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  秸稈生物煉制過程中產生的大量木質素廢棄物用以制備農業用高值化納米材料，不僅可以促進生物經濟的發展，還將實現生物質有機碳在農業生態系統中的閉環循環，促進作物增產增收，加快可持續農業發展，助力農業“碳中和”的實現。

  近日，華中農業大學李強教授與華中科技大學余洪波教授團隊在Cell Press細胞出版社期刊Trends in Biotechnology 聯合發表題為“Biorefining Waste into Nanobiotechnologies Can Revolutionize Sustainable Agriculture”的前瞻性綜述論文。該論文系統總結了秸稈木質素廢棄物納米生物技術在農業領域中的最新研究進展，討論了生物經濟發展和可持續農業之間的矛盾和所面臨的挑戰，提出利用基于生物煉制廢棄物的納米生物技術構建“閉環農業”的新觀點，為生物質高值化利用和實現農業領域“碳中和”提供了一個全新的路徑。 

農業生物質的高值化綜合利用

論文緊扣國家綠色農業可持續發展的戰略需求，從農業生態系統碳循環路徑的視角出發，提出了一條提高生物煉制經濟效益和促進農業可持續發展的雙贏策略：利用納米生物技術將秸稈生物煉制中產生的大量木質素廢棄物轉化為可用于農業生產的高值化產品，如農用化學品載體、土壤改良劑、生物降解農業地膜、納米肥料等（圖1中Carbon flow pathway 2），使納米化的生物質產品在服務于農業生產的同時回歸農業生態系統，不僅能提高生物煉制的碳利用效率、促進生物經濟發展，還可以維持農業生態系統功能并穩定農田土壤碳封存、促進以納米農業技術為基礎的可持續農業的發展。 

圖1. 農作物秸稈在農業中的不同利用方式。

木質素納米生物技術在可持續農業中的應用

  論文概述了現有納米生物技術在植物基因工程、植物栽培管理、作物生長管理、食物保鮮和運輸等可持續農業領域中的廣泛應用 (圖2上)，指出木質素納米生物技術在可持續農業應用上的獨特優勢，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）與金屬離子螯合賦予的多功能性；5）豐富的功能化改性活性位點（圖 2下）。同時，論文系統總結了當前木質素納米生物技術在可持續農業領域中的最新研究進展：木質素作為農用化學品分散劑、涂層及生物刺激劑等已廣泛用于農業生產中；木質素納米顆粒作為農用化學品載體具有高活性、緩釋性、響應性、光穩定性、低毒性等優勢；可生物降解的木質素基農業地膜有望解決傳統地膜所造成的的土壤白色污染問題；木質素作為土壤改良劑還可進一步提高土壤肥力、控制雜草、降低農用化學品向地下水的遷移速率等（圖3）。這些最新研究成果展現了木質素納米生物技術在可持續農業中的發展潛力。基于此，論文進一步提出了基于秸稈碳循環的“閉環農業”新觀點：將農業秸稈中的多糖組分用于生物煉制，生產生物能源和生物基產品，將產生的木質素廢棄物轉化為農用納米產品，服務于作物種植和農業生產。 

圖3. 當前木質素納米生物技術在農業中的應用

展望與未來

  論文還提出木質素納米生物技術在未來農業中將發揮更加重要的作用。木質素基農業可穿戴裝備將促進農場智能管理以及智慧農業的發展，機器學習將被用于木質素基納米農業的智能結構設計，在農業廢水處理、土壤改良、土壤碳存儲、土壤生物多樣性等方面持續改善整個農業生態系統，最后在采后處理、分裝、保鮮等方面保障食品供應鏈的安全（圖 4）。 

圖4 木質素納米技術在未來農業中應用的展望

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2022.09.013

團隊介紹：

  李強教授簡介：李強博士本科畢業于華南理工大學制漿造紙專業，2015年博士畢業于日本北海道大學農學院木材化學專業，之后分別在美國Texas A&M大學和Northeastern大學研究與工作，2021年作為高層次引進人才加入華中農業大學，任工學院和園藝林學學院雙聘教授，主要研究方向為農林生物質綜合利用技術與裝備，近年來聚焦于生物質基農業地膜和碳基材料的研究，在ACS Nano、Trends in Biotechnology, Electrochemical Energy Review、Matter、Small、Journal of Materials Chemistry A、Green Chemistry、Carbon、ChemSusChem, Bioresource Technology、ACS Sustainable Chemistry & Engineering等期刊發表論文40余篇。李強教授團隊現誠邀2名博士后加盟，從事生物質高值化利用與農業雙碳相關研究工作，年薪21.5萬起，子女入學入托享受華中農業大學附屬學校優質教育資源，醫療等福利享受華中農業大學教職工同等待遇，歡迎來信咨詢（Email：qiang-li@mail.hzau.edu.cn）。

  余洪波教授簡介：余洪波博士現任華中科技大學生命科學與技術學院教授，湖北省暨武漢市微生物學會酶工程專業委員會委員，主要從事綠色化學、環境微生物學和酶工程等領域的研究工作，在Environmental Microbiology、Journal of Hazardous Materials、Green Chemistry、ACS Sustainable Chemistry & Engineering、Applied and Environmental Microbiology、Bioresource Technology、Journal of Agricultural and Food Chemistry等期刊發表論文40余篇。余洪波教授團隊現誠邀2名博士后加盟，從事農林廢棄物資源化利用、納米農業技術和污染土壤修復的相關研究工作，歡迎來信咨詢（Email：yuhongbo@hust.edu.cn）。