纳米颗粒与植物相互作用的研究热点和演变趋势分析 ——基于CiteSpace和VOSviewer的知识图谱方法

在20世纪60年代纳米技术出现之前,“纳米颗粒”一词并未出现,但“纳米粒子”却在自然界中存在数千年[1-2]。纳米颗粒(nanoparticles, NPs)是指在三维空间中至少有一个维度的尺寸介于1～100 nm之间的颗粒物。NPs通常以多种状态(气溶胶、悬浮液和固态沉积物等形式)存在于地球关键带中[3],因在纳米尺度,其表面积、表面势能和表面原子数量均会迅速增加,呈现出独特的表面效应、小尺寸效应、量子效应和宏观量子隧穿效应,使得它们具有许多传统材料不具备的非凡特性[4-6]。例如,NPs表面电子可以与光发生相互作用,当入射光的频率与表面电子振荡频率相同时,光会被NPs吸收,极大地促进了光的利用效率[3]。除此之外,NPs在吸附、催化、导电和磁效应等方面的高物化特性,已使其在农业、环保、工程材料、汽车、建筑、电子信息和医疗等行业中得到广泛应用[7-11]。植物作为陆地生态系统的初级生产者,为人类生存提供了大量的生活必需品(如食物、纤维、食用油、香精和染料等)。然而,随着全球范围内NPs的生产和应用日益增多,NPs不可避免地释放到土壤介质中,对植物的生长发育产生影响。研究表明,NPs不仅能够被植物吸收,还能在植物体中传递[12-13],在细胞质基质甚至细胞器中均有发现[14],高浓度的NPs也会对植物体产生毒害作用[13,15]。因此,十分有必要对国内外近20年有关NPs与植物的相互作用的研究进行总结和梳理。

文献计量法是数字化时代催生出的一种基于对已公开发表的文献进行数学和统计学等学科分析的计量方法[16-17],能够评价和预测某领域的研究现状和发展趋势,探究某领域中隐含的某种特征规律并预测某领域未来的研究趋势,目前已被国内外众多学者广泛应用于医学、工学、农学和管理学等领域的文献情报分析,其强大的知识网络分析的软件(如CiteSpace[18-19]、VOSviewer[20]和COOC[21])具有图形展现方式丰富、层次清晰和分析结果易于解释等优点,近年来在科学计量和知识图谱领域得到了广泛的认可和引用。尽管NPs与植物的相互作用受到广泛关注[22-24],截至目前,对该领域国内外的研究热点和演变趋势等缺乏系统的认知。基于此,本研究以Web of Science(WOS)核心合集数据库和中国知网(CNKI)全文数据库为文献检索来源,以已公开发表的有关NPs与植物的相互作用的研究论文为研究对象,借助CiteSpace和VOSviewer软件构建该领域的知识共现网络和可视化图谱,挖掘、提炼和总结文献中隐藏的内涵和规律,揭示该领域的发展历程、研究进展、现状、前沿热点和演进脉络等,为植物生产和纳米科技的协同发展提供借鉴。

1 材料与方法(Materials and methods)

1.1 数据来源

本文所用英文文献来源于科睿唯安(Clarivate Analytics)的Web of Science(WOS)核心合集数据库。以主题词=(nano*or nanoparticles*or nanomaterial*)and(plant*or crops*)进行检索,文章类型选取article*or review*进行精炼,检索时间跨度设置为2000年1月1日至2022年6月30日,检索日期为2022年7月10日。检索结果显示共有5 603篇相关文献。为了使数据更加全面和准确,首先利用COOC软件对检索到的中英文文献进行了数据清洗,包括同义词合并(如“纳米颗粒”和“nanoparticles”)、无意义词删除以及文献去重等,随后依据上述检索词以及专业背景知识,人工剔除包括会议、专利、学位论文、图书、报纸、年鉴、快讯和标准等文章,逐条筛选后得到3 027篇文献样本以RIS格式导出。

本文所用中文文献来源于中国知网(CNKI)全文数据库。以主题词=(“纳米”+“纳米颗粒”+“纳米材料”+“植物”)进行高级检索,期刊来源类别设置为EI来源和北大核心,核心期刊是目前国内学术界广泛认同、影响力和权威性较高的一类期刊。检索时间设置为2000年1月1日至2022年6月30日,检索日期为2022年7月10日。检索结果显示共有153篇相关文献。依据上述剔除方法,逐条筛选后得到的121篇文献的核心数据集。

1.2 分析方法

对于清洗后的数据,采用CiteSpace和VOSviewer软件对该领域的年度发文量、刊文国家、机构、期刊、作者和关键词等进行频次统计分析,以明确国内外的刊文分布特征;挖掘出核心作者、核心期刊和核心关键词,分别构建作者、国家、关键词和期刊的共现网络与可视化知识图谱,明确国内外的研究团队分布及其合作关系网络;通过关键词突现分析揭示不同时空的主题演化过程,为科学把握研究热点和前沿动态提供定量依据;同时将统计后的文献样本统计信息导入Origin软件绘制相应图,用SPSS 22.0软件进行显著性检验(T-test,*P<0.05,**P<0.01)。

