消耗，并在温和条件下实现选择性回收。该部分的核心观点在于：农业与食品废弃物流中蕴藏着大量可利用的植物化学物质，而可持续提取技术是实现其高值化利用的关键环节。
2.2. Role of Phytochemicals in Sustainable Agriculture
该小节详细论述了植物化学物质在可持续农业中的生物学作用与应用场景。文中指出，这类物质通常由特定刺激诱导合成，是植物、植食性动物及其环境之间相互作用的重要介质。在畜牧领域，鉴于许多国家已限制或禁止抗生素在农业中的使用，植物源生物活性分子被视为潜在替代方案，可作为植物化学饲料添加剂、植物源饲料添加剂（phytogenic feed additives）、植物抗生素样制剂（phytobiotics）以及草本/植物性化合物加入饲料体系，用以改善动物生长、消化、免疫和总体健康状况。
在作物生产方面，文中概括了植物化学物质的多种用途，包括全生物体设计（holobiont design）、生物刺激素、土壤健康与养分循环促进剂、化感作用因子、天然农药与抗微生物剂、共生关系诱导剂，以及根际微生物群调节因子。论文进一步指出，这些化合物可通过叶面喷施、种子处理或土壤施用等方式发挥作用，并可介导植物激素信号通路、干扰昆虫生理过程，同时选择性富集有益根际细菌、抑制病原类群，从而促进根系和地上部生长、增强系统抗性并改善养分循环效率。整体而言，本节强调植物化学物质兼具作物保护、营养调控、微生态塑造和畜禽健康促进等复合功能，是绿色农业投入品开发的重要来源。
3. Green Nanotechnology: An Overview
本节从概念层面对绿色纳米技术进行界定，指出其目标在于开发环境良性、节能且具有经济可行性的纳米材料、产品与工艺。与依赖有毒化学试剂、高能耗或可能产生持久低剂量污染的传统纳米技术相比，绿色纳米技术强调从设计到生命周期终点的可持续性。文章指出，其理论基础源自绿色化学12项原则及绿色工程理念，核心包括使用安全可再生材料、降低能耗、提高原子利用效率以及设计可安全降解的纳米材料。
文中进一步强调生物合成（biosynthesis）是绿色纳米技术的重要标志，即利用真菌、植物提取物和酶等生物材料，在无需有毒还原剂的条件下生成纳米颗粒。相较传统纳米制造路线，绿色纳米技术可减少有毒溶剂和试剂使用，提高生物相容性，并在某些情况下表现出更优异的生物活性。作者还指出，这类方法具有成本较低、易于扩展和适合低资源环境分散化生产等潜力，同时通过可降解载体和天然稳定剂降低环境持留与生态毒性风险。
3.1. Significance of Green Nanotechnology in Agriculture
该小节从农业应用角度说明绿色纳米技术的重要性。首先，生物源纳米颗粒可用于养分递送、病害管理和作物抗逆性提升，且已显现田间层面的实际效益。纳米肥料（nanofertilizers）通过控制释放和定向递送提高养分利用效率，纳米农药（nanopesticides）则在延长活性持续时间和降低对非靶标生物毒性方面表现出优势，这与精准农业的发展方向高度一致。
其次，绿色纳米技术能够提高植物对非生物胁迫与生物胁迫的耐受性。文中提及植物提取物合成的纳米颗粒可促进种子萌发、增强光合作用，并提升植物对重金属、盐胁迫和干旱的耐受能力。银纳米颗粒与氧化锌纳米颗粒是其中较具代表性的例子，兼具抗微生物活性与生长促进作用。此外，纳米载体还可将植物化学物质或RNA类分子定点递送至感染部位或胁迫响应位点，从而降低环境损伤。该部分最后指出，绿色纳米产品的部署仍需政策支持、能力建设、风险评估和公众参与共同推进。
4. Integration of Phytochemicals and Green Nanotechnology
本节是全文的核心整合部分。作者认为，植物化学物质与绿色纳米技术的结合，为农业和兽医学中的复杂问题提供了新型解决思路。这一融合体现为植物药学（phytomedicine）与植物纳米技术（phytonanotechnology）的交汇：前者依托植物来源化合物的天然生物活性与保护功能，后者则通过纳米工程提升其稳定性、生物利用度和靶向递送能力。
文中指出，这种综合策略不仅有助于将传统农业知识与先进可持续技术衔接起来，也为作物和动物系统中的高效应用提供了技术基础。作者举例说明，纳米包封营养物可提高罗勒精油产量和抗氧化水平，表明纳米载体可通过改良养分递送促进植物化学物质积累；同时，负载丁香酚（eugenol）的纳米凝胶与聚合物纳米颗粒能够延长杀虫活性，减少氧化降解并优化释放动力学，相较传统熏蒸剂和大宗精油具有更好的安全性与持续性。该部分突出了“协同增强”这一主旨，即绿色纳米技术并非替代植物化学物质，而是放大其农业功能。
