R. Geetha
电气与电子工程系，Saveetha工程学院，Saveetha医学与技术科学研究所，Saveetha大学，金奈-602105
摘要：废水受到汞、铅和砷等重金属的污染，对人类健康、水质和生物多样性构成了严重威胁。这些不可生物降解的金属在生物体内积累后会破坏生态系统并削弱食物链。利用植物提取物合成的植物制造纳米零价铁（phyto-nZVI）提供了一种环保且经济有效的方法来去除水中的重金属。phyto-nZVI纳米颗粒具有高度反应性和可持续性，非常适合用于水修复，因为它们来源于富含生物活性化合物的植物材料。本文综述了phyto-nZVI的合成进展及其通过氧化还原反应、吸附和沉淀作用减少金属毒性的应用。竹子、稻壳和茶叶等植物材料因其环境效益和增强纳米颗粒稳定性的能力而受到特别关注。这些绿色纳米颗粒能有效去除铬（Cr）和铅（Pb）等金属，其去除效率受pH值、纳米颗粒浓度和生产条件等因素的影响。尽管这项技术具有潜力，但仍面临颗粒聚集、可扩展性和生产成本等挑战。长期的环境问题，如毒性和生物累积也需要得到解决。未来的研究应重点改进phyto-nZVI的合成方法、提高其表面功能化以增强稳定性，并将其与其他处理方法结合以提高污染物去除效果。这样的进步有助于实现全球范围内的可持续水修复。
1. 引言
淡水系统中的重金属污染是一个严重的环境和公共卫生问题，因为汞（Hg）、铅（Pb）、镉（Cd）、铬（Cr）和砷（As）等金属具有持久性、不可生物降解性，并会通过水生食物链进行生物累积（Singh等人，2024年）。这些金属进入河流、湖泊和废水系统的主要来源包括工业废水、采矿活动、农业径流以及城市废水排放，尤其是在冶金、化工、纺织、电子和农业农药使用等行业（Zhang等人，2023年；Dhiman等人，2024年；Khan等人，2022年）。这些金属在水环境中释放后可能改变水质、影响生态过程、降低生物多样性，并对生态系统稳定性构成风险（Kamalesh等人，2025年；Singh等人，2023年）。重金属能够在水生生物体内累积并在营养级中放大，从而增加生态和毒理学风险。长期暴露可能导致鱼类生长受阻、繁殖和行为变化，而鸟类、哺乳动物和人类因接触受污染的水和食物链而面临更高的健康风险（Gulati等人，2022年；Jamil等人，2023年）。已有研究表明，长期暴露会对人类造成神经系统疾病、肾脏损伤、儿童发育毒性及致癌效应（Phaenark等人，2024年）。因此，从受污染的水中去除重金属污染物对于保护水生生态系统、人类健康以及满足全球日益增长的水资源需求至关重要（Renita等人，2026年；Javan等人，2024年）。
纳米技术已被证明是有效解决金属污染问题的方法，而纳米零价铁（nZVI）因其高表面积、高还原能力和高表面反应性而备受关注（Aragaw等人，2021年）。nZVI可用于联合还原、吸附、沉淀和表面络合作用，以固定或转化有毒金属离子。它适用于处理水系统中的砷、铅、汞、铬等污染物（Sinharay和Uddandarao，2023年）。传统的物理和化学制备方法要么能耗高，要么需要昂贵的仪器或有毒的还原剂，甚至会导致纳米颗粒聚集，从而降低其环保性（Jabbar等人，2022年；Karthigadevi等人，2021年）。与生物或绿色合成方法相比，这些方法更为可持续。植物提取物、细菌和真菌可作为天然的还原和稳定剂，生成分散性更好、毒性更低且环境兼容性更强的纳米颗粒（Rodriguez-Rasero等人，2024年）。其中，植物介导的合成方法尤其有前景，因为多酚、黄酮类化合物和有机酸等植物化学物质可以还原铁离子并稳定合成的铁纳米颗粒。虽然绿色合成过程可能耗时且产量不稳定，但其环保特性和对化学物质的依赖性降低对于废水处理非常重要。
本文批判性地总结了植物介导的nZVI技术在从受污染废水中提取重金属方面的应用，强调了合成路线、去除机制、独特优势、缺点以及作为解决重金属污染的可行纳米修复方案的未来发展方向。
2. 文献综述方法
本研究采用了结构化的文献搜索方法，对植物制造的纳米零价铁颗粒（phyto-nZVI）用于从受污染废水中去除重金属（HMs）的合成、性质、机制、应用、局限性和未来前景进行了批判性评估。该方法遵循PRISMA框架的一般原则，以确保研究的透明性、可重复性和系统性。在Scopus、Web of Science、ScienceDirect、SpringerLink、PubMed、Google Scholar、ACS Publications、Wiley Online Library、Taylor & Francis和MDPI等主要科学数据库中进行了广泛的文献检索，重点关注2010年至2026年间发表的同行评审论文、综述论文和会议论文，特别是2020年以后的论文，以反映绿色合成和废水处理技术的最新进展。同时参考了之前发表的关于nZVI合成、反应性、吸附机制或环境毒性的基础研究。搜索策略包括使用关键词组合和布尔运算符，如：“纳米零价铁” AND “nZVI”、“绿色合成”、“植物制造的nZVI”、“零价铁纳米颗粒”、“吸附机制”、“还原机制”、“植物提取物纳米颗粒”、“生物源nZVI”、“毒性”、“废水处理”、“铬去除”、“铅吸附”、“镉修复”、“生命周期评估”和“环境修复”。此外，还通过手动查阅相关文章的参考文献目录获得了更多参考资料。纳入标准包括：报道nZVI合成、表征或应用的研究；专注于从水或废水系统中去除重金属的研究；提供吸附能力、去除效率、动力学、最佳条件、可重复性或机制数据的研究；涉及nZVI基修复的环境安全性、毒性、生命周期评估或可扩展性的研究。对于实验研究，仅纳入对phyto-nZVI的合成和应用有直接科学影响的研究；而对于仅进行综述的研究则不予以考虑。排除与废水处理或重金属修复无关的研究、方法细节不足的研究、仅涉及非金属污染物的研究、数据重复的研究、非英语撰写的研究以及缺乏可靠同行评审支持的研究。如果文章提供了有价值的比较信息，即使数据不足或未详细说明，也会被纳入。所选文献经过三个阶段的筛选：首先通过标题和摘要排除无关记录；其次根据纳入和排除标准判断全文文章的适用性；最后对最终研究进行批判性分析，并根据合成方法、植物来源、纳米颗粒大小和形态、表征方法、待去除金属、吸附能力、去除效率、操作条件、去除机制、可重复性、毒性和可持续性进行分类。通过识别不同研究中的趋势来进行比较分析，而不仅仅是总结个别结果。特别关注化学合成和植物制造的nZVI之间的差异、植物来源的植物化学物质在还原和稳定过程中的作用、pH值和接触时间在金属去除过程中的作用以及聚集、二次污染、再生和放大等限制因素。这种系统的方法允许对使用phyto-nZVI作为可持续材料从受污染废水中去除重金属的可行性进行公平和批判性的评估。
3. nZVI纳米颗粒的结构
如图1所示，nZVI纳米颗粒具有独特的核壳结构，显著增强了其环境修复潜力。由零价铁（Fe0）组成的核心在纳米尺度上高度无序且非晶态，这赋予了核心强大的表面能，使其成为氧化还原反应中的活性还原剂。这种高反应性对于纳米颗粒还原有毒污染物（尤其是重金属和有机污染物）至关重要。nZVI颗粒的外壳通常由氧化铁或氢氧化铁（Fe2O3或Fe3O4）组成，这是铁与水和氧气相互作用时形成的（Garg等人，2024年；Yan等人，2010年）。这层氧化物起到稳定作用，保持纳米颗粒的完整性并通过静电相互作用促进污染物吸附。除了核壳结构外，nZVI颗粒还具有电子转移机制，进一步增强了其高反应性。nZVI中的氧化还原过程涉及电子从零价铁核心转移到污染物（如重金属）的过程。电子转移发生在纳米颗粒表面，其中高反应性的核心提供了电子来源，有助于还原砷、铬、铅和镉等金属。外层氧化铁或氢氧化铁壳也在电子转移中起重要作用，作为核心与污染物之间的介质参与整个氧化还原过程。这层壳不仅稳定了nZVI纳米颗粒，还促进了电荷转移，因为它支持纳米颗粒与周围介质之间的多种表面反应（Verma等人，2025年）。nZVI纳米颗粒的能带结构和氧化还原电位对其反应性至关重要。nZVI的核心费米能级比许多污染物更负，使其成为氧化还原反应中的有效电子供体。氧化铁壳的独特电子性质可以改变表面电子密度，从而影响纳米颗粒的整体反应性。nZVI的这种电子转移能力使其能够还原有毒物质，例如将五价砷转化为三价砷，后者在水溶液中更易移动且更易去除。此外，氧化层在核壳结构中的作用不可忽视。氧化层或氢氧化层提供了保护屏障，防止核心铁氧化，并确保纳米颗粒长时间保持还原能力。氧化层的形成还决定了nZVI颗粒与污染物之间的相互作用，因为氧化层的表面化学性质控制着吸附和还原过程（Tarekegn等人，2021年）。这在考虑不同污染物的氧化还原潜力时尤为重要。氧化铁壳创造了有利于电子转移的环境，使污染物被吸附并还原为毒性较低的形式。除了这些结构和电子性质外，反应动力学也对nZVI颗粒的环境修复效率起着重要作用。较小的nZVI颗粒由于具有更大的表面积和更多的活性位点而更具反应性，这对吸附和还原污染物至关重要。高表面积提高了电子转移速率，从而增强了整体反应动力学。然而，溶液中nZVI颗粒的聚集会导致反应性和效率下降，因为颗粒分散性降低，可用于与污染物相互作用的活性位点减少。为了保持nZVI颗粒的反应性和有效性，需要采用表面功能化或分散剂等稳定方法。可以在nZVI表面引入-OH、-COOH和-NH2等官能团，以增加颗粒对污染物的亲和力和反应性（Bokilia等人，2024年）。
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图1.nZVI纳米粒子的结构
生物合成的nZVI纳米粒子通常带有羟基（-OH）、羧基（-COOH）和氨基（-NH2）等官能团，这些官能团提高了其反应性。这些官能团有助于污染物与纳米粒子表面的结合，形成活性位点，从而进一步增强粒子在环境修复过程中的效果。生物合成还确保了nZVI粒子比化学合成的同类产品更加环保且毒性更低。核壳结构、电子转移特性、氧化还原电位和反应动力学在nZVI纳米粒子修复环境污染物方面起着关键作用。这些特性的结合使得nZVI成为从水和土壤中去除有毒金属和有机污染物的高效材料。然而，为了在实际应用中优化其效果，必须考虑纳米粒子的分散性和稳定性等因素。通过适当的改性，nZVI纳米粒子可以适用于多种环境修复场景，为日益严重的污染问题提供有希望的解决方案。（Wang等人，2024年）
