纯金属、多元合金薄膜和纳米材料对Pestalotiopsis psidii的抗真菌作用及其机制

《Materials Chemistry and Physics》：Antifungal effects and mechanisms of pure metals, multi-element alloy films and nanomaterials against Pestalotiopsis psidii

纳米涂层与合金纳米颗粒对果腐病病原菌的抑制机制研究：Ag、Zn及AgCuZn纳米颗粒通过诱导氧化应激破坏细胞膜，显著抑制Pestalotiopsis psidii的菌丝生长和孢子萌发，为环保 fungicides 开发提供新策略。

　　

H.K. 林 | 陈敏扬 | 张宝伟 | 徐雅珍 | 林英宏

台湾屏东科技大学材料工程系，屏东

摘要

番石榴（Psidium guajava）是亚洲和南美洲广泛种植的热带水果。然而，它极易受到由Pestalotiopsis psidii引起的疮痂病的影响。依赖传统杀菌剂存在抗性发展、化学残留物积累和环境危害的风险。因此，需要更可持续的替代方案。在本研究中，使用物理气相沉积和激光烧蚀技术制备了Cu、Ag、Zn和AgCuZn涂层及纳米颗粒，并评估了它们的抗真菌性能。无论是作为薄膜还是纳米颗粒，基于Ag、Zn和AgCuZn的材料都能通过抑制菌落生长、孢子萌发和症状表现来快速有效地抑制P. psidii。纳米颗粒的表现始终优于相应的薄膜，这表明其微/纳米级表面结构增强了其抗真菌活性。相比之下，Cu材料仅提供了部分抑制作用，未能阻止感染。机制研究表明，Ag、Zn和AgCuZn处理引发了细胞内活性氧（ROS）的快速积累，导致氧化应激、膜破坏、通透性增加和细胞质泄漏。经处理的孢子表现出严重的结构损伤，包括细胞塌陷、附属物破裂和广泛的细胞质丢失，尤其是在AgCuZn处理后。然而，Cu处理并未引发显著的ROS生成或膜损伤，这表明其作用机制可能是通过离子介导的。总体而言，这些发现表明Ag、Zn尤其是AgCuZn纳米材料是对抗P. psidii的有效且持久的抗真菌剂，主要通过ROS介导的细胞损伤发挥作用。因此，它们在管理番石榴疮痂病方面具有作为传统杀菌剂环保替代品的巨大潜力。

引言

番石榴（Psidium guajava）以其独