硒纳米颗粒（SeNPs）生物转化与可持续农业应用研究进展

《Journal of Advanced Research》：Biotransformation and applications of selenium nanoparticles for sustainable agriculture

　　

硒纳米颗粒（SeNPs）相较于传统硒形态具有高生物利用度、低毒性、靶向应用及更高利用效率的优势。利用细菌、真菌、微藻和植物进行的生物源合成为SeNPs生产提供了一条可持续途径。SeNPs通过调控非生物胁迫（abiotic stress）与生物胁迫（biotic stress）下的抗氧化系统、植物激素（phytohormones）及胁迫响应基因（stress-responsive genes）表达，增强植物抗逆性。SeNPs在靶向代谢产物生产、纳米尺度农业（nano-scale agriculture）及先进遗传转化技术（advanced genetic transformation technology）中展现出显著潜力。未来的整合应用需解决生产可扩展性（production scalability）、环境归趋（environmental fate）及安全监管框架（regulatory frameworks）等问题，以实现农业安全应用。

这篇由Sufian Ikram、Sawera Akram、Francois Serneels、Maxime Bonnave、Kangxi Qin、Maozhi Ren和Xiumei Luo发表于《Journal of Advanced Research》的综述，系统阐述了硒纳米颗粒（SeNPs）在可持续农业中的生物转化、作用机制及应用前景。全球人口预计增长至103亿，膳食营养质量尤其是硒等微量元素的“隐性饥饿”问题日益严峻，约20亿人面临必需微量元素缺乏。硒是生命必需微量元素，但全球约十亿人存在硒摄入不足问题，且预计2095–2099年大气硒沉积将下降55–80%，进一步威胁食物链硒供给。传统无机硒（如SeO₃^2?、SeO₄^2?）存在生物有效性低、土壤迁移性受限等问题，有机硒则难以精确调控且高剂量有累积毒性风险。硒纳米颗粒（SeNPs）作为新型纳米制剂，有望克服上述局限。该综述旨在厘清SeNPs在农业系统中“能实现什么、在何种条件下、通过何种机制以及受何种环境监管约束”，为可持续农业提供整合视角。

研究人员采用系统综述与文献整合分析策略，广泛搜集并归纳了细菌、真菌、微藻及植物等生物源合成SeNPs的现有证据，同时整合了植物吸收转运、非生物与生物胁迫响应及环境归毒理学的跨国科研数据。通过跨学科比较分析，梳理了从绿色合成、表面功能化、颗粒表征到农业应用及监管框架的多维度信息。该研究样本主要来源于已发表的微生物合成、作物农学、土壤环境修复及纳米毒理学领域的全球公开文献，未涉及特定样本队列的原始数据生成。

**2. SeNPs synthesis and biotransformation in biological systems**
2.1 Carriers for SeNPs biosynthesis: 通过比较物理、化学及生物合成路径，研究人员指出生物法以细菌、真菌、微藻和植物作为还原与封顶系统，反应条件温和且环境兼容性好，更适合农业应用；生物载体种类显著决定SeNPs的粒径、表面化学及后续生物活性。
2.2 Microbial and plant-mediated biosynthesis: 通过表征不同生物源的SeNPs产物，研究人员发现上述载体均可将SeO₃^2?还原为SeNPs，部分细菌转化效率超过80–90%，但颗粒尺寸与产率因物种和提取工艺差异显著，植物提取液操作简便却存在批次重现性不足的问题。
2.3 Surface functionalization and industrial translation: 通过表面功能化策略评估，研究人员认为纤维素、壳聚糖或水凝胶载体可改善叶面递送中的叶片附着与耐雨性；然而从实验室到工业规模的放大仍受限于生物量变异、粒径分布不均、下游纯化及长期储存稳定性。
2.4 Bacterial SeNPs biosynthesis mechanism: 通过还原途径与转运机制研究，研究人员揭示细菌通过硫酸盐与磷酸盐转运系统摄取SeO₄^2?或SeO₃^2?，经呼吸还原、同化途径或谷胱甘肽（GSH）介导还原为元素硒，最终由蛋白质、肽及胞外聚合物（EPS）封顶形成20–300 nm颗粒。
2.5 Fungal SeNPs biosynthesis mechanism: 通过胞外与胞内合成机制比较，研究人员发现真菌分泌蛋白、酚类、多糖及NADH依赖还原酶将SeO₃^2?还原为Se⁰，胞外合成占主导且利于下游回收，蛋白或多糖丰富的表面冠赋予颗粒强胶体稳定性。
2.6 Microalgal SeNPs biosynthesis mechanism: 通过光合生物合成途径分析，研究人员指出微藻利用光合电子供能，经硫酸盐与磷酸盐转运体吸收硒，并通过硫同化途径及谷胱甘肽依赖系统将其转化为硒化物或元素硒，颗粒常因天然蛋白与多糖封顶而具有优异胶体稳定性。
2.7 Plant-based SeNPs biosynthesis mechanism: 通过植物提取液合成机制研究，研究人员阐明多酚、单宁、黄酮等植物化学物作为还原剂与封顶配体，介导SeO₃^2?或SeO₄^2?向Se⁰的转化，所得颗粒尺寸受植物物种与提取参数影响显著。