2 结果与讨论(Results and discussion)

2.1 年度发文量分析

某领域的发文量是该领域的外在指示指标,从发文量的年际变化可整体观察和把握该领域的发展动态,也可反映一个国家/地区的整体科研实力和国际影响力[25]。图1显示了国内外NPs与植物相互作用领域的年度刊文量,总体来看,国内外对该领域的刊文量均呈J型增长趋势,并且英文刊总发文量显著高于中文刊总发文量(P<0.05)。另一方面,英文刊的年均发文量为280篇,显著高于中文刊年均刊文量(7.80篇),并且英文刊发文量的年均增长率(52.7%)也显著高于中文刊发文量的年均增长率(36.9%)。这说明国内外对NPs与植物相互作用方面的研究越来越重视,并且国际对该领域的关注度一直高于国内。

从年份上来看,有关NPs在植物领域的研究在2003年首次出现在英文期刊上,而国内期刊对该领域的研究首次发表出现在2006年,并且国外期刊对该领域研究的最高增长率出现在2006年,国内期刊的最高增长率出现在2015年,说明国外对该领域的研究要早于国内。在2006—2015年中文的刊文量呈波动式增长,年均刊文量仅为3.4篇,说明该时期国内对该领域的研究尚处于萌芽时期,以摸索为主。而此时期,英文的刊文量呈J型增长,年均刊文量为33.9篇,研究内容主要涉及NPs的毒理、环境过程、离子释放以及归宿等。2015年后,国内外对该领域保持较高的热度,国内外的年均刊文量分别为14.3篇和392篇,国内外的刊文量差距进一步拉大。

在英文文献国家发文量中(图2(a)),印度发文量占比率最高(达771篇,占比25.5%),是排名第二(中国)的1.65倍,是排名第三(伊朗)的1.79倍。我国在NPs与植物相互作用领域的研究占有领先地位,对全球的贡献较大。从发文量国家知识图谱可视化中也可看出(图2(b)),印度在该研究领域的贡献最大(圆点越大,贡献率越大),其次为中国、伊朗、美国和沙特阿拉伯。从关系网可知(图2(b)),沙特阿拉伯与其他国家的合作强度最大,为399(网络连线越多,合作强度越大),其次为印度、中国、美国和埃及等(数据未给出)。我国与美国的合作关系最为紧密(连线越粗,表示合作越密切),其次为巴基斯坦和印度,与其他国家的合作较为松散;而美国除了与中国紧密合作外,与英国、德国和印度的合作也较为紧密,该结果说明我国与其他国家(尤其是西方国家如英国、西班牙、意大利和德国等)的实质性合作有待进一步加强。

2.2 期刊来源及研究机构分析

学术期刊是展示科研成果的重要载体。通过对2000—2022年国内外NPs与植物相互作用的刊文期刊进行统计分析,共筛选出英文期刊593个,3027篇相关文献,中文核心期刊89个,129篇相关文献。由于期刊数目较多,仅统计国内外刊文量TOP10的期刊(表1和表2)。在英文TOP10期刊中(表1),刊文量最多的期刊是Environmental Science-Nano,刊文量达83篇,占据总文献样本数的比率为2.74%,期刊影响因子(IF2022)为9.473,JCR分区为Q1;其次为Journal of Nanomaterials和Industrial Crops and Products,刊文量均为68篇,占比率为2.25%,IF2022为3.791(Q3)和6.449(Q1);接下来为Journal of Hazardous Materials(IF2022=14.224,Q1)、Journal of Environmental Chemical Engineering(IF2022=7.968,Q1),其刊文量分别为55篇和48篇,其余期刊刊文量均在45篇以下。在中文核心期刊TOP10中(表2),《农业环境科学学报》《生态毒理学报》的刊文量最高,均为6篇,两者占比率达9.30%;其次为《环境科学》《生物技术通报》,刊文量均为5篇,占比率均为3.88%;接下来是《应用生态学报》《农业资源与环境学报》《植物生理学报》《江苏农业科学》《化工新型材料》,刊文量均为3篇,占比率均为2.33%。

在英文期刊中,Journal of Hazardous Materials的影响因子最高,为14.224,然而,其在该领域内的刊文量却不是最高,是刊文量最多的期刊的2/3(为55篇),Journal of Nanomaterials的影响因子最低,为3.791(分区为Q3),但其刊文量却排名第二。同样地,中文核心期刊的综合影响因子最高的为2.85,是《应用生态学报》,其在该领域内的刊文量仅是最高刊文量的1/2。可见,期刊刊文量与影响力并不完全对应,这可能与期刊主题的契合度、刊文侧重点以及投稿周期等有关。通过对本领域TOP10期刊的主要研究领域分析可知,本领域的研究集中在环境科学、生物学、农学、材料科学、畜牧与动物医学等学科,呈现多学科交叉融合的特征。

