综述：无机纳米颗粒-细菌相互作用系统：机制、功能和农业应用

《Plant and Soil》：Inorganic nanoparticle-bacteria interaction systems: mechanistic, functional and agricultural applications

　　

背景无机纳米颗粒（NPs）能够与细菌相互作用。由于这种相互作用，细菌的细胞外部和内部可能会发生改变。结果，由于无机纳米颗粒发挥的抗菌特性，可能会发生细菌生长抑制。具有抗菌活性的无机纳米材料已在食品、制药、生物医学和农业领域的文献中得到讨论。目前，通过纳米颗粒介导的植物细菌病原体控制在农业中正在推进。目的本综述旨在强调细菌-无机纳米颗粒系统在农业中的潜力，以及它们如何可能产生超出抗菌活性的农业效益。方法研究人员分析了2020年至2024年间发表的文献，内容涉及细菌-无机纳米系统如何在农业中被利用（i）作为纳米生物肥料，（ii）作为生物防治剂，（iii）用于灌溉水净化，以及（iv）用于病原体检测，以促进作物健康、改善植物生长和产量，并提高土壤质量。结果证据表明，细菌与无机纳米颗粒之间的整合可导致抑制性或协同性相互作用，具体取决于纳米颗粒的物理化学性质、纳米颗粒浓度和细菌的生理状态。研究人员确定了驱动细菌生长抑制和生长促进的纳米颗粒诱导细胞变化的机制见解。这些相互作用已成功应用于上述四个农业应用。综述了特别需要进一步研究的领域。解决了对非目标生物的潜在毒性问题以及生物累积风险。结论细菌-纳米颗粒整合为可持续农业提供了有前景的机会。需要进一步研究以支持田间规模验证、工业和经济可行性，并建立明确的监管框架。

论文主体部分总结如下：

**引言** 纳米技术已对食品、制药、农业、电子、机械和生物医学等关键行业产生显著影响。纳米材料（NMs）和纳米颗粒（NPs）的应用取决于其比表面积、理化性质、粘附性和活性等特性，这些特性由纳米材料的形状、大小、结构和组成决定。NPs分为有机、无机和碳基三类，其中金属氧化物基NPs（如铁（Fe）、氧化铁（Fe₂O₃）、磁铁矿（Fe₃O₄）、氧化铝（Al₂O₃）和氧化锌（ZnO））属于无机NPs。随着纳米技术的发展，人造纳米颗粒不可避免地释放到环境中，促使研究者探索工程纳米材料与细菌之间的相互作用。这种相互作用依赖于纳米颗粒的理化特性（如大小、形状和聚集状态）以及细菌的生理条件。例如，只有小于5 nm的NPs能穿透细菌细胞；不同形状的银NPs（如纳米片、纳米球和纳米棒）影响土壤微生物群落的功能组成。细菌种类也影响相互作用，革兰氏阳性菌（如芽孢杆菌属和葡萄球菌属）和革兰氏阴性菌（如大肠杆菌、假单胞菌属）对NPs的反应不同。细菌的生长状态（如浮游细胞与生物膜）也显著影响相互作用，例如生物膜形式的大肠杆菌和铜绿假单胞菌对银NPs（500 μg L^-1）表现出更高的耐受性。细菌与NP之间的相互作用通过库仑力（如疏水、亲水和范德华力）发生。目前，纳米-生物界面上的相互作用被用于多个领域，如食品工业、生物技术、水净化、生物医学等，提供病原体分离、细菌追踪、细菌根除、药物递送系统和抗菌剂等益处。在农业中，纳米颗粒介导的植物细菌病原体控制正在取得进展，但除了抗菌特性外，细菌与无机NPs之间的协同相互作用可能带来其他农业效益，如作为纳米生物肥料、生物防治剂、灌溉水净化工具和病原体诊断工具。

**信息检索方法** 信息来源于综述论文、研究文章、会议论文集、摘要和书籍章节，基于“细菌与无机纳米颗粒在农业中的整合”主题。文章来自Web of Science?、Google Scholar、PubMed?和Scopus等数据库。遵循排除标准，如图A1（补充文件）所列。图3基于2020年1月1日至2024年7月19日之间发表的文章，通过搜索策略生成，共定性评估约832篇文章。

**纳米材料-细菌细胞相互作用的基础：区分抑制性和协同性效应** 无机纳米材料对细菌的影响可分为抑制性或协同性，取决于无机纳米颗粒的类型/理化性质、浓度和细菌细胞的生理状态。抑制性相互作用导致细胞损伤或活力丧失，用于生物防治和水净化；协同性相互作用增强活力和代谢，用于纳米生物肥料和植物促生系统。图1示意了抑制性效应的机制。纳米毒性由不同无机元素引起，表1总结了不同金属NPs对细菌的细胞水平变化。