4. nZVI的基础知识
4.1. 零价铁纳米粒子的性质
零价铁（nZVI）纳米粒子在环境清理方面非常有效，尤其是在处理重金属等污染物时。其主要性质包括：
4.1.1. 高表面积和反应性
零价铁（nZVI）纳米粒子的表面积与体积比显著较高，这提高了其反应性。较大的表面积提供了更多的活性位点，对于减少铅（Pb）、镉（Cd）、砷（As）和铬（Cr）等有毒重金属至关重要。nZVI纳米粒子能够促进氧化还原反应，将这些有害重金属转化为毒性较低或无毒的物种。例如，五价砷（AsV）可以被还原为三价砷（AsIII），后者在水环境中更容易被去除（Tarekegn等人，2021年；Tolkou等人，2022年）。
4.1.2. 强还原能力
nZVI的强还原能力使其成为还原各种重金属的有效试剂。铁作为nZVI的核心，能够有效捐赠电子，从而促进可溶性有毒金属离子还原为危害较小的物种（Yuvakkumar等人，2011年）。例如，二价汞离子（Hg2+）可以被还原为元素汞（Hg），后者无毒且移动性较低，更易于清除。这一化学特性在污染水体的修复过程中发挥了重要作用（Dan等人，2023年）。
4.1.3. 稳定性和耐久性
尽管nZVI具有高反应性，但在水环境中的稳定性对于长期去除重金属至关重要。nZVI纳米粒子在中性pH范围内通常较为稳定，但在氧气存在下容易氧化，从而降低其效果。为了提高稳定性，可以对纳米粒子进行表面改性，例如涂覆聚合物或其他材料以防止氧化并增强其耐久性。经过改性的nZVI可以在较长时间内保持其反应性，适合反复用于环境修复项目（Farooqi等人，2022年）。
4.1.4. 磁性特性便于回收
零价铁纳米粒子（nZVI）的另一个优点是具有磁性，可以与磁性纳米粒子一起使用，从而在处理后轻松分离出水中的不同纳米粒子。这不仅简化了后处理操作，还确保了纳米粒子的重复使用，提高了整个修复项目的成本效益。磁性nZVI复合材料可以通过外部磁场轻松提取，在此过程中减少对环境的影响，并可用于下一轮修复（Khuntia等人，2019年）。
4.1.5. 选择性金属去除
nZVI纳米粒子具有在污染环境中选择特定金属离子的潜力，使其成为选择性去除重金属的理想选择。实验研究表明，通过调节pH值和离子浓度等条件，可以控制nZVI对铅、砷和铬的选择性吸附和还原。这种选择性提高了其在多种污染物同时存在时的功能效果（Pandey等人，2022年）。
4.1.6. 表面改性以提升性能
表面改性可以提高nZVI纳米粒子在去除重金属方面的稳定性、反应性和选择性。使用二氧化硅或聚合物基质等保护性涂层可以减少氧化，延长纳米粒子在水环境中的使用寿命。此外，表面改性还能改善纳米粒子的分散性，减少团聚，并实现更均匀的污染物处理。配体修饰（如用氨基酸或硫醇修饰）可以提高对铅和砷等金属的选择性，从而提高去除效率。此外，用植物提取物合成的绿色nZVI是一种更可持续、环保的水净化方法，且不会影响其反应性（Ken等人，2020年）。
4.2. 生物相容性
nZVI纳米粒子具有较高的生物相容性，因为其毒理学特性较低，表现为细胞毒性和遗传毒性不明显；此外，通过战略性表面修饰和抗氧化剂预处理还可以通过减轻氧化应激和炎症反应来提高安全性（Tavakoli等人，2020年；Orlando等人，2015年）。
5. 零价铁纳米粒子（nZVI）的合成方法
零价铁纳米粒子（nZVI）可以通过三种主要方法合成：自上而下/物理方法、自下而上/化学方法和生物合成方法。这些方法会影响nZVI的物理化学性质、反应性和应用范围，因此选择合适的合成方法对于特定用途至关重要。
5.1. 自上而下的方法
自上而下的合成方法是将块状铁材料分解成纳米级粒子。这包括机械研磨、激光烧蚀等物理破碎技术。
5.1.1. 机械研磨（球磨）
通过高能球磨将块状铁研磨成纳米级粒子（图2）。旋转速度和研磨介质对最终粒径和形状起着决定性作用。尽管机械研磨有利于放大生产规模，但该方法的主要缺点是能耗高、研磨介质污染严重以及粒径分布较广（Shi等人，2024年）。长时间研磨还可能导致氧化和团聚，从而降低nZVI粒子的活性（Namakka等人，2024年）。
5.1.2. 激光烧蚀
该技术利用高强度激光脉冲照射液体介质中的铁靶材，使铁原子喷射出来形成纳米粒子。这种方法的优点是合成纳米结构纯度高，且可以控制粒径和形态（Lahoz等人，2020年）。然而，需要专用仪器，且相对于大规模生产，生产效率较低（Alexandre-Franco等人，2024年）。
5.1.3. 丝状爆炸法
该方法通过高压电脉冲使细铁丝爆炸成纳米级粒子。所得nZVI粒子纯度高且粒径分布均匀（Seyedi等人，2017年）。主要挑战是能耗高且难以控制纳米粒子形态（Sappa等人，2022年）。
5.1.4. 脉冲等离子体放电
该方法在液体介质中的铁电极之间产生等离子体弧，强烈的能量将铁分解成纳米粒子。这种方法可合成高纯度的纳米粒子，并能控制粒径（Kelgenbaeva等人，2014年），但需要先进的仪器和高能量输入（Chen等人，2023年）。
5.2. 自下而上的方法
自下而上的方法是从原子或分子前体组装纳米粒子，通常通过化学或电化学技术实现。这些方法可以更好地控制粒径、形态和稳定性。
5.2.1. 化学还原
最常用的自下而上方法是化学还原，其中铁盐（Fe2+或Fe3+）使用硼氢化钠（NaBH4）、肼或抗坏血酸等强还原剂进行还原（Leybo等人，2019年）。这种方法产生的nZVI反应性强且粒径小。然而，存在快速氧化、团聚以及使用有毒还原剂的环境问题（Rodríguez-Rasero等人，2024年）。
5.2.2. 溶胶热法和水热法
这些方法在受控的高温和高压环境下使用有机或水溶剂还原铁前体。这些方法的优点是可以生成粒径均匀的纳米粒子（Ullah等人，2020年），但需要专用高压釜、较长的反应时间和精确的温度控制，因此难以大规模应用（Thakur & Kumar，2022年）。
5.2.3. 电化学沉积
该方法利用电化学反应将零价铁纳米粒子沉积在导电基底上。通过调整电压和电解质组成，可以精细调节nZVI的形态和粒径（Song等人，2022年）。虽然该方法能生成高纯度的nZVI，但由于沉积速率慢且能耗高，大规模生产受限（Selvaraj等人，2022年）。
5.2.4. 热分解
该方法在惰性气氛中热分解铁前体（如铁羰基化合物Fe(CO)5）以形成零价铁纳米粒子（Amara等人，2009年）。该方法能很好地控制粒径和形状，但需要高温条件，并会产生挥发性副产物（Syed等人，2024年）。
5.2.5. 微乳液法
该方法使用水包油微乳液作为反应介质，实现铁纳米粒子的可控成核和生长。表面活性剂稳定的微滴作为纳米反应器，有助于更好地控制粒径和分散性（Namakka等人，2024年）。然而，该过程复杂、成本高且难以放大（Apriliani，2022年）。
5.2.6. 气相合成
该方法通过热降解含铁蒸汽或气溶胶来制备纳米粒子。这种方法可生成高纯度的nZVI，但需要特殊设备和对反应条件的严格控制（Visentin等人，2021年）。
纳米级零价铁纳米粒子（nZVI）的生产对其在环境应用中的效果至关重要，尤其是在废水处理中去除污染物方面。传统的nZVI纳米粒子合成方法主要基于化学和物理过程，常涉及危险试剂和苛刻条件。而生物/绿色合成方法则提供了一种更可持续的替代方案，具有较低的毒性、成本效益和环保性，使用生物源还原剂（如植物提取物、藻类、废弃物生物质或微生物）。
5.3. nZVI的生物合成
生物合成（也称为绿色合成）是一种环保方法，利用植物提取物、微生物或真菌在温和条件下将铁盐（Fe3+）还原为铁纳米粒子（Fe0）。这种方法无需使用有毒还原剂和稳定剂，是一种可持续的选择。
5.4. 微生物合成
微生物合成零价铁纳米粒子（nZVI）因其环保性而受到关注，其中细菌和真菌通过分泌酶和代谢物等生物活性物质将铁盐（Fe2+和Fe3+）还原为零价状态。表1总结了不同微生物合成的nZVI纳米粒子的特性。
表1. 不同微生物合成的nZVI纳米粒子
| 微生物 | 前体 | 粒径 | 形态 | 特性 | 参考文献 |
| --- | --- | --- | --- | --- |
| 藻类 | Fe(NO3)3·9H2O, NH4Fe(SO4)2·12H2O | 80nm | 球形 | SEM, TEM | Mantovani等人（2022年） |
| Beauveria brongniartii | Fe(NO3)3·9H2O | ≤ 100 nm | 球形 | XRD, SEM, FTIR, UV-Vis, EDX | Xu等人（2020年） |
| Isaria fumosorosea | Fe(NO3)3·9H2O | 1.71 – 3.0 nm | 球形 | XRD, SEM, UV-Vis, EDX | Wang等人（2023年） |
| Alternaria alternata MVSS-AH-5 | Fe(NO3)3·9H2O | 10-80 nm | 球形且多分散 | UV-Vis, TEM | Alamilla-Martínez等人（2019年） |
| Sargassum linifolium | FeCl2·4H2O | 21.4 nm | 半球形 | SEM, UV-Vis, TEM, EDX | Almutairi等人（2021年） |
| Fusarium oxysporum | 0.7 – 3.0 nm | 球形 | TEM, XRD, FT-IR, EDX | Darwesha等人（2021年） |
| Phialemoniopsis ocularis (STSP19) | FeCl3·6H2O | 13.13 ± 4.32 nm | 球形 | FTIR, UV-Vis, TEM, FESEM, XRD, EDX | Mahanty等人（2019年） |
| Fusarium incarnatum (STSP27) | FeCl3·6H2O | 30.56 ± 8.68 nm | 球形 | FTIR, UV-Vis, TEM, FESEM, XRD, EDX | Mahanty等人（2019年） |