**3. SeNPs uptake and transport in plants**
3.1 Soil uptake pathway: 通过根系吸收与转运研究，研究人员发现SeNPs主要经根尖分生区进入，受细胞壁孔径（约5–20 nm）的尺寸选择性限制；吸收涉及硫酸盐转运体（SULTRs）、磷酸盐转运体及水通道蛋白等多途径，但完整纳米颗粒的直接跨膜转运尚待证实。
3.2 Foliar uptake pathway: 通过叶面递送分析，研究人员指出SeNPs可经角质层（小于5 nm）或气孔（20–100 nm）进入叶片，并在共质体与质外体间运输，其效率受粒径、表面修饰、叶片疏水性及环境湿度显著影响。
3.3 SeNPs assimilation in plants: 通过亚细胞转化与形态分析，研究人员证实SeNPs在植物体内经硫同化途径转化为亚硒酸盐、硒化物、SeCys、MeSeCys及SeMet等无机与有机形态，但细胞壁、胞质及液泡对SeNPs溶解的具体贡献仍不明确。
3.4 Potential mechanisms of SeNPs perception and signaling: 通过分子对接与转录组分析，研究人员提出SeNPs可能通过胞外溶解、细胞内化及后续活性氧（ROS）与Ca²⁺信号和有丝分裂原活化蛋白激酶（MAPK）级联调控下游反应，但目前尚未鉴定出特异性识别完整SeNPs的受体。

**4. Mode of SeNPs action in agricultural applications**
4.1 Role of SeNPs in plant growth and interaction with soil microorganisms: 通过盆栽与根际微生物组研究，研究人员发现适宜浓度SeNPs促进玉米、丹参等作物生长，并通过选择性富集假单胞菌、芽孢杆菌等有益根际菌群及调节根系分泌物增强养分循环与土壤团聚；微生物与根系信号互作的分子机制仍不清楚。
4.2 SeNPs mediated metabolite production in plants: 通过代谢组与转录组分析，研究人员证实SeNPs激活糖酵解、TCA循环及氨基酸生物合成等初级代谢通路，上调UGPase、AGPase、BnSUC1;1、BnSWEET10;2等基因，促进碳水化合物转运与积累，并激活L-半乳糖途径及苯丙烷代谢，增加类黄酮和氨基酸含量。
4.2 Regulation of secondary metabolism by SeNPs in plants: 通过次生代谢调控机制研究，研究人员发现SeNPs通过苯丙氨酸解氨酶（PAL）激活苯丙烷代谢途径，促进辣椒中类黄酮、酚酸和辣椒碱积累；同时通过甲羟戊酸（MVA）和甲基赤藓糖醇磷酸（MEP）途径促进人参皂苷合成，并涉及茉莉酸（JA）、水杨酸（SA）等激素信号交叉对话。
4.3 SeNPs as agents of nutrient enhancement and Se biofortification: 通过多作物农艺试验，研究人员揭示SeNPs通过缓释行为提高土壤有机质、铵态氮、硝态氮及N、P、K、Fe、Zn等养分有效性，并促进SeMet等有机硒向可食部位积累，但受作物种类、组织特异性及剂量的严格调控，且高浓度可能抑制养分吸收。

