生物硒纳米颗粒：水稻砷胁迫难题的 “多面救星”

时间：2025年4月22日

来源：Biocatalysis and Agricultural Biotechnology

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当前农业面临砷（As）污染和合成染料污染问题，影响植物生长、食品安全等。研究人员以水稻根际菌斑相关细菌伯克霍尔德氏菌（Burkholderia）sp. EIKU24 合成生物硒纳米颗粒（BioSeNPs）。结果显示其具多种生物活性，能促进水稻生长、减轻 As 胁迫，对可持续农业意义重大。

在当今的农业领域，一场 “污染危机” 正悄然上演。重金属（类金属）和合成有机污染物不断侵蚀着农田，其中砷污染的影响尤为严重。砷污染在全球多地出现，像美国、印度、孟加拉国等国家的农田都未能幸免。在印度的部分地区，砷污染程度令人担忧，有的地方土壤砷含量从 6.62 - 19.56mg/kg 不等，有的甚至高达 46.17 - 66.00mg/kg。这些砷主要来源于含砷的灌溉地下水，印度西孟加拉邦每年就有 6.4 吨砷因使用受污染的管井水灌溉而进入农田。此外，工业活动也让砷在地球地壳中的浓度大幅上升，农药工业废弃物中的砷含量可达 35g/kg。与此同时，未经处理的废水用于灌溉，不仅带来合成染料，还增加了致病微生物的数量，进一步破坏了农田生态。

水稻作为亚洲的主要粮食作物，却有着严重的砷积累问题，其积累量在 0.1 - 1.83mg/kg 之间。而且，水稻种植时的淹水条件会导致厌氧环境，使得砷的积累比其他谷物更多。砷在土壤中主要以亚砷酸盐 [As (III)] 和砷酸盐 [As (V)] 两种形式存在，它们通过植物的磷酸盐转运体进入植物体内并积累，危害人体健康，威胁粮食安全。同时，砷和染料污染还会阻碍植物生长、降低土壤肥力、减少作物产量，损害有益土壤微生物，破坏土壤养分平衡。因此，寻找一种环保且持久的方法来修复受砷和合成染料污染的稻田迫在眉睫。

在这样的背景下，纳米技术的出现为解决这些问题带来了希望。硒（Se）作为一种重要的微量元素，在改善人体免疫系统、生殖健康以及抗癌方面发挥着关键作用。而生物硒纳米颗粒（BioSeNPs）因其独特的优势，成为研究的热点。许多研究发现，BioSeNPs 具有抗菌、抗生物膜、抗氧化等多种活性，还能去除有机染料和减轻重金属污染。但以往研究多使用非稻田细菌合成 BioSeNPs，对于稻田本土细菌合成的 BioSeNPs 与水稻种植的兼容性研究较少。

为了解决这些问题，来自未知研究机构的研究人员开展了一项针对水稻根际菌斑相关细菌伯克霍尔德氏菌（Burkholderia）sp. EIKU24 合成 BioSeNPs 的研究。研究成果发表在《Biocatalysis and Agricultural Biotechnology》上，为解决稻田污染问题提供了新的思路和方法。

研究人员在这项研究中用到了多种关键技术方法。他们从水稻根际菌斑中分离出伯克霍尔德氏菌（Burkholderia）sp. EIKU24，通过在添加亚硒酸钠（Na₂SeO₃）的培养基中培养，观察颜色变化来检测其硒还原能力；利用光密度（OD₆₀₀）测量评估细菌对硒的耐受性；借助扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和傅里叶变换红外光谱（FT - IR）对合成的 BioSeNPs 进行表征；采用多种实验方法分别测定 BioSeNPs 的抗菌、抗生物膜、抗氧化和光催化活性；通过水培实验研究 BioSeNPs 对水稻种子萌发、幼苗生长以及砷转运的影响。

下面来看看具体的研究结果：

BioSeNPs 的合成与表征：伯克霍尔德氏菌（Burkholderia）sp. EIKU24 能合成 BioSeNPs。通过 SEM 和 TEM 分析发现，这些 BioSeNPs 呈球形且为结晶态，直径在 230 - 330nm 之间。FT - IR 和电子显微镜进一步显示，BioSeNPs 周围有生物分子涂层，表面电荷为 - 28mV。
BioSeNPs 的生物活性：BioSeNPs 具有多种生物活性。在抗菌方面，其悬浮液（10mg/mL）对金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）和铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）生物膜的抑制率分别达到 78% 和 67%。抗氧化能力方面，相对 DPPH 清除活性高达 90%。光催化活性也很显著，30 分钟内可降解 86% 的亚甲基蓝（10mg/L）溶液。
BioSeNPs 对水稻的影响：在水稻种子萌发实验中，与水或亚硒酸钠（Na₂SeO₃）引发相比，BioSeNPs 引发的水稻种子在各项萌发参数上表现更优。水培实验表明，无论是在砷暴露还是未暴露的情况下，由 BioSeNPs 引发的种子生长出的水稻幼苗，其根和茎的长度、湿重和干重、叶绿素含量都有所增加，植株生长更健康。而且，BioSeNPs 引发显著降低了砷向地上部分和根部的转运，与水引发相比，转运量减少了约 50%，这表明 BioSeNPs 能增强水稻对砷的抗性。

综合以上研究，研究人员得出结论：伯克霍尔德氏菌（Burkholderia）sp. EIKU24 可合成 BioSeNPs，这些 BioSeNPs 具有多种生物活性，不仅能促进水稻种子萌发和幼苗生长，还能增强水稻对砷胁迫的抗性，在可持续农业方面具有巨大的潜力。然而，研究也指出，BioSeNPs 对土壤生态的影响以及它们与其他污染物的相互作用还需要进一步研究。

这项研究的意义重大。它首次探索了水稻根际菌斑相关细菌合成的 BioSeNPs 的多种生物活性及其对水稻生长和砷胁迫的影响，为解决稻田砷污染问题提供了新的生物纳米技术途径。BioSeNPs 在促进植物生长、减轻砷胁迫方面的良好表现，为可持续农业发展提供了新的方向。虽然目前还有一些问题有待研究，但它已经为未来的农业污染治理和可持续发展奠定了重要基础，有望在实际农业生产中发挥巨大作用，保障粮食安全和生态环境健康。