海藻酸盐基银纳米颗粒膜对年轻芝麻菜（Eruca vesicaria L. subsp. sativa）植株的影响

《Molecules》：The Effect of Alginate-Based Silver Nanoparticle Films on Young Arugula Plants (Eruca vesicaria L. subsp. sativa)

　　

摘要

含有银纳米颗粒（AgNPs）的可生物降解海藻酸盐薄膜正越来越多地被研究用作活性农业材料（如抗菌地膜）和活性食品包装。然而，由于这些材料在使用后最终会在土壤中降解，评估其环境相容性和释放后的潜在植物毒性至关重要。本研究旨在以木糖为还原剂，在海藻酸钠中合成含有AgNPs的薄膜，并确定其对年轻芝麻菜（Eruca vesicaria L. subsp. sativa）植株可培养根际微生物和选定生化参数的影响。研究人员合成了含有三种标称AgNP负载量（50、100和150 mg L^?1）的海藻酸盐薄膜以及不含AgNPs的对照薄膜。将薄膜切成4 cm²的方形碎片，置于填充泥炭基质的0.076 L多孔穴盘中，并播种芝麻菜种子。实验期间，研究人员测定了可培养根际细菌和真菌的丰度，并对年轻芝麻菜植株进行了生化分析。结果表明，在测试条件下，含AgNPs的薄膜对根际细菌和真菌的丰度无显著影响。所测试的薄膜也未显著改变年轻芝麻菜植株组织中的测定参数，包括抗坏血酸、光合色素、糖类、膳食蛋白和谷胱甘肽。然而，它们降低了酚类物质含量，改变了抗氧化活性，并导致植物组织中检测到银的积累，尤其是在最高标称AgNP负载量（150 mg L^?1）条件下。这些发现表明，芝麻菜在早期生长阶段对薄膜产生了有限但选择性的生化响应，而非完全缺乏植物响应。

海藻酸盐基银纳米颗粒薄膜对年轻芝麻菜植株的影响——论文解读

**1. 研究背景与目的**

纳米技术是当前快速发展的科学领域，涉及纳米尺度材料的制备、表征与应用。银纳米颗粒（AgNPs）因其优异的抗菌活性而成为研究最广泛的金属纳米颗粒之一，在医学、农业等领域具有广泛应用前景。目前，大量研究致力于开发高效、可重现的金属纳米颗粒合成方法，包括物理法、生物法和化学法。在化学合成中，还原剂的选择会显著影响纳米颗粒的形状、尺寸和理化性质，而稳定剂则有助于限制颗粒聚集并改善分散稳定性。天然来源的聚合物——海藻酸钠因其可生物降解性以及基于β-D-甘露糖醛酸和α-L-古洛糖醛酸残基的结构而被广泛研究，可作为有效的可生物降解稳定剂。

然而，将AgNPs嵌入海藻酸钠基生物聚合物复合材料中，需要评估其生物效应，包括对植物和环境其他组分的潜在影响。近年来，纳米材料对植物影响的研究日益受到关注。叶菜类蔬菜如芝麻菜（Eruca vesicaria L. subsp. sativa）在此背景下尤为重要，因为它们可能对纳米颗粒暴露表现出可测量的多层次生理和生化响应。已有研究表明，AgNP处理可增加芝麻菜的硫代葡萄糖苷含量；PVP包被的AgNPs或AgNO₃暴露可刺激芝麻菜幼苗根伸长，但两者的蛋白质组学特征存在显著差异，表明植物对AgNPs的响应既包括与释放银离子相关的效应，也包括颗粒特异的细胞响应。

尽管通过喷施、种子引发或叶面处理直接施用AgNPs可能更为简便，但将纳米颗粒嵌入可生物降解聚合物基质中代表了一种独特且相关的载体策略。海藻酸盐可形成薄膜，具有生物相容性和可生物降解性，能够稳定分散的颗粒并作为载体系统。与直接水相纳米颗粒施用相比，基质递送可能实现更局部的暴露、调节释放动力学并减少突发暴露峰值。本研究旨在以木糖为还原剂合成含三种标称AgNP负载量（50、100和150 mg L^?1）的海藻酸钠基薄膜，并评估其对五周龄芝麻菜植株和泥炭基质根际的早期影响。

