叶面施用纳米二氧化硅可通过微生物-土壤-植物相互作用缓解银纳米颗粒（AgNPs）对植物的胁迫作用：来自生理学和根际微生物组的见解

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Foliar nano-silica alleviates AgNPs stress via microbe–soil–plant regulation: insights from physiology and rhizosphere microbiome.

　　**摘要**
银纳米粒子（AgNPs）是农业系统中普遍存在的新兴污染物。纳米二氧化硅（SiO?NPs）对植物具有关键的防护作用，可以抵御非生物胁迫。本研究探讨了在AgNPs胁迫（100 mg·kg?1）下，植物生理、土壤性质以及根际微生物组之间的相互作用机制，这些胁迫既单独存在，也存在与叶面SiO?NPs（30、90和180 mg·L?1）联合的情况。单独使用AgNPs处理显著降低了地上和地下生物量（分别减少了15.4%和17.9%），以及总叶绿素含量（减少了21.3%）。这导致了抗氧化系统的损伤（丙二醛水平升高+42.9%），次生代谢物增加（总酚类+2%；黄酮类+1.6%），以及土壤性质的改变（pH值、氮和磷含量下降）。此外，AgNPs暴露选择性地富集了 Proteobacteria 和 Actinobacteria 门中的耐金属菌群（如 Acidovorax）。共现网络和 Mantel 检验显示，微生物群落与关键的植物指标（植株高度、黄酮类、抗坏血酸过氧化物酶）以及关键的土壤指标（pH值、钾、碱性磷酸酶、脲酶）之间存在显著的正相关关系。以 Proteobacteria 和 Actinobacteriota 为主的核心模块与生物量、叶绿素和养分呈正相关。偏最小二乘路径模型分析表明，低浓度和中浓度的 SiO?NPs（30和90 mg·L?1）通过改善土壤性质和酶活性（碱性磷酸酶+81.8%；蔗糖酶+66.8%），招募有益细菌（如 Gammaproteobacteria、Lysobacter），以及恢复地上部分生理功能，减轻了 AgNPs 的毒性。相比之下，高浓度的 SiO?NPs（180 mg·L?1）的调节效果较弱，尽管增加了钾和磷的含量，但仍抑制了蔗糖酶的活性。我们的研究结果表明，根际微生物组是将土壤信号转化为植物变化的关键中介，为通过调控根际环境来减轻纳米毒性提供了策略。

**引言**
随着纳米技术的快速发展，银纳米粒子（AgNPs）因其在抗菌、催化和光学方面的卓越特性而在医药、纺织品、消费品和环境工程中得到广泛使用[37]。然而，其大规模生产和广泛应用不可避免地导致了环境排放。AgNPs 通过多种途径进入土壤-植物系统，如废水灌溉、污泥施用和纳米农药残留，引发了对生态安全的严重担忧[32][38]。一旦沉积在土壤中，AgNPs 可通过多种途径对种子萌发和幼苗生长产生毒性作用，进而改变植物形态和生理功能，最终影响作物产量[26][83][94]。在机制层面，AgNPs 通过诱导组织损伤和氧化应激来抑制植物生长[49]。除了直接的植物毒性外，AgNPs 还表现出强烈的抗菌活性，不仅影响植物健康，还深刻地重塑了根际微生物群落[74]。这一现象已在棉花根际得到证实，AgNPs 暴露会导致细菌群落组成的显著变化[5]。尽管已有研究表明 AgNPs 的植物毒性效应，但目前仍缺乏有效且实用的策略来减轻其对作物生长的不利影响。

近年来，硅作为一种有益的矿物质元素受到认可，越来越多的证据表明，纳米二氧化硅（SiO?NPs）在增强植物对生物和非生物胁迫的抵抗力方面发挥着积极作用[104][31][36]。SiO?NPs 通过多种机制促进植物生长，包括改善叶片超微结构、激活植物防御系统以及增强活性氧（ROS）的清除能力[104][62]。在金属胁迫下，SiO?NPs 上调了包括超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）和抗坏血酸过氧化物酶（APX）在内的关键抗氧化酶，从而减轻氧化损伤[2]。此外，纳米二氧化硅已被证明可以改善多种作物的生理参数，如气孔导度、蒸腾率和水分利用效率[64][70][98]。值得注意的是，SiO?NPs 还通过调节根际微环境发挥间接保护作用，例如在番茄根际土壤中重塑了细菌群落，促进了有益微生物的多样性和加速了养分矿化[85]。同样，在中国花椒中，SiO?NPs 通过改变特定根际菌群（包括 Proteobacteria、Actinobacteria 和 Acidobacteria）的丰度和组成，有效缓解了镉引起的植物毒性[4]。尽管 SiO?NPs 在减轻多种重金属胁迫方面显示出显著潜力，但目前尚不清楚它们是否能有效缓解 AgNPs 引起的植物毒性，以及其背后的调节机制，特别是在根际微生物群落方面。阐明这一问题不仅有助于深入理解纳米材料之间的相互作用生态效应，还为实现利用硅纳米颗粒控制银纳米颗粒的生态风险提供了理论基础。