然而，由于控制纳米粒子粒径和稳定性的挑战，这种方法的研究较少。最近的研究趋势转向基于植物的nZVI纳米粒子合成，因为植物可以通过天然稳定剂更好地控制粒径和稳定性。基于植物的合成方法还避免了微生物培养的复杂性，更适合工业应用。植物法制备nZVI纳米颗粒
在植物细胞中合成零价铁（nZVI）纳米颗粒因其可持续性和环保特性而成为学术研究的焦点，作为传统化学方法的替代方案。最近的研究发现强调了使用茶叶、印楝和香菜等植物提取物作为还原剂的重要性。这些提取物含有多酚、黄酮类和生物碱等生物活性化合物，它们能够向铁离子（Fe3+）提供电子，从而将其还原为元素铁（Fe0）。当还原剂与铁盐（如FeCl3或Fe2(SO4)3）接触水溶性植物提取物时，还原过程开始，生物活性成分将电子转移给Fe3+离子，使其还原为Fe0。主要的机制步骤包括Fe3+与羟基和羰基等官能团的结合、多酚类化合物的电子转移、Fe0纳米颗粒的成核以及植物生物活性物质的稳定作用，后者作为封端剂防止颗粒聚集（Ferro等人，2025年）。最终纳米颗粒的大小和形态取决于提取物浓度、温度和pH值等变量。表2中列出的主要参数决定了合成nZVI纳米颗粒的最终性质和效果。
表2. 基于植物的nZVI纳米颗粒合成方法
| 植物 | 植物部位 | 颗粒大小 | 形状 | 表征技术 | 机制 | 参考文献 |
|-------------|-----------------|---------|-------------|------------------|------------------|----------------|
| 芫荽（Nigella sativa）| 种子提取物 | 2 nm | 圆柱形 | UV-Vis, SEM-EDX, FTIR | 芫荽将Fe(III)还原为Fe(0) | Naveed等人，2023年 |
| 绿茶 | 绿茶提取物 | 球形 | 球形（nZVI） | UV-Visible, XRD, SEM, EDS, FTIR | 绿茶提取物将Fe(III)还原为Fe(0)；GO增强吸附 | Zeidabadinejad等人，2025年 |
| 马黛茶 | 叶片提取物 | 3–3.5 nm | 球形 | TEM, XRD, UV-vis, FTIR | 马黛茶将Fe(III)还原为Fe(0)并封端颗粒 | Mampane等人，2024年 |
| 绿茶 | 叶片提取物 | 10 nm | 球形 | SEM, UV-Vis, FTIR, 统计分析（响应面方法） | 绿茶多酚将Fe(III)还原为Fe(0)；与芬顿过程协同作用 | Alexandre-Franco等人，2024年 |
| 橄榄芥（Moringa oleifera）| 叶片提取物 | -- | FTIR | 橄榄芥多酚将Fe(III)还原为Fe(0) | Zakari等人，2024年 |
| 棕榈叶 | 叶片提取物 | -- | UV-Vis, SEM, TEM, XRD, FTIR, AFM, DLS, BET, pH | 棕榈叶化合物将Fe(III)还原为Fe(0)并吸附Cr(VI) | Tesnim等人，2024年 |
| 西藏醋栗（Ziziphus oenoplia）| 果实提取物 | 23.5 nm | 晶体形 | UV-Vis, FTIR, XRD, FESEM | 西藏醋栗化合物将Fe(III)还原为Fe(0)并具有抗氧化和抗菌作用 | Selvam等人，2024年 |
| 红毛丹（Musa coccinea）| 果皮提取物 | 球形 | UV-Vis, FTIR, SEM | 红毛丹提取物将Fe(III)还原为Fe(0)并表现出抗菌和抗氧化活性 | Chau等人，2022年 |
| 小檗（Barberry） | 叶片提取物 | 20–40 nm | 外壳-核结构 | FTIR, SEM, TEM, EDS | 小檗叶片提取物将Fe(III)还原为Fe(0)并催化Cr(VI)的光催化还原 | Samadi等人，2021年 |
| 绿茶 | 叶片（来自“绿茶”） | 纳米级（直径20–40 nm） | 非晶球形颗粒，具有Fe0-Al2O3核壳结构 | FT-IR, SEM, TEM, EDS, XRD, XPS, Zeta potential | 该过程利用绿茶提取物从铁矿尾矿中还原铁。绿茶提取物作为还原和稳定剂 | Han等人，2022年 |
| 山茶（Camellia sinensis）| 幼苗 | 74 nm | 球形和准球形 | UV-Vis, FTIR, XRD, SEM | 山茶多酚将Fe(III)还原为Fe(0)，形成纳米颗粒 | Das & Dhar，2020年 |
| 香叶菜（Chromolaena odorata）| 叶片 | 球形且分散 | XRD, UV-Vis, SEM, TEM | 香叶菜酚类提取物将银离子还原为AgNPs，铁进一步沉积形成Ag@ZVI NPs | Jayeoye等人，2021年 |
| 石榴 | 果皮 | -- | XRD, UV-Vis, SEM, FTIR | 石榴果皮废弃物用于合成G-nZVI纳米颗粒，促进种子发芽、生长和作物产量 | Guha等人，2021年 |
| 常春藤（Chlorophytum comosum）| 叶片提取物 | 小于100 nm | 球形和非晶 | TEM, UV-Vis | 使用水溶性叶片提取物进行绿色合成制备FeNPs | Ardakani等人，2021年 |
| 胡芦巴（Trigonella foenum-graecum）| 叶片提取物 | 0.7–3 nm | 球形 | TEM, XRD, FTIR, UV-Vis | 绿色合成后与拟除虫菊酯杀虫剂协同作用 | Muthusamy等人，2023年 |
| 蓖麻（Ricinus communis）| 种子 | SEM, TEM, FT-IR, EDS, XRD, XPS, Zeta potential | 蓖麻水提取物用于还原和封端Fe2+或Fe3+离子，形成纳米零价铁颗粒 | Abdelfatah等人，2021年 |
| 紫菀（Verbascum thapsus）| 叶片提取物 | 小于100 nm | 球形和非晶 | SEM, BET, Zeta Potential, UV-Vis, XRD, FTIR | 紫菀叶片原位绿色合成ZVI-NPs，还原Cr(VI)离子 | Saleh等人，2021年 |
| 费约果（Feijoa sellowiana）| 果实提取物 | 小于100 nm | 球形 | SEM, TEM, EDS, XRD, FTIR, DLS | 使用费约果提取物进行绿色生物合成Ag和零价铁纳米颗粒 | Hashemi等人，2020年 |
表3. 使用绿色合成的nZVI去除Cr(VI)的特性和效率
| 绿色合成来源 | 纳米颗粒 | 表征方法 | 吸附能力 | Cr(VI)去除效率 | 最佳条件 | 吸附机制 | 可重复使用性 | 参考文献 |
|-----------------|--------------|-----------------|-----------------|------------------|------------------|------------------|------------------|
| 棕榈叶提取物（P-NZVI） | UV-vis光谱, SEM, TEM, XRD, FTIR, AFM, DLS, pH, ZPC测量, BET分析 | 44.47 mg/g | 89.3%；在最佳条件下40分钟内去除 | 初始Cr(VI)浓度：40 mg/L, pH：5, P-NZVI剂量：1 g/L | 遵循朗缪尔等温线和拟二级动力学（单层吸附和化学吸附） | 87%效率；重复使用4次后 | Tesnim等人，2024年 |
| 银杏提取物（GB-nZVI/Cu） | SEM, TEM, XRD, XPS | 97.2%；在最佳条件下30分钟内去除 | 低pH值，温度：313 K | 去除机制包括吸附、还原和沉淀（Fe-Cu原电池增强还原） | -Lu等人，2024年 |
| 银杏提取物（GB-nZVI） | SEM, EDS, TEM, FTIR, XRD, XPS | 100%去除5 mg/L Cr(VI)；在最佳条件下 | pH：3, 温度：313 K, 剂量：1 g/L | 吸附和还原机制 | 94.36%效率；老化15天后 | Li等人，2024年 |
| 绿茶提取物和钼酸盐（Mo/nZVI@GT） | XANES, XPS, 尺寸选择性保留, XRD | Cr(VI)还原显著增强，转化为Cr2O3而非Cr(OH)3 | pH：6.0，存在磷酸盐 | 茶多酚促进Mo(IV-VI)物种，增强Cr(VI)还原为Cr2O3并减轻磷酸盐干扰 | Shen等人，2023年 |
| 竹片 | 聚乙烯亚胺修饰的氢化碳负载纳米级零价铁（HTCTSIP-5） | XPS, 电化学分析 | 532.35 mg/g | 78.72%通过还原去除Cr(VI) | pH：8.32，温度：318 K | 通过还原和吸附去除Cr(VI)；还原占78.72% | Wang等人，2023年 |
| 可可壳提取物（nZVI） | SEM, EDS, XRD | 在酸性条件下120小时内去除98% | pH：酸性 | 通过Fe(0)核心和氧化物层促进金属去除 | 稳定性优于化学合成 | Ferro-Falla等人，2023年 |
| 工业铁废料和绿茶叶（nZVI@Fe3O4@HMIMPF6） | FT-IR, XRD, VSM, BET, SEM, TEM, 映射分析 | 90%去除Cr(VI) | 在最佳条件下 | 吸附和还原；拟二级动力学模型，弗伦德利希等温线模型 | Mousazadeh等人，2021年 |
| 干燥罗布叶（Ppy/Fe0 NC） | BET, SEM, EDS, XPS, FTIR | 505.05 mg/g | 温度：25°C | Cr(VI)吸附遵循拟二级和朗缪尔等温线模型 | 仅使用一次循环 | Matome等人，2020年 |