**2. 研究方法**

研究人员采用绿色化学方法，以可生物降解的海藻酸钠为载体聚合物，木糖为无毒还原剂，通过化学还原法在聚合物基质中合成AgNPs。薄膜制备后，研究人员采用多种理化表征技术进行分析：衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR–FTIR）用于评估基质化学结构变化，紫外-可见光谱法（UV–Vis）用于确认AgNPs的表面等离子体共振特征，扫描电子显微镜（SEM）结合图像分析用于表征纳米颗粒的尺寸和形态特征。此外，研究人员设计了简化水相释放实验，结合Weibull动力学模型拟合，以评估等离子体活性AgNP当量分数的释放特征。植物实验中，将4 cm²的薄膜碎片置于填充标准泥炭基质（KLASMANN Substrate TS1）的0.076 L多孔穴盘中，播种芝麻菜种子，在温室条件下（20°C，12/12 h光暗周期）培养5周。实验设5个处理组（C无膜对照、Alg无AgNP海藻酸盐膜、50、100、150 mg L^?1 AgNP膜），每组5个生物学重复。在实验过程中，科研人员测定了可培养根际微生物丰度，并通过多种生化分析方法（包括电热原子吸收光谱法ET-AAS测定银含量、碘量法测定抗坏血酸、Ellman试剂法测定谷胱甘肽、Folin–Ciocalteu法测定酚类化合物、DPPH法测定抗氧化活性、分光光度法测定过氧化物酶活性和光合色素含量）对植株生化参数进行了评估。该实验为单次温室实验运行，共包含25个实验单元。

**3. 主要结果**

**3.1 FTIR光谱分析**

对照海藻酸盐膜（Alg）与含AgNP薄膜的ATR–FTIR光谱均显示海藻酸盐基质的特征谱带，包括3000–3500 cm^?1的羟基（–OH）伸缩振动宽峰、2850–2950 cm^?1的C–H伸缩振动、约1600 cm^?1和1415 cm^?1的羧酸根（COO^?）不对称和对称伸缩振动，以及950–1150 cm^?1的C–O和C–O–C伸缩振动。对照膜与AgNP膜之间未出现新吸收带或显著峰位移动，主要差异限于所选谱带强度的变化，表明AgNPs的嵌入未实质性改变海藻酸盐基质的化学结构，纳米颗粒主要以物理包埋方式存在于聚合物基质中。

**3.2 UV–Vis光谱和SEM表征**

对照海藻酸盐膜透明无色，而含AgNP薄膜随标称负载量增加呈现渐进性黄至棕色加深，较高AgNP含量的薄膜表面更不均匀且起皱。UV–Vis分析显示，所有含AgNP样品在350–600 nm范围内均出现银纳米颗粒表面等离子体共振的特征宽吸收带，而对照样品中不存在该特征。SEM图像分析显示，50、100和150 mg L^?1配方中可测量颗粒状物体的数量分别为36、60和108个，平均等效直径分别为7.42 ± 1.40、7.93 ± 1.59和8.57 ± 1.79 nm，分散指数范围为0.036至0.044，圆形度均值范围为0.819至0.854，表明视野内主要为紧凑但非完全球形的纳米级物体。

**3.3 AgNP释放特征**

水相释放实验显示，三种配方均呈现快速初始释放阶段随后缓慢接近准平台期的特征。5分钟时，50、100和150 mg L^?1配方的释放分数分别约为23.93%、25.24%和25.12%；1620分钟后，释放分数分别达到69.65%、70.46%和70.57%。Weibull模型拟合显示三种配方的渐近释放分数（F∞）在67.46%至69.41%之间，时间尺度参数τ在8.85至9.11分钟之间，形状参数β在1.30至1.400之间，表明三种配方的释放特征具有可比性。

