金屬基納米顆粒對豆科植物生長及固氮的影響綜述

摘 要 隨著納米技術(shù)的發(fā)展，金屬基納米顆粒（Metal-based Nanoparticles，M-NPs）因用量低、效果好等特點被應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中當作肥料、生長調(diào)節(jié)劑和殺蟲劑等。盡管前人在M-NPs對植物的影響方面有廣泛研究，但仍缺少對豆科植物及氮循環(huán)過程的相關(guān)研究。為更好地了解M-NPs對植物固氮的影響途徑與機制，總結(jié)不同M-NPs對豆科植物固氮及生長的影響，發(fā)現(xiàn)M-NPs對豆科植物固定氮的能力及生長情況的影響與M-NPs的種類、濃度、大小、形狀等因素相關(guān)。此次研究為M-NPs促進農(nóng)作物固氮提供理論依據(jù)，并對M-NPs在農(nóng)業(yè)中的安全、高效應(yīng)用進行展望。

關(guān)鍵詞 金屬基納米顆粒；豆科植物；植物生長；固氮作用

中圖分類號：Q945.11 文獻標志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2024.13.019

金屬基納米顆粒（Metal-based Nanoparticles，M-NPs）是指直徑在1～100 nm的以金屬或金屬氧化物為主的超細微粒，其因獨特的物理和化學特征，如較高的吸附水平、較大的比表面積和較強生物活性等特點而受到廣泛關(guān)注，并被應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、工程、食品等領(lǐng)域[1]。在農(nóng)業(yè)應(yīng)用方面，M-NPs的尺寸小，能夠輕易進入作物，并在作物體內(nèi)進行長距離移動，到達一些特定部位發(fā)揮作用；M-NPs既可以充當營養(yǎng)元素的添加劑/載體，又是營養(yǎng)元素本身，將其當作農(nóng)藥或化肥施用時不僅能夠提高作物產(chǎn)量、營養(yǎng)價值，還可以降低作物病蟲害發(fā)生率[2]。因此，M-NPs在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用能夠促進作物生長并提高作物在非生物脅迫下的抗逆性。相較于傳統(tǒng)農(nóng)藥、化肥而言，M-NPs的使用能降低生產(chǎn)、應(yīng)用成本，進而減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對農(nóng)藥的依賴與濫用所帶來的環(huán)境風險。

M-NPs與植物、微生物之間相互作用的生物效應(yīng)受到材料類型、大小、形狀等特性及施用方法的影響，且濃度是影響M-NPs對植物作用效果的關(guān)鍵因素。例如，ZnO NPs、TiO2 NPs、Fe2O3 NPs、CeO2 NPs等M-NPs在低濃度施用時會充當納米肥料顯著促進植物生長，高濃度施加時則會產(chǎn)生過量的活性氧，引起植物氧化應(yīng)激反應(yīng)破壞植物的穩(wěn)態(tài)；而Ag NPs等M-NPs則可能會聚集在植物根系表面并形成一層難溶性金屬離子層，阻礙植物根系對水分和營養(yǎng)的吸收[3]。因此，為達到促進作物生長并提高作物產(chǎn)量的目的，在實際應(yīng)用中需要考慮M-NPs的濃度、類型等對作物氧化應(yīng)激和細胞毒性的影響。

隨著全球人口快速增長，糧食需求不斷增加，需要創(chuàng)新技術(shù)來提高氮的有效利用率及作物的產(chǎn)量，同時避免影響環(huán)境。豆科植物是人類食品中蛋白質(zhì)、油的主要來源之一，具有較高的經(jīng)濟價值。特別地，豆科植物還對土壤有機碳和有機氮有很好的固定作用，其根系與土壤中的根瘤菌通過共生作用形成根瘤結(jié)節(jié)，吸收大氣中的氮氣并將其轉(zhuǎn)化為植物生長所需要的氮素養(yǎng)分（即固氮過程）。然而，豆科植物在生長發(fā)育過程中容易受到外界環(huán)境的影響，進而直接或間接地影響根瘤發(fā)育。此外，植物激素同樣會影響結(jié)瘤過程，如根瘤中乙烯的積累會抑制根瘤的生長，細胞分裂素和生長素的拮抗作用會誘導根瘤的發(fā)育等[4]。有研究報道，M-NPs能誘導調(diào)節(jié)植物代謝產(chǎn)物信號分子的生物合成，并參與調(diào)節(jié)根瘤及植物的生長發(fā)育，如Fe2O3 NPs能夠通過激活根瘤的抗氧化體系，促進根瘤發(fā)育并提高大豆產(chǎn)量和種子營養(yǎng)品質(zhì)[5]。

