金属基纳米颗粒在农业生物技术中的多功能应用综述：从抗病原体到生物刺激与传感检测

《South African Journal of Botany》：Metal-based nanoparticles for biotechnology: Applications in agriculture

　　

金属纳米颗粒具有多重功能：可作为抗病原体（antipathogens）和杀线虫剂（nematicidal agents），以及生物刺激剂（biostimulants）和用于检测病原体的传感器（sensors）。纳米颗粒（如Ag、Cu、ZnO等）的有效性通常与传统农用化学品（agrochemicals）相当或更优。低浓度和中浓度的纳米颗粒可刺激植物生长并增强抗逆性，而高浓度则对植物和环境具有毒性。利用植物和微生物生产纳米颗粒，与传统方法相比，使其更加环境友好且具有生物相容性（biocompatible）。目前关于纳米颗粒对有益生物（如蜜蜂）、土壤微生物群落（soil microflora）及健康植物影响的数据尚不充分。

1. 引言

到2050年，全球人口预计将接近100亿，对农业系统确保粮食安全和环境可持续性构成了巨大压力。满足这一不断增长的需求需要粮食产量提高50%–60%以上。然而，当前农业生产力受到气候变化、土壤退化、养分利用效率低下以及日益加剧的生物和非生物胁迫等多重因素的制约。传统农业实践（如过度使用合成肥料和农药）加剧了这些问题，导致土壤退化、水污染和生物多样性丧失。纳米技术（nanotechnology）的进步为农业转型开辟了新机遇。金属基纳米颗粒（metal-based nanoparticles）因其高比表面积、反应活性和功能化修饰潜力等独特的物理化学性质而备受关注。与传统农药和肥料相比，纳米颗粒可实现活性成分的靶向递送（targeted delivery）、控释（controlled release）和增强的生物利用度（bioavailability）。基于氧化锌（ZnO）、银（Ag）、铜（Cu）、氧化铁（Fe₂O₃）和二氧化钛（TiO₂）的纳米颗粒在农业中展现出显著潜力。金属纳米颗粒具有抗病原体特性、光活性（photoactivity）和生物刺激能力。利用植物提取物的"绿色"合成（green synthesis）方法也在积极发展。与传统依赖有毒化学品和能量密集型程序的合成方法不同，利用植物提取物和微生物的"绿色"合成提供了一种环境友好且经济高效的替代方案。本综述旨在总结当前关于金属纳米颗粒在农业中作用的知识，采用功能分类（functional classification）来反映其实际应用，包括抗真菌、抗细菌、杀虫和杀线虫活性，以及生物刺激、光刺激和生物传感。

2. 金属纳米颗粒的抗真菌特性

金属纳米颗粒作为传统化学杀菌剂的替代品引起了特别关注。Ag、Cu及其他金属的纳米颗粒通过产生活性氧物种（ROS）和破坏细胞膜来有效抑制真菌感染。

2.1 银纳米颗粒

银是合成纳米颗粒最常用的金属之一。2012年，Kim等人对18株栽培植物真菌病原体进行了大规模体外（in vitro）研究，发现在培养基中浓度为100 ppm（100 mg/L）时，所有纳米颗粒类型均表现出显著的杀真菌效果。随后，利用苦楝（Melia azedarach）叶水提取物合成的银纳米颗粒在体外显著抑制大丽轮枝菌（Verticillium dahliae）的生长，在茄子植株的体内（in vivo）实验中，浓度为20 ppm（20 mg/L）时使病害严重度降低97%。利用菜豆（Phaseolus vulgaris）提取物合成的银纳米颗粒在200 μg/mL浓度下对多种镰刀菌（Fusarium spp.）和丝核菌（Rhizoctonia solani）等病原菌的抑制率高达100%，且效果优于商业银纳米颗粒。此外，利用副干酪乳杆菌（Lactobacillus paracasei）培养后培养基合成的银纳米颗粒在豌豆幼苗上对Didymella pinodes和燕麦镰刀菌（Fusarium avenaceum）表现出显著的杀真菌效果。

2.2 铜纳米颗粒

铜被广泛用于合成杀真菌纳米颗粒。铜纳米颗粒对核果类病原体美澳型核果链核盘菌（Monilinia fructicola）的抗性菌株和标准菌株均表现出显著抑制作用，并与甲基硫菌灵（thiophanate-methyl）在体外和体内表现出协同效应。氧化亚铜（Cu₂O）纳米颗粒在体外和体内均可抑制黄瓜根腐病病原菌茄病镰刀菌（Fusarium solani）的生长，处理后植株的细胞壁、根皮层和叶肉组织比未处理植株更厚。利用印楝（Azadirachta indica）水提取物获得的"绿色"氧化铜纳米颗粒在水果试验中对米根霉（Rhizopus oryzae）表现出显著功效。利用哈茨木霉（Trichoderma harzianum）培养滤液合成的氧化铜纳米颗粒在体外和体内对小麦害虫稻瘟病菌（Pyricularia oryzae）均表现出显著效果。