研究机构可以反映出该领域的科研单位的分布情况,通过对年国内外NPs与植物相互作用的发文机构分析可知(表3),英文文献中机构发文量排名TOP10的不仅有高等院校、科研院所还有知识库,Egyptian Knowledge Bank、Islamic Azad University和King Saud University排名前三,其发文量占总发文量的64.1%,排名第四的为Chinese Academy of Sciences,发文量为49篇(占比7.44%),其余机构的发文量占比均<5%。中文文献中机构发文量排名TOP10的为高等院校和科研院所,其中,中国科学院位居首位,发文量最高,为13篇(占比23.2%),其次为河南科技大学,发文量为6篇(占比10.7%),其余机构的发文量占比均<10%。在国内TOP10机构中,有2/3的机构与农业相关,这可能与我国是农业国家有关。中国科学院在国内外文献刊文量分析中均名列前茅,说明该机构的科研学术水平和科研实力较强。

2.3 高被引文章分析

总被引频次是衡量文章质量和重要性的关键指标,通过期刊影响因子和被引频次这2个指标可以确定该领域的经典文章[26]。期刊影响因子和被引频次都高的文章往往是该领域的代表性文章,对该领域的发展影响巨大。以总被引频次为依据,筛选出中英文文献中高被引TOP10的文献如表4和表5所示。在英文高被引TOP3文献中,Li Qingbiao在2007年发表在Nanotechnology的综述文章的引用频次最高,达1 228次;其次是Reza E.在2012年发表在Crop Protection上的综述文章,引用频次为1087;排名第三的是印度科学家Yadav S.K.发表的有关NPs的绿色合成的综述文章。对于中文高被引TOP3文献,分别是朱心强、崔海信和张淑贞团队发表在《生态毒理学报》《中国农业科技导报》《化学进展》的综述文章,被引频次分别为71、68和47,主要侧重点是NPs的毒理及其在农业上的应用。通过对中英文高被引TOP10文献分析可知,被引频次较高的文章主要集中在2010—2015年,并且文章类型主要以综述类文章为主,综述类文章通常是系统、深入、全面地总结和凝练前人的研究成果,通过阅读综述类文章,能够快速掌握本领域的研究重点、相关研究团队以及研究方向。另外,表4和表5中高被引的文章通常都发表在高影响力期刊上,因此,这些高被引文章和学者是从事该领域科研人员重点关注的对象。

2.4 活跃作者群体合作分析

高被引作者是推动某个领域学术创新与学科发展的重要力量[27]。通过对上述筛选出的3 027篇英文文献和129篇中文文献的作者进行统计分析,分别挖掘出189位和84位被引学者,摸清了该领域的被引学者及其合作关系如图3所示。在英文文献中,出现了White J.C.、Xing Baoshan、Zangeneh M.M.、Zangeneh A.、Gardea-Torresdey J.L.、Kumar A.、Khan M.、Ma Changxiang、Peralta-Videa J.R.和Rui Yukui等高被引学者,并形成了以高被引学者为集群的合作网络(图3(a))。在这些被引学者中,仅有61位(不足1/3)为中国学者,并且在高被引TOP10学者中,中国学者仅有2位。通过对英文TOP10作者发文量分析(图4(a))可知,有1/5的中国学者在列,并且被引文章数目较高的学者其发文量也较高,说明我国在NPs与植物相互作用领域的研究较少,尤其是有影响力的研究。在中文文献中,出现了傅吉全、彭程、王发园、刘雪琴、王震宇、徐立娜、夏兵、施季森、陈金慧、周东美和党菲等高被引学者,并形成了以高被引学者为集群的合作网络(图3(b))。通过对中英文TOP10作者发文量分析(图4(b))可知,这些高被引学者的发文量也较高,说明这些学者是该领域的中坚力量,其研究方向代表着该领域的研究前沿动态,持续性推动了该领域的发展。

