摘要
生物纳米粒子（BNPs）的合成方法已成为物理、化学和生物纳米粒子合成方法中最可持续和环保的选择。在农业、生物医学、食品和环境领域、化妆品以及能源等多个领域应用中，生物纳米粒子有助于解决各种压力问题。在这篇综述中，我们提供了关于生物纳米粒子合成及其通过直接或间接方法解决生物压力的最新信息。除了总结近期发展外，本文还强调了生物纳米粒子相较于化学或物理合成纳米粒子的独特优势，尤其是在环保制造、降低毒性、可生物降解性以及与植物系统的良好生物相容性方面。我们讨论了生物纳米粒子如何通过纳米杀虫剂、纳米杀菌剂和纳米除草剂等手段直接作用于导致生物压力的生物体，以及这些纳米技术如何与病原体或害虫感染部位相互作用。植物生长、增强耐受性和提高抗性是间接克服生物压力的方式。此外，本文还全面探讨了生物纳米粒子在农艺活动中可能带来的毒理学问题。
1 引言
在当前人口增长和资源需求不断上升的情况下，可持续性被忽视了。农业一直是满足食品需求的关键领域，同时也为其他制造业提供原材料。根据人口统计数据，到2050年，全球人口将达到97亿左右[1]。预计到那时，食品资源需求将翻倍[2]。森林砍伐加剧、农业用地减少、人口增长以及其他生物和非生物压力因素导致通过新技术提高植物生产力和作物产量变得十分紧迫[3]。植物固定的生长特性使其更容易受到各种压力影响，从而影响其形态和生理功能，最终阻碍其代谢活动。常见的抑制植物生长和发育的因素包括细胞膜溶解、细胞毒性增强以及活性氧（ROS）的产生[4]。为了培育高产且抗压的作物品种，人们尝试使用杀虫剂、农药和除草剂等农用化学品。据报道，每年在耕地中使用的杀虫剂量约为3.53公吨，化肥用量约为195.38公吨[5]。然而，仅依靠农用化学品和传统育种技术难以实现这些目标。此外，使用农用化学品还会破坏土壤微生物群落，导致土壤质量下降。因此，开发可持续技术已成为当务之急[5]。传统育种方法通过常规和突变育种技术培育出具有抗压特性的作物，但这些方法存在不确定性且耗时较长。基因工程技术的出现为解决这一问题提供了新途径，通过插入所需基因或调整基因表达水平来实现抗压性[6]。
纳米技术在农业领域发挥了重要作用，可提高作物产量并增强对生物和非生物压力的抵抗力，同时有助于控制化肥和农药的过量使用，防止对其自然环境的负面影响[7]。用于农艺活动的纳米粒子分为三类：有机纳米粒子、无机纳米粒子（金属和金属氧化物纳米粒子）以及碳基纳米粒子[8]。Rastogi等人的研究表明，在无机纳米粒子中，金属纳米粒子占比25%，金属氧化物纳米粒子占比54%，碳基纳米粒子占比10%[9]。Ag纳米粒子也是金属纳米粒子中的常见应用类型，其中ZnO、TiO₂、CuO和CeO₂是最常用的金属氧化物纳米粒子[9]。
纳米粒子合成是通过物理、化学或生物过程将物质制备成1-100纳米大小的纳米粒子的过程，适用于多种领域应用。根据质量、速度和成本考虑，目前主要采用两种纳米粒子制备方法：自上而下（top-down）和自下而上（bottom-up）方法[5]。自上而下的方法通过研磨和粉碎将大块材料转化为纳米粒子；而自下而上的方法则通过层层组装形成纳米结构。这种方法需要高温、高成本和潜在的污染风险[10]。绿色合成方法克服了物理和化学合成方法的缺点[11]。自上而下的方法包括机械研磨、电纺、激光烧蚀和溅射等技术。生物纳米粒子和化学纳米粒子的合成则采用自下而上的方法，利用微生物和植物提取物或化学气相沉积、溶胶-凝胶工艺、水热法、惰性气体冷凝和共沉淀等技术[10]。物理和化学合成方法的限制（如对外部封层依赖性、高能耗和纳米粒子不稳定性）限制了其可持续应用。相比之下，生物合成方法利用生物分子介导的还原和稳定过程，具有低能耗、低毒性和可持续原料利用等优点[12]。纳米生物技术的发展提高了多个领域的生产效率和效率，包括生物医学、食品、农业和环境等领域[13]。绿色纳米粒子还具有促进植物生长和抗菌特性，从而提高了其应用价值[14]。由于其抗菌作用（如破坏细菌膜和遗传物质），生物纳米粒子在生物医学领域特别有效[15]。它们通过多种机制（如酶抑制、金属离子螯合作用和活性氧清除）清除自由基[15]。在药物输送方面，绿色纳米粒子显示出提高药物装载效率和调节释放剂量的潜力[16]。
2 生物纳米粒子在促进可持续农业和提高作物生产力方面的多种作用
生物纳米粒子在农业领域有多种应用，如纳米肥料、杀虫剂、生长促进剂以及针对病原体攻击的系统响应调节剂。生物/纳米肥料通过增加养分富集度、提高养分溶解性和土壤肥力来改善土壤质量，从而促进植物生长和种子发芽[15]。El-Saadony等人比较研究了生物纳米粒子和化学纳米粒子的效果，发现生物纳米粒子更有效地抑制病原体生长[17]。除了在应对生物压力方面的作用外，生物纳米粒子还在缓解干旱、盐碱、高温和重金属毒性等非生物压力方面发挥重要作用。它们通过增强抗氧化防御机制、调节压力响应信号通路、优化养分吸收和水分利用效率以及减少有毒离子和活性氧的积累来提高植物耐受性[18]。Ishfaq等人发现，通过种子处理、叶面喷施和土壤浸泡施用的生物纳米ZnO显著改善了干旱胁迫下豌豆植物的生长、生理状态、抗氧化活性和矿物质吸收，显示出其在抗旱方面的巨大潜力[18]。