| 桉树叶提取物 | E-NZVI | DLS, EDS, FTIR, SEM | 20.5 mg/g | 在最佳条件下去除88.6%；重复使用4次后去除55.7% | 吸附遵循朗缪尔等温线，还原遵循拟二级动力学 | Jin等人，2017年 |
| 玫瑰、百里香和荨麻提取物（RD-Fe, TV-Fe, UD-Fe） | FTIR, UV-vis, SEM | 459 mg/g | 1分钟接触时间下RD-Fe去除94.87%，UD-Fe去除83.48%，TV-Fe去除86.8% | pH：2，剂量：0.2 g/L，接触时间：10-30分钟 | 多酚、蛋白质和有机酸作为还原和稳定剂 | Fazlzadeh等人，2016年 |
**绿色nZVI合成的生命周期评估**
生命周期评估（LCA）是评估植物法制备的纳米级零价铁纳米颗粒（phyto-nZVI）是否真正比化学合成的nZVI更可持续的重要工具。尽管绿色合成常被认为对环境友好，因为它使用植物提取物作为还原和稳定剂，但这一结论不应仅基于没有传统化学品。全面的可持续性评估必须考虑与原材料获取、合成、纳米颗粒应用、污染物去除、再生和最终处置相关的环境负担。因此，LCA为将绿色合成与实际废水处理环境性能联系起来提供了系统框架。对于phyto-nZVI，LCA系统边界可以划分为两个层次：从摇篮到大门（cradle-to-gate）和从摇篮到坟墓（cradle-to-grave）。从摇篮到大门的评估包括原材料提取、植物生物质收集、提取物制备、铁前体使用、水消耗、加热、搅拌、过滤、洗涤、干燥和合成纳米颗粒的包装。这一边界有助于比较生产1公斤phyto-nZVI与1公斤化学合成nZVI的环境成本。然而，如果忽略去除性能，这种比较是不完整的。从摇篮到坟墓的方法更适合废水处理，因为它包括使用阶段、重金属吸附或还原、纳米颗粒回收和废弃吸附剂的最终处置。因此，不应仅使用“1公斤nZVI的产量”作为功能单位，而应使用基于性能的功能单位，如“从受污染废水中去除1克Cr(VI)或Pb(II)”或“处理1立方米废水至排放标准”。
phyto-nZVI相对于化学合成的主要环境优势在于替代了有害的还原剂。传统化学还原通常使用硼氢化钠、肼或其他强还原剂将Fe2+/Fe3+还原为Fe0。这些化学品增加了毒性风险，产生二次化学残留物，并需要严格的处理和处置程序。相比之下，植物介导的合成使用多酚、单宁、黄酮类、生物碱和有机酸等植物化学物质来还原铁离子并封端生成的纳米颗粒。这些生物分子可以改善颗粒分散性，减少聚集，并引入–OH、–COOH和–NH2等官能团，从而增强金属离子的吸附。因此，从LCA的角度来看，植物法可以降低人类毒性潜力、化学危害潜力以及合成过程中的废水负担。然而，不应将phyto-nZVI视为无影响的。制备植物提取物可能需要水、加热、干燥、研磨、过滤，有时还需要溶剂提取。如果专门为纳米颗粒生产种植新鲜植物材料，土地使用、灌溉、肥料、运输和季节性供应可能会成为环境热点。相比之下，使用稻壳、茶叶废弃物、果皮、棕榈叶或其他生物质废弃物可以显著改善LCA表现，因为它们将废弃物从处置中转移出来，减少了对专用生物质的需求。因此，phyto-nZVI的可持续性强烈依赖于植物来源是废弃物衍生、本地可用、低成本生物质还是需要额外资源投入的栽培原料（Maiti等人，2025年）。
与球磨、线爆炸、激光烧蚀和等离子体放电等物理方法相比，植物合成通常需要较温和的温度和压力条件。物理方法可能产生高纯度纳米颗粒，但往往需要高电力消耗、先进仪器和较长的处理时间。它们的LCA特征主要由能源需求和相关碳排放决定。化学还原可能设备需求较低，但伴随着有毒试剂的生产、化学残留物和合成后的洗涤。植物合成处于中间但有前景的位置：它减少了有害化学物质的投入，并可能降低能源需求，但其环境优势取决于提取物制备效率、纳米颗粒产量和处理性能（L. Xu等人，2020年）。使用阶段同样重要。nZVI通过吸附、还原、沉淀、表面络合和共沉淀去除重金属。例如，Cr(VI)可能被还原为毒性较低的Cr(III)，而Pb(II)和Cd(II)可能通过吸附和沉淀在氧化铁或氢氧化铁表面被固定。如果phyto-nZVI在较低剂量、中性pH值、较短接触时间和良好可重复使用性下实现高去除效率，那么每单位污染物的生命周期影响就会降低。相反，如果需要大量纳米颗粒、酸化、长时间混合或重复合成循环，总体环境效益可能会降低。因此，应将吸附能力、去除效率、pH要求、接触时间和再生周期纳入基于LCA的比较中。生命周期管理是另一个关键问题。治疗后，用过的nZVI可能含有固定的Cr、Pb、Cd、As或其他有毒金属。如果这些材料在没有适当回收的情况下被释放，可能会造成二次污染。因此，从摇篮到坟墓的生命周期评估（LCA）中应包括磁分离、过滤、沉淀、稳定化、固化和安全处置等步骤。再生和再利用可以减少材料需求，但也需要评估再生化学品和洗涤水的影响。最安全的方法是在处置或再利用之前评估用过的纳米颗粒的浸出潜力。总体而言，LCA表明，只有当其整个生命周期得到优化时，植物制造的nZVI才是比化学合成的nZVI更可持续的选择。当使用当地可用的废弃生物质、优先选择水提取方法、最小化能源投入、纳米颗粒具有高去除效率以及用过的材料得到安全回收时，环境效益最为显著。因此，未来的研究应报告库存数据，包括生物质数量、铁前体剂量、用水量、能源需求、去除能力、再生效率以及处置方式。将LCA与合成和修复性能相结合，可以提供对植物nZVI用于可持续废水处理的更全面和科学合理的评估（X. Liu等人，2022年）。
7.1. 二次污染、废物管理和生命周期考虑
关于绿色叙述的第二个基本假设是讨论二次污染问题，即该过程是否将环境负担从合成化学品转移到了处理或处置（或下游排放）阶段。在对非热等离子体制备的纳米零价铁（nZVI）的生命周期评估（LCA）中，废物被明确界定，包括排放到大气中的物质以及各种合成过程中产生的废水的化学成分（例如，在硼氢化物路线中产生的颗粒物；在氢气路线中产生的废水中的硼和乙醇；以及在氢气路线中产生的废水中的溶解离子或金属）。同样的方法论严谨性也应应用于植物介导的nZVI，例如：（a）用过的nZVI会变成什么（通常转化为可以吸附或沉淀污染物的铁（水）氧化物）；（b）植物提取残留物会变成什么（固体生物质残留物、被提取物污染的废水和溶剂损失）。值得注意的是，生命周期讨论应与边界逻辑相一致：从摇篮到大门的报告应明确指出不存在所谓的“处置”这一概念，而从摇篮到坟墓的讨论则应提出可行的生命周期选项，包括固体和液体分离、稳定化或固化以固定有毒金属，以及基于浸出性测试的处置方法（Syed等人，2021年）。
此外，审稿人通常要求作者承认在处置和处理过程中可能存在碳排放；因此，审稿必须强调可能的排放点，包括但不限于污泥运输、焚烧或填埋的权重，以及处理过程中的高能耗，并提出缓解策略，如溶剂回收、利用废弃生物质作为替代来源，以及采用低碳电力来源（Hariyani等人，2025年）。方法论上，Visentin等人展示了如何利用涉及工业废水处理和危险废物焚烧的数据来源来建立详细的清单；在缺乏原始废物处理数据的情况下，这些清单可以作为适当的替代品。这种考虑LCA的废物故事在其处理审稿人关切的问题上非常具体，因为它表明，只有通过严格评估和公开报告上游资源消耗和下游废物处置情况，基于植物的合成才能被视为绿色的。
8. 光制造nZVI在重金属去除中的应用
最近的研究继续证实了纳米级零价铁（nZVI）在去除受污染水源中的重金属方面的有效性。研究集中在多种金属上，包括铬、铅和镉，并发现nZVI可以通过还原、吸附和沉淀过程显著降低它们的浓度。
8.1. 铬（Cr）
废水中的铬污染主要来自多种工业过程，如金属电镀、皮革鞣制、染料制造和不锈钢制造。采矿活动和煤炭燃烧也会增加铬向环境中的排放。铬在废水中通常以两种氧化态存在，即六价铬（Cr(VI)）和三价铬（Cr(III)）。更危险和有害的形式是Cr(VI)，它常见于电镀、皮革鞣制等使用铬化合物的企业的废水中（Singh等人，2023年）。废水中的Cr(VI)是一个重大的环境和人类健康问题。Cr(VI)是一种已知的致癌物，会对健康造成严重危害。长期暴露于Cr(VI)可能导致肺癌、肾脏和肝脏功能障碍、呼吸系统疾病以及皮肤侵蚀。Cr(VI)在水生生态中的毒性可能导致鱼类和其他生物死亡，从而严重破坏生物多样性。Cr(III)的毒性较低且移动性较差，但仍可能对植被造成伤害，导致作物产量下降和食物链污染（Tumolo等人，2020年）。
8.1.1. nZVI的修复机制
纳米零价铁（nZVI）在将Cr(VI)还原为Cr(III)方面非常有效，后者毒性较低且更容易去除。nZVI纳米颗粒的高表面积和反应性促进了快速的电子转移，从而有效地从受污染的水中去除Cr(VI)。nZVI通过从自身颗粒向Cr(VI)转移电子，将其有效还原为Cr(III)。然后，还原后的Cr(III)以Cr(III)氢氧化物的形式沉淀或吸附在nZVI颗粒表面（Ma等人，2022年）。这一过程可以总结为：
(0)Cr(VI) + Fe → Cr(III) + Fe(III)（图3）
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图3. 使用零价铁（nZVI）纳米颗粒去除铬（Cr6+）
植物基nZVI，来源于稻壳等材料，由于其固有的表面化学性质，进一步增强了去除效率，促进了吸附和还原过程。绿色合成的纳米颗粒在环境修复领域受到了广泛关注，因为它们具有环保性、成本效益和高效的污染物去除能力。在众多关于使用绿色合成纳米颗粒去除Cr(VI)的研究中，各种植物提取物被用作还原剂和稳定剂。这篇比较综述分析了用于去除Cr(VI)的绿色合成纳米颗粒，重点关注了合成来源、表征、吸附能力、去除效率、最佳条件、吸附机制和可重复使用性。从植物提取物合成的纳米颗粒，如棕榈叶提取物（P-NZVI）、银杏叶提取物（GB-nZVI）和竹片（HTCTSIP-5），通过多种分析技术进行了表征，包括UV-Vis光谱、SEM、TEM、XRD和FTIR。这些技术揭示了纳米颗粒的重要结构和形态特征，这些特征影响了它们的吸附和去除能力。例如，使用棕榈叶提取物合成的P-NZVI在最佳条件下40分钟内表现出44.47 mg/g的吸附能力，并去除了89.3%的Cr(VI)。P-NZVI的表征显示其表面结构促进了与Cr(VI)离子的高效相互作用（Tesnim等人，2024年）。同样，来自银杏叶提取物的纳米颗粒（GB-nZVI和GB-nZVI/Cu）在最佳条件下（pH 3和313 K）实现了100%的Cr(VI)去除效率（Li等人，2024年）。相比之下，GB-nZVI/Cu在微酸性条件下30分钟内去除了97.2%的Cr(VI）（Lu等人，2024年）。