2.5 研究热点分析

基于CiteSpace软件分别对2000—2022年间WOS和CNKI数据集提取的关键词构建了可视化图谱(图5和图6)。在英文核心关键词图谱(图5)中,大致可分为4个研究方向:(1)围绕NPs的绿色合成及其抑菌效果(黄色圆点,如绿色合成、纳米金、纳米银、金属纳米颗粒以及抗菌、抗微生物活性等);(2)围绕NPs的植物毒性展开(红色圆点,如纳米颗粒/材料、毒性、吸收、积累、暴露、抗氧化活性和植物生长等);(3)NPs颗粒的表征以及对污染物的去除和降解(绿色圆点,如吸附、降解、光催化、亚甲基蓝、废水、TEM、FTIR、XRD和XPS等);(4)NPs农业上的应用(蓝色圆点,如纳米技术、农业、肥料、抗菌、缓控释放、生物传感器、光学传感器和电化学传感器等)。在中文核心关键词图谱(图6)中,主要出现上述前3个研究方向,如出现了纳米颗粒/材料、植物毒理、种子萌发、幼苗生长、毒性效应、纳米农药、纳米除草剂、纳米杀菌剂、纳米包膜、植物提取物、菌体分泌物和生物还原等高频关键词,对于生物传感器等的关键词在中文图谱中并未出现,但是却出现了纳米基因载体、基因转导、荧光探针和遗传转化等与植物基因工程相关的核心关键词,该结果说明中文与英文的研究热点并不完全相同。另外,这些核心关键词的网络中心性(centrality)也较强,并形成了聚集体,通过比较中英文献的核心关键词聚集体可知,NPs对植物的毒理效应是国内外研究的重点和热点,其次为NPs的绿色合成,在NPs种类上,国内外关注较多的有纳米银、纳米金、纳米氧化锌和纳米氧化铜;在植物种类上,在玉米和水稻上研究的最多,其次为小白菜、藻类和拟南芥。

2.6 主题演变趋势分析

通过对2000—2022年国内外NPs与植物相互作用领域的核心关键词进行时空突现分析,可以准确地分析出该领域的研究热点及时空演变规律[26]。

由图7(a)可知,英文文献中,在2007—2015年间,重点突现的关键词有纳米金、纳米银、工程纳米颗粒、释放和归宿等,此时期更关注NPs的毒理、释放及其归宿;在2016—2020年间,关注的焦点主要集中在NPs对污染物的去除和降解及其对植物生长的影响,此时期研究较多的NPs是纳米氧化锌(ZnO);在2020年后,出现了石墨烯、光合作用和基因表达等核心关键词,研究重点更加突出学科交叉。中文文献中(图7(b)),在2000—2007年间,主要集中在NPs的表征、植物的遗传转化及其环境过程上;在2008—2017年间,更关注NPs的毒理(如氧化胁迫、生物效应);从2018开始,NPs的绿色合成开始突显,此阶段出现了许多藻类介导纳米银的绿色合成的相关研究。对比中英文的突现关键词强度发现,NPs对植物的生态毒理依然是近20年的研究重点,但是对NPs的研究种类从金属纳米颗粒向石墨烯等碳纳米颗粒转变,并向通过植物提取物(如有机酸、还原性糖类和蛋白质等)介导纳米颗粒的合成转变。

3 结论与展望(Conclusion and prospect)

经过20多年的发展,NPs与植物的相互作用得到进一步研究,国内外对NPs与植物相互用方面的研究呈持续增长趋势,目前主要围绕以下3个方面进行研究:(1)NPs对植物的负面效应及其生态环境安全的风险评估;(2)NPs对植物的正面效应以及降低NPs的毒性,使之更好地用于农业生产活动中;(3)植物介导NPs的绿色合成,从而促进纳米技术的发展。然而,NPs在植物领域的研究处于快速增长期,NPs是如何被植物吸收、转运以及在植物中传递等机理过程尚不明晰,不同种类NPs的吸收、传递等机制是具有普适性还是高度异质性也不清晰,以及NPs如何影响植物生长发育的分子机制(如基因表达、信号转导和分子代谢等)的研究还很缺乏,这些问题虽属基础研究范畴,却是NPs与植物的相互作用研究的“卡脖子”问题,是未来亟待解决的关键问题。另一方面,土壤是植物生长的重要媒介,纳米材料在环境(土壤、水体和大气)中存在的状态、运移和沉降规律我们知之甚少,NPs能否通过食物链威胁人类健康还缺乏整个生命周期的系统研究,阻碍该领域发展的原因可能是相关研究不仅要考虑土壤、水体等生态环境,还涉及动物、植物和微生物等生命体,研究覆盖面广、周期长、难度大,但依然也是未来研究的重要方向。除此之外,天然纳米颗粒与人工纳米材料引起的环境安全风险存在多大差异,还有待进一步研究,基于此,通过植物介导的方式能否实现既能控制纳米毒性又能发挥纳米效应的低毒或无毒技术,能否将NPs与基因剪切技术(CRISPR)相结合,实现在没有转基因整合情况下对植物基因组的编辑,这些也将是未来研究的重要方向,为基因编辑技术在农业领域的应用提供无限可能。值得注意的是,NPs与植物相互作用领域的研究需要涉及多学科(包括化学、材料科学、土壤学、物理学、植物分子生物学和植物生理学等)领域的合作,才能极大地促进植物研究和纳米技术协同发展。

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