图1总结了生物纳米粒子在管理生物压力、养分管理、环境可持续性和植物保护方面的多种应用。在直接作用下，生物纳米粒子通过纳米杀虫剂、纳米杀菌剂和纳米除草剂等媒介直接作用于导致生物压力的生物体；间接作用下，它们促进植物生长并增强天然抗性机制，从而降低生物压力的影响。此外，本文还综合分析了生物纳米粒子在农业应用中的潜在毒理学问题。本文的创新之处在于全面总结了生物纳米粒子合成的最新进展、其在生物压力抑制中的机制作用及其与可持续作物生产的结合，提供了现有文献中尚未涵盖的统一框架。
3 生物纳米粒子合成的生物学途径：一种绿色的方法
绿色纳米技术（也称为植物纳米技术）是科学领域中快速发展和需求旺盛的研究方向。为克服生物和非生物压力，生物合成纳米粒子成为更可持续的选择[15]。生物合成纳米粒子的方法利用微生物或植物提取物，克服了物理和化学方法的局限性，具有简单、经济且环保的优势[15]。生物纳米粒子合成过程中，反应参数对纳米粒子的大小、形状、表面形态和电荷具有重要影响[19]。生物提取物的浓度决定了还原剂和封层剂的可用性，高浓度提取物通常产生更小、更稳定的纳米粒子[20]。金属离子浓度影响成核和生长动力学，过高浓度可能导致粒子聚集和形态不规则。溶液pH值影响生物分子的离子化状态，从而影响还原效率和表面电荷，碱性条件有利于形成 smaller 且形状均匀的纳米粒子。反应时间和温度控制晶体生长和成熟过程，过长反应时间或高温可能导致粒子变大或产生各向异性[21]。搅拌速度有助于提高传质效率和均匀性[19]。植物介导的纳米粒子合成利用富含生物活性代谢物的植物提取物，适用于大规模农业应用，如纳米肥料和纳米杀虫剂[18]。微生物介导的合成方法能更好地控制粒子大小和稳定性，适用于生物医学和精准农业[19]。两种生物合成途径均为可持续、低毒性的替代方案，具体优势取决于应用场景和可扩展性需求。
最新研究表明，纳米粒子的合成方法对其生物活性、生物相容性和对植物生长的影响有显著影响。对Ag纳米材料（包括未涂层AgNPs、PVP涂层AgNPs和标准化OECD参考物质NM300K）的高通量评估显示，化学稳定形式的纳米粒子与生物来源的纳米粒子相比，在基因表达和生态系统风险方面存在差异[22]。总体而言，生物纳米粒子比化学合成纳米粒子更有效地促进植物生长和提高耐受性，且毒性更低，这可能源于生物分子自然的封层作用，增强了与植物细胞的相容性[23]。例如，经过生物生成的AgNPs或基于Zn的NPs处理的植物通常表现出更好的发芽能力、光合作用参数、养分吸收以及对抗非生物压力的能力，而化学合成的NPs（包括像NM300K这样的参考胶体）在相似剂量下可能会引起氧化应激和负面的生理效应[24]。这些发现共同支持了生物纳米粒子在农业系统中可能比传统的化学纳米粒子提供更安全和更有效的生长促进效益的观点，尽管还需要进行全面的剂量-反应和机制研究来充分确立它们的比较优势。
2.1 植物制造的纳米粒子
基于植物的金属纳米粒子因其无毒性和安全性而在各种科学研究中受到青睐。植物中自然衍生的成分是还原剂和封端剂的丰富来源，如碳水化合物、氨基酸、维生素、脂质、蛋白质以及次级代谢物，如类固醇、黄酮类、香豆素、萜类和单宁。这些化合物在纳米粒子的制造和稳定性中起着关键作用[12]。生物活性成分的存在和数量减少了对外部添加促进化学反应剂的需求[25]。植物精华提供了一种快速、廉价且环保的替代方案，不需要昂贵的仪器，并且可以合成不含污染物的纳米粒子[26]（表1）。
表1 用于银纳米粒子合成的生物来源，详细列出了植物、真菌、细菌和藻类物种及其分类学家族、合成的纳米粒子类型、使用的生物部分、粒子大小和形状、观察到的生物效应以及相应的参考文献
图2展示了纳米粒子合成的一种可能机制。选择生物来源是基于其在次级代谢物、生化酶和参与生化途径的蛋白质方面的丰富性。在NP盐溶液与生物提取物混合后，通过NADPH和NADH为基础的还原过程来减少溶解的金属离子，其中还原后的中性金属颗粒聚集并稳定形成纳米粒子[13]。在金属纳米粒子的合成过程中，植物化学物质促进金属离子转化为零价金属离子，从而导致其聚集[78]。使用从叶片、茎、根、皮、树皮、花、果实和种子等不同部分收集的植物精华，可以生成包含Pd、Fe、Pt、Au、Ag、Cu、Zn和Se的各种纳米粒子[79]。
纳米粒子的物理化学状态，包括其年龄和合成后的变化，对于确定其生物效应至关重要。已知纳米材料的老化会改变表面化学性质，促进聚集，并减少离子释放，这可能会大幅降低纳米粒子的毒性[80]。同样，硫化过程将反应性金属纳米粒子转化为更稳定的金属硫化物形式，从而降低其生物可用性和毒性[81]。因此，应明确表征关键参数，如聚集行为、表面官能团、表面电荷（ζ电位）以及解离或离子释放动力学，因为这些因素决定了纳米粒子的稳定性、反应性和与生物系统的相互作用。
