基于pH响应性壳聚糖和聚多巴胺包覆的树枝状二氧化硅纳米颗粒的两种新型环保种子包衣纳米抗真菌剂研究

为解决传统农药环境危害及真菌抗药性问题，研究人员开发了基于树枝状介孔二氧化硅纳米颗粒(dMSNPs)的pH响应型纳米种子处理系统，通过壳聚糖(CH)和聚多巴胺(DOPA)包覆负载大蒜提取物(GE)，实现酸性环境靶向释放。结果显示，该体系对镰刀菌(F. oxysporum)和灰霉菌(P. griseofulvum)抑制浓度分别达0.42 mg/mL和0.31 mg/mL，DOPA包覆组使染菌小麦发芽率提升至80%，为绿色农业提供新策略。

　　

在全球气候变化加剧的背景下，农作物种子携带的真菌病原体（如镰刀菌Fusarium oxysporum和黑曲霉Aspergillus niger）导致的减产问题日益严重。传统化学农药不仅面临日益严格的监管限制，还因真菌耐药性增强而效果递减。更棘手的是，植物表面微酸性环境(pH≈5)会加速真菌孢子分化，形成穿透性结构，进一步削弱常规药剂的效力。这一困境催生了农业纳米技术的创新需求——如何设计能响应环境信号、精准释放天然抗菌成分的智能载体？

针对这一挑战，来自西班牙的研究团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表了一项突破性研究。他们巧妙利用树枝状介孔二氧化硅纳米颗粒(dendritic mesoporous silica nanoparticles, dMSNPs)的多通道结构，装载天然大蒜提取物(garlic extract, GE)，并通过两种生物聚合物——带正电的壳聚糖(chitosan, CH)和具有"分子胶"特性的聚多巴胺(polydopamine, DOPA)进行表面修饰，构建出pH响应型纳米种子处理系统。令人振奋的是，DOPA包覆的纳米颗粒在模拟真菌感染酸性环境(pH 5.4)下释放效率比中性条件高69%，对镰刀菌的半数抑制浓度仅0.42 mg/mL，更使染菌小麦种子发芽率逆势提升至80%，远超传统处理效果。这项研究为减少合成农药依赖、发展可持续农业提供了全新解决方案。

关键技术方法
研究团队采用溶胶-凝胶法合成dMSNPs，通过动态光散射(DLS)和透射电镜(TEM)表征其80 nm粒径及多孔结构；利用Brunauer-Emmett-Teller(BET)分析测定118 m²/g的比表面积；采用紫外分光光度法计算GE封装效率(最高77%)；通过微孔板稀释法测定最小抑菌浓度(MIC)；以染菌小麦(Triticum vulgare)为模型，评估种子萌发率及生理指标(叶绿素、类黄酮等)。

研究结果

3.1 纳米颗粒理化特性
DLS显示dMSNPs粒径193±2 nm，Zeta电位+59 mV；TEM证实其树枝状多孔结构。GE封装后粒径无显著变化(190 nm)，但CH和DOPA包覆分别使电位降至+34 mV和-16 mV，后者差异极显著(p<0.001)。

3.2 封装效率
dMSNPs展现出卓越的载药能力，GE负载量达65%。DOPA包覆在pH 8缓冲条件下保留78%封装效率，显著优于酸性条件下CH包覆的46%(p<0.05)。

3.5 pH响应释放
在pH 5时，DOPA包覆纳米粒释放27% GE，比中性条件高11%(p<0.05)，而CH包覆组仅提高6%。这种差异源于DOPA在酸性条件下胺基质子化导致的"分子胶"解离。

3.6 抗真菌活性
所有纳米制剂对测试菌种均显示广谱抑制，其中dMSNP-GE-DOPA对灰霉菌效果最佳(MIC 0.31 mg/mL)，相当于游离GE活性的1.7倍。CH包覆组对镰刀菌抑制最强(MIC 0.42 mg/mL)。

3.7 种子处理效果
DOPA包覆组使染菌种子发芽率达80%，显著高于CH组(40%)和未处理组。生理参数分析显示，CH包覆显著提升叶片类黄酮(6.7 mg/g)和叶绿素(13.3 mg/g)含量(p<0.01)，而DOPA组根系生物量增加23%。

结论与意义
该研究首次将dMSNPs应用于种子纳米处理领域，通过精准设计的pH响应系统，实现真菌感染微环境触发释药。DOPA包覆纳米颗粒凭借优异的稳定性、酸性靶向性和植物安全性，展现出替代传统杀菌剂的巨大潜力。特别值得注意的是，该系统将天然抗菌成分GE的效力提升近2倍，同时符合欧盟"绿色新政"对农药减量的要求。这种"自然-纳米"协同策略不仅为作物保护开辟新途径，其模块化设计思路还可拓展至其他农业活性成分的智能递送，对推动可持续农业发展具有里程碑意义。