**紫苏（Perilla frutescens (L.) Britt.）** 是唇形科的一年生草本植物，在中国具有重要的经济和药用价值。整个植株均被利用：叶子和茎可用于食品加工和传统医学，而种子则作为药材，反映了其在食品和医药上的双重用途和多样的应用前景[55]。该植物不仅富含维生素和氨基酸，还含有丰富的次生代谢物，包括黄酮类、酚酸和挥发油，共同赋予了其多种生物活性，如抗氧化、抗菌、抗炎、止咳和降脂作用[20][40][97]。随着紫苏种植的不断扩大，有机肥料（如动物粪肥）的使用也相应增加。这类粪肥可能含有来自牲畜饲料或 veterinary products 的 AgNPs，从而导致 AgNPs 在农业土壤中的积累，从而使紫苏植物暴露于潜在的纳米材料污染中。然而，关于紫苏对土壤 AgNPs 污染的生理反应和适应机制，以及 SiO?NPs 是否能减轻 AgNPs 对紫苏的胁迫效应的系统研究仍然明显不足。

尽管已经分别记录了 AgNPs 的植物毒性和 SiO?NPs 减轻重金属胁迫的潜力，但 SiO?NPs 是否能有效缓解 AgNPs 引起的植物毒性以及植物-土壤-微生物系统中的调节机制仍不甚明了。为填补这一知识空白，本研究以紫苏为实验材料，从三个角度系统研究了 AgNPs 的毒性作用和 SiO?NPs 的缓解效果：植物生理代谢、土壤生态化学性质和根际微生物群落组成，并考察了不同浓度 SiO?NPs 对紫苏生长的剂量依赖性影响。本研究旨在：（1）确定 AgNPs 在紫苏中的毒性是否与根际微生态扰动相关，并通过多变量分析（Mantel 检验、共现网络和 PLS-PM）揭示土壤变化、微生物组转变和植物损伤的链式路径；（2）评估 SiO?NPs（30、90 和 180 mg·L?1）在减轻 AgNPs 毒性方面的剂量依赖性效应，并从植物生理（抗氧化系统、次生代谢物）和微生物（有益细菌招募）的角度阐明其背后的机制。通过阐明 AgNPs 胁迫下的植物-土壤-微生物组相互作用，本研究为在纳米材料污染下培育抗逆药用植物提供了理论基础。

**实验材料与设计**
纯度为 99.95%、平均粒径为 20 nm 的银纳米粒子（AgNPs）购自中国北京北农玉禾科技发展有限公司。纯度为 99.9%、平均粒径为 20 nm 的二氧化硅纳米粒子（SiO?NPs）购自中国安徽泽升科技有限公司。使用透射电子显微镜（TEM, JEM-2100, JEOL, 日本）对 AgNPs 和 SiO?NPs 的形态和初级粒径进行了表征。

**紫苏对 AgNPs 和 SiO?NPs 的生理反应**
如图 1B 所示，单独使用 AgNPs 处理显著抑制了紫苏的生长，与对照组（CK）相比，植株高度、地上生物量和根生物量分别降低了 18.2%、15.4% 和 17.9%。同时，AgNPs 对光合系统造成了明显损害。具体而言，叶绿素 a、叶绿素 b、总叶绿素和类胡萝卜素的含量分别比 CK 降低了 20.3%、21.5%、21.3% 和 17.2%（见图 S2A–D）。

**AgNPs 和 SiO?NPs 对紫苏生长和光合特性的调节机制**
AgNPs 胁迫显著抑制了紫苏的生长，使其高度、地上生物量和根生物量分别降低了 18.2%、15.4% 和 17.9%（见图 1B）。这种生长抑制伴随着叶片中 MDA 和 H2O2 含量的显著升高（见图 3A–B），表明氧化损伤是观察到的抑制作用的主要驱动因素。这一反应与已有文献中关于 AgNPs 暴露植物的生理特征一致[47][65]。

**结论**
本研究证明，AgNPs 胁迫直接导致紫苏的生理毒性，表现为氧化损伤、光合作用抑制和次生代谢紊乱。这些生理影响伴随着根际微生物群落的重塑，具体表现为耐受性放线菌的富集和敏感菌群（如 Chitinophagaceae）的抑制。同时，AgNPs 暴露还导致土壤酸化，降低了总氮含量。

**数据、材料和软件可用性**
16S rRNA 基因扩增子的细菌 DNA 序列已存放在国家生物技术信息中心（访问号 PRJNA1489274，https://www.ncbi.nlm.nih.gov/sra/PRJNA1489274）。

**作者贡献声明**
Meng Yang：软件、方法学。Qinghao Wang：撰写-原始草稿、软件、研究。Xuze Liu：撰写-原始草稿、研究、数据管理。Xiaoqin Yao：撰写-审稿与编辑、监督、资源获取。Jianzhou Chu：方法学、数据管理。Minghui Li：撰写-审稿与编辑、方法学、数据管理。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

**致谢**
本研究得到了河北省中央科技发展引导基金（编号 246Z2503G）和中国国家自然科学基金（编号 32071501；31300321）的支持。

**未引用参考文献**
[95] Xuze Liu | Qinghao Wang | Meng Yang | Minghui Li | Jianzhou Chu | Xiaoqin Yao
河北大学生命科学学院，保定 071002，中国