近日，中国科学技术大学吴宇恩教授团队的AMR观点文章“Reframing Sustainable Agriculture with Precision Materials Chemistry”在线发表，提出了以精准材料化学重构可持续农业的研究框架。文章指出，农业不仅是作物种植过程，也是一个复杂的化学系统；养分吸收、农药作用、污染残留和生态风险，都与物质的存在形态、反应过程和微环境密切相关，从而为发展更高效、更精准、低环境负担的农业技术提供了新思路。

Keywords：

Precision Chemistry, 

Sustainable Agriculture, Pesticide Nanomaterials, Precision Fertilization, Nutrient Recovery

原文提要：“Precision materials chemistry distills the complexity of conventional agriculture into a coherent chemical framework.”

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文章内容简介

研究背景

随着全球人口持续增长，粮食生产需要消耗更多能源、资源和化学品，并加剧相应工、农业过程中的污染物排放。对可持续性的追求促使我们从系统层面重新思考农药、肥料和耕作策略的设计、生产与施用方式。要在降低环境风险的同时提高能源和化学品利用效率，就必须以一种新的科学视角重新审视农业过程。

从本质上看，农业是一个多相、多组分、多尺度的化学环境，其复杂性和空间异质性远超任何工业反应器或实验室反应器。土壤、植物、微生物和大气相互连接，形成一个彼此关联的网络；在这一网络中，有机和无机化合物或持续循环或发生单向转化。这些物质的归趋，，以及由此对农业生产和环境产生的影响，归根结底都受化学规律支配。因此，农业是化学在自然界和工业体系中发挥作用的最大场景之一。

传统农业科学主要关注植物生理学、生态学和农艺学，对决定系统行为的化学、材料与催化原理则关注较少。这一现状很大部分源于农业环境的极端复杂性，长期以来限制了化学推理在理解农业过程中的适用推广。如今，精准智能化学的快速发展，连同分析技术的进步，正重塑农业研究的科学基础。我们得以直面那些曾经遮蔽机理认识的复杂性，也让化学洞见有望真正融入未来可持续农业的设计。

主要内容

1) 理解农业体系中的物质转化

农业化学的复杂性源于：（i）生物过程与非生物过程并存，（ii）各物种之间相互作用，以及（iii）不同相态同时存在。我们认识到，这些过程不仅发生在生物体内，也涉及更广物质范围的化学转化。这种多相介质会产生复杂的化学行为和界面现象。例如，土壤由矿物颗粒、胶体和水溶液相组成。若不了解硅、铝物种的酸碱行为，锰、铁的氧化还原性质，以及碳、氮、磷在有机形态与无机形态之间的转化，科学家就无法充分认识这些组分的化学本质及其归趋。

要厘清这种复杂性，必须充分发挥光谱技术的作用，因为它能实现连续、非侵入和原位的观测。在这方面，环境化学已发展出一整套光谱工具，可在分子水平上解析复杂混合体系。与此同时，先进成像技术如今能够精确呈现土壤和植物组织中各类物种的空间分布，包括寿命极短的中间体。再结合材料科学、实验室自动化和无人机田间传感的进展，这些以化学为驱动的方法将大大增强我们解释农业生产背后化学过程的能力。这对于在大田尺度实现土壤污染的精准监测与修复至关重要。

2) 重新设计农药材料

通过设计、合成能杀灭害虫、病原体、杂草来保护作物的生物活性小分子，长期以来一直是有机化学的重要研究方向。为了在当代农业中实现可持续性，应从根本上重新思考农药和除草剂的化学形态。小分子农药和除草剂可能造成显著的环境危害，并且常常抑制后茬作物的生长。此外，水溶液、乳油等传统剂型容易降解，也容易发生非靶向流失，从而明显削弱活性成分的作用效果。因此，在减少有毒化合物使用并提高经济可行性的同时实现对害虫、病害和杂草的精准防控，已经成为可持续农业的核心目标。