(1) **纳米颗粒附着和结合到细菌细胞表面**：纳米毒性机制包括（i）NPs结合到外细胞表面，（ii）有毒离子溶解，（iii）促进氧化应激。NPs的初始结合依赖于生物分子冠。革兰氏阳性菌（G+）有厚肽聚糖层，革兰氏阴性菌（G-）有双磷脂层和薄肽聚糖层，脂多糖（LPS）作为屏障。阳离子NPs通过静电相互作用结合到LPS的负电荷部分。NPs粘附后可改变脂膜物理状态，激活内部信号和毒性通路。

(2) **离子溶解**：NPs附着后释放离子。高浓度NPs释放更多离子，但效果取决于纳米材料和细菌类型。例如，TiO₂ NPs对大肠杆菌的影响小于Al₂O₃ NPs，因为Ti⁴⁺离子释放少。低剂量ZnO NPs释放的Zn²⁺离子无毒性，但高浓度Zn²⁺会引发ROS并导致细胞损伤。γ-Fe₂O₃ NPs在水系统中溶解低，对枯草芽孢杆菌无细胞毒性。银离子溶解毒性充分研究，离子银与肽聚糖和LPS相互作用，仅少量进入细胞，可结合细胞蛋白和酶。

(3) **活性氧（ROS）生成**：ROS包括超氧离子（O₂·^-）、羟基自由基（·OH）、过氧化氢（H₂O₂）和单线态氧（¹O₂）。与细胞包膜相互作用强时ROS产量增加。纳米ZnO和γ-Fe₂O₃对枯草芽孢杆菌的ROS产量极低；α-Fe₂O₃ NPs在生物/非生物条件下未产生ROS；TiO₂ NPs在无UV辐射时未产生ROS。但银NPs可促进ROS产生，如¹O₂、H₂O₂、·OH等，导致脂质过氧化和细胞死亡。

(4) **无机NPs对DNA/RNA损伤的影响**：CuO NPs通过溶解Cu⁺离子和ROS抑制DNA复制和蛋白质合成；Ag NPs优先结合双链DNA，增加突变频率（2.15%）；TiO₂ NPs在UV下增加ROS，损伤DNA合成。但超顺磁性氧化铁NPs（IONPs）对DNA影响最小，用于DNA分离。ZnO、Fe₂O₃、Fe₃O₄和CuO对PCR复制错误率无显著影响。

(5) **无机NPs对细菌细胞壁和细胞膜的影响**：细菌细胞壁含肽聚糖层，G+壁较厚。整体净电荷为负，通过静电相互作用与正电荷金属氧化物NPs结合。例如，李斯特菌属的肽聚糖与胶体氧化铁NPs形成无毒性相互作用，用于细菌捕获/分离。含Fe₃O₄、ZnO和Cu的纳米复合材料导致大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和耐甲氧西林沙门氏菌的细胞壁损伤。Ag NPs（4 μg mL^-1）下金黄色葡萄球菌细胞壁出现肽段和聚糖链结构变异；CuO和NiO NPs增加大肠杆菌和金黄色葡萄球菌表面粗糙度。

(6) **无机NPs对细菌Zeta电位的影响**：Zeta电位是剪切面的电势。大多数细菌带负电，正电荷Mg(OH)₂ NPs使大肠杆菌Zeta电位增加。所有测试金属NPs（Bi、Co、Cu、CuO、Ni、NiO、Fe₂O₃、Fe₃O₄）带净负电荷，随浓度增加细胞Zeta电位趋近颗粒Zeta电位，表明NPs在细胞表面积累。Al₂O₃和Al₂O₃/Ag NPs在电解质环境中对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的Zeta电位变化不同。

(7) **无机NPs对细胞活力/细胞生长的影响**：抑制效应取决于尺寸、形状和浓度。小尺寸（5 nm）ZnO NPs对金黄色葡萄球菌有杀菌作用，大尺寸仅抑菌；2.3 nm Ag NPs严重抑制生长。形状方面，三角形、六边形和八面体Ag NPs比球形更杀菌。低浓度零价铁NPs（<1000 ppm）保留芽孢杆菌和大肠杆菌活力；磁铁矿NPs（<1000 ppm）下蜡样芽孢杆菌生长良好。ZnO NPs浓度>100 μg L^-1降低芽孢杆菌活力；硅基纳米材料>250 μg mL^-1降低生物膜活力。低剂量Ag NPs可抑制假单胞菌（IC₅₀=42.5 μg mL^-1）等。

