季铵壳聚糖/丝胶改性的碳纳米管光热涂层：一种可重复使用且无化学物质的种子消毒方法

《Carbohydrate Polymers》：Quaternary-ammonium chitosan/Sericin-modified carbon nanotubes Photothermal coatings: A reusable and sustainable chemical-free seed disinfection strategy

光热种子涂层QC@SCCNTs通过静电组装实现高效抗菌与降解，在近红外照射下对6种病原菌抑制率达97%以上，显著提升红肾豆发芽率至91.67%，促进幼苗生长，兼具高机械强度和气体阻隔性，可重复使用两次且3天内完全降解，为可持续农业提供环保型种子处理方案。

　　在当今全球粮食安全面临严峻挑战的背景下，寻找一种既能有效保护种子免受病原微生物侵害，又能减少对环境的负面影响的新型种子处理技术显得尤为重要。随着全球人口的持续增长，预计到2025年将达到80亿，而气候变化、环境恶化以及地缘政治冲突等因素进一步加剧了粮食供应的不稳定性。此外，由病原体引起的植物病害每年导致全球约40%的农作物减产，造成超过2200亿美元的经济损失。因此，开发一种可持续、高效且环保的种子处理方法，对于提升农业生产力、保障粮食安全具有重大意义。

传统上，种子处理主要依赖于化学杀菌剂，如杀菌剂和杀虫剂，这些化学品虽然在短期内能够有效控制病原微生物，但其长期使用却带来了诸多问题。一方面，这些化学物质可能对土壤微生物群落造成破坏，影响土壤生态系统的健康；另一方面，它们可能通过渗透进入地下水，造成环境污染，甚至对人类健康构成潜在威胁。此外，化学处理方法往往缺乏针对性，难以对多种病原体同时产生作用，且在某些情况下可能对种子本身造成伤害，影响其发芽率和幼苗生长。

面对这些问题，近年来，研究者们开始探索替代性的种子处理技术，其中光热治疗（Photothermal Therapy, PTT）作为一种新兴的物理方法，展现出巨大的应用潜力。PTT利用特定波长的光照射到具有光热转换能力的材料上，使其将光能转化为热能，从而对病原微生物产生灭活效果。这种方法不仅具有高度的选择性和非侵入性，而且对环境和种子本身的影响较小，为可持续农业提供了一种新的解决方案。

然而，传统的光热材料在实际应用中仍存在一些局限性。例如，碳纳米管（Carbon Nanotubes, CNTs）虽然具有优异的光热转换效率和机械强度，但其容易发生团聚，导致在应用过程中难以均匀分散，进而影响其抗菌效果。此外，碳纳米管的生物相容性较差，限制了其在农业领域的广泛应用。为了解决这些问题，研究者们尝试通过化学修饰和生物材料的结合，提高碳纳米管的分散性和生物相容性。

在这一背景下，研究人员开发了一种新型的光热抗菌涂层——QC@SCCNTs。该涂层基于丝蛋白（sericin）功能化的羧基化碳纳米管（Carboxylated Carbon Nanotubes, CCNTs）与季铵化壳聚糖（Quaternary Ammonium Chitosan, QC）之间的静电复合，形成了一种稳定的复合薄膜（QS film）。丝蛋白是一种来自蚕茧脱胶过程的副产品，富含芳香族氨基酸残基，能够与CCNTs表面的sp2杂化碳原子形成稳定的π-π堆叠作用，同时丝蛋白的亲水性末端还能通过水合作用增强CCNTs的分散性。这种结构不仅提高了CCNTs的生物相容性，还增强了其与QC之间的结合力，使得QC@SCCNTs在种子表面形成一层均匀且稳定的抗菌涂层。

在实际应用中，QC@SCCNTs涂层表现出显著的抗菌性能。在808 nm近红外（Near-Infrared, NIR）照射下，该涂层对六种病原微生物的灭活率均超过了97%，其中包括两种重要的植物病原菌——黄曲霉（Aspergillus flavus）和尖孢镰刀菌（Fusarium solani）。当该涂层应用于红小豆和大白菜种子时，不仅有效消除了微生物污染，还显著提升了种子的发芽率和幼苗生长高度。例如，红小豆种子的发芽率从原来的55.56%提升到了91.67%，而幼苗高度则从14.48 cm增加到了41.01 cm。这一结果表明，QC@SCCNTs涂层不仅能够有效抑制微生物的生长，还能促进种子的健康发育。

除了抗菌性能，QC@SCCNTs涂层还具备优异的气体阻隔性和机械强度。这种特性使其在种子储存过程中能够有效防止外界污染物的侵入，同时也能抵御环境中的物理损伤。此外，该涂层在土壤中埋藏仅需三天即可完全降解，不会对土壤生态造成长期影响。这一特点使得QC@SCCNTs成为一种理想的可生物降解材料，符合可持续农业的发展需求。

值得注意的是，QC@SCCNTs涂层在经过两次清洗和再使用后仍能保持其抗菌性能，这表明该材料具有良好的可重复使用性。这一特性对于大规模农业应用尤为重要，因为传统的化学处理方法往往需要一次性使用，而重复使用则能显著降低成本和资源消耗。此外，该涂层的制备过程简单且高效，为实际应用提供了便利，同时也符合绿色化学的原则。

为了验证这一新型抗菌涂层的性能，研究人员在受控条件下对红小豆和大白菜种子进行了多项测试，包括根长、芽长、酶活性分析以及幼苗形态观察。测试结果表明，QC@SCCNTs涂层能够显著提高种子的萌发能力和幼苗生长速度，同时还能维持种子的活力。这些数据进一步支持了该涂层在农业应用中的可行性。

此外，研究还对QS薄膜的物理和化学性质进行了系统分析。结果显示，QS薄膜不仅具有良好的机械强度，还能有效阻挡气体渗透，从而为种子提供一个稳定的微环境。这种微环境有助于种子在储存和萌发过程中保持较高的活性，减少因环境因素导致的种子损伤。

QC@SCCNTs涂层的成功开发，为解决传统化学处理方法带来的环境问题提供了一种新的思路。该涂层结合了光热治疗的高效性和生物材料的可降解性，能够在不损害种子自身结构的情况下，实现对病原微生物的高效灭活。同时，其可重复使用性和低成本制备方法，也使其在实际应用中更具优势。

未来，随着对光热材料研究的不断深入，QC@SCCNTs涂层有望在更多作物品种中得到应用。研究者们还可以进一步优化该涂层的配方和制备工艺，以提高其在不同环境条件下的稳定性和抗菌效果。此外，探索该涂层与其他农业技术的结合，如生物刺激素或植物生长调节剂，也可能为提高作物产量和质量提供新的途径。

总的来说，QC@SCCNTs涂层的开发为可持续农业提供了一种全新的解决方案。它不仅能够有效控制种子携带的病原微生物，还能在不损害种子自身结构和环境生态的前提下，实现长期的种子保护和储存。随着技术的不断完善和推广，这一新型材料有望在未来农业生产中发挥更加重要的作用，为实现粮食安全和环境保护的双重目标做出贡献。