5. Applications of Green Nanotechnology in Sustainable Agriculture
本节总结绿色纳米技术在作物生产中的主要应用方向，并指出尽管田间试验仍然有限，但已有大尺度研究显示，将纳米肥料与有机农业实践结合，可显著提高小麦、珍珠粟、芝麻和芥菜等作物产量。文中强调，低剂量叶面施用的纳米尿素和纳米磷酸二铵（DAP）在某些情境下可达到甚至超过常规颗粒氮肥的增产效果。
5.1. Enhancing Crop Productivity
该小节指出，氧化锌、氧化铁和纳米二氧化硅等材料在促进种子萌发、根伸长和植物生物量积累方面具有显著作用，其机制主要涉及增强养分吸收、调控植物激素水平和提升光合作用效率，并与膜转运体、酶活性、基因表达及氧化还原平衡调节相关。作者列举了绿色合成锌纳米颗粒提高苋属植物产量与锌含量，以及竹类来源氧化铁纳米颗粒促进水稻萌发与生长的案例。文中还强调，绿色纳米肥料具有缓释和靶向特征，有助于减少养分淋失和水体富营养化风险，尤其适用于雨养农业地区。
5.2. Pest and Disease Management
该小节强调病虫害防控是绿色纳米技术研究最活跃的方向之一。基于植物化学物质的锌、铜、银纳米颗粒可通过破坏细胞壁、抑制病原DNA复制和阻断酶活性来控制多种病原微生物和害虫。文中提到，源自印楝和辣木的银纳米颗粒对侵染番茄的黑曲霉和黄曲霉具有抑制作用；此外，纳米化精油或生物碱对粉虱、象鼻虫和蚜虫等害虫表现出驱避或致死效应，同时对授粉昆虫和土壤微生物的危害较小。作者还比较指出，相较常规农药，纳米农药通常因控释作用而残留较低、环境负荷较轻，但其生态影响仍需具体情境评估。
5.3. Soil Health and Nutrient Management
该小节将讨论延伸至土壤生态层面。作者指出，生物纳米颗粒可通过促进土壤主要养分有效性或调控根际微生物群落来增强土壤肥力。例如，绿色方法制备的纳米羟基磷灰石可作为磷库，在酸性土壤中缓慢释放磷；植物提取物合成的零价纳米铁（nZVI）可固定镉、砷、铅等重金属，从而降低其生物有效性和植物毒性。文中还提出，可降解纳米载体封装有机堆肥和有益微生物，有助于促进土壤碳汇形成与土壤质地改善。此外，绿色纳米颗粒还可能促进豆科植物与根瘤菌的共生作用，从而增强结瘤和生物固氮，减少合成氮肥使用及温室气体排放。
6. Applications of Green Nanotechnology in Animal Husbandry
本节聚焦绿色纳米技术在畜牧生产和兽医学中的应用，并将其置于减少抗生素依赖、提升动物健康和降低环境污染的背景下加以讨论。作者指出，传统上抗生素和化学促生长剂的长期使用与AMR、环境污染和食品安全问题相关，而植物源纳米包封植物化学物质及生物源纳米颗粒则可能构成可持续和再生型农业框架下的多功能兽医工具。
6.1. Improving Animal Health and Welfare
该小节指出，植物源纳米颗粒可作为营养保健剂、免疫调节剂、抗炎剂和抗氧化剂。硒纳米颗粒和铁纳米颗粒在降低畜禽氧化应激方面具有潜力，尤其适用于高温或集约化管理条件下的动物。论文还强调，纳米包封槲皮素、蒜素、百里香酚、丁香酚和姜黄素等植物化学物质可改善肠道健康、调节微生物平衡并预防胃肠道感染。文中援引研究指出，纳米姜黄素可提高肉鸡料肉比并降低毒性和死亡率。作者同时提出，纳米载体有助于提高ω-3脂肪酸和维生素的吸收与生物利用度，并可能通过绕过瘤胃降解限制，提升口服生物活性物质在反刍动物中的递送效率。
6.2. Alternatives to Antibiotics and Growth Promoters
该小节从替代抗生素与促生长剂角度展开。文章认为，在世界卫生组织（WHO）与美国食品药品监督管理局（FDA）限制抗生素促生长用途的背景下，绿色纳米技术为不降低动物生产性能前提下削减抗生素使用提供了替代路径。文中举例说明，由圣罗勒和印楝提取物合成的银纳米颗粒对家禽常见的大肠杆菌具有较强抗菌活性。作者还指出，纳米颗粒可通过破坏微生物膜、产生活性氧以及抑制DNA合成而发挥广谱抗菌作用，且较单靶点抗生素更不易诱导耐药性。纳米化黄酮、精油和生物碱则可作为天然促生长与抗炎因子，在纳米包封后具有更好的稳定性与靶向释放能力。
6.3. Environmental Impact
该小节分析绿色纳米技术在畜牧环境管理中的作用。作者指出，将绿色纳米材料添加到动物饲料中可提高养分吸收，进而减少粪污中氮和磷的排放，降低径流和渗漏导致的水体富营养化风险。同时，纳米生物炭和纳米沸石可用于吸附动物废弃物中的重金属、氨和甲烷前体物，纳米材料也可促进堆肥效率、减少温室气体排放并提高有机肥品质。在水产养殖系统中，纳米技术还可降低水体中的硝酸盐和磷酸盐水平。除此之外，基于植物化学物质稳定的量子点或金属纳米颗粒的生物传感系统，可用于监测动物疾病、药物残留及粪污养分状态，从而支持精准养殖与过程追踪。
7. Challenges and Limitations
本节系统总结了植物化学物质与绿色纳米技术整合应用面临的主要障碍。首先，在技术与经济层面，实验室规模生物合成虽已取得积极结果，但放大生产仍受限于前驱体浓度、pH、反应时间、温度等参数的严格控制要求，且产率波动较大、耗时较长。由于原料植物的植物化学组成受年龄、季节和提取方法影响，绿色合成纳米颗粒在批次间一致性方面常逊于化学合成产品，这对标准化、制剂开发与商业化构成挑战。同时，提取、纯化、干燥、包封和储存成本较高，也削弱了其在资源受限地区的可及性。
其次，在环境与伦理层面，文中指出绿色纳米技术虽被普遍视为环境友好，但其长期安全性尚未得到充分验证。多数研究集中于即时的抗菌或促生长效应，而对其在土壤微生物、 aquatic ecosystems 及其他非靶标生物中的持久性、累积性和生态效应关注不足。纳米材料经食物网传递并最终影响人类消费者的可能性，以及金属纳米颗粒在乳、鱼、蛋等动物性食品中的残留风险，也构成重要关切。对于畜牧业应用而言，动物福利与纳米干预的伦理正当性亦需纳入考量。
最后，在知识缺口方面，论文强调跨学科协作不足和田间验证匮乏是制约技术落地的关键因素。现行风险评估框架多移植自传统化学品安全评价，难以充分覆盖粒径、形貌、表面电荷和反应性等纳米特异参数；同时，长期和跨世代生态效应研究明显不足。因此，作者主张优先开发来源于植物化学物质的可降解、生物相容性纳米材料，并建立生命周期评估与统一风险评价体系，以确保农业效益与生态安全兼顾。
8. Prospective Insights
本节展望未来发展方向，指出在气候变化、土壤退化、AMR与粮食不安全问题交织的背景下，绿色纳米技术有望成为作物生产与畜牧业可持续转型的重要组成部分。
8.1. Emerging Trends and Innovations
作者重点介绍了智能纳米制剂的发展前景，包括纳米传感器、pH响应型纳米颗粒和纳米农药等多功能系统，并将其概括为农业纳米诊疗（agri-nanotheranostics）。这类系统将诊断与治疗整合于同一平台，可在特定生理或环境条件下触发活性成分释放，从而实现病害早期识别与植物化学抗微生物剂的精准释放。文中还提到，机器学习和人工智能正被用于预测纳米颗粒—生物分子相互作用、优化植物化学物质配比以及降低毒性风险。与此同时，香蕉皮、椰壳和印楝叶等农业废弃物被用于绿色合成纳米材料，体现了生物经济与零废弃农业理念。
8.2. Potential for Global Adoption
该小节从全球推广角度展开，认为绿色纳米技术尤其适合对低投入、低污染技术有迫切需求的新兴经济体。南亚、拉丁美洲和非洲丰富的药用植物和农业废弃物资源，为原位制备绿色纳米颗粒提供了基础。若辅以基础设施和投资支持，可形成去中心化生物纳米生产中心，并带动就业、提升食品安全和增强气候韧性。文中还将其与“同一健康”（One Health）议程联系起来，认为联合国粮食及农业组织（FAO）、WHO和联合国环境规划署（UNEP）等国际机构可通过将绿色纳米技术纳入食品系统改革框架，推动全球转型。作者最后强调，要实现广泛采用，还需构建适宜的监管体系、促进跨学科研究、建立激励机制、加强农民和兽医的纳米素养培训，并通过全球知识共享和南南合作缩小不同地区间的技术鸿沟。
9. Conclusion
结论部分认为，将植物化学物质与绿色纳米技术相结合，是提升农业与畜牧业可持续性的一个方法学上合理且生态上审慎的方向。植物来源化合物的内在生物活性与绿色合成纳米颗粒带来的稳定性提升、生物利用度改善和靶向递送优势相结合，可减少对传统合成投入品的依赖，并增强农业食品系统的长期韧性。总体而言，基于植物化学物质的绿色纳米技术为构建兼顾环境安全、生物效能与系统可持续性的农业—食品体系提供了具有发展潜力的路径。