Gebreslassie等人[25]成功使用了一种简单的方法合成了CuO纳米粒子，该方法涉及将铜盐与Eucalyptus globulus和Cordia sebestena的植物叶精华混合，其中含有大量有助于减少铜盐的植物次级代谢物，并伴随着可识别的颜色变化，这一变化后来通过分光光度计读数得到了验证。Vanlalveni等人[34]及其同事观察到在AgNPs形成过程中的可见颜色变化。在AgNPs合成过程中，表面等离子体共振（SPR）过程会导致颜色随时间从淡黄色变为棕红色，这取决于AgNPs的大小、形状和聚集情况。利用Ag盐合成的绿色纳米粒子具有抗菌特性，并在生物医学领域有所应用。在一项研究中，使用Piper longum的水提取物制备了银纳米粒子。P. longum的水提取物和绿色合成的银纳米粒子在体外显示出强抗氧化活性[82]。农业工业废弃物也被用于纳米材料的生物制造，这种方法成本效益高、毒性低、节省能源，并且优于物理和化学合成。富含天然植物化学物质的生物废弃物可以作为促进纳米粒子合成的剂子和稳定剂[83]。
多项研究发现，由于生物提取物具有抗菌、抗氧化、杀幼虫、抗菌、抗病毒、光催化、抗癌和溶血等特性，它们可以用于纳米粒子的形成[10]。虽然植物制造的纳米粒子环保且成本效益高，但它们也面临一些限制。植物提取物的组成因物种、生长条件和提取方法而异，导致纳米粒子的大小、形状和产率不稳定。与微生物或化学合成方法相比，合成过程往往缺乏精确控制，从而导致批次间的差异。此外，混合植物化学物质的存在会增加纯化和机制理解的复杂性。有限的可扩展性、标准化方面的挑战以及田间验证不足进一步限制了它们在农业和生物技术中的广泛应用。
总体而言，植物制造的纳米粒子代表了一种绿色、安全且成本效益高的纳米材料合成方法，利用植物衍生的生物活性化合物作为天然的还原剂和稳定剂。尽管它们表现出多功能的生物活性和环境兼容性，但必须解决与变异性、标准化、可扩展性和有限田间验证相关的挑战，以便在农业和生物技术中实现可靠的大规模应用。
2.2 微生物制造的纳米粒子
从传统的纳米粒子合成向生物驱动方法的转变反映了农业中对更绿色、更安全和更有效纳米材料日益增长的需求。目前，物理和化学纳米粒子合成正被生物生成的纳米粒子合成所取代，其中微生物纳米粒子作为一种有效的替代品，通过竞争性抑制和产生抗菌代谢物来抑制导致生物压力的昆虫和害虫[84]。基于微生物的纳米粒子以其广泛的潜力而闻名。它们是通过微生物提取物还原溶解的盐溶液离子来合成的。此外，真菌和藻类形成的纳米粒子在可持续技术、替代可行性及可扩展性方面表现良好[15]。在细胞内合成时，纳米粒子是在细胞内产生的；而在细胞外合成时，则是在细胞外产生的。细胞外方法易于执行、收获和纯化，适用于大规模纳米粒子生产[85]。细胞内合成通过改变pH值、温度、底物浓度和底物相互作用时间等参数来进行调节[5]（表1）。
多项研究表明，微生物具有合成纳米粒子的潜力。在细菌物种中，它们可以在细胞内储存这些纳米粒子。此外，包括植物、微生物和动物在内的生物体可以利用酶促生物分子来还原银、金等金属离子[86]。Koul等人[87]在他们的综述中研究了通过细胞内和细胞外过程在多种微生物（包括细菌、放线菌、真菌、酵母、微藻和病毒）中形成金属、金属氧化物和其他重要纳米粒子的情况。某些细菌和微藻具有制造独特纳米材料的潜力，如胞外多糖、纳米纤维素、纳米板和纳米线。基于真菌的生物纳米粒子合成由于具有放大效应、清晰度、生物质处理、显著的表面距离恢复和优质的菌丝生长等优点而具有巨大潜力[15]。真菌介导的纳米粒子合成可以使用三种可能的合成方法进行，如电子穿梭醌、硝酸盐还原酶活性或两者结合[88]。使用Fusarium oxysporum通过硝酸盐依赖性还原酶和穿梭醌方法在细胞外合成AgNPs[89]。
在细胞内纳米粒子合成研究中，采取以下步骤：在真菌细胞进行生物还原的早期阶段，金属离子被捕获在细胞表面。菌丝细胞壁上带正电的酶与进入的纳米离子发生静电相互作用，从而发生还原现象。随后，还原后的金属离子聚集并稳定形成纳米粒子[88]。
根据细菌纳米粒子合成的研究，其初始步骤包括金属离子被捕获在细菌细胞内部或表面。其次，当细菌酶催化离子时，它们经历还原步骤。由于纳米粒子的收获和纯化更为简单，因此细胞外方法比细胞内方法更受欢迎[90]。细菌释放的细胞外和细胞内物质在与Ag或Au溶液结合时用作还原剂来合成纳米粒子。此外，还原剂包括糖类化合物、代谢过程、典型的膜蛋白和细胞内酶。例如，观察到还原剂严重依赖于辅因子NADH（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸氢化酶）和NADPH（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氢化酶）。在NADH依赖性酶的作用下，NADH成为电子载体并传输电子[85]。