通過綜述M-NPs影響植物-土壤-微生物體系氮循環(huán)過程的作用規(guī)律及其調(diào)控機制，并系統(tǒng)性地分析M-NPs對根際土壤微生物群落的影響，為納米材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)農(nóng)化產(chǎn)品、提升豆科植物的產(chǎn)量及營養(yǎng)品質(zhì)方面提供理論基礎(chǔ)。

1" M-NPs對豆科植物土壤微生物群落的影響

1.1" 對細菌的影響

土壤中大部分氮循環(huán)是由細菌驅(qū)動的，為高等生物提供不同形式的含氮化合物。M-NPs在不同土壤基質(zhì)中的遷移轉(zhuǎn)化能力影響著土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)的多樣性，其對土壤氮循環(huán)的影響情況按照土壤氮循環(huán)的步驟主要表現(xiàn)在3個方面。

1.1.1" 氨化作用

氨化細菌的數(shù)量能夠反映土壤供應(yīng)氮肥的能力，M-NPs的濃度是影響細菌活性的關(guān)鍵因素。例如，低濃度的CuO NPs（10 mg·L-1）可以提升氨化細菌的生物活性，而當其濃度超過30 mg·L-1時，氨化細菌的活性被顯著抑制，且該抑制作用隨著暴露劑量的增加逐漸增強[6]。再如，當ZnO NPs濃度從5 mg·L-1升高到150 mg·L-1時，其對厭氧氨氧化細菌的抑制率從18%增加到了150%[7]。

1.1.2" 硝化作用

硝化細菌數(shù)量決定了土壤中氮循環(huán)速度。He等研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)eO NPs（0.1～10.0 mg·kg-1）對土壤硝化能力會產(chǎn)生正向影響[8]。Ge等研究發(fā)現(xiàn)，土壤中細菌群落豐度隨著ZnO NPs（50～500 mg·kg-1）濃度的增加而增加[9]。鉬是豆科植物氮代謝相關(guān)蛋白合成需要的重要元素，其能夠通過控制無機硝酸鹽的還原過程輔助氮的固定，當使用鉬納米顆粒的膠體溶液（8 mg·L-1）浸種后，鷹嘴豆出苗期根際硝化細菌、放線菌的相對豐度顯著增加，且花期固氮菌的數(shù)量也有所增加[10]。

1.1.3" 反硝化作用

反硝化過程反映著土壤中氮素的損失。李琳慧研究發(fā)現(xiàn)，土壤中添加TiO2 NPs（500～2 000 mg·kg-1）會抑制氨化細菌、硝化細菌數(shù)量的增加，但反硝化細菌數(shù)量的增加卻并未受到影響[11]。這表明高濃度的TiO2 NPs會降低土壤中氮素的固定并加速氮素的損失。

1.2" 對真菌的影響

M-NPs與土壤中真菌的相互作用是多樣的，納米顆粒暴露在土壤中會降低土壤微生物的生物量和酶活性，改變真菌生物多樣性。叢枝菌根真菌（Arbuscular Mycorrhizal Fungi，AMF）是一種在農(nóng)業(yè)土壤中普遍存在的真菌，其可以通過與植物相互作用，在根中形成共生關(guān)系增加植物對養(yǎng)分的吸收。M-NPs的添加會促進AMF在植物根表面的定殖，增強植物根系對水分和養(yǎng)分的吸收能力，減少重金屬脅迫對植物造成的損傷。例如，當土壤環(huán)境中Ag NPs濃度過高時（100 mg·kg-1），AMF會通過促進自身生長以吸收Ag+，從而降低植物中Ag+含量和由高濃度Ag+引起的抗氧化酶活性，緩解高濃度Ag NPs誘導的植物毒性效應(yīng)[12]。

