含抗菌剂水凝胶在生菜种子和幼苗上的农艺学评价：缓释生物熏蒸剂的生态毒性及促生效应研究

《Journal of Agriculture and Food Research》：Agronomic evaluation of hydrogels containing antimicrobial agents applied on Lactuca sativa L. seeds and plantlets

本研究针对传统土壤熏蒸剂对农业生态系统的负面影响，开发了基于羧甲基纤维素(CMC)和藻酸盐(AL)的载有异硫氰酸酯(ITCs)抗菌剂的缓释水凝胶。通过发芽试验和幼苗试验系统评估了六种水凝胶对生菜(Lactuca sativa L.)的农艺性能及生态毒性。研究发现，载药水凝胶初期(72 h)虽表现出植物毒性(GI%=26-42%)，但216 h后均呈现无毒性甚至生物刺激效应(GI%=105-112%)。空载藻酸盐水凝胶在促进植株生长(鲜重8.37 g)和抑制霉菌(霉变指数0.75)方面表现优异。该研究为可持续农业中的精准药物递送系统提供了新策略。

　　

在现代农业集约化生产的背景下，温室生菜栽培长期依赖化学土壤熏蒸剂来控制病虫害，这些化合物虽然有效，却对农业生态系统造成了显著的负面影响，包括土壤退化、生物多样性丧失以及化学残留等问题。随着社会对可持续和健康食品需求的日益增长，寻找环境友好型的替代方案成为当务之急。异硫氰酸酯（Isothiocyanates, ITCs）作为天然存在的生物活性分子，主要来源于十字花科植物，具有广谱的抗病原菌、昆虫、线虫和杂草活性，被认为是传统化学熏蒸剂的有潜力的替代品。然而，ITCs在实际应用中面临挑战：它们易挥发、水溶性差，且在高浓度下可能对作物本身产生植物毒性。如何实现ITCs的可控释放，既能充分发挥其生物熏蒸效果，又能避免对作物的伤害，是研究人员需要解决的关键问题。

为了解决这一难题，来自意大利莫利塞大学的Marika De Angelis、Pasquale Napoletano、Stefano Marino等研究人员在《Journal of Agriculture and Food Research》上发表了一项创新性研究。他们利用生物相容性和可生物降解的聚合物——羧甲基纤维素（Carboxymethyl Cellulose, CMC）和藻酸盐（Alginate, AL），开发了能够封装异硫氰酸酯（包括乙基异硫氰酸酯Ethyl-isothiocyanate, Eth和苯基异硫氰酸酯Phenyl-isothiocyanate, Phe）的水凝胶微球。这些水凝胶作为一种新型的土壤消毒剂，旨在通过缓释技术，平衡ITCs的抗菌活性与对作物的安全性。研究团队系统评估了六种不同配方（包括空载和载药）的水凝胶在三个不同用量下，对生菜（Lactuca sativa L.）种子萌发和幼苗生长的农艺学效应及生态毒性影响，为可持续农业中的精准药物递送系统提供了重要的理论和实验依据。

研究人员采用了几项关键技术方法来开展此项研究。首先是水凝胶的制备与载药技术：他们通过离子交联法，将CMC与Fe³⁺、AL与Ca²⁺交联形成水凝胶珠，然后通过浸泡方式将预先制备好的含Eth或Phe的油包水（o/w）微乳液负载到凝胶网络中。其次是系统的生物评估体系：包括标准的种子发芽试验，参照美国环境保护署（USEPA）等方法，在特定土壤（采自意大利Battipaglia的钙质雏形土，Calcaric Cambisol）中于不同时间点（72, 144, 216小时）监测发芽率（SG%）、平均根伸长（mRE）并计算发芽指数（GI%），以评估植物毒性。此外，还进行了幼苗试验，在生长室可控环境下，模拟推荐田间用量（2克水凝胶/株），持续28天监测幼苗的鲜重、叶片数、叶面积、霉变情况以及归一化植被指数（NDVI）等农艺性状。最后，运用了统计分析手段，包括方差分析（ANOVA）和主成分分析（PCA），以确保结果的统计学显著性并揭示不同处理间的内在关系。

3.1. 发芽指数

研究结果显示，水凝胶对生菜种子萌发的影响具有时间依赖性和剂量依赖性。在处理的初始阶段（72小时），含有CMC并负载Eth或Phe的水凝胶（CMC Eth和CMC Phe），特别是在较高用量（0.2克和0.4克）下，表现出高度的植物毒性，其发芽指数（GI%）仅为26%至42%，显著抑制了种子发芽和根系的伸长。相比之下，空载的AL水凝胶以及低用量的AL载药水凝胶在此阶段则未表现出植物毒性（GI% > 80%）。然而，这种抑制效应是暂时的。随着时间推移至144小时，大部分水凝胶的植物毒性显著降低，甚至一些处理（如低用量的AL和AL Eth）开始显示出生物刺激的潜力（GI% > 100%）。到216小时，所有测试的水凝胶均不再表现出植物毒性，其中CMC Eth (0.4克) 和CMC Phe (0.1克, 0.2克) 处理组的GI%达到了105%至119%，表现出明显的生物刺激效应，促进了根系的生长。主成分分析（PCA）也清晰地展示了时间动态，将72小时的高毒性响应与216小时的促进效应区分开来。

3.2. 幼苗试验

幼苗试验的结果进一步验证了水凝胶的长期效应。在28天的生长周期结束后，空载的水凝胶（AL和CMC）表现出最佳的促生效果。AL处理组的幼苗鲜重最高（8.37克），叶片数多，叶面积大（180 cm²），并且对霉菌的抑制效果最好（霉变指数仅为0.75）。而载有抗菌剂的水凝胶，特别是AL Phe和CMC Phe，对幼苗生长产生了一定的抑制作用，表现为鲜重降低（AL Phe: 7.21克; CMC Phe: 6.92克）、叶面积减小以及NDVI值偏低。一个有趣的现象是，尽管ITCs本身具有抗真菌活性，但AL Phe处理组的霉变程度却高于对照，这表明水凝胶的载体性质以及与抗菌剂的相互作用可能复杂地影响了作物对病原菌的敏感性。

该研究的结论部分明确指出，基于CMC和AL的生物聚合物水凝胶作为ITCs等天然抗菌剂的载体，在农业应用中具有双重性。短期内，载药水凝胶可能因活性物质的快速释放而对作物萌发产生可逆的抑制效应，但这种效应会随时间逐渐消散。从长远来看，无论是空载还是载药水凝胶，在适当的管理下（如控制用量和施用时机），均有可能转化为对作物生长无害甚至有益的形态，展现出生物刺激的潜力。其中，藻酸盐水凝胶在促进植物生长和增强作物健康（如减少霉变）方面表现尤为突出。

这项研究的重要意义在于，它首次系统评估了载有天然抗菌剂的水凝胶系统对生菜这一重要蔬菜作物的综合农艺学和生态毒性影响。研究结果强调了在推广此类生物基材料于农业实践前，进行全面的剂量-时间-效应关系评估的必要性。它不仅为开发环境可持续的作物保护策略提供了新材料和新思路，也警示我们，即使是“绿色”技术，也需要精细化的管理和应用策略以最大化其效益、最小化其潜在风险。未来的研究应聚焦于优化水凝胶的配方和释放动力学，并深入探索其在田间实际条件下的长期效果以及对土壤微生物组的影响，从而推动农业向更加可持续的方向发展。