**3.4 根际微生物丰度**

施加含AgNP薄膜后，可培养根际细菌和真菌的丰度均无显著变化，表明在测试条件下，含AgNP薄膜未对这些微生物类群产生强烈抑制作用。

**3.5 植物组织银含量与胁迫生物标志物**

植物组织银含量测定显示，对照处理（C、Alg）未检出银，而150 mg L^?1 AgNP处理植株的银含量显著高于所有其他处理。抗坏血酸含量在各AgNP处理与对照之间无显著差异，但150 mg L^?1处理植株显著高于50 mg L^?1处理。谷胱甘肽浓度在各处理与对照间无显著差异，但50 mg L^?1处理植株显著低于Alg对照和150 mg L^?1处理。三种AgNP负载量处理均使多酚类化合物含量显著低于对照（C）。抗氧化活性方面，150 mg L^?1处理显著高于所有其他处理，而50和100 mg L^?1处理低于对照植株。过氧化物酶活性在各处理间无显著差异。

**3.6 光合色素含量**

叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量在各处理间均无统计学显著差异，表明光合色素积累在测试处理和生长阶段下相对稳定。

**3.7 蛋白质、膳食纤维和糖含量**

无AgNP海藻酸盐膜（Alg）导致膳食蛋白含量较其他处理显著降低。50 mg L^?1 AgNP膜和Alg膜处理使膳食纤维含量较对照和其他AgNP处理显著升高，而100 mg L^?1 AgNP处理使膳食纤维含量显著降低。总糖含量在各处理间无显著变化。

**4. 讨论与结论**

讨论部分指出，FTIR分析表明AgNPs主要以物理包埋方式嵌入海藻酸盐基质，而非共价结合，海藻酸钠充当了纳米颗粒的载体和临时储库。在湿润土壤条件下，基质膨胀和逐渐降解可能促进银物种从薄膜中释放，这与最高标称AgNP负载量下芝麻菜组织中检测到的银积累一致。UV–Vis光谱确认了纳米颗粒的形成，且在新鲜制备的含AgNP配方中未观察到硝酸银前体的特征信号。然而，水相释放实验中的UV–Vis信号反映的是具有等离子体活性的AgNP当量分数，而非总银释放量，不能区分完整AgNPs、聚集AgNPs、Ag⁺离子或UV区域吸收的基质和合成衍生组分。

可培养根际微生物丰度未出现显著变化，这可能归因于有限的银生物可利用性或薄膜基质的缓释作用，但该研究仅评估了培养依赖的丰度，无法排除微生物活性或群落结构变化的可能性。

研究未观察到过氧化物酶活性的刺激以及抗坏血酸或谷胱甘肽含量的增加，但观察到多酚类化合物含量在处理后显著降低。50和100 mg L^?1处理使抗氧化活性降低，而150 mg L^?1处理显著提高了抗氧化活性。这种选择性、终点特异性响应模式表明AgNP暴露不一定导致植物抗氧化防御的均一激活。

光合色素含量在测试条件下相对稳定；蛋白质含量对不同AgNP标称负载量的响应不显著；膳食纤维含量呈非单调变化，提示为处理特异性效应而非明确剂量依赖性；糖含量不受影响。

在五周龄芝麻菜植株中，银在组织中积累，酚类含量降低，抗氧化活性随处理变化，而过氧化物酶活性、抗坏血酸、光合色素、谷胱甘肽和总糖基本保持不变。水相释放实验显示三种配方具有高度可比的快速初始释放后缓慢接近准平台的动力学特征。

研究人员最后总结道，该研究为可生物降解AgNP载体系统对非靶标植物和可培养根际微生物的响应提供了初步评估。研究结果不支持将这些薄膜用作植物生长促进处理或确定田间施用量，其实际意义在于证明具有潜在抗菌功能的可生物降解材料可以在植物-基质条件下释放生物可利用银，而不会在测定的短期终点中引起广泛的不利变化，但同时会在可食用植物中产生银积累和选择性生化响应。未来研究需要包括银离子对照、银物种分析、泥炭中释放测定、更广泛的微生物群落分析和更具代表性的显微取样。