绿色合成纳米颗粒的吸附能力和去除效率受到初始Cr(VI)浓度、pH值、温度和纳米颗粒剂量等因素的显著影响。例如，在Shen等人（2023年）的研究中，Mo/nZVI@GT在茶多酚的影响下显著降低了Cr(VI)，并将其转化为Cr2O3而不是Cr(OH)3，从而增强了Cr(VI)的还原效果。Mo/nZVI@GT的最佳pH值为6.0，磷酸盐的存在在减轻潜在干扰方面发挥了关键作用，从而增强了还原过程。同时，竹片（HTCTSIP-5）是一种复合材料，由聚乙烯亚胺改性的水炭负载纳米级零价铁制成，在pH 8.32和318 K的条件下表现出532.35 mg/g的吸附能力，并去除了78.72%的Cr(VI）（Wang等人，2023年）。可重复使用性是纳米颗粒实际应用的关键因素，不同绿色合成材料的可重复使用性各不相同。P-NZVI在四个循环后表现出87%的可重复使用效率，表明其具有重复用于去除Cr(VI)的潜力（Tesnim等人，2024年）。相比之下，从桉树叶提取物合成的E-NZVI在四个循环后的去除效率降至55.7%（Jin等人，2017年），这表明其可重复使用的持久性可能取决于纳米颗粒的稳定性和抗降解性。其他绿色合成的纳米颗粒，如可可壳提取物和*工业铁废料及茶树干叶提取物，也显示出显著的Cr(VI)去除效率，其中可可壳提取物（nZVI）在酸性条件下120小时内去除了98%的Cr(VI）（Ferro-Falla等人，2023年）。从工业铁废料和干燥的茶树干叶合成的nZVI@Fe3O4@HMIMPF6在最佳条件下去除了90%的Cr(VI)，并且通过使用外部磁铁回收纳米颗粒提高了其可重复使用性（Mousazadeh等人，2021年）。
绿色合成的纳米颗粒在去除Cr(VI)方面显示出良好的潜力，其效率取决于合成来源、表征和操作条件。这些纳米颗粒具有吸附和还原机制，为环境修复带来了巨大希望，但需要进一步优化其可重复使用性和可扩展性，以确保其在更大规模上的实际应用。未来的研究应重点关注标准化测试条件，并评估这些材料在现实世界应用中的长期稳定性和成本效益。其他研究也证实了纳米级零价铁（nZVI）用于清除铬污染物的有效性。根据Zhou等人（2021年）的研究，使用竹子制成的植物基nZVI能够将六价铬（Cr(VI)的浓度降低90%以上，这也是这种快速动力学和高效率的典型例子。这种处理的效果取决于溶液的pH值、接触时间和nZVI的浓度等因素。降低pH值可以增强Cr(VI)的还原效果，但也会增加nZVI颗粒的溶解速率，从而可能降低整体性能。类似地，Tripathi等人（2024年）也表明，使用农业废弃物（即稻壳）制备的nZVI在一小时内有效去除了超过85%的Cr(VI)。最近关于使用绿色合成方法制备的nZVI去除铬的研究总结在表[3]中。
8.2. 铅（Pb）
铅污染的工业来源包括采矿和电池生产，以及含铅油漆和汽油添加剂的制造，这些都是废水中铅污染的主要来源。此外，铅还可能通过腐蚀的管道系统被冲走，并通过城市污水和雨水成为工业区的污染源。铅是一种强效的神经毒素，儿童特别容易受到影响；长期暴露可能导致发育迟缓、学习障碍和行为障碍。在成人中，长期暴露可能导致肾脏损伤、高血压和生殖功能障碍。在水生环境中，铅对鱼类和其他生物有毒，从而阻碍生长、繁殖和生存。土壤中的铅污染也会对植物健康产生不良影响，进而破坏食物链。鉴于铅的非生物降解性，消除受污染水中的铅迫在眉睫（世界卫生组织，2023年）。
8.2.1. nZVI的修复机制
nZVI纳米颗粒通过还原和吸附有效去除铅离子（Pb2+）。nZVI的高反应性使其能够通过捐赠电子将Pb2+还原为不易溶的形式Pb(0)，后者可以通过沉淀或吸附到纳米颗粒表面轻松去除（Dai等人，2022年）。还原反应可以描述为：
Pb(II) + Fe(0) → Pb(0) + Fe(III)
植物基nZVI，来源于玉米秸秆和竹子等材料，表现出增强的反应性和稳定性，使其成为一种可持续且成本效益高的铅去除方法。表[4]总结了最近使用绿色合成nZVI去除铬的研究。
8.3. 镉（Cd）
废水中的镉污染通常来自电镀、电池制造和金属精炼等工业过程。它也是磷酸盐肥料生产的副产品，并通过农业径流进入废水。镉存在于采矿作业产生的废水中以及受污染的电子废物处理过程中。镉是一种高毒性金属，长期暴露可能导致肾脏损伤、骨骼异常和癌症。它会在肾脏中积累并造成不可逆的损害。在水生环境中，镉污染会危害水生生物，减少鱼类数量并损害生态系统健康。此外，镉还会通过抑制植物生长来影响农作物产量。
8.3.1 nZVI修复机制
nZVI（Fe(0)）在氧化还原反应中充当电子供体，将高毒性的Cd(II)还原为Cd(0)。在此过程中，铁纳米粒子向Cd(II)离子提供电子，使Cd(II)转化为更稳定、移动性更低、毒性更小的形式（Cd(0)）。该氧化还原反应可表示为：
Cd2+ + Fe0 → Cd0 + Fe3+
其中，Cd(II)被还原为Cd(0)，通常会从溶液中沉淀出来形成固体镉颗粒。同时，Fe(0)被氧化为Fe(III)。
基于植物的nZVI是由稻壳和锯末等农业废弃物合成的，由于植物材料的天然表面化学性质，进一步提高了去除效率。
表5总结了使用绿色合成的nZVI去除镉的相关案例研究：
| 来源 | 合成方法 | 纳米粒子特性 | Pb(II)去除效率 | 最佳条件 | 机制 | 独特性质 | 参考文献 |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |
| 丁香提取物（Syzygium aromaticum） | 纳米零价铁（nZVI） | FTIR, UV-Vis: 509 nm处吸光度，PSA: D10 = 85.1 nm, D50 = 122 nm, D90 = 175 nm | 60分钟时96.49%，120分钟时82.57% | 丁香提取物中的Fe:0.25:4.75（最小粒子尺寸，最高去除效率），最佳时间：0.25:4.75为60分钟，1:4为120分钟 | nZVI的小粒子尺寸（0.25:4.75）使其具有更大的表面积，从而增强了对Pb(II)的吸附能力和去除效率 | Anugrah等人，2023年 |
| 绿茶提取物（茶多酚，TPs） | 支载在蒙脱石（Mont）上的纳米零价铁（nZVI） | Zeta电位，SEM，TEM，XRD，XPS | 900.8 mg∙g-1 | 初始Pb(II)浓度：10 mg/L，pH：7，GT-nZVI@Mont剂量：500 mg/L，温度：25°C | 茶多酚（TPs）在Fe0核心和Mont层间的协同效应保护Fe0免受氧化，并增强Pb(II)的还原和吸附 | Yang等人，2021年 |
| 米草秆衍生活性炭（RSAC）负载的nZVFe | 稳定的零价铁（nZVFe）纳米粒子 | SEM，XRD | 97% | pH：6，nZVFe–RSAC剂量：6 g/L | Pb(II)在nZVFe表面的吸附及其还原 | 热力学结果：ΔH = 32.2 kJ/mol，ΔS = 216.9 J/mol·K | Sepehri等人，2021年 |
| 绿茶提取物 | 纳米零价铁（nZVI）纳米粒子 | Zeta电位，SEM，XRD，XPS，FT-IR，TEM | 377.3 mg/g | 温度：80°C，搅拌速度：低至中等（425-800 rpm） | 绿茶多酚（TPs）在稳定nZVI的同时促进吸附和还原过程 | Du等人，2021年 |
| 苦杏仁叶（来自中国福建的酸性矿区） | 碳@纳米零价铁（C@nZVI）复合材料 | SEM，XPS，FTIR，TEM | 98.37 mg/g | Pb(II)被吸附在碳和氧化铁上，然后被nZVI还原为Pb(0)；生物质衍生的碳增强了电子转移 | Langmuir吸附模型：R2为0.991（Pb(II)），伪二级动力学模型：R2为0.995，还原动力学：伪一级动力学模型（R2 > 0.990），活化能为31.39 kJ/mol | Yang等人，2023年 |
| 香蕉皮果胶 | 果胶-纳米零价铁（pectin-nZVI）纳米复合材料 | SEM，XRD | 有效吸附了铬铅混合物中的Pb；未提供具体Pb(II)去除率 | 初始Pb(II)浓度：75 mg/L，pH：8.0，温度：40°C，nZVI剂量：1.0 g/L，接触时间：30分钟 | 通过果胶功能团与纳米零价铁之间的相互作用吸附Pb(II)和Cr(III)离子 | Namasivayam等人，2024年 |
| 印度高岭土（IK）负载的nZVI | FTIR，XRD，SEM，TEM | 5分钟内去除率98% | pH：4.5–6.5 | Pb(II)的去除通过多种过程，包括吸附和可能的表面相互作用；IK支持nZVI的分散和稳定性 | Lakkaboyana等人，2021年 |
| 凤尾草壳和生物炭 | 凤尾草壳和生物炭支持的S-nZVI（CS@S-nZVI/TB） | XPS，FTIR，Zeta电位，BET，XRD | 最大Pb(II)吸附容量为192.0 mg/g；吸附过程是吸热且自发的 | Xu等人，2021年 |
| 草本茶花 | 零价铁纳米粒子（Fe(0) NPs） | TEM，XRD，SEM，EDX | 吸附遵循Langmuir等温线，表明为单层吸附；Pb(II)的去除通过化学吸附（伪二级动力学）；还具有抗纤维母细胞癌细胞的特性 | Chen等人，2024年 |
表5. 使用绿色合成的nZVI去除Cd(II)的表征和效率
9. 影响生物合成nZVI性能的因素
