高效膜定位合成硒纳米颗粒的三种细菌新机制及其在富硒农业中的应用

本研究针对传统硒肥毒性高、利用率低的问题，从广西巴马富硒土壤中筛选出耐受300 mmol/L亚硒酸盐的Citrobacter sp.BM-1、Providencia sp.BM-2和Brucella sp.BM-3菌株，首次发现其通过细胞膜定位的谷胱甘肽途径协同硝酸盐/硫酸盐还原酶催化SeO32-还原为210-221 nm球形硒纳米颗粒(SeNPs)，DPPH清除率达81.49%，为生物合成高效低毒纳米硒肥提供了新策略。

　　

在追求健康饮食的今天，富硒农产品因其独特的营养价值备受关注。然而传统硒肥面临两难困境：无机硒（如亚硒酸盐SeO₃^2-）价格低廉但毒性高易污染环境，有机硒吸收效率好却制备复杂。纳米硒(SeNPs)因其高生物利用度和低毒性被视为理想替代品，但现有微生物合成体系普遍存在耐受浓度低（≤100 mmol/L）、还原效率不足等瓶颈。如何突破这些限制，开发高效稳定的生物合成技术，成为农业与环境领域亟待解决的难题。

来自广西大学的研究团队在《BMC Microbiology》发表的研究给出了创新解决方案。他们从广西巴马富硒土壤（硒含量1.12-1.25 mg/kg）中成功筛选出三株耐受300-400 mmol/L SeO₃^2-的超强菌株，通过16S rRNA鉴定为Citrobacter sp.BM-1、Providencia sp.BM-2和首次报道具硒还原能力的Brucella sp.BM-3。研究采用亚细胞分级提取、抑制剂/促进剂实验结合qPCR技术，解析了其独特的SeO₃^2-还原机制，并通过SEM-EDS、XRD、FTIR等手段系统表征了SeNPs的特性。

关键研究发现

1. 菌株筛选与特性分析

三株菌在含2 mmol/L SeO₃^2-的LB培养基中24小时内转化效率>90%，其中BM-3的硒富集量达4.40%（BM-1为2.20%）。电镜显示它们将SeO₃^2-还原为球形SeNPs并排出胞外，粒径100-150 nm。

2. 还原位点与机制解析

独创性发现还原反应定位于细胞膜，无需NADH/NADPH电子供体（与传统胞内还原机制不同）。添加谷胱甘肽(GSH)使BM-3还原率提升22.12%，而抑制剂BSO使其降低17.28%，证实谷胱甘肽途径的核心作用。

3. 关键酶与基因调控

qPCR显示BM-3的硫酸盐还原酶基因(cysI, nasD)和硝酸盐还原酶基因(nrfG)表达量显著上调，说明双酶协同催化机制。有趣的是，BM-1/BM-2缺失GSH合成酶基因(gshB)但保留还原酶基因(gor)，暗示其依赖环境GSH吸收的适应性进化。

4. SeNPs特性与功能

制备的SeNPs具有优异稳定性（Zeta电位-43 mV）和抗氧化性（DPPH清除率81.49%），FTIR证实其表面包裹蛋白质/多糖。XRD显示为非晶态结构，这与其高活性相关。

研究意义

该研究首次报道了布鲁氏菌属(Brucella sp.)的硒还原能力，创制了目前耐受浓度最高（400 mmol/L）的微生物合成体系。其创新的膜定位还原机制突破了传统电子供体依赖限制，为非依赖型生物反应器设计提供新思路。所获SeNPs兼具农业应用所需的稳定性（粒径200 nm）与生物活性（抗氧化率>80%），为开发环境友好型纳米硒肥奠定了菌种与技术基础。未来通过优化发酵工艺和田间试验，有望推动富硒农业的可持续发展。