《Plant Nano Biology》：Opportunities and Challenges with Microbial Synthesis of Selenium Nanoparticles and its Applications in Agriculture
编辑推荐：
本综述系统阐述了微生物合成硒纳米颗粒（SeNPs）的绿色工艺及其在可持续农业中的巨大潜力。文章指出，相比传统化学合成法，微生物合成的SeNPs具有更高生物相容性和更低毒性，能有效缓解植物非生物胁迫（如干旱、盐害），促进作物生长和营养强化。作者重点探讨了合成机制（如硫氧还蛋白还原酶途径）、表征方法（UV-Vis、FTIR、SEM-EDX）及农业应用（生物强化、抗逆性提升），同时指出粒径不均一、产量低等挑战，并提出基因组学与微生物工程等解决方案。
引言
硒（Se）作为必需微量元素，在植物生理和人类健康中扮演关键角色。而硒纳米颗粒（SeNPs）因其高生物利用度、低毒性和优异生物相容性，在农业领域展现出广阔应用前景。与传统高能耗、高污染的化学物理合成法不同，微生物合成提供了一条绿色、可持续的路径。细菌、真菌和酵母等微生物通过酶促还原反应将硒盐（如Na2SeO3）转化为稳定的SeNPs，形成粒径均匀、胶体稳定性高的纳米颗粒。
硒及其纳米颗粒的重要性
硒在自然界中以无机（硒酸盐、亚硒酸盐）和有机（硒代蛋氨酸、硒代半胱氨酸）形式存在。在农业中，适量硒可增强作物抗逆性（如抗旱、抗盐），提升果实品质；在人体内，硒通过形成谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）等硒蛋白，清除活性氧（ROS），保护细胞免受氧化损伤。SeNPs凭借高比表面积和低毒性，更易被植物吸收，且能精准调控养分释放。
微生物合成硒纳米颗粒的机制
微生物通过多种酶系统还原硒盐，其中硫氧还蛋白还原酶（TrxR）、亚硫酸盐还原酶（SiR）和呋喃酸还原酶（FccA）是核心催化剂。以革兰氏阴性菌Shewanella oneidensis为例，其周质中的c型细胞色素CymA传递电子，驱动硒酸盐（SeO42?）逐步还原为亚硒酸盐（SeO32?），最终生成零价硒（Se0）。真菌如Aspergillus terreus则通过胞外分泌还原性代谢物实现转化。整个过程伴随谷胱甘肽（GSH）等非酶因子的协同作用，形成粒径50–500 nm的球形或六边形SeNPs。
硒纳米颗粒的表征方法
微生物合成SeNPs通常呈现红褐色，紫外-可见光谱在200–400 nm处有特征吸收峰。傅里叶变换红外光谱（FTIR）可检测纳米颗粒表面的官能团（如C=O、N-H），证实蛋白质包覆带来的稳定性。扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）显示SeNPs多呈单分散球形，能量色散X射线光谱（EDX）可确认硒元素组成。动态光散射（DLS）分析表明，生物源SeNPs的Zeta电位较高（通常<-30 mV），胶体稳定性显著优于化学合成产物。
硒纳米颗粒在农业中的应用
SeNPs通过多重机制提升农业效益：
- 1.
抗逆增强：在小麦中，30 mg/L SeNPs处理使株高提升2.34%，根系长度增加50.11%，显著缓解干旱胁迫；
- 2.
生物强化：菠菜施用SeNPs后，镉（Cd）积累量降低，抗坏血酸含量上升；
- 3.
病害防控：SeNPs对黄单胞菌等植物病原菌表现出抑菌活性；
- 4.
土壤改良：SeNPs与腐殖质协同提升土壤有机质，促进微生物群落多样性。
研究还发现，SeNPs在水稻中的吸收依赖水通道蛋白（Aquaporin），但吸收速率低于硒酸盐，需进一步优化递送效率。
微生物合成硒纳米颗粒的挑战
当前瓶颈包括：
- •
粒径多分散性：同一菌株合成的SeNPs粒径差异显著（如30–550 nm）；
- •
产量限制：发酵工艺不成熟，难以规模化生产；
- •
机制模糊：酶促途径网络复杂，缺乏标准化合成框架；
- •
环境风险：长期施用可能引发硒土壤富集或食物链转移。
解决方案涉及代谢工程（如过表达还原酶基因）、微生物共培养优化，以及结合多组学技术解析合成通路。
结论
微生物合成SeNPs是连接绿色化学与精准农业的桥梁。通过调控微生物代谢网络、优化发酵参数，并建立田间安全评价体系，SeNPs有望成为可持续农业的新型“纳米肥料”。未来需聚焦合成生物学驱动的高效菌株构建、多作物剂量效应验证，以及生态系统级风险监测，推动SeNPs从实验室走向田间应用。