**为什么在农业中整合无机NPs与细菌？** 纳米材料在环境中的暴露促使研究聚焦纳米毒理学。早期研究发现纳米颗粒剂量对植物响应至关重要。目前传统肥料（N和P）存在养分利用率低和环境危害，而纳米肥料（NFs）可减少养分损失。将纳米肥料与有益细菌（植物生长促进菌，PGPB）结合可实现控释，并利用纳米毒性控制植物病原菌。纳米材料用于灌溉水净化可捕获和灭活细菌病原体，但处于初级阶段。细菌-NP相互作用还用于植物病原体检测。

**结果**：2020-2024年间，关于农业应用的研究中，生物防治剂占83.50%，纳米生物肥料占13.35%，灌溉水净化占1.04%，病原检测占2.09%。图3显示，最常研究的无机纳米材料包括Ag基（19.47%）、Cu基（18.38%）、Fe基（18.26%）和Zn基（17.90%）NPs，Ti基最少（2.55%）。

**讨论：无机纳米-细菌相互作用在当代和现代农业中的应用**

(1) **作为微生物基纳米养分/纳米生物肥料促进植物生长**：生物肥料含PGPB，可固氮、溶磷钾、产生植物激素（IAA、GA、细胞分裂素）。纳米肥料（NFs）如ZnO和Fe具有高表面积，缓慢释放养分，减少淋失。纳米生物肥料通过纳米包封（如壳聚糖）保护微生物，实现缓释。例如，IONPs与牛粪生物肥料共消化增加番茄高度；IONPs与坚强芽孢杆菌共接种使大豆生物量增加161.54%；ZnO NPs与PGPR共施用在小麦中提高耐盐性。

(2) **PGPB-NP系统作为生物防治剂：协同抗菌活性**：协同抗菌活性是核心原理。PGPR可抵抗生物和非生物胁迫。传统农药有环境风险，IPM指南鼓励非化学方法。PGPR与纳米材料结合增强生物防治效果。例如，二氧化硅NPs与PGPR抑制马铃薯青枯病；CuO NPs与内生菌消除草莓灰霉病；Ag NPs（12 μg L^-1）抑制烟草野火病假单胞菌。表3列出Zn、Ag、Si基NPs与有益微生物的组合。

(3) **纳米技术用于灌溉水净化**：纳米膜和吸附剂可去除病原体，如Ag NPs浸渍稻壳显著减少大肠杆菌。ZnO NPs处理市政废水后用于小麦灌溉。但相关研究仍有限。

(4) **利用无机NPs检测细菌植物病原体**：纳米生物传感器通过NPs与细菌细胞壁成分（脂磷壁酸、LPS、磷脂）的相互作用产生聚集模式，实现比色检测。例如，胶体金NP生物传感器检测丁香假单胞菌；金NPs结合抗青枯劳尔氏菌抗体用于LFIAs；Ru(II)掺杂荧光二氧化硅NPs检测野油菜黄单胞菌。纳米条形码技术（如SERS-金NPs）检测转Bt基因水稻。这些工具快速、灵敏、成本效益高。

**实际应用：田间转化、工业可行性和监管环境** 目前纳米-细菌农业应用主要在实验室和盆栽试验。田间试验需考虑土壤pH、盐度、质地、有机质、气候、灌溉制度等因素。工业化生产生物肥料通过发酵策略，纳米材料大规模生产面临配体成本、聚集、污染和稳定性挑战。纳米生物肥料的经济可行性需通过ROI、NPV等评估。农民接受度需提高。纳米包封生物肥料需大规模生物反应器，原料成本需优化。绿色合成和工业废料利用可降低成本。产品稳定性和货架期是关键。病原检测方面，已有商业化产品如Pocket Diagnostic?，但需解决毒性、数据共享、传感器稳定性等问题。欧盟EFSA已更新纳米技术风险评估指南，新肥料法规关注纳米残留累积。

**生态影响：生物累积、食物链传递和非目标生物** 无机NPs可能对植物产生负面影响，如CuO NPs导致大麦叶绿体肿胀。生物累积通过根部吸收和转运（共质体/质外体途径）发生，如ZnO和CuO NPs在萝卜、生菜中累积。NPs通过食物链传递对人体健康构成风险，需监测。非目标生物如鱼类、无脊椎动物、土壤微生物可能受影响。低剂量NPs可影响微生物多样性和功能。建议表面涂层和绿色合成降低毒性。微生物合成金属纳米颗粒具有潜力。

**结论与未来展望** 纳米技术有潜力革新农业。除抗菌作用外，细菌-NP系统在纳米生物肥料、生物防治、水净化和病原检测中提供可持续效益。需进一步研究不同NPs对PGPB的物种特异性影响、非目标生物长期效应、食物链命运、工业可扩展性、监管框架等。水中净化方面，零价铁砂过滤单元已显示出潜力但未规模化。未来应开发新型纳米检测工具（如多重检测、早期诊断），遵守国际标准。