2" M-NPs對豆科植物生長及根際共生菌的影響

2.1" M-NPs對豆科植物生長的影響

M-NPs除了影響豆科植物根際微生物群落外，還會對植株的生長產(chǎn)生一定影響，其正向調(diào)控效應(yīng)主要表現(xiàn)在3方面（見圖1）。

2.1.1" 促進種子對水分的吸收并加快萌發(fā)進程

TiO2 NPs能激活大豆抗氧化系統(tǒng)、提高硝酸鹽還原酶活性及對水分的吸收/利用能力，從而促進大豆種子萌發(fā)和生長[13]。經(jīng)過FeS2 NPs溶液（100 mg·L-1）浸種處理后，鷹嘴豆根系長勢顯著增強[14]。

2.1.2" 影響植物生物量與籽粒產(chǎn)量

Abdel等發(fā)現(xiàn)，葉面噴施TiO2 NPs（100 mg·L-1）可以顯著提高蠶豆的葉面積、根干質(zhì)量和植株高度，并增強蠶豆對鹽脅迫的抵抗能力[15]。Fe2O3 NPs能夠顯著增強大豆植物對鐵元素的吸收能力，促進葉綠素、生物量及營養(yǎng)元素的積累[16-17]。1 mg·L-1的ZnO NPs會促進扁豆豆莢數(shù)量及籽粒產(chǎn)量的增加[18]。但當ZnO NPs濃度大于250 mg·L-1時，菜豆花朵中孢子的生長會受到抑制，導致菜豆產(chǎn)量降低[19]。

2.1.3" 參與植物生長發(fā)育的生化過程

Burke等研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e3O4 NPs能夠向大豆植物根部輸送固氮細菌生長所必需的鐵離子，提高根瘤的發(fā)育水平，還可以促進根瘤菌中結(jié)瘤因子的表達，進而提升大豆植物與根瘤菌共生體系的結(jié)瘤水平[20]。豆科植物的固氮作用是一個高耗能過程，過度固氮會抑制植物地上部和根系的生長，而葉面噴施Fe2O3 NPs（30 mg·L-1）能夠促進三羧酸循環(huán)，為固氮提供能量[5]。

部分金屬微量元素在氮代謝相關(guān)的生化反應(yīng)中起重要作用，但濃度過高時同樣會對固氮和植物的生長產(chǎn)生抑制作用。M-NPs對植物的負向調(diào)控主要表現(xiàn)在其對植物細胞完整性的影響，如高濃度的TiO2 NPs（250 mg·L-1）會被吸附在大豆植物根系表面造成物理損傷，導致植物的生長受到抑制[21]。這表明M-NPs能夠通過改變植物細胞形態(tài)及其正常功能影響植物的生長。此外，進入植物體內(nèi)的M-NPs會對植物造成氧化損傷，如200 mg·L-1的ZnO NPs會通過提高大豆植物葉片中活性氧含量，使植物出現(xiàn)氧化損傷[22]。當濃度達到500 mg·kg-1時，ZnO NPs會完全抑制豆莢中種子的生長[23]。

2.2" M-NPs對根際共生菌的影響

豆科植物根系和根瘤菌的共生體是地球上重要的共生體系，是陸地生態(tài)系統(tǒng)不可或缺的功能系統(tǒng)，在土壤養(yǎng)分循環(huán)、有機質(zhì)礦化、植物和微生物群落演替過程中發(fā)揮重要作用，可保護生態(tài)系統(tǒng)的功能和穩(wěn)定。然而，目前關(guān)于M-NPs調(diào)控固氮菌的報道相對較少，且相關(guān)研究多缺乏對真實M-NPs濃度和土壤環(huán)境的考慮。綜合上述M-NPs對土壤固氮微生物的影響機制分析發(fā)現(xiàn)，M-NPs對植物根系固氮菌產(chǎn)生影響體現(xiàn)在2個方面。