**5. SeNPs as modulators of abiotic stress responses**
5.1 Ion homeostasis, metal uptake, and tissue partitioning: 通过离子组学与重金属胁迫研究，研究人员发现SeNPs通过调控SOS1、NHX1、HKT1等离子转运体促进Na⁺外排或液泡区隔化，并在镉胁迫下通过下调ZmHMA2、上调ZmHMA3减少Cd向地上部转运；生物源SeNPs还可直接吸附固定重金属。
5.2 Osmotic adjustment and water relations: 通过生理生化分析，研究人员指出SeNPs通过增加脯氨酸、可溶性糖等相容性溶质积累及改变水通道蛋白表达，改善干旱和盐胁迫下的细胞水分状况与膜稳定性，但田间效果因物种和胁迫程度而异。
5.3 Redox regulation and antioxidant signaling: 通过抗氧化酶活性测定，研究人员证实SeNPs在多种非生物胁迫下普遍提高SOD、CAT、APX、GPX、GR及GST活性，降低H₂O₂和MDA积累，提示氧化还原稳态是SeNPs胁迫响应的核心交汇点。
5.4 Stress signaling, hormonal regulation, and molecular responses: 通过激素与信号通路分析，研究人员发现SeNPs调节ABA与GA平衡，诱导HSP70、HSP90、LEA蛋白及WRKY、bZIP等转录因子表达，并将ROS、RNS、Ca²⁺动态与抗氧化防御、激素信号及转录网络相整合。

**6. SeNPs Application in Biotic stress**
6.1 Antibacterial mechanism: 通过抑菌圈与最低抑菌浓度（MIC）测定，研究人员发现SeNPs对革兰氏阳性菌（如金黄色葡萄球菌、蜡样芽孢杆菌）和革兰氏阴性菌均具有广谱抗菌活性，机制包括破坏细胞壁与膜完整性、诱导ROS积累、抑制蛋白质与DNA合成及抗生物膜形成。
6.2 Antifungal mechanism: 通过抗真菌活性测试，研究人员证实SeNPs通过破坏菌丝膜稳定性、诱导ROS爆发、抑制孢子萌发及干扰生物膜成熟，对镰刀菌、炭疽菌等植物病原菌表现广谱抗性，且生物源SeNPs因表面植物化学物质涂层而通常表现更优。
6.3 Antiviral mechanism: 通过哺乳动物模型与植物病毒比较研究，研究人员指出SeNPs可能通过调节宿主氧化应激、NF-κB和MAPK信号及促炎因子影响病毒复制，但目前尚缺乏针对植物病毒的系统验证，不能视为成熟的抗病毒农业药剂。
6.4 Pests Control: 通过害虫抗性试验，研究人员发现SeNPs通过激活植物JA和SA介导的防御反应、上调过氧化物酶和几丁质酶等防御酶，并调节ROS稳态作为早期信号，从而增强植物对鳞翅目等害虫的抗性；此外，Se摄入可干扰昆虫能量代谢，Se挥发物可能起到化学驱避作用。

**7. SeNPs in environmental remediation: toward a circular bioeconomy**
7.1 Waste biomass as synthesis feedstock: 通过废弃物资源化分析，研究人员揭示剩余污泥、农业残渣等生物质富含蛋白质和多糖，可作为SeNPs绿色合成底物；但异源生物质中可能共回收有毒杂质，需严格的前体筛选、分离纯化及批次表征。
7.2 SeNP-based wastewater treatment: 通过水处理效能评估，研究人员发现SeNPs基材料对合成染料（85–99%）及酚类与有机污染物（60–95%）具有显著去除效果，机制涉及表面吸附、光催化电子转移及ROS介导氧化；但在真实工业废水中因离子竞争和溶解性有机质干扰而效率下降。
7.3 Recovery and reuse of Se: 通过循环生物经济框架分析，研究人员指出上流式厌氧污泥床等生物处理系统在还原SeO₄^2?与SeO₃^2?为SeNPs的同时可实现硒回收，反硝化流化床（IFB）反应器可回收35–58%的SeNPs，但回收率仍低于转化率，长期稳定性与经济性有待评估。