微生物制造的纳米粒子提供了一种可持续、高效且可扩展的替代传统合成方法的选择，细菌、真菌和藻类作为有效的生物工厂。它们通过细胞内和细胞外途径以及酶促和代谢过程产生纳米粒子，这突显了它们在农业和生物控制应用中的潜力；然而，为了实现大规模应用，优化和标准化是必不可少的。
3. 使用BNPs减轻生物压力的机制见解
生物压力是指生物体干扰植物正常代谢过程的情况，导致重要作物（如小麦28.2％、水稻37.4％、玉米31.2％、大豆26.3％和棉花作物28.8％）的显著经济产量损失[91]。生物和非生物压力共同导致了收获前作物损失的35％。在主食作物和商业粮食作物中，15-20％的产量损失是由昆虫和害虫疾病造成的。在全球范围内，由病原体疾病引起的产量损失约为11-30％[92]。
纳米粒子通过调节ROS水平并激活关键防御途径来增强植物的抗压能力。通过增强抗氧化酶（SOD、CAT、POD、APX），生物源纳米粒子恢复氧化还原平衡并限制氧化损伤。同时，ZnO和SiO₂纳米粒子等纳米粒子触发SA和JA介导的免疫信号，激活防御基因和系统抗性。通过这种ROS动态和防御信号的联合调节，纳米粒子增强了植物对非生物和生物压力的抵抗力。尽管植物利用其免疫系统、角质层、蜡质和毛状体等物理屏障以及化学物质来保护自己免受生物压力的影响，但在植物生命周期的后期，它们仍会受到生物体的感染。为了控制这些压力，农药曾一度成为趋势，但农药会对非目标生物造成有害影响，并对微小和大型动物产生负面影响[92]。为了解决上述问题，纳米生物技术具有巨大的潜力，可以在不对非目标生物造成大规模有害影响的情况下控制植物病害爆发。这里讨论了两种不同的方法：第一种是直接针对病原体、昆虫和害虫；第二种是通过促进植物生长和增强耐受性来间接实现。
3.1 直接针对植物病原体的生物控制策略
植物病原体对人类文明有重大影响，影响食品生产、经济增长、可持续农业和环境韧性以及自然景观。除了在作物中造成损失外，生物压力还导致重大的经济损失，其中病原菌感染尤为突出[92]。昆虫和螨虫通过吸取细胞汁液或咬伤细胞部分对植物造成损失。它们还传播多种病毒和细菌感染[93]。由于广泛的宿主范围、长期感染能力和较高的生存能力，细菌疾病控制需要精确的措施。大约19,000种真菌已被发现是全球范围内作物多种疾病的来源[92]。随着时间的推移，由于孢子通过风流、水、土壤、昆虫和其他无脊椎动物的传播，整个作物都会面临真菌感染。真菌以生物养型或腐生养型存在于宿主细胞中。在生物养型条件下，真菌病原体在活的宿主细胞上存活而不杀死它们；而在腐生养型条件下，真菌病原体通常杀死宿主并在其死亡部分上存活[93]。线虫通过使植物缺乏养分、抑制其生长并导致其枯萎等方式损害植物。而植物病原菌感染则会导致病斑、过度生长、萎蔫等症状，病毒感染则会导致叶片黄化和发展受阻[93]。许多枯草芽孢杆菌菌株被用来生成涂有银（Ag）、金（Au）和铝（Al）的纳米颗粒（NPs），这些纳米颗粒被发现能够通过直接控制植物病原体和昆虫害虫的有害影响来显著促进植物的生长和发育，因此它们在所有枯草芽孢杆菌物种中成为了受欢迎的生物农药（NBioFs）[94]。生物农药因其能够更精确地发挥作用、毒性较低以及能够针对性地控制害虫、昆虫和杂草而具有重要意义[95]。纳米除草剂作为具有靶向性的剂型，由于其纳米级的尺寸，可以轻易穿透植物根部并在组织中传输，在那里它们会抑制关键代谢途径（如糖酵解），最终导致目标杂草种类的死亡。纳米除草剂可以与土壤良好结合，并在不引起任何负面副作用的情况下杀死目标物种[96]。纳米农药是尺寸在1至200纳米之间的二维或三维纳米结构，用于输送农用化学成分[97]。封装在纳米材料中的杀虫剂的致命效果和长时间的残留活性优于其商业同类产品[98]。像纳米农药、纳米杀虫剂和纳米除草剂这样的生物农药在缓解生物压力方面发挥着重要作用。通过提高活性成分的生物利用度并确保其受控和持续释放，这些生物农药减少了施用频率并防止了环境污染[95]。Balaure等人[96]的研究表明，铁（Fe）、磷（P）和钾（K）纳米肥料显著提高了藏红花的生产量、花朵数量、新鲜柱头重量、干燥柱头重量、柱头长度、新鲜花朵重量和干燥花朵重量。金属纳米颗粒会干扰微生物的细胞过程，并导致细胞失活。利用纳米颗粒的负电荷与微生物细胞膜的静电相互作用，它们能够附着在细胞膜上。随后，纳米颗粒和膜的去极化会干扰膜的通透性和呼吸功能，从而改变其物理特性[99]。金属纳米颗粒还会干扰植物病原体的细胞生物成分，如蛋白质、DNA、RNA和酶，由于在细胞内外产生了不规则的孔洞，这些成分会被泄漏出来，导致细胞膜受损，最终导致细胞死亡[88]。图3展示了纳米颗粒对植物病原菌细胞抗菌特性的作用机制示意图。图3的替代文本可能是通过人工智能生成的。
