柑橘提取物合成锌/银纳米颗粒：一种可持续管理水稻白叶枯病及土壤健康的新策略

《Chemical and Biological Technologies in Agriculture》：Citrus-extract synthesized Zn/Ag nanoparticles for sustainable management of rice bacterial leaf blight and soil health

本研究针对水稻白叶枯病(Xoo)这一全球性病害，开发了一种基于柑橘提取物绿色合成的锌(Zn)和银(Ag)纳米颗粒(NPs)作为可持续管理方案。研究证实，Ag NPs和Zn NPs对Xoo具有显著的抗菌活性，在体内试验中分别将感染率降低了63.39%和52.76%，效果与常规农药相当。此外，纳米颗粒通过增强超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)活性，有效减轻了活性氧(ROS)积累，并诱导了土壤微生物群落和代谢途径的特异性改变。该研究为开发环境友好型纳米农药，平衡病害控制与土壤生态健康提供了新思路。

　　

水稻，作为全球超过半数人口的主食，其生产安全直接关系到世界粮食的稳定。然而，一种名为白叶枯病(Bacterial Leaf Blight, BLB)的毁灭性病害，正严重威胁着水稻的产量。这种病害由水稻黄单胞菌(Xanthomonas oryzae pv. oryzae, Xoo)引起，在适宜条件下可导致高达70%的产量损失。目前，化学杀菌剂是控制该病害的主要手段，但其长期使用不仅带来了环境污染和农药残留问题，还导致了病原菌抗药性的产生。因此，开发高效、环保且可持续的病害管理新策略迫在眉睫。

近年来，纳米技术为农业病害防控带来了新的希望。其中，银纳米颗粒(Ag NPs)和锌纳米颗粒(Zn NPs)因其独特的物理化学性质和强大的抗菌活性而备受关注。然而，传统的化学合成方法往往涉及有毒试剂，存在环境风险。相比之下，利用植物提取物进行“绿色合成”的纳米颗粒，不仅过程环保，其表面包裹的植物活性成分还可能赋予其额外的生物活性和稳定性。

在此背景下，Din等人于2025年在《Chemical and Biological Technologies in Agriculture》上发表了一项研究，他们利用柚子(Citrus maxima)和甜橙(Citrus sinensis)的提取物，成功合成了Zn和Ag纳米颗粒，并系统评估了其在控制水稻白叶枯病、调节植物生理以及影响土壤健康方面的综合潜力。该研究旨在为水稻病害的可持续管理提供一种全新的、环境友好的纳米解决方案。

关键技术方法

为了全面评估柑橘提取物合成的纳米颗粒的潜力，研究人员采用了一系列先进的技术手段。首先，他们利用柚子(Citrus maxima)和甜橙(Citrus sinensis)的果汁提取物作为还原剂和稳定剂，通过绿色合成法制备了Zn和Ag纳米颗粒。随后，他们利用紫外-可见光谱(UV-Vis)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)等多种技术对合成的纳米颗粒进行了系统表征，确认了其形貌、尺寸、晶体结构和表面官能团。

在功能验证方面，研究团队通过体外抑菌圈实验测定了纳米颗粒对Xoo的最小抑菌浓度(MIC)和最小杀菌浓度(MBC)。在体内试验中，他们通过温室盆栽实验，评估了纳米颗粒对水稻白叶枯病的防治效果，并测定了其对水稻植株生长参数(如株高、根长、鲜重和干重)的影响。为了探究纳米颗粒的作用机制，研究人员检测了水稻叶片中抗氧化酶(超氧化物歧化酶SOD和过氧化物酶POD)的活性以及活性氧(ROS)的积累水平。

此外，研究还深入分析了纳米颗粒对土壤环境的影响。他们利用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)分析了土壤中重金属和微量元素的动态变化，并通过16S rRNA基因测序技术分析了水稻根际土壤微生物群落的组成和多样性。最后，利用超高效液相色谱-串联质谱(UHPLC-MS/MS)技术对土壤代谢物进行了非靶向代谢组学分析，以揭示纳米颗粒对土壤代谢通路的调控作用。

研究结果

纳米颗粒的表征与抗菌活性

研究首先成功利用柑橘提取物合成了Zn和Ag纳米颗粒。表征结果显示，合成的纳米颗粒呈球形，尺寸范围在8-56纳米之间，具有良好的分散性。FT-IR分析证实，柑橘提取物中的多酚、黄酮类化合物等生物活性成分成功包裹在纳米颗粒表面，起到了稳定剂的作用。