材料科学的发展极大丰富了农药的递送与作用机制，从根本上改变了农用化学品在田间的配制和施用方式。目前，纳米技术已经成为先进农业中的一个主流研究方向。纳米材料作为可精确控制的异相载体，能够包覆传统活性成分，并在空间和时间上调节其释放。通过使释放曲线与植物需求和害虫生命周期相匹配，纳米农业剂型能够在大幅降低总体用量的同时提高靶向效果。此外，纳米材料与植物之间的相互作用也为以化学手段精准调控作物生长和表型提供了新的抓手。

随着我们的调控尺度从纳米尺度跃迁到原子水平，单原子材料也应运成为一类新的非均相农药。材料科学和催化科学中已经建立的成熟合成与表征方法，为精确设计这类单原子材料农药提供了丰富的工具。在我们此前的单原子铜农药工作中（DOI: 10.1016/j.scib.2025.08.018），Cu原子经济性的提高大幅削减了铜离子的消耗及其在土壤中的残留。这一设计理念明确地将非均相催化剂的设计策略引入病原体防控领域。因为铜原子被锚定结合在载体上，其不仅可以充当可重复使用的抗菌中心，而且由于不会在土壤溶液和植物组织中自由扩散大大降低了植物毒性。然而，单原子材料在农业应用中究竟如何影响植物和微生物的生理功能，其基本原理在很大程度上仍未得到探索。对这些相互作用建立更深入的机理认识，将使无机单原子工程在农业情境下得到更有效的运用，并可能使单原子剂型替代或大幅减少对高污染有机农药的依赖。此外，单原子农药的设计还应仔细权衡经济成本，以确保这些基础性进展最终能够被农业市场接受并具备市场竞争力。

3) 变革施肥策略

在农业生产中，施肥带来了几乎最为显著的能源需求和环境负担。从精准化学的角度看，重新审视施肥需要发展新的策略：不仅要控制养分的供应量，也要控制养分的化学形态、释放路径和空间定位。氮、磷、钾是作物生产所必需的三种大量营养元素，但它们在土壤中的形态、反应性和迁移性差异显著。具体而言，磷在土壤中容易迁移受限，钾则迁移过快，这两种行为都会降低养分的吸收效率。因此，精准调控它们的迁移和化学转化，是任何可持续施肥策略再设计的核心。

氮和磷不仅是不可或缺的肥料，也是水体富营养化的主要诱因，会造成严重的水污染和大量温室气体排放。农业径流和城镇污水一方面是重要的氮、磷流失通道，另一方面也是这些元素的巨大储库。尽管人们已经提出多种养分回收策略，但其工业化应用仍然有限，这主要是受到应用成本的限制。这种状况凸显出一项迫切需求，即通过精准转化把废弃的氮和磷升级为有价值的资源。此外，微生物将氮转化为氮气的过程已经在污水处理研究中得到广泛研究，这为高效固氮和精准原位反硝化提供了庞大的基因工具库。

钾在地壳中含量丰富，这一表象掩盖了钾肥可持续供应面临的挑战。实际上，可溶性钾肥的供应并不稳定，价格波动明显。此外，作为一种碱金属，钾主要以以自由迁移的离子形式施入，因而极易发生淋溶损失，本质上也不适合用共价键工程来实现缓释调控。因此，钾的可持续施用在化学上面临最大的挑战。也正因如此，精准材料化学方法需要在钾的释放机制层面寻求创新。此外，晶体化学原理还将进一步帮助人们精准利用广泛分布的难溶含钾矿物（如钾长石），从而为更稳定、更高效的钾肥生产提供一条以精准化学原理为依托的路径。

总结与展望

可持续农业追求更高的能源和资源利用效率，减少对合成农用化学品的依赖，并尽量降低对生态的扰动。拥抱精准材料化学的理念不仅为我们提供了新的研究工具，也改变了人们理解农业可持续性的方式，即把它看作对化学形态、反应和微环境的有意识塑造。在这一重新界定的图景中，农业化学的复杂性不再主要是一道障碍，而更多地表明：我们需要新的研究范式。