最近的研究确定了多个影响生物合成纳米零价铁（bio-nZVI）在废水处理过程中性能的因素。尺寸在10-100nm范围内的纳米粒子具有显著更大的表面积，从而提高了bio-nZVI材料的反应性，进而提高了金属去除效率；纳米粒子由于其高表面积与体积比和高表面能而更有效（Baldermann等人，2021年）。水溶液的pH值是决定nZVI反应性的关键指标，因为较低的pH值可以显著提高金属提取效率，例如在pH 3-5时铅和镉的提取效果更好（Shehab，2023年）。温度也控制着还原反应的动力学：虽然高温可以提高nZVI的活性，但也会导致粒子聚集，从而降低长期去除效率（Hansen等人，2023年）。另一个决定性因素是接触时间；大约120分钟的接触时间被认为是最大化去除效率的最佳时间，这允许粒子与污染物有更广泛的接触（《通过纳米零价铁粒子吸附从垃圾填埋场渗滤液中去除污染物：吸附等温线和动力学研究》，2022年）。重金属浓度的增加需要相应增加nZVI的用量以维持高去除率，但超过一定水平后，效果会趋于平稳，因为粒子会达到饱和状态。此外，共污染物（包括有机物）可能会通过占据表面位点或使nZVI表面失活而抑制其使用，从而降低其反应性（Ji等人，2023年）。
9.1 关键参数的优化和基质效应
重金属污染问题对环境，尤其是废水处理来说是一个重大关切。纳米零价铁（nZVI）纳米粒子，特别是通过光合作用产生的纳米粒子，因其高效去除有毒金属（如铅（Pb2+）而成为众多学术研究的主题。然而，目前的研究在如何优化实验参数以及水基质性质对去除过程的影响方面还存在不足。本文指出了两个关键问题：首先，没有采用响应面方法（RSM）来优化参数组合；其次，没有讨论基质的影响，即高硬度水中Ca2+如何抑制Pb2+的吸附。
9.2 使用响应面方法（RSM）优化关键参数
缺乏用于优化研究中的重要参数（如pH值、粒子尺寸和暴露时间）的响应面模型是该研究的重大缺陷。响应面方法（RSM）是一种有效的统计工具，可用于近似多个变量之间的关联及其整体相互作用，从而产生系统输出（Anusi等人，2025年）。pH值、纳米粒子浓度和暴露时间等因素在nZVI去除污染物方面起着关键作用（Ferro-Falla等人，2025c）。在没有RSM或类似优化模型的情况下，研究论文无法考虑这些变量之间的相互作用，可能导致非最优结果。通过对比分析近期文献可以证明使用RSM的好处。例如，Ganguly等人（2025年）采用Box-Behnken设计研究了pH值、纳米粒子浓度和暴露时间对去除Cr(VI)的影响，发现最佳去除效果出现在相对较低的pH值、较高的纳米粒子浓度和较长的接触时间下。同样，Kamel等人（2025年）利用中心复合设计（CCD）和RSM优化了nZVI纳米粒子去除砷的效果，在最有利条件下达到了95%的去除效率。这些结果突显了像RSM这样的系统实验设计的高质量，可以用来优化参数——这是所审查论文中的一个方法论缺陷。在未来进行的研究中应用RSM可能会显著提高nZVI在废水去除重金属方面的有效性。特别是Box-Behnken设计有助于阐明pH值、纳米粒子浓度和暴露时间等关键参数的交互作用，优化参数选择，提高性能，并深入理解其背后的机制关系。
9.3 水质和离子干扰的基质效应
评审者指出的另一个重要缺陷是缺乏对Pb2+吸附过程中水质基质效应的分析。特别是，高硬度水中Ca2+离子抑制Pb2+离子去除的效果未被讨论。这一遗漏很重要，因为水中竞争性离子的存在会严重降低基于nZVI的吸附反应效率。分析水质影响的研究发现，硬水中的Ca2+和Mg2+等离子会影响Pb2+在nZVI粒子上的吸附。例如，Tang等人（2024年）表明，在Ca2+浓度低至10mM的情况下，nZVI去除Pb2+的效率显著降低，因为发生了竞争性吸附。钙离子在nZVI表面具有相同的吸附位点，导致Pb2+无法牢固地结合在纳米粒子上。这就是所谓的竞争性吸附效应，在评估nZVI在实际水处理中的应用时必须考虑这一点（Cai等人，2023年）。此外，其他作者还探讨了高水硬度对不同金属吸附的影响。Zhang等人（2023年）进行了一项比较研究，发现在高钙和镁浓度的水中，nZVI去除Pb2+的效率几乎是软水中的40%。作者建议应通过使用离子干扰实验，对不同水质如何影响金属去除过程的效率进行更全面的研究。根据这些结果，未来的研究应该包括离子干扰测试，例如在反映实际条件的浓度水平下引入Ca2+离子。将此类实验纳入当前研究将使研究人员能够更深入地了解水质对Pb2+和其他重金属吸附的影响。为了发展我们在基于nZVI的废水重金属去除方面的知识，有必要引入响应面模型（RSM）和离子干扰实验。尽管当前研究的结果很有前景，但在参数优化和水质矩阵影响的研究中仍存在一些空白，需要填补这些空白以提高结果的可靠性和实用性。比较研究表明，使用RSM优化重要参数以及考虑水质矩阵对金属去除的影响具有重要意义。有了这些建议，未来的研究将更有资格最大化植物制造nZVI纳米颗粒在环境修复中的应用。
10. 零价铁（nZVI）纳米颗粒的潜在毒性
零价铁（nZVI）纳米颗粒因其在水体净化中的有效性而受到广泛关注，尤其是在去除土壤和水体中的重金属污染物方面。尽管nZVI得到了广泛应用，但关于其生态风险的研究却很少，特别是其对水生生物的毒性。本综述旨在讨论nZVI在淡水中的毒性，并评估不同水生生物的致死浓度（LC50）和有效浓度（EC50）。LC50是指在一定时间内导致50%测试生物死亡的化合物浓度，而EC50是指导致50%生物出现亚致死效应的浓度。这两个指标对于评估环境暴露于nZVI的风险至关重要。
最近的研究表明，nZVI的毒性取决于颗粒大小、表面涂层和老化程度。例如，一项针对大型溞（Daphnia magna）的研究发现，流行的nZVI配方Nanofer 25S的LC50为0.405 mg/L（置信区间0.047-0.953 mg/L），这显著低于氧化铁物种（Fe2+、Fe3+）的数值，表明nZVI在其金属状态下比其氧化形式更具毒性（Kumar等人，2017；Jaafar等人，2018）。表面改变化也影响了nZVI的毒性。比较研究表明，在相同浓度下，化学制备的nZVI（CSnZVI）比生物制备的nZVI（BSnZVI）更具致命性。这些结果表明，纳米颗粒的表面特性在评估环境影响方面非常重要（Jaafar等人，2018；Fajardo等人，2018）。
另一项使用卤虫（Artemia salina）的生物测定也显示，nZVI的暴露会引发氧化应激，表现为活性氧（ROS）水平升高以及抗氧化酶活性（尤其是超氧化物歧化酶（SOD）和谷胱甘肽（GSH）的显著下降。这些生化指标用于揭示亚致死效应，并暗示可能存在长期环境影响，而这些影响不能直接与急性死亡相关联（Kumar等人，2017；Jaafar等人，2018）。
环境老化也会改变nZVI颗粒的毒性。实验表明，随着氧化反应的进行，nZVI对土壤生物（如蚯蚓）和水生生物的毒性会降低。氧化作用使Fe0转化为Fe3+，从而减少了自由铁离子的释放和ROS的生成，最终降低了长期毒性。因此，可以得出结论，老化的nZVI可能不像新制造的纳米颗粒那样对环境有害（El-Temsah & Joner，2012）。
不同物种之间的毒性差异强调了在环境风险评估中使用多种测试生物和多种暴露条件进行实验的重要性。特定生物（如大型溞、卤虫和蚯蚓）对于了解nZVI的急性和慢性影响非常有启发性，因为它们代表了水生和陆地生态系统中的不同营养级。尽管nZVI纳米颗粒在环境修复方面具有巨大潜力，但需要注意的是，它们对水生生物和土壤无脊椎动物具有内在毒性。使用1-Daphnia magna和1-Artemia salina进行的实验表明，nZVI在高浓度下会对淡水生物造成严重不良影响。然而，这些毒理学效应可以通过表面涂层和老化来控制。建议未来的研究考虑生态毒理学测试，以评估纳米颗粒在长期暴露条件下的变化及其长期环境命运（El-Temsah和Joner，2013）。
有趣的是，在藻类*Desmodesmus subspicatus中未发现明显的生长抑制现象，这可以解释为老化nZVI颗粒的聚集和沉降（Schiwy等人，2016）。此外，Daphnia magna的EC50为163 mg/L，鱼胚胎的EC50为458 mg/L；这些结果表明，较小的生物对活性氧的形成和沉降动态更为敏感。所有这些观察结果都强调了老化在降低水中nZVI毒性方面的重要性。表6总结了nZVI纳米颗粒对不同生物的影响，从而展示了颗粒老化和环境在确定纳米颗粒毒性方面的作用。
表6. nZVI纳米颗粒对各种生物的毒性数据总结
| 生物 | nZVI类型 | LC50值（mg/L） | 毒性机制 | 老化的影响 | 参考文献 |
|---------------|--------------|-------------|-----------------|-------------------|
| 大型溞（淡水浮游动物） | Nanofer 25S（原始nZVI） | 0.405 (95% CI: 0.047-0.953) | 急性毒性，氧化应激（ROS增加） | 减少生长，行为变化 | D. Kumar等人，2017 |
| 卤虫（Artemia salina） | CS-nZVI（化学合成） | -氧化应激，酶活性降低（SOD, GSH） | ROS生成，SOD和GSH下降 | 老化后毒性降低，ROS生成减少 | Jaafar等人，2018 |
| 蚯蚓（土壤生物） | BS-nZVI（生物合成） | -急性毒性，死亡，生长受损 | 亚致死应激，繁殖受损 | 老化降低毒性 | Fajardo等人，2018 |
| 藻类（Desmodesmus subspicatus） | 老化nZVI | -与藻类聚集和沉降，导致遮荫和间接效应 | 无显著生长抑制；沉降效应 | 老化使材料与藻类聚集，降低毒性 | Schiwy等人，2016 |
| 大型溞（甲壳类动物） | EC50: 163 mg/L | 急性固定和ROS生成 | 固定由于材料涂层，氧气耗尽 | 比鱼类更敏感，EC50低于先前研究 | |
| 鱼类（斑马鱼胚胎测试） | EC50: 458 mg/L | 沉降和ROS生成 | 孵化受损，与卵聚集 | 在较高浓度下毒性更高，沉降效应 | |
| 艾姆斯试验（致突变性） | 无致突变性检测 | 无致突变潜力，尽管产生ROS | 老化不促进致突变性 | |