2.2.1" 調(diào)控生化過程

部分M-NPs能夠自發(fā)產(chǎn)生或誘導細胞產(chǎn)生過量的活性氧，破壞細胞膜結(jié)構(gòu)，對細胞直接產(chǎn)生毒性。例如，高濃度的CeO2 NPs和ZnO NPs能夠通過NPs與細胞膜之間的靜電作用吸附在中華根瘤菌表面，并誘導產(chǎn)生活性氧造成細胞氧化損傷，導致固氮效率降低[24]。TiO2 NPs（35 nm）會聚集于根瘤細胞壁上，并通過產(chǎn)生羥基自由基對根瘤菌的細胞造成損傷，破壞豌豆與根瘤菌之間的共生體系，降低固氮效率[25]。

2.2.2" 產(chǎn)生離子效應(yīng)

M-NPs在土壤及植物汁液環(huán)境中會釋放金屬離子，且這些金屬離子本身具有一定的抗菌性，對細胞產(chǎn)生毒性。例如，0.2 mg·L-1的Ag NPs會影響根瘤菌和固氮菌的硝酸還原酶活性[26]。當Ag NPs濃度達到10.0 mg·L-1時，對蠶豆根瘤菌具有致死性[27]。此外，有些M-NPs施用濃度過高時會出現(xiàn)金屬離子聚集現(xiàn)象，抑制固氮菌生長。例如，5 g·kg-1的CeO2 NPs對共生系統(tǒng)不會產(chǎn)生影響，而50 g·kg-1 CeO2 NPs則完全抑制固氮菌的生物活性[28]。

3" 總結(jié)與展望

在全球人口不斷增加、可利用耕地面積不斷減少的背景下，傳統(tǒng)肥料的生產(chǎn)與使用已難以滿足人類不斷增長的糧食需求。作為新型環(huán)境功能材料，M-NPs已被證明可以通過土壤添加或葉面噴施促進植物生長、提升糧食產(chǎn)量，因此有必要進一步將納米肥料技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，早日實現(xiàn)納米肥料的農(nóng)業(yè)化與商業(yè)化。但同時仍需要將食品安全性、經(jīng)濟可行性、社會接受性納入評估體系之中，對M-NPs的生物效應(yīng)、環(huán)境影響進行全面評估，充分明確不同劑量的M-NPs對不同作物的影響水平，以免帶來弊大于利的不良影響，如塑料、雙對氯苯基三氯乙烷（Dichloro Diphenyltrichloroe Thane，DDT）等在環(huán)境中生物積累和生物轉(zhuǎn)化所帶來的不利影響。

目前，許多研究在評估M-NPs的環(huán)境風險時所使用的劑量遠高于土壤和空氣中可能存在的水平。這種條件下M-NPs對植物或其他生物產(chǎn)生的毒性效應(yīng)，并不能如實反映其環(huán)境風險，因此不能由此認為這種毒性是由M-NPs引起。因此，在今后M-NPs對植物的影響情況及作用機理的研究中，應(yīng)盡可能地充分依據(jù)其在環(huán)境中出現(xiàn)的劑量水平進行研究。目前，大部分研究仍局限于作物的萌發(fā)及幼苗階段，為更好地理解M-NPs對植物、生態(tài)及人類的影響，確保其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域安全利用，需要針對植物整個生命周期進行M-NPs的生物效應(yīng)評價，以評估其沿食物鏈傳遞的生物積累放大效應(yīng)和可能存在的營養(yǎng)轉(zhuǎn)移風險。

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（責任編輯：張春雨）

收稿日期：2024-05-14

基金項目：國家自然科學基金青年科學基金項目（42307286）；國家自然科學基金面上項目（42177191）。

作者簡介：郭耀祖（1997—），在讀碩士，研究方向為納米材料對大豆的促生長機制。

*為通信作者，E-mail：hy0305hy@163.com。