2.3 钛纳米颗粒

钛是另一种具有杀真菌特性且被广泛研究的金属。利用辣木（Moringa oleifera）水提取物合成的二氧化钛纳米颗粒可有效抑制小麦叶枯病菌（Bipolaris sorokiniana）的生长，最有效的外源处理浓度为40 mg/L。利用石榴皮水提取物合成的二氧化钛纳米颗粒不仅降低了炭疽病菌（Colletotrichum graminicola）的发病率，还改善了感染植株的形态和生化参数。此外，利用牛角瓜（Calotropis procera）提取物合成的铁纳米颗粒对链格孢菌（Alternaria alternata）的杀真菌效果在几乎所有测试浓度下均优于商业杀菌剂。利用百里香提取物合成的碳酸钙和氧化铁纳米颗粒在体外和体内均能有效抑制草莓病原体灰葡萄孢菌（Botrytis cinerea）的菌丝和孢子生长。

3. 金属纳米颗粒的杀虫特性

昆虫和蛛形纲害虫是农业面临的最大威胁之一。传统杀虫剂对野生动物产生负面影响并可在食物链中积累。因此，纳米材料在该领域日益受到关注。利用臭椿（Ailanthus excelsa）水提取物合成的赤铁矿（α-Fe₂O₃）纳米颗粒已针对桃蚜（green peach aphid）进行了测试。利用马尾藻（Sargassum wightii）提取物获得的ZnO纳米颗粒对棉铃虫（Helicoverpa armigera）和疟疾媒介按蚊（Anopheles stephensi）具有毒性作用。大量研究致力于银纳米颗粒，用于防治叶螨（Tetranychus urticae）、吸血传病昆虫、番茄害虫和谷物仓储害虫。利用昆虫病原菌苏云金芽孢杆菌（Bacillus thuringiensis）代谢物合成的氧化银纳米颗粒在仅20 μg/g的剂量下即可杀灭100%的赤拟谷盗（Tribolium castaneum）种群。氧化铝纳米颗粒对米象（Sitophilus oryzae）和谷蠹（Rhyzopertha dominica）表现出高效杀虫活性。然而，在安全性方面仍需大量工作：研究发现氧化铝纳米颗粒对大鼠具有毒性作用，可导致肾脏和肝脏损伤。此外，金属纳米颗粒可对有益昆虫产生不良毒性效应，如TiO₂纳米颗粒可在Partamona helleri蜂体内积累并引发免疫反应，ZnO纳米颗粒对意大利蜜蜂（Apis mellifera）呈现剂量和时间依赖性的毒性，但低浓度银纳米颗粒（3–6 μg/mL）可延长工蜂的预期寿命。

4. 金属纳米颗粒的抗菌特性

纳米技术为对抗植物病原菌开辟了新途径。利用天然物质进行生物合成（biosynthesis）是一种环保的替代方法，可确保合成稳定的纳米颗粒。

4.1 银纳米颗粒

利用余甘子（Phyllanthus emblica）提取物合成的银纳米颗粒在体外对水稻病原菌Acidovorax oryzae RS-2表现出显著功效。针对另一种重要水稻病原菌水稻白叶枯病菌（Xanthomonas oryzae），利用柚子和橙汁合成的银和锌纳米颗粒在体外和体内均表现出高效抗菌活性。银纳米颗粒与氧化铁纳米颗粒联合测试时，银纳米颗粒使番茄青枯病病原菌Ralstonia solanacearum的病害严重度降低67%，而氧化铁纳米颗粒仅降低27%。利用胡椒（Piper nigrum）提取物合成的银纳米颗粒对Citrobacter freundii和Erwinia cacticida均有抗菌效果。利用钝顶螺旋藻（Spirulina platensis）和枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）提取物合成的纳米颗粒对软腐病病原菌Pectobacterium carotovorum表现出优于提取物本身的抗菌效果。