| 大麦（种子发芽） | nZVI与羧甲基纤维素（CMC） | -nZVI氧化，与土壤污染物相互作用 | 根部生长抑制，轻微的茎部影响 | 老化降低毒性；氧化后毒性减轻 | El-Temsah等人，2012 |
| 亚麻（种子发芽） | nZVI与羧甲基纤维素（CMC） | -nZVI氧化和反应性 | 根部发育受影响大于茎部 | 老化降低毒性，浸出效应随时间减弱 | |
| Scenedesmus obliquus（淡水绿藻） | 未报告mg/L；96小时IC50 = 2.464 mmol·L−1 | -与藻类聚集和沉降，导致遮荫 | 无显著生长抑制；沉降效应 | |
| 铁细菌（Eisenia andrei） | nZVI（类型/合成/大小未报告） | -ROS生成增加和剂量依赖的脂质过氧化；细胞死亡（凋亡/坏死） | 吞噬活性降低，氧化应激标志物变化 | 老化释放溶解的Fe物种；观察到铁离子的毒性 | Semerád等人，2020 |
| 大肠杆菌（细菌） | nZVI及其老化产物 | -ROS介导的损伤：有氧条件下的细胞外·OH和厌氧条件下的细胞内·OH；ROS途径因氧气可用性而异 | 氧化损伤细胞；细胞内外ROS参与致死/机制损伤 | 老化产物改变ROS生成途径，从而改变有氧和厌氧条件下的毒性 | Li等人，2022 |
| 硫化nZVI（0.25%、1%、5% S）与裸露nZVI比较 | -稳定性及Fe0含量测量（α-Fe含量：裸露nZVI为35.3%，5% S nZVI为78.6%） | -氧化应激（脂质过氧化）作为毒性标志；初始毒性较低，但老化后氧化应激增加 | 活性污泥呼吸和微生物群落PLFA谱变化 | Semerád等人，2020 |
| Scenedesmus armatus和Microcystis aeruginosa（浮游植物） | -28天内逐渐增加ROS生成；绿藻中的ROS生成高于蓝细菌 | -生长速率改变（S. armatus最初受影响，28天后恢复）；光合作用指标变化 | 长期暴露产生渐进性ROS；一种物种在28天后恢复 | D’ors等人，2023 |
| Mozambique tilapia（Oreochromis mossambicus） | XRD验证的nZVI；TEM显示圆形/椭圆形颗粒 | -氧化损伤表现为抗氧化酶变化和MDA增加（脂质过氧化） | 抗氧化酶变化（SOD, CAT, POD），MDA增加，皮肤、鳃和肝脏的严重组织病理损伤 | Kirthi等人，2022 |
| Dictyosphaerium sp.（藻类）与壬基酚共暴露 | -剂量依赖的氧化应激和超微结构细胞损伤；抗氧化和光合作用相关基因的转录变化 | 高浓度下生物量减少和色素含量降低；严重的超微结构损伤；低nZVI降低共暴露情景下的毒性 | Jiang等人，2021 |
| Flexopecten glaber（光滑扇贝） | nZVI暴露浓度0.5、1.0和1.5 mg/L | -氧化应激标志物增加（H2O2, MDA, AOPP）和抗氧化防御改变（GSH, GPx, SOD, CAT下降） | 脂肪酸组成改变，组织损伤（脂褐素积累，炎症，消化管改变）；组织中铁积累（鳃132 μg/g DW；消化腺37.6 μg/g DW在1.5 mg/L） | Rabeh等人，2022 |
研究表明，nZVI可能直接和间接影响水生生物（例如生物积累）。在一项研究中，nZVI和释放的铁离子有可能增加蚯蚓细胞的氧化应激和脂质过氧化，表明其对水生生物具有亚致死影响（Semerád等人，2020）。然而，这些效应似乎与剂量有关，较低浓度下的危害较小；至少有几项研究表明，在环境显著浓度下对细胞活性的影响很小（Lin等人，2021）。人类接触nZVI仍然是一个值得关注的问题，特别是在水处理中使用该材料时。最近的研究表明，尽管nZVI在低剂量下被认为是无害的，但其释放的亚铁和铁离子可能带来危害，可能导致食物链中的生物积累（Liu等人，2023）。关于长期暴露于nZVI的健康风险的研究仍在进行中。
10.1. 评估自由离子（Fe2+）和纳米颗粒（nZVI）的毒理学效应
许多生物过程需要自由铁离子，尤其是Fe2+；然而，它们的过量可能导致铁毒性，这主要是由于Fenton化学反应产生的活性氧（ROS）（Zhang等人，2022）。当Fe2+与过氧化氢（H2O2）反应时，会产生高反应性的羟基自由基（OH），从而导致细胞中的脂质、蛋白质和核酸损伤。另一方面，由于nZVI纳米颗粒体积小且表面积大，具有很强的还原能力，也能催化ROS的生成。nZVI的毒性主要是由于纳米颗粒氧化时释放的铁离子（Fe2+和Fe3+）。nZVI中Fe2+的释放会促进细胞内活性氧（ROS）的产生和氧化应激，最终导致细胞膜和细胞器的损伤（Zeng等人，2023年）。Fe2+和nZVI在相对较低的浓度下就可能具有毒性，但这些效应的程度会因多种因素而异，如物质浓度、暴露生物的分类以及环境条件（Jang等人，2014年）。对于nZVI而言，颗粒的涂层和聚集对其毒性有显著影响。由于nZVI颗粒没有涂层，因此它们容易聚集，从而降低了其移动性，进而减少了其在环境中的潜在毒性。相反，经过涂层的nZVI颗粒通常分散性更好、反应性更强，因此可能更具毒性（Dong等人，2019年）。在水生生态系统中，nZVI颗粒已被发现会影响从浮游植物到浮游动物的广泛生物。例如，当nZVI的浓度超过0.5 mg/L时，一种浮游动物——大型溞（Daphnia magna）的存活率会受到严重影响（Keller等人，2012年）。同样，不同类型的nZVI（如涂有聚乙二醇和氧化铁的nZVI）根据其聚集速率和表面特性表现出不同的毒性。研究还表明，Fe2+和Fe3+离子对淡水生物具有毒性，包括但不限于淡水甲藻Pseudokirchneriella subcapitata和Isochrysis galbana（Zeng等人，2023年）。与nZVI不同，Fe2+和Fe3+的毒性相对容易确定，因为它们在环境中普遍存在，并且人们对其在生物体内的水平有较好的了解。然而，过量的铁，尤其是Fe2+，可能会使细胞的防御机制饱和并导致氧化应激，尤其是在对铁敏感的动物中（Karami等人，2010年）。尽管Fe2+和nZVI纳米颗粒都具有生态危险性，主要是通过铁的化学反应性引起的氧化应激机制，但由于nZVI的体积小、表面积大和强还原能力，其毒性更为复杂。这些特性使其毒性依赖于颗粒形态和环境条件的变化。尽管nZVI在环境修复中的潜在应用前景广阔，但这些发现强调了全面了解其广泛应用相关毒理学风险的必要性（Paunovic等人，2019年）。纳米零价铁（nZVI）的毒性会随着在环境中的老化而改变，但其通过Fe0氧化为Fe2O3的过程逐渐进行（图0 X）。新制备的nZVI由于电子转移速度快、表面产生ROS以及释放Fe2+离子而具有高度反应性和毒性。随着时间的推移，nZVI会氧化，形成氧化铁涂层后会使其钝化，从而减少Fe2+的进一步释放。这种变化降低了生物可利用性和氧化应激的可能性，随着时间的推移急性毒性显著降低（图4）。
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图4. 纳米零价铁（nZVI）的环境老化和氧化路径，显示从Fe0到Fe2O3的转变、相关离子的释放以及反应性和毒性的降低。
可溶性铁阳离子（Fe2+和Fe3+）与纳米零价铁（nZVI）在毒性过程和环境效应上的差异可以通过对比分析来解释。表7概述了它们毒性的关键特征，包括化学形态、作用机制、环境迁移性和生物影响。虽然Fe2+是通过芬顿反应导致氧化应激的主要因素，但nZVI纳米颗粒的高表面积和反应性支持了元素铁的氧化，进一步释放Fe2+和Fe3+，从而产生活性氧（ROS），导致氧化损伤。
表7. 自由铁离子（Fe2+和Fe3+）与纳米零价铁（nZVI）纳米颗粒在毒性机制和环境效应上的关键差异总结：
| 特征 | Fe2+（自由铁离子） | nZVI（纳米零价铁） |
| --- | --- | --- |
| 化学形态 | Fe2+（还原态）和Fe3+（氧化态） | 零价铁（Fe0），在环境中氧化为Fe2+和Fe3+（Zhang等人，2022年） |
| 毒性机制 | 通过芬顿反应生成活性氧（ROS），导致氧化应激 | 释放Fe2+和Fe3+，可生成ROS并导致氧化应激（Zeng等人，2023年；Jang等人，2014年） |
| 氧化应激 | 高浓度的Fe2+会导致H2O2生成羟基自由基（·OH），损害细胞成分 | 纳米级Fe0氧化为Fe2+，加速ROS生成并损害细胞膜和细胞器（Dong等人，2019年） |
| 尺寸和表面积 | 整体离子，无颗粒尺寸效应 | 纳米级，高表面积和反应性 |
| 聚集 | 不会聚集 | 未涂层的nZVI容易聚集；聚集会降低移动性和毒性 |
| 对水生生物的毒性 | 在高浓度下对淡水生物（包括浮游植物和浮游动物）有毒 | 在低浓度下对Daphnia magna和浮游植物等水生生物有毒（Keller等人，2012年） |
| 对土壤生物的毒性 | 在高浓度下可导致氧化损伤并影响土壤微生物 | 对土壤微生物有毒；可在土壤生物体内积累（Karami等人，2010年） |
| 环境迁移性 | 在水环境中高度移动 | 移动性受聚集影响；在高钙环境中聚集更快 |
| 修复应用 | 由于高浓度下的毒性，修复应用有限 | 在修复中有效，但存在对环境中的毒性和迁移性的担忧（Dong等人，2019年） |
| 环境归趋 | 通常Fe2+会在环境中迅速被吸收或沉淀 | nZVI颗粒可能在环境中持续存在，尤其是未经稳定的情况下 |
| 表面涂层的影响 | 无涂层 | 涂层（如聚乙二醇、氧化铁）可以稳定nZVI并降低毒性 |
| 对微生物防御的影响 | 增加细胞内的ROS，导致膜损伤、酶抑制和细胞死亡 | 增加ROS，线粒体损伤，并影响微生物的防御机制（Zeng等人，2023年） |
11. 植物制造nZVI用于重金属修复的瓶颈