人工智能化学家和育种机器人的相继出现，预示着未来的精准农业化学将与自动化紧密相连。机器人化在生成大规模、多维度且质量稳定的数据集方面具有独特优势，使我们能够系统地探索农业化学体系中遇到的广阔参数空间。由此，数据驱动的工作流程将既支持自下而上的建模，也支持自上而下的化学解释。

随着农业化学的数据集不断扩大，其清晰度和精准度也必须随之提高，而不能再依赖宽泛或间接的指标。现代分析化学已经能够提供原位、高分辨、高灵敏的技术，捕捉到远比产量、株高等传统农艺性状更丰富的信号。将这些精细解析的数据集与自动化和化学信息驱动的推理相结合，将推动可持续农业从凭经验应对不确定性，转向有意识地设计作物生产系统。展望未来，农业科学将演变为一门更加审慎自觉的学科，并借助精准材料化学思维的引导走向真正的可持续生产。

02

AMR：您选择该领域的初心是？

作者团队：

我们最初关注到的是农业生产中长期存在的一个具体的现实难题：传统铜制剂虽广谱有效，却容易带来金属残留、药害和混配受限等问题。基于此，我们希望引入精准材料化学思路，发挥课题组在单原子材料理性设计与性能调控方面的积累，从源头上减少可溶性铜离子带来的环境与作物安全风险。在持续探索中，我们逐步认识到，“单原子农药”不仅是一项具体的材料创新，更是一条面向可持续农业的可靠技术路径。沿着这一方向，我们期待以更少的常规农药用量实现稳定防效，以更低残留守护土壤生态，以更精准的化学设计服务作物健康生长。

03

AMR：请和大家分享一下这个领域可能会出现的研究计划！

作者团队：

一是精准材料化学思维的推广。将材料理性设计方法引入农用纳米材料研发，系统优化农药递送、肥料缓释、养分利用、土壤修复和作物调控等过程，破解利用率低、靶向性弱、残留风险高等共性瓶颈。

二是金属单原子活性材料库。以铜单原子农药为起点，拓展锌、铁、锰、钼等单原子位点在农业场景中的应用，系统筛选适合不同作物、病害类型和栽培条件的新型活性材料。

三是单原子位点与病原菌、植物的作用机制。解析单原子位点如何影响病原菌膜结构、代谢过程和致病能力，以及如何调节植物免疫响应与抗逆能力，建立结构—界面—生物效应的作用模型。

作者团队简介

吴宇恩，中国科学技术大学教授，博士生导师，教育部长江特聘教授。近些年来专注于单原子、团簇催化剂的理性设计及精细调控，并将其应用于能源、催化领域小分子“化学键”的精准活化。2015年来，以通讯作者(含共同)身份在国际期刊发表学术论文150余篇，2020-2024年入选科睿唯安高被引科学家；实现多项成果转化，目前基于单原子催化剂衍生的产品已经应用于美的、小米、天邦、追觅、松下等企业。课题组主页：http://staff.ustc.edu.cn/~yuenwu/

陈控，中国科学技术大学化学与材料科学学院特任副研究员。2023年加入中国科学技术大学开展数据驱动的单原子材料设计与农业可持续发展方面的研究与应用工作。近年来以第一/通讯作者（含共同）在Nature Machine Intelligence、Nature Communication、Science Bulletin、Angew. Chem.（2）、The EMBO Journal、Current Biology等期刊发表多篇论文。荣获JIPB’s Best Invited Expert review、安徽大学生创新创业大赛金奖（指导老师）、北京市优秀毕业生（2016年、2021年）等。担任Frontiers in Insect Science客座编辑。相关成果被CCTV-2、光明日报、安徽卫视等媒体报道。

吴景行，中国科学技术大学环境学院博士后。2018年于中国科学技术大学化学系获学士学位，2024年于中国科学技术大学环境科学与工程系获博士学位。主要研究方向环境催化过程中活性物种的精准智能鉴定，相关研究成果发表于PNAS、Angew. Chem.等期刊。

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Reframing Sustainable Agriculture with Precision Materials Chemistry

Jing-Hang Wu, Kong Chen*, and Yuen Wu*

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.6c00118

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