4.2 氧化锌纳米颗粒

氧化锌纳米颗粒（ZnONPs）被用作针对水稻白叶枯病菌的独立抗菌剂。利用洋甘菊花、番茄果实和橄榄叶提取物进行环保合成，其中橄榄叶提取物产生的ZnO纳米颗粒粒径最小，因其更大的比表面积而具有最佳的抗菌效果。利用柠檬提取物合成的ZnO和TiO₂纳米颗粒可抑制Dickeya dadantii约60%的活性。此外，研究人员开发了ZnO纳米颗粒与水杨酸（salicylic acid）的复合物，在细菌感染的pH条件下释放水杨酸以发挥抗菌作用，在甜瓜植株上叶面喷施300 mg/L浓度时，植株对Acidovorax citrulli感染的应对能力显著提高。

5. 金属纳米颗粒的杀线虫特性

根结线虫（Meloidogyne spp.）侵染超过3000种植物，其中南方根结线虫（Meloidogyne incognita）造成的作物损失全球高达1000亿美元。

5.1 银纳米颗粒

利用芦荟（Aloe vera）提取物获得的"绿色"纳米颗粒在鹰嘴豆温室实验中对南方根结线虫的抑制率高达60%，同时还能刺激植株的生化防御。利用万寿菊水提取物合成的银纳米颗粒在0.01 g/mL浓度下72小时内使线虫死亡率达93.6%。利用望江南（Cassia occidentalis）和Alternanthera pungens提取物合成的纳米颗粒在1 mg/L浓度下使幼虫死亡率达90%。

5.2 氧化铁纳米颗粒

Fe₂O₃纳米颗粒与石莼（Ulva Lactuca）提取物联合使用，不仅显著抑制了香蕉植株中南方根结线虫的发育，且与化学药剂草氨酰（oxamyl）相比，对植物的致突变作用极小。

5.3 铜纳米颗粒

利用大麻废弃物"绿色"合成的铜纳米颗粒在番茄实验中表现出最大的抗线虫活性：在200 mg/L浓度下，45天内使产卵量减少41%，根结（galls）形成数量减少38%。利用麻风树（Jatropha curcas）叶提取物获得的氧化铜纳米颗粒对南方根结线虫幼虫也具有抑制作用。此外，利用蒲桃（Syzygium cumini）提取物合成的二氧化钛纳米颗粒在胡萝卜实验中对线虫表现出高效杀灭活性。

6. 金属纳米颗粒作为生物刺激剂

金属纳米颗粒作为潜在的植物生长调节剂已被广泛研究，其效应呈现明显的剂量依赖性：低浓度促进生长，高浓度则产生毒性作用并抑制生理过程。利用番荔枝（Annona squamosa）提取物获得的低浓度AgNPs（最高120 mg/L）促进菜豆种子发育，而240和480 mg/L则产生抑制作用。金纳米颗粒在低浓度（50–200 μM）下对菠菜种子萌发和发育有显著正面影响，但在高浓度（250和300 μM）下抑制生长。"绿色"氧化锌纳米颗粒可改善三种豌豆的形态生理参数和蛋白质含量；在玉米中，200 ppm ZnO纳米颗粒促进生长，而400 ppm则具有毒性。Cu₂O纳米颗粒在60 mg/L时显著促进小麦生长，而430 mg/L则降低所有参数。然而，即使在低浓度下，纳米颗粒对某些植物的影响也可能不同：ZnO纳米颗粒在20 mg/L时即可几乎完全抑制莴苣（Lactuca sativa），而萝卜（Raphanus sativus）需要>300 mg/L才能达到同等效果。此外，纳米颗粒还可用于管理土壤和植物中的重金属，如二氧化钛纳米颗粒可降低小麦植株中Cd的累积。

7. 金属纳米颗粒作为光刺激剂

金属纳米颗粒不仅可增强植物生长和光合活性，还能提高作物对非生物胁迫的抗性。ZnO纳米颗粒在10和20 mg/L浓度下可刺激绿豆（Vigna radiata）中编码光系统II（Photosystem II）重要蛋白的psbA基因的表达，并增加叶绿素a和b的含量，但50 mg/L浓度产生抑制作用。高浓度（约200–300 mg/L）ZnO纳米颗粒对拟南芥（Arabidopsis thaliana）和蚕豆（Vicia faba）具有毒性，表现为抑制叶绿素合成基因表达并对光系统II产生直接负面影响。在盐胁迫条件下，100 mg/L的CuO和ZnO纳米颗粒反而促进了萝卜生长。钙纳米颗粒在100 mg/L浓度下对油菜（Brassica napus L.）在干旱条件下产生全面刺激作用，包括提高叶绿素a和b含量、光系统II效率及矿物质和气体交换参数。工业二氧化钛纳米颗粒在低浓度（20和50 mg/L）下刺激了莴苣中多个光合作用相关基因（psbA、petB、petA、psaA、psaC、ndhA和ndhD）的表达。掺杂钴和钕的氧化铁纳米颗粒在125和250 mg/L浓度下对大麦产生最佳刺激效果，并促进光系统标记基因（BCA、psbA和psaA）的过表达。