植物制造的纳米零价铁（phyto-nZVI）纳米颗粒是一种环保的重金属污染水修复技术。然而，几个技术瓶颈阻碍了其大规模应用，特别是纳米颗粒的聚集和制造成本较高。这些问题使得该技术在可扩展性和整体效率方面存在困难。为了解决评审者的意见，本节概述了克服这些缺点的潜在方法，以提供可行的解决方案，提高基于植物nZVI的水修复系统的效率和成本效益。
11.1. 植物nZVI的抗聚集策略
纳米颗粒的聚集是抑制其在水修复条件下反应性、稳定性和整体效果的关键因素之一。聚集主要通过范德华力作用发生，其他力的贡献较小，这减少了可接触的表面积，从而降低了与污染物（如重金属）的相互作用能力。在植物nZVI的应用中，这种效应尤为明显，因为植物提取物既用作还原剂也用作稳定剂；由于植物提取物的生化基质复杂，聚集倾向加剧（Rodriguez-Rasero等人，2024年）。为了解决这个问题，可以提出以下抗聚集策略：
a) 木质素涂层：使用木质素（一种植物细胞壁形成的有机聚合物）作为稳定剂是避免颗粒聚集的最有前景的方法之一。木质素具有独特的性质，如能够吸附在颗粒表面并产生空间位阻，抑制颗粒间的聚集。此外，木质素更具生物相容性和可持续性，使其成为绿色生产nZVI的有希望的选择。实证研究表明，木质素涂层显著提高了nZVI颗粒在水介质中的稳定性和分散性，从而提高了其去除重金属的效果（Li等人，2023年）。此外，经过木质素涂层的nZVI颗粒长期稳定性更高，因此可以更频繁地应用于实际废水处理中（Khandare等人，2025年）。
b) 电场分散：第二种新的设计方法是使用外部电场使纳米颗粒在溶液中均匀悬浮。该方法利用带电颗粒之间的静电排斥作用，确保其分散状态，防止聚集，从而降低nZVI的反应性。电场分散也有助于稳定胶体悬浮液，但需要额外的设备和能量。然而，当与其他稳定措施（如木质素涂层）结合使用时，这是一种有效的协同解决方案（Ponticorvo等人，2022年）。
通过这些抗聚集策略，可以显著提高植物nZVI在重金属修复中的性能。分散且稳定的纳米颗粒将具有更大的表面积，从而增加与污染物的相互作用次数——这是水处理中不可忽视的必要条件。
11.2. 植物nZVI合成的成本降低策略
植物nZVI纳米颗粒的高生产成本也是大规模应用的主要障碍。尽管基于植物的方法本质上比传统的化学和物理合成更可持续和环保，但对纯植物提取物的依赖性较高，而这些提取物成本昂贵且需要大量原料，从而显著增加了总体生产成本。以下是一些降低成本的选择：
a) 农业废弃物作为原料：利用农业废弃物（稻壳、小麦秸秆或玉米秸秆）代替纯植物提取物是节省成本的一种方法。这些副产品价格低廉、丰富且易于获取，因此是用于nZVI合成的理想生物活性化合物来源。多项研究表明，可以使用农业废弃物制备稳定的有效nZVI纳米颗粒。例如，使用稻壳这种家庭废弃物可以制备出有效的nZVI纳米颗粒，不仅降低了合成成本，还促进了循环经济（Bhardwaj等人，2025年）。
b) 优化合成条件以提高产量和效率：另一种降低成本的方法是优化合成条件，以使用最少的植物提取物实现最大产量。温度、pH值和植物提取物浓度等变量可以通过调整来确保纳米颗粒的形成尽可能高效，并避免过量使用生物活性化合物。例如，使用绿茶提取物生产nZVI时，已报道可以制备出质量不受影响的纳米颗粒（Ayub等人，2025年）。通过微调合成参数，可以降低总体生产成本。
c) 利用生物反应器系统扩大生产规模：为了克服可扩展性问题，可以在生物反应器中生产植物nZVI纳米颗粒。基于植物的合成过程可以在受控环境中进行，从而能够在更经济的情况下连续生产。这一概念已在微生物纳米颗粒生产中得到验证，并且类似的系统也可以应用于植物nZVI的生产。通过增加生物反应器中的生产规模，每单位纳米颗粒的成本将降低，使植物nZVI成为处理大量水体的更实用选择（Naik等人，2025年）。
d) 其他纳米材料的共合成：另一种降低成本的方法是将植物nZVI与其他低成本纳米材料（如生物炭或活性炭）共合成。这些材料可以用作nZVI的载体，提高其稳定性并增加吸附能力，减少合成过程中所需的nZVI量。例如，可以使用农业废弃物生产生物炭，这将进一步降低生产成本，同时不会降低水处理系统的整体效果。为了确保植物nZVI纳米颗粒在重金属修复中的广泛应用，解决与聚集和高生产成本相关的技术瓶颈至关重要（Jia等人，2025年）。通过应用抗聚集方法（如木质素涂层和电场分散）可以显著提高nZVI的稳定性和反应性，从而实现更高效的水处理机制。此外，由于农业废弃物可作为原材料，通过优化合成条件并通过生物反应器系统扩大生产规模，可以大幅降低植物基nZVI的合成成本，使其成为解决环境大规模问题的更具成本效益的修复选项。这些方法有望提升植物基nZVI的性能、可扩展性和经济性，使其成为解决全球重金属污染问题的可持续且经济有效的技术。
12. 生物合成nZVI的挑战
生物合成nZVI是一种纳米级的零价铁，但其广泛应用面临诸多障碍。颗粒聚集是一个关键问题，因为它会降低nZVI在废水处理中的反应性和效率，因此需要研究其稳定性和分散性的方法（Xie等人，2021年）。此外，生物nZVI的大规模生产成本较高，这使得其在市政或工业领域的应用变得困难。通过优化合成途径并提高其市场竞争力是有效应用nZVI进行水净化的重要因素（Zeng等人，2024年）。最后，应充分考虑生物nZVI的环境归趋及其潜在毒性，特别是材料降解产物及其在生态系统中的生物累积可能性（Semerad等人，2020年）。
13. 生物合成nZVI的未来研究方向
下一代生物纳米级零价铁（bio-nZVI）需要通过新的生产策略进一步优化其效率，例如使用基因工程微生物来减少有害和有毒化学物质的使用（Zeng等人，2024年）。表面功能化方法（如使用聚合物或表面活性剂）也可以提高nZVI的稳定性和反应性，使其更适合在复杂的废水环境中使用（Zhang等人，2024年）。此外，通过结合生物nZVI与其他纳米系统（如碳基或磁性成分），可以预期会产生协同作用，从而增强污染物去除效果，尤其是在处理复杂污染物时（Tembekar等人，2024年）。为了克服可扩展性和环境可持续性的挑战，可以将生物nZVI与其他处理方式（包括膜过滤和活性炭）结合使用，以提高整体处理效果，并应对新的污染物（如药物和微塑料）（Shree等人，2023年；Wang等人，2024年）。
14. 结论
植物制造的纳米级零价铁（nZVI）纳米颗粒的出现显著改变了废水处理中重金属去除的范式，为传统方法提供了一种可持续、环保的替代方案。使用植物提取物作为还原剂制备nZVI不仅确保了更清洁的生产途径，还提高了所制备纳米结构的稳定性、可扩展性和反应性。最新研究表明，nZVI在通过还原、吸附和沉淀过程降低铬和铅等危险金属方面具有高效性。尽管结果令人鼓舞，但仍存在一些挑战，如颗粒聚集、高生产成本以及生物累积可能带来的环境风险。为了解决这些问题，优化合成方案、表面功能化方法以及分析nZVI的可重复使用性至关重要，这些都将有助于提高其性能，并确保其在大规模修复中的应用范围。随着研究的不断深入，植物制造的nZVI在缓解全球水环境中重金属污染问题方面展现出巨大潜力。其经济性和可扩展性使其成为可持续环境管理的潜在工具。
未列出的参考文献：
Dhiman等人，2024年；Jamil等人，2023年；Sinharay和Uddandarao，2023年；Rodriguez-Rasero等人，2024年；Bokilia等人，2024年；Dan等人，2023年；Ken等人，2020年；Mantovani等人（2022年）；Darwesha等人（2021年）；Ferro等人，2025年；Mampane等人，2024年；Han等人，2022年；Lu等人，2024年；Ferro-Falla等人，2023年；Zhou等人（2021年）；Lu等人（2024年）；Sepehri等人，2021年；Du等人，2021年；Global NEST（2024年）；Ren等人（2020年）；吸附等温线和动力学研究，2022年；Ganguly等人（2025年）；Temsah & Joner，2012年；Temsah和Joner，2013年；Schiwy等人，2016年；Semerád等人，2020年；Schiwy等人，2016年；El-Temsah等人，2012年；Cheng等人，2021年；Semerád等人，2020年；Li等人，2022年；Semerád等人，2020年；D’ors等人，2023年；Kirthi等人，2022年；Jiang等人，2021年；Rabeh等人，2022年；Rodriguez-Rasero等人，2024年。
未引用的参考文献：
Alexandre-Franco等人，2024年；Bokolia等人，2024年；Dan-Iya等人，2023年；Darwesh等人，2021年；Deng等人，2022年；Dhiman，2024年；Ferro-Falla等人；Habib等人，2021年；Han等人，2023年；Jamil Emon等人，2023年；Ken和Sinha，2020年；Lu等人，2023年；Namakka等人，2024年；Oladimeji等人，2024年；利用纳米零价铁颗粒从垃圾渗滤液中去除污染物，2022年；Rodriguez-Rasero等人，2024年；Swaminaathan等人，2024年；Semerad等人，2020年；Sepehri等人，2023年；Singh等人，2022年；Sinharoy和Uddandarao，2023年；使用红泥作为铁源的纳米级零价铁的合成表征和吸附性能；Tesnim等人，2024年；Wang等人，2024年；Xiao等人，2025年；Yang等人，2021年；Zhao等人，2025年；Zhao等人，2016年；Zhou等人，2023年；Senthilkumar等人，2024年；Kumar等人，2024年；Deivayanai等人，2024年；Jamuna等人，2023年；Thamarai等人，2024年；El-Temsah和Joner，2012年；Ganguly等人，2025年；Zhang等人，2023年；Rodriguez-Rasero等人，2024年；Tarekegn等人，2021年；Xu等人，2020年。
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