体外抗菌实验表明，Ag NPs和Zn NPs均对Xoo表现出显著的抑制作用。其中，Ag NPs的抗菌活性更强，其最小抑菌浓度(MIC)为100 μg/mL，而Zn NPs的MIC为250 μg/mL。在抑菌圈实验中，Ag NPs在500 μg/mL浓度下产生的抑菌圈直径达到31.32毫米，显著大于Zn NPs的19.31毫米，表明Ag NPs具有更优的抗菌性能。

体内抗病效果与植物生理响应

温室盆栽实验证实了纳米颗粒在活体植株上的抗病效果。与仅接种病原菌的阳性对照(PC)相比，施用Ag NPs和Zn NPs的处理组，水稻白叶枯病的感染率分别降低了63.39%和52.76%，其防治效果与常规农药井冈霉素(Pst)相当。

进一步的研究发现，纳米颗粒不仅直接抑制病原菌，还能激活植物的防御系统。与阳性对照相比，Ag NPs和Zn NPs处理显著增强了水稻叶片中抗氧化酶SOD和POD的活性，分别提高了51.20%、46.12%和50.00%、45.30%。这种酶活性的增强，有效清除了过量的活性氧(ROS)，减轻了氧化胁迫对植物细胞的损伤，从而帮助植株更好地抵抗病原菌的侵染。

对植物生长和土壤元素的影响

在植物生长方面，纳米颗粒处理对水稻植株的生长抑制远小于常规农药。与阳性对照相比，Ag NPs和Zn NPs处理对根长和株高的影响较小，且对生物量(鲜重和干重)的负面影响也显著低于农药处理。这表明纳米颗粒在有效控制病害的同时，对植物的生长毒性较低。

土壤分析显示，不同处理对土壤元素的影响存在差异。Zn NPs处理显著提高了土壤中Zn和Al的含量，而Ag NPs处理则增加了Cr的水平。这些结果表明，纳米颗粒的施用会改变土壤中特定元素的动态，需要在未来的应用中予以关注。

对土壤微生物群落和功能的影响

16S rRNA测序分析揭示了纳米颗粒对土壤微生物群落的深刻影响。虽然各处理组之间的微生物α多样性(物种丰富度)没有显著差异，但β多样性(物种组成)分析显示，纳米颗粒处理组(Anp和Znp)与农药处理组(Pst)和对照组(NC)的微生物群落结构存在显著分离。

在属水平上，纳米颗粒处理显著改变了特定微生物的相对丰度。例如，鞘氨醇单胞菌属(Sphingomonas)和黄色杆菌属(Flavisolibacter)在纳米颗粒处理组中更为富集，而阳性对照(PC)组中则富集了黄单胞菌属(Xanthomonas)，这与病原菌的接种一致。功能预测分析表明，纳米颗粒处理富集了与光养和化能异养相关的功能，而农药处理则与病原菌相关功能有关。

土壤代谢组学分析

代谢组学分析进一步揭示了纳米颗粒对土壤代谢的调控作用。主成分分析(PCA)和非度量多维尺度分析(NMDS)均显示，Ag NPs处理组与其他处理组明显分离，表明Ag NPs诱导了独特的土壤代谢反应。

通路富集分析发现，Ag NPs显著上调了单萜类生物合成和脂肪酸生物合成通路，而Zn NPs则主要影响了脂肪酸代谢和磷脂酶D信号通路。这些代谢通路的改变，可能与纳米颗粒诱导的植物-微生物互作以及土壤生态系统的适应性响应密切相关。

研究结论与意义

本研究系统性地证实了利用柑橘提取物绿色合成的Zn和Ag纳米颗粒，在控制水稻白叶枯病方面具有巨大的应用潜力。研究不仅证明了纳米颗粒的直接抗菌活性，还揭示了其通过增强植物抗氧化防御系统来间接提高抗病性的双重作用机制。

更重要的是，该研究从土壤生态系统的角度，深入探讨了纳米颗粒对土壤微生物群落和代谢功能的长期影响。研究发现，纳米颗粒虽然改变了微生物群落的结构，但并未显著降低其多样性，且诱导了与养分循环相关的有益功能富集。这与常规农药导致病原菌功能富集形成了鲜明对比。

综上所述，这项研究为开发环境友好、可持续的农业纳米技术提供了坚实的科学依据。柑橘提取物合成的纳米颗粒，作为一种新型的“绿色农药”，有望在有效控制作物病害的同时，维护土壤生态系统的健康与稳定，为实现农业的可持续发展开辟了新的道路。