**8. Toxicological, ecological, and regulatory considerations**
8.1 Phytotoxicity thresholds: 通过剂量效应关系分析，研究人员指出SeNPs对作物表现为低剂量促进、高剂量抑制的毒物兴奋效应（hormesis），其毒性阈值受颗粒尺寸、表面功能化、施用途径及植物发育阶段影响，小于50 nm的颗粒可能具有更强的植物毒性。
8.2 Soil microbiome impacts: 通过土壤微生物组监测，研究人员发现SeNPs在土壤中可改变微生物群落结构、酶活性及硒的氧化还原循环，长期或重复施用可能导致微生物多样性下降；蛋白质冠层在土壤老化过程中的稳定性仍属未知，生物有效性可能随时间变化。
8.3 Food chain transfer and mammalian ADME: 通过同位素示踪与代谢分析，研究人员指出SeNPs中的硒可进入植物可食部位并可能向食物链转移，但纳米态硒、无机硒和有机硒在吸收、分布、代谢和排泄（ADME）方面存在差异，目前关于SeNPs完整颗粒在哺乳动物体内的ADME数据仍然不足。
8.4 Human exposure considerations: 通过暴露途径评估，研究人员强调人类可通过摄入生物强化作物、叶面喷施吸入、皮肤接触及动物源性产品等多途径暴露于SeNPs，传统膳食硒限值不能直接套用，需建立颗粒特异的ADME与硒形态学分析框架。
8.5 Regulatory barriers for nano-agri inputs: 通过监管框架比较分析，研究人员认为纳米农业投入品监管应超越元素组成，涵盖粒径、形貌、表面电荷、溶解速率及环境归趋；ISO和OECD已提供纳米材料特性与测试指南，但外源施用的SeNPs与自然来源硒的区分仍需同位素示踪等技术支撑。

**9. Future application prospects and key bottlenecks**
9.1 Precision delivery and formulation engineering: 通过制剂工程分析，研究人员建议系统优化SeNPs粒径、表面电荷和涂层化学，以建立可重复的根际保留、叶面渗透或系统递送策略，而非简单假设电荷依赖的普遍规律。
9.2 Stimuli-responsive and controlled-release SeNPs: 通过控释系统研究，研究人员提出利用pH、氧化还原、酶或植物信号响应性封装技术，减少硒的过早释放并实现与作物需求同步，但目前仅在实验室概念验证阶段。
9.3 Emerging applications requiring mechanistic validation: 通过新兴应用评估，研究人员指出SeNPs的光物理性质（如光合有效辐射调控）和核酸递送（如DNA压缩与遗传转化）目前仍属探索性，缺乏在主要作物中的稳定转化证据和田间验证。
9.4 Post-harvest and environmental applications: 通过采后与环境应用分析，研究人员认为SeNPs抗菌与抗氧化涂层可延长货架期，但需量化硒向食品迁移；在环境修复中，需从批次去除实验转向再生能力、竞争离子效应及生命周期评估。
9.5 SeNPs among agricultural nanomaterials: 通过农业纳米材料比较，研究人员认为SeNPs在硒生物强化、氧化还原调节及硒-硫代谢相互作用方面具有独特价值，但其农艺优势不优于ZnO、SiO₂或CeO₂纳米材料，需建立标准化基准。
9.6 Key bottlenecks and research priorities: 通过瓶颈分析，研究人员强调未来需在制造标准化、生物性能基准、环境食品安全评价及监管协调四个方面取得突破，特别应区分完整SeNPs效应与溶解态硒的效应。

综合上述讨论，研究人员强调SeNPs在可持续农业中的多重功能高度依赖于颗粒特性、施用剂量、环境背景及作物基因型，现有研究大多在受控实验室或水培与盆栽条件下完成，田间验证、环境归趋及长期生态安全数据仍然匮乏。纳米特异性效应与溶解态硒效应之间的根本区别尚未完全厘清，未来需借助颗粒分辨和同位素示踪技术、标准化合成表征流程以及多季节田间试验，才能推动SeNPs从实验室概念走向可重复、安全的农业技术。

硒纳米颗粒（SeNPs）通过硒生物强化、生长促进、胁迫缓解及污染物管理，在可持续农业中具有可观潜力。然而，其生物学效应受颗粒特性、剂量、合成策略及环境背景影响，纳米特异性反应与溶解态硒诱导反应之间的区别仍未解决。值得注意的是，目前大多数已报道的SeNPs效益均在受控实验室、水培或盆栽条件下证实，其在复杂田间条件下的有效性、环境行为及安全性尚未得到充分验证。因此，在农业规模化应用前，多地点和多季节田间试验对于评估农艺性能、环境归趋及潜在生态风险至关重要。未来研究应优先阐明颗粒态与离子态硒反应的机制、SeNPs与土壤系统及微生物组的长期相互作用、标准化合成与表征方案、食品与生态环境安全评估，以及适当的监管框架。应对这些挑战对于将SeNPs转化为安全、可重现且高效的农业技术至关重要。