近日，华中农业大学李强教授与华中科技大学余洪波教授团队在Cell Press细胞出版社期刊Trends in Biotechnology 联合发表题为“Biorefining Waste into Nanobiotechnologies Can Revolutionize Sustainable Agriculture”的前瞻性综述论文。该论文系统总结了秸秆木质素废弃物纳米生物技术在农业领域中的最新研究进展，讨论了生物经济发展和可持续农业之间的矛盾和所面临的挑战，提出利用基于生物炼制废弃物的纳米生物技术构建“闭环农业”的新观点，为生物质高值化利用和实现农业领域“碳中和”提供了一个全新的路径。
农业生物质的高值化综合利用
近年来以农业秸秆为原料的生物经济蓬勃发展，通过秸秆生物炼制所制备出的各种生物基产品，具有取代传统石油基产品的巨大潜力。然而在传统农业中，农业秸秆还田是增加农田土壤碳封存并减少温室气体排放的主要路径之一，进入农田的生物质有机碳对于维持农业生态系统功能和促进土壤生产力至关重要，是作物增产增收的有效途径（图1中Carbon flow pathway 1），因此通过生物炼制封存入生物基产品中的有机碳很难进入农业生态系统碳循环，不仅减少农田土壤碳封存，干扰了农业生态系统功能，而且降低土壤肥力，不利于作物增产增收。如何解决以秸秆为原料的生物经济发展和以秸秆还田为基础的土壤碳封存之间的矛盾是未来农业生物质高值化利用和农业可持续发展所面临的一个关键挑战。
论文紧扣国家绿色农业可持续发展的战略需求，从农业生态系统碳循环路径的视角出发，提出了一条提高生物炼制经济效益和促进农业可持续发展的双赢策略：利用纳米生物技术将秸秆生物炼制中产生的大量木质素废弃物转化为可用于农业生产的高值化产品，如农用化学品载体、土壤改良剂、生物降解农业地膜、纳米肥料等（图1中Carbon flow pathway 2），使纳米化的生物质产品在服务于农业生产的同时回归农业生态系统，不仅能提高生物炼制的碳利用效率、促进生物经济发展，还可以维持农业生态系统功能并稳定农田土壤碳封存、促进以纳米农业技术为基础的可持续农业的发展。
图1. 农作物秸秆在农业中的不同利用方式
木质素纳米生物技术在可持续农业中应用
论文概述了现有纳米生物技术在植物基因工程、植物栽培管理、作物生长管理、食物保鲜和运输等可持续农业领域中的广泛应用 (图2上)，指出木质素纳米生物技术在可持续农业应用上的独特优势，包括：1）良好的生物相容性；2）良好的抗菌性；3）良好的抗紫外性；4）与金属离子螯合赋予的多功能性；5）丰富的功能化改性活性位点（图 2下）。同时，论文系统总结了当前木质素纳米生物技术在可持续农业领域中的最新研究进展：木质素作为农用化学品分散剂、涂层及生物刺激剂等已广泛用于农业生产中；木质素纳米颗粒作为农用化学品载体具有高活性、缓释性、响应性、光稳定性、低毒性等优势；可生物降解的木质素基农业地膜有望解决传统地膜所造成的的土壤白色污染问题；木质素作为土壤改良剂还可进一步提高土壤肥力、控制杂草、降低农用化学品向地下水的迁移速率等（图3）。这些最新研究成果展现了木质素纳米生物技术在可持续农业中的发展潜力。基于此，论文进一步提出了基于秸秆碳循环的“闭环农业”新观点：将农业秸秆中的多糖组分用于生物炼制，生产生物能源和生物基产品，将产生的木质素废弃物转化为农用纳米产品，服务于作物种植和农业生产。
图2. 当前农业先进纳米生物技术及可与农业纳米技术耦合的木质素特性
图3. 当前木质素纳米生物技术在农业中的应用
展望与未来
论文还提出木质素纳米生物技术在未来农业中将发挥更加重要的作用。木质素基农业可穿戴装备将促进农场智能管理以及智慧农业的发展，机器学习将被用于木质素基纳米农业的智能结构设计，在农业废水处理、土壤改良、土壤碳存储、土壤生物多样性等方面持续改善整个农业生态系统，最后在采后处理、分装、保鲜等方面保障食品供应链的安全（图 4）。
图4 木质素纳米技术在未来农业中应用的展望
总结
秸秆生物炼制过程中产生的大量木质素废弃物用以制备农业用高值化纳米材料，不仅可以促进生物经济的发展，还将实现生物质有机碳在农业生态系统中的闭环循环，促进作物增产增收，加快可持续农业发展，助力农业“碳中和”的实现。
李强教授和余洪波教授为论文共同通讯作者，博士后付潇博士和博士研究生郑泽为论文的共同第一作者，华中农业大学袁巧霞教授和曹红亮教授以及上海交通大学沙之敏教授参与了部分工作，华中农业大学为第一单位。