8. 金属纳米颗粒作为生物传感器

生物传感器（biosensors）是监测农业生态系统和作物的有前途的系统，包括土壤分析以及病原体和毒素检测。金属纳米颗粒因可被活性分子修饰而增强了检测器的灵敏度和选择性。利用寡核苷酸功能化的金纳米颗粒可检测特定DNA序列：在靶标DNA存在时纳米颗粒呈红色，无病原DNA时聚集变为紫色，该传感器成功检测了马铃薯病原菌Ralstonia solanacearum的DNA（检测限15 ng）。表面增强拉曼散射（SERS）技术可利用银纳米颗粒基底检测病原DNA。抗体功能化的金纳米颗粒可通过形成"抗体–细菌–抗体"夹心结构在电极上电化学检测病原菌。基于两种适配体（aptamers）和Au-Cu纳米颗粒的传感器利用金属纳米颗粒的类过氧化物酶活性检测玉米赤霉烯酮（zearalenone）毒素。含银纳米颗粒的结构化传感器可检测赭曲霉毒素A（Ochratoxin A），灵敏度约为20 ng/mL。"绿色"Au-Ag纳米颗粒修饰电极并偶联氨苄西林适配体，实现了0.4 ng/mL的检测限。基于可控聚集原理的金纳米颗粒适配体传感器可同时检测四种抗生素（卡那霉素、土霉素、磺胺地托辛、氨苄西林），灵敏度可达各物质最大允许浓度的0.25倍。此外，结合聚焦离子束（FIB）加工与二维材料的金纳米孔阵列-石墨烯基底传感器对罗丹明6G的检测限低至10^?9 mol/L，并可检测污染物孔雀石绿和杀虫剂甲萘威（carbaryl）。

9. 金属纳米颗粒的活性机制及其多功能性

金属纳米颗粒与植物的相互作用始于其吸收和转运。纳米颗粒可通过根部（经质外体或共质体途径）或叶片（经气孔和角质层）进入植物体内，随后经木质部和韧皮部转运至各组织。在植物体内，纳米颗粒可能经历溶解、聚集和生物转化等过程。其关键作用机制之一是活性氧物种（ROS）的生成：纳米颗粒诱导产生超氧自由基、羟自由基和过氧化氢，导致氧化应激（oxidative stress）。中等浓度时激活植物防御系统，高浓度时过量ROS导致膜损伤、线粒体功能障碍和细胞死亡。另一机制涉及金属离子的释放，干扰酶活性并与遗传物质相互作用。在分子水平上，纳米颗粒调控基因表达和激素调节，影响叶绿素合成、抗氧化酶和应激响应相关基因的转录，并影响植物激素（如增加脱落酸和吲哚乙酸水平以增强耐旱性和刺激根系生长）。正是由于这些多样的作用方式，纳米颗粒可在农业生态系统中同时发挥多重功能：抗菌活性基于ROS生成、细胞膜损伤和金属离子释放；同时，中低浓度下纳米颗粒可作为生物刺激剂改善养分吸收并激活抗氧化系统；光刺激表现为中等剂量下叶绿素含量和光合效率的提高；作为生物传感器，金和银纳米颗粒可通过与靶标结合后光学性质的变化来检测病原体和毒素。核心调控因素是浓度：低剂量刺激植物，高剂量杀灭病原体或对植物和非靶标生物产生毒性。

10. 结论

金属纳米颗粒的合成方法及其在农业各领域的应用研究取得了显著进展，许多研究报告了纳米颗粒相对于替代方法的高效性，"绿色"纳米颗粒合成领域也在积极发展。然而，金属基纳米颗粒的广泛部署引发了必须在其商业应用前严格评估的实质性安全问题：对非靶标生物（如蚯蚓和蜜蜂等传粉昆虫）的毒性效应、土壤微生物群落的负面影响、纳米颗粒在环境中的持久性和转归（包括物理、化学和生物转化）、食物链污染和营养级转移风险，以及当前监管框架的碎片化和不充分。此外，"绿色"合成的标准化、批次间重现性和规模化生产仍面临挑战，植物材料的植物化学成分因物种、产地、收获季节和提取条件而异，直接影响纳米颗粒性质的一致性和生物效应的可重复性。未来研究应聚焦于长期田间试验、标准化评估方案、"安全设计"（safe-by-design）策略以及物种特异性无毒配方的开发，以确保金属基纳米颗粒能够负责任地融入主流农业实践。