某些有机污染物由于其稳定的化学结构和对土壤颗粒的高亲和力而会残留在土壤中，随着时间的推移会引起明显的环境退化。据估计，中国19％的农业土壤属于污染土壤，每年造成1200万吨谷物的浪费。此外，预计到2050年，全球对粮食的需求和维持粮食安全的困难将至少增加50％。鉴于此，农作物的压力将越来越大，因此需要同时进行土壤修复和安全的农业生产（eLife | 吩嗪合成和降解分析揭示了农业土壤和作物微生物组中物种特有的定殖模式；Current Biology | 新观点：根际微生物通过关键代谢物塑造群落的时空发展与农业生产力！）。纳米材料由于其高吸附能力和反应活性以及减少和降解污染物的能力而被认为是具有巨大潜力的环境修复技术。大量研究表明，由于其高脱氯活性，纳米零价铁（nZVI）在去除污染物（尤其是有机氯）方面具有独特的潜力。从理论上讲，nZVI还可以作为有前途的肥料（“少肥多产”不是梦），因为它具有促进铁吸收和植物光合作用的潜力。但是，在与农业生产相结合的土壤修复中使用nZVI的知识存在严重不足。此外，已知nZVI促进土壤修复的效果会有所不同，这可能是由于土壤环境固有的复杂性以及这些特性对nZVI脱氯活性的影响。还必须认识到公众对于在用于生产农作物的土地上使用纳米土壤修复策略的敏感性。目前仍缺乏有关在污染土壤中应用nZVI的修复功效和同时进行安全农业生产的详细信息。
近日，国际权威学术期刊Nature Nanotechnology发表了浙江大学林道辉教授课题组的研究论文，题为A new strategy using nanoscale zero-valentiron to simultaneously promote remediation and safe crop production in contaminated soil，该研究阐明了多功能纳米材料在土壤修复和农作物安全生产中的应用和作用机制。
新型的多功能纳米材料有助于同时进行土壤修复和农业生产的策略，但是需要对其功效和安全性进行彻底的机理评估。本研究建立了一种新的土壤修复策略，该方法使用纳米级零价铁（nZVI）以及在五氯苯酚（PCP）污染的稻田中安全生产水稻。与在每公斤土壤中添加100 mg PCP但不添加nZVI的污染土壤中的水稻种植相比，每公斤土壤中添加100 mg nZVI可以使谷物产量提高47.1–55.0％，使谷物PCP含量降低83.6–86.2％，并增加土壤PCP去除率，从49.9升高到83.9-89.0％。结果阐明了nZVI衍生的根铁胶膜形成在水稻安全生产中的具体作用，并且在nZVI促进根际微生物降解PCP中确定了nZVI处理和水稻种植的协同作用。这项工作为将纳米材料应用于土壤修复开辟了新的战略，该战略可以使受污染土地上的农作物安全生产。
图1 | 铁种类对土壤修复和作物生产的影响
图2 | 铁胶膜的特征
图3 | nZVI100对PCP和微生物群落的影响
图4 | nZVI对土壤提取物中五氯苯酚生物还原过程的影响
图5 | 使用nZVI同时进行土壤修复和安全生产的策略
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