全尺寸图像：纳米颗粒抗菌特性的示意图。纳米颗粒与细菌细胞膜之间的静电相互作用干扰了膜的通透性。由于细胞壁中不规则孔洞的形成，细菌细胞生物分子的分解和泄漏最终导致细胞死亡。根据More等人的研究[100]，银纳米颗粒（AgNPs）的较小尺寸使其具有更强的杀菌活性，这是因为它们能与微生物有更大的接触面积，通过正电荷的银离子与带负电荷的细胞膜的相互作用破坏细胞形态，进而导致细胞泄漏和死亡。Vanlalveni等人在他们的研究中发现，银纳米颗粒的杀菌活性包括产生活性氧（ROS）、来自银纳米颗粒外层的自由基，以及与细菌细胞的相互作用，这会导致细胞内ATP水平下降和呼吸酶的损伤。银金属需要离子化才能获得抗菌性能。银离子（Ag⁺）倾向于与核酸中的磷酸基团结合形成复合物，因此所有显示出抗菌特性的银或其化合物来源都被用作银离子的来源[100]。由于银纳米颗粒具有独特的特性，如颗粒大小、表面结构、结晶度、电荷、使用浓度和催化活性，它们在昆虫和害虫控制中发挥着极其重要的作用。银纳米颗粒还能积累热休克蛋白（Hsp）和氧化应激信号，内质网功能障碍会直接阻碍蛋白质合成，从而导致病原昆虫和害虫的细胞毒性并最终死亡[101]。这些银离子会逐渐渗入物质中，随着时间的推移以磺胺银的形式释放出来，或者从完整的银纳米颗粒表面释放出来。随后，反平行链中的氢键断裂会导致DNA分子变性。银(I)离子进入细胞后会插入嘌呤和嘧啶碱基对之间[102]。此外，银纳米颗粒对细胞内外膜蛋白的磷（P）和硫（S）有很强的亲和力，这会影响呼吸作用和细胞复制，最终影响细胞寿命。银纳米颗粒还能与膜蛋白的巯基（thiol）和氨基（aminos group）结合，加速活性氧的产生，从而抑制细胞呼吸。银纳米颗粒还有助于与细菌菌层的相互作用，例如肽聚糖和细胞膜，这也解释了它们的出色杀菌活性[100]。氧化锌（ZnO）纳米颗粒具有抗真菌和抗菌性能。ZnO纳米颗粒会释放锌离子（Zn2⁺），这些离子会抑制细菌的主动运输、代谢和酶活性[103]。随后，ZnO纳米颗粒还会与细菌细胞表面发生静电相互作用，促使细胞内物质泄漏[104]。它们还会与羟基（hydroxyl group）结合并吸收水分，从而产生H₂O₂、OH⁻和O₂⁻。由于H₂O₂容易穿透细胞膜以及对生理重要的大分子（如核糖体、脂质、蛋白质和核酸）的结构完整性和功能的损害，细菌细胞会死亡[103]。ZnO纳米颗粒悬浮液（500 mg Zn/l）对禾本科镰刀菌（Fusarium graminearum）病原体具有抗真菌活性，研究表明，与对照组相比，在绿豆琼脂（MBA）培养基上施用这种高浓度的Zn溶液可将真菌生长减少75%。ZnO纳米颗粒释放锌离子是其抑制作用的主要原因[105]。应用ZnO纳米颗粒（50 mg/L和100 mg/L）可以降低氧化应激标志物（如H₂O₂、O₂和丙二醛（MDA）的水平。同时，它们还能增加非酶抗氧化剂（如抗坏血酸（AsA）、谷胱甘肽（GSH）、脯氨酸和酚类）以及酶抗氧化剂（如过氧化氢酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POX）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）、谷胱甘肽还原酶（GR）、羧酸酐酶（CA）和硝酸还原酶（NR）的活性[106]。从Parthenium hysterophorus L.叶提取物合成的ZnO纳米颗粒也表现出抗真菌活性，能够抵抗引起真菌病的病原体，如黄曲霉菌（Aspergillus flavus）、秆镰刀菌（Fusarium culmorum）和黑曲霉（A. niger）[105]。为了抵抗生物压力，ZnO纳米颗粒还能产生渗透压调节物质和抗氧化剂，并诱导系统性的抗性机制。这是通过直接附着在病原体表面实现的，从而破坏膜电位、DNA损伤、细胞损伤、活性氧的产生和细胞周期停滞来抑制病原体[12]。多项研究支持昆虫病原细菌、昆虫病原真菌和昆虫病原线虫与不同化学成分（如金（Au）、银（Ag）、氧化铜（CuO）、氧化锌（ZnO）等）的兼容性和协同效应，以形成用于害虫管理的纳米颗粒。昆虫病原微生物是指那些影响昆虫种群的病原生物，它们被用来合成生物农药（BNPs）作为控制病原昆虫和害虫的手段[92]。使用昆虫病原细菌（EPB）被认为比传统合成杀虫剂更安全[107]。然而，单独使用EPB进行害虫控制存在一些限制，例如阳光、叶片温度、蒸气压、宿主对孢子的吸收等，这些因素可能影响感染的程度。当与几种生物相容的化学成分（如金、氧化铜（CuO）、氧化亚铜（Cu₂O）、氧化锌（ZnO）、银（Ag）等）结合使用时，其效果会更好[92]。银纳米颗粒会干扰酶的功能，导致昆虫出现氧化应激，这主要是由于在细胞和基因水平上的毒性作用。因此，昆虫的生理机能会受到干扰，表现为体重下降、蛹变形、成虫出现延迟以及黑色素生成紊乱，其原因包括激素信号传导受损、蛋白质合成受阻和DNA复制异常[101]。活性氧水平的快速升高会导致细胞膜损伤并影响酶的活性。为了全面了解银纳米颗粒对目标和非目标物种的生物影响，需要进一步研究昆虫中的生化途径。利用纳米技术的生物肥料和生物农药进行直接生物控制策略提供了针对性强、高效且环境更友好的替代方案，相比传统农用化学物质更为优越。像银纳米颗粒和氧化锌纳米颗粒这样的金属纳米颗粒通过破坏细胞膜、产生活性氧和干扰代谢来有效抑制植物病原体和昆虫害虫，而纳米制剂则提高了生物利用度并减少了施用频率。尽管它们的效果很有前景，但进一步优化、剂量标准化和评估非目标效应对于其安全和可持续的农业应用仍然是必要的。
3.2 间接植物防御生物控制策略
间接方法涉及使用生物合成的纳米颗粒来增强植物的防御机制，提高植物的抗逆性，并增强其对生物压力的耐受性。这种方法对植物具有长期益处，同时对非目标生物的影响最小。图4展示了纳米颗粒（BNPs）在减轻生物压力方面的多种间接作用方式。植物生长促进和耐受性的发展可以通过多种方式实现，包括根际平衡、病原毒素解毒、系统抗性诱导和养分吸收的改善[108,109,110,111]。纳米颗粒的应用方式多种多样，例如纳米颗粒悬浮液、纳米复合材料、封装纳米颗粒、粉末或颗粒形式、基于水凝胶的制剂等。在植物生命周期的不同阶段，可以通过叶面喷洒、根部浸渍、种子涂层、根际添加、果实和花部处理、伤口处理或传染部位等方式将选定的纳米颗粒施用于植物[112]。图4的替代文本可能是通过人工智能生成的。
全尺寸图像：纳米颗粒在不同植物区域应用以减轻生物压力的间接方法。纳米颗粒可以通过气孔（hydathodes）、气孔（stomata）和毛状体（trichomes）等地上途径进入植物系统，也可以通过植物病原体的伤口进入[113]。由于与土壤的接触，根系也为纳米颗粒的吸收提供了重要的通道。因此，纳米颗粒减轻植物生物压力的潜力在很大程度上取决于它们在植物体内的吸收和传输[112]。一旦纳米颗粒进入植物系统，它们可以影响植物的形态、生化和生理特性，从而提高植物对生物压力的耐受性[113]。
3.2.1 纳米颗粒介导的根际相互作用调节
根际是一个由土壤微生物和根系分泌物复杂相互作用形成的小而动态的区域。首先，根际条件、根系分泌物和根系形态都对植物根系对纳米颗粒的吸收有显著影响。此外，根系分泌物被认为是有益的根系现象，可以调节根际的化学和物理性质。因此，这些参数对纳米颗粒的吸收有重要影响，导致它们被吸附、固定、发生化学转化、聚集、沉淀或与有机物相互作用[113]。植物根际与微生物群落之间的交流对于植物在土壤中的定植至关重要。纳米颗粒的应用促进了这种植物-微生物-纳米颗粒的三方相互作用。这种相互作用对纳米颗粒的正面或负面影响取决于多种因素，包括土壤pH值、有机物含量和温度[114]。氧化锌（ZnO）纳米颗粒在根际具有积极作用，促进了铁载体pyoverdine的合成。其生产能力与它们从土壤中螯合铁并将其内化到细胞内的能力有关，从而起到了微量元素的作用[115]。由于二氧化钛（TiO₂）纳米颗粒刺激了根际微生物（尤其是参与根部附近磷溶解的微生物）的生长，Triticum aestivum L.的生物量显著增加[111]。
3.2.2 拒毒病原体毒素
绿色银纳米颗粒通过破坏真菌细胞壁、产生活性氧（ROS）、损害重要生物分子、抑制关键的黄曲霉素生物合成酶、与细胞内蛋白质和DNA相互作用以及改变代谢途径来解毒黄曲霉（A. flavus）并抑制黄曲霉素B1的产生。Al-Zubaidi等人[109]研究了基于姜黄（Curcuma longa）的银纳米颗粒对产黄曲霉素的黄曲霉菌（Aspergillus flavus）的抑制活性。姜黄是一种富含生物活性化合物的来源，如抗氧化剂、多酚和黄酮类物质，可以作为食品和食品产品中的抗菌替代品，而姜黄素是一种难溶于水但可溶于有机溶剂的黄色晶体[48]。黄曲霉（Aspergillus flavus）被视为收获前后霉菌污染作物的主要来源，并且具有植物病原性。这种霉菌会产生大量被称为黄曲霉素的毒素，对食物链造成严重影响[109]。研究了纳米粒子（NPs）对土壤细菌群落的影响；在这种情况下，银纳米粒子（Ag NPs）的存在减少了酸性细菌的数量，同时增加了变形菌的数量。鉴于改变后的细菌群落能够分解土壤污染物[116]，还发现纳米粒子的结晶性质增强了其分解能力和速度。芽孢杆菌属（Bacillus）在提供Fe3O4纳米粒子方面占主导地位，这些属的物种可以分解作为农药、农用化学品等使用的化学化合物[116]。
3.2.3 诱导系统性抗性
绿色合成的纳米粒子通过改善氮代谢、光合作用效率和渗透压浓度，激活诱导的系统性抗性，从而提高酶促抗氧化活性，以对抗与生物胁迫相关的氧化损伤并维持细胞稳态[79]。Kaur等人[110]研究了二氧化钛（TiO₂）纳米粒子对绿豆作物根际的影响。在较低浓度（1.0、2.5、5.0和10.0 mg/L）下，TiO₂纳米粒子增强了脱氢酶、磷酸酶、蛋白酶和过氧化氢酶的活性，并促进了固氮菌和氨氧化菌的生长。此外，处理后天数增加，TiO₂纳米粒子的浓度和硝态氮含量也随之增加。在一项实验研究中，来自桉树（Eucalyptus globulus）叶子的银纳米粒子（100 mM）通过促进种子发芽、CAT、POX和APX的酶活性以及AsA和GSH等非酶活性，增强了玉米（Zea mays）、葱（Allium cepa）和葫芦巴（Trigonella foenum-graecum）的整体生长[79]。纳米粒子介导的植物改变通过调节遗传、生化和生理途径来增强抗病性。多项研究表明，纳米粒子可以诱导差异基因表达，包括上调抗氧化酶（SOD、CAT、APX）和激活应激信号通路（如NPR1、MAPKs）和致病相关（PR）基因，从而共同加强植物的防御反应[Alghuthaymi等人，88]。此外，纳米粒子还可以作为催化增强剂或类纳米酶剂，改善氧化还原代谢，同时帮助维持ROS平衡，从而在胁迫期间防止氧化损伤。通过这些综合机制，纳米粒子有助于开发抗病性植物品种，并最终减少作物保护中对农用化学品的依赖。
3.2.4 提高养分吸收
纳米粒子通过增加可供吸收的表面积、充当缓释纳米肥料以及改善养分在植物内部的传输，发挥着关键作用。由于其超小尺寸和高反应性，纳米粒子能够轻易穿透根部和叶面，并将原本无法被植物利用的养分转化为植物可吸收的形式[Taware等人[117]。在最近纳米驱动的肥料输送技术中，基于羟基磷灰石的纳米复合材料在减少氮损失的同时保持作物生产力方面显示出特别的前景。Sharma等人[118]表明，掺镁和锌的羟基磷灰石尿素纳米复合材料可作为高效的缓释肥料。悬浮干燥的纳米复合材料含有更高的氮含量（36.1–42.3 wt% N），而颗粒干燥的形式则为22.4–26.3 wt% N。与尿素处理的对照组植物相比，纳米复合材料处理的小麦表现出更高的穗长（+23.7%）、穗重（+78.9% g穗⁻¹）、茎生物量（+105.8% g植物⁻¹）、小穗数（+85.4% 穗⁻¹）、籽粒数（+121.6% 瓶⁻¹）和籽粒产量（+141.1% g瓶⁻¹）。籽粒氮含量增加了7.6–52.1%（% DW），而P、Ca、Mg、Zn、Fe和Mn的含量分别增加了81.3%、101.4%、103%、85.8%、89.9%和85.6%。籽粒质量得到改善，蛋白质含量提高了两倍（% DW），磷脂含量增加了51%（mg g⁻¹）。Kalwani等人[116]的类似研究表明，CuO、ZnO和γ-Fe₂O₃纳米粒子（100和700 mg kg⁻¹）对丹参（Salvia miltiorrhiza）的影响。CuO和ZnO分别增加了根部的Cu和Zn含量，而γ-Fe₂O₃对Fe的吸收没有显著影响；低剂量的CuO和ZnO降低了根部Fe的含量。ZnO和γ-Fe₂O₃增加了根部生物量和直径。总丹参酮水平没有变化，但700 mg kg⁻¹的γ-Fe₂O₃使丹参酚B含量比对照组增加了36.46%。纳米粒子处理还重塑了根际微生物群，丰富了耐金属和有益的微生物种类，表明植物与微生物之间有积极的相互作用，且未表现出明显的毒性。这两项研究表明，适当设计的基于纳米粒子的肥料可以增强植物生长、养分吸收和品质特性，且没有明显的毒性，突显了它们作为传统农业投入物的可持续和气候智能替代品的潜力。
植物来源的纳米粒子在提高养分吸收和作物表现方面显示出巨大潜力。例如，使用Berberis lycium提取物合成的银纳米粒子通过提高养分吸收效率来提高农业产量[78]。同样，从Euphorbia helioscopia生成的生物银纳米粒子在作为叶面喷剂或种子处理时，提高了葵花籽油的质量、脂肪酸组成和酶活性[78]。除了对植物的直接影响外，纳米生物肥料（NBioF）通过改善养分吸收、支持土壤质量、增强氮循环、刺激土壤酶活性和促进有益微生物种群，为环境可持续性做出了贡献[116]。总体而言，这些发现突显了植物来源的纳米材料和NBioF作为提高作物生产力和土壤健康的环保工具的潜力。
4 使用BNPs的农业效果：安全还是风险？
通过物理和化学过程合成的纳米粒子相比通过生物方法合成的纳米粒子具有更高的伤害性。此外，不同类型纳米粒子（如金属纳米粒子、金属氧化物纳米粒子和有机纳米粒子）的比较研究表明，使用有机纳米粒子对土壤生物的影响较小。虽然不能否认有机纳米粒子的贡献，但纳米毒性仍然对动植物构成关注[119]。纳米粒子对土壤的影响取决于多种因素，如土壤类型、pH值、根系分泌物、微生物多样性以及所应用的纳米粒子类型和浓度[120]。一些研究发现，金属氧化物纳米粒子（特别是ZnO和CeO₂）减少了土壤中固氮菌和溶钾菌及溶磷菌的数量，同时抑制了酶活性[121]。ZnO和TiO₂纳米粒子的使用影响了土壤微生物的生物量和多样性[88]。Jośko等人[122]的研究发现，高浓度的纳米粒子会损害土壤中的脱氢酶活性。脱氢酶活性对有机分子的氧化起着重要作用，并与土壤微生物生物量密切相关。因此，所使用的纳米粒子数量影响了微生物生物量[120]。在玉米、黄瓜、大豆、卷心菜和番茄等多种植物物种中观察到了纳米粒子的有益和有害应用效果[88]。在全球重要作物（如大豆、水稻、小麦和玉米）的生长发育中，由于金属纳米粒子的应用，果实产量下降、植物生长和生物量受阻、植物根部受损、污染物吸收率增加以及根际微生物生态系统紊乱[120]。暴露于高浓度ZnO纳米粒子会导致植物产生氧化应激、营养失衡、光合作用受阻、植物组织中的生物积累和脂质过氧化，从而损害细胞膜并阻碍植物的防御机制[12]。接触合成纳米粒子的大豆受到植物与微生物之间的相互作用（如对金属敏感的固氮共生关系）的直接影响或间接影响。Xu等人的研究[123]发现，CuO纳米粒子（500和1000 mg/kg）对淹水稻田中的土壤微生物有负面影响，表现为微生物生物量显著下降，以及尿素酶、磷酸酶和脱氢酶活性降低。Zhang等人[124]研究了化学和生物合成的银纳米粒子，两者都具有强大的抗菌特性。化学合成的银纳米粒子由于过量的ROS形成对黄瓜植物产生了有害影响，导致锌水平和MDA增加，而抗氧化剂、类胡萝卜素、球蛋白和钼的水平下降。相比之下，生物合成的银纳米粒子显著提高了黄瓜的光合作用，同时增加了蛋白质含量并上调了Mn和Al含量。由于生物合成银纳米粒子的有效性高且毒性低，它们被认为是生物相容的、分散良好的，并且可能在农业中作为纳米农药使用[124]。通过评估纳米粒子浓度、大小、剂量优化、控制释放系统、纳米粒子表面修饰以及与其他物质的结合等方法，可以确保有效缓解生物胁迫，同时最小化负面影响，从而减少纳米粒子对各种植物的毒性[12]。银纳米粒子的毒性生态影响是一个值得关注的问题，因为其废液可能直接排入水体或间接从农田进入水体，使水生生物易受其负面影响。由于银纳米粒子的沉积积累，它们以多种方式影响水生生物，如阻碍代谢途径、改变发育和降低繁殖率[20]。尽管化学和物理生产的纳米粒子存在缺陷，但由于它们的毒性较低且生态兼容性好，后来被生物合成的纳米粒子所取代。尽管纳米粒子在多个领域都有应用，但我们在这里关注的是其对植物纳米毒性的潜在影响，以提供更新的信息。纳米粒子影响植物健康、微生物关系和生态系统稳定性的方式取决于多种因素，包括其种类、浓度和环境条件。BNPs可能对水生环境、植物和土壤微生物有毒，但可以通过表面修饰、生物合成和调控剂量等多种方法将负面影响降到最低[20]。未来的研究应进一步限制纳米粒子的应用，以确保采用环保和可持续的农业方法，减少或消除副作用和毒性。总体而言，虽然纳米粒子在提高农业生产力和生物胁迫管理方面具有巨大潜力，但它们的安全性强烈依赖于粒子类型、浓度、合成方法和环境背景。证据表明，化学合成的金属和金属氧化物纳米粒子在高剂量下可能对植物生理、土壤微生物群落和生态系统功能产生不利影响，而生物合成的纳米粒子通常表现出更好的生物相容性和较低的毒性。然而，纳米毒性对陆地和水生系统的风险不容忽视。优化剂量、表面修饰、控制释放策略和优先选择生物合成的纳米粒子对于充分利用其优势同时减少生态风险至关重要。持续的现场评估和监管框架对于确保BNPs在现代农业系统中的安全可持续集成是必要的。
5 结论与未来展望
纳米科学显著推动了生物纳米粒子（BNPs）的合成，利用植物和微生物来源的生物分子作为天然的还原和稳定剂。这种绿色方法提供了一种环保、经济高效且可扩展的替代传统物理化学方法的选择。富含生物分子的提取物实现了高效的还原、封装和稳定，使得纳米粒子在农业、医学、食品科学、环境技术等多个领域具有广泛应用。本综述强调了基于BNPs的纳米生物制剂（NBioFs）通过直接和间接机制解决植物生物胁迫的方法。直接应用包括针对特定病原体的纳米农药、纳米杀虫剂和纳米除草剂，而间接方法则增强植物生长、调节根际环境、中和病原体毒素、激活系统性抗性和提高养分吸收。这些制剂可以以多种形式应用——悬浮液、纳米复合材料、包覆纳米粒子、粉末和氢凝胶——并在多个植物生长阶段使用，包括种子包衣、根部浸泡、叶面施用和根际改良。尽管BNPs在管理生物胁迫方面显示出强大潜力，但关于纳米粒子对有益土壤微生物、水生生物和传粉者的毒性仍是一个关键问题。因此，了解它们的生态足迹是持续研究的重点。展望未来，BNPs在农业中的未来应用取决于对纳米粒子-植物-微生物相互作用分子和遗传机制的深入研究，广泛的田间验证以弥合实验室与农场之间的差距，以及建立确保安全使用的强有力的政策和监管框架。诸如集成人工智能的纳米技术、组学驱动的分析、生物传感平台和智能农业系统等新兴进展为提高精准性、可持续性和作物管理韧性提供了有希望的途径。随着持续的创新，BNPs作为减轻生物胁迫和增强全球农业生产力的可持续工具具有巨大潜力。
