Nanozymes as a tool to boost agricultural production: from preparation to application

Resumo

As nanozimas, como uma classe emergente de enzimas biomiméticas, não apenas herdam as propriedades únicas dos nanomateriais, mas também lhes conferem funções catalíticas semelhantes às das enzimas biológicas. Com alta capacidade de design da atividade catalítica e a habilidade de imitar as condições e mecanismos catalíticos das enzimas biológicas, os nanozimas progressivamente atraem atenção significativa na pesquisa agrícola. Esta pesquisa visa fornecer aos pesquisadores uma visão abrangente desta ferramenta emergente, desde a preparação de nanozimas até suas aplicações em sistemas de produção agrícola. Em primeiro lugar, esta revisão resumiu sistematicamente a seleção de vários elementos envolvidos na preparação de nanozimas, abrangendo tanto materiais à base de metais quanto não metálicos. Em segundo lugar, delineou as principais tecnologias de síntese de nanozimas químicas e ambientalmente amigáveis, analisando criticamente suas vantagens e limitações. Em terceiro lugar, explorou as contribuições multifacetadas dos nanozimas dentro do campo agrícola, englobando melhorias na qualidade e rendimento das culturas, aumento da eficiência da fixação de nitrogênio e estímulo da atividade microbiana na rizosfera das plantas, bem como a melhoria da resiliência das culturas agrícolas aos estresses ambientais. Finalmente, a pesquisa discutiu os principais desafios enfrentados pela pesquisa em nanozimas e forneceu insights prospectivos para futuras direções de pesquisa agrícola. Este trabalho avança significativamente a compreensão do papel dos nanozimas na produção agrícola sustentável.

Abstract

Nanozymes, as an emerging class of biomimetic enzymes, not only inherit the unique properties of nanomaterials but also endow them with catalytic functions that are similar to biological enzymes. With high designability of catalytic activity and the ability to mimic the catalytic conditions and mechanisms of biological enzymes, nanozymes progressively attract significant attention in agricultural research. This research aims to provide researchers with a comprehensive overview of this emerging tool, from preparation of nanozymes to their applications in agricultural production systems. Firstly, this review systematically summarized the selection of various elements involved in nanozyme preparation, covering both metal-based and non-metal-based materials. Secondly, it outlined the mainstream chemical and environmentally friendly nanozyme synthesis technologies, critically analyzing their advantages and limitations. Thirdly, it explored the multifaceted contributions of nanozymes within the agricultural field, encompassing enhancements in crop quality and yields, augmentation of nitrogen fixation efficiency, and stimulation of microbial activity in the plant rhizosphere, as well as the improvement of agricultural crops’ resilience to environmental stresses. Finally, the research discussed the main challenges faced by nanozyme research and provided forward-looking insights for future agricultural research directions. This work significantly advances understanding of the role of nanozymes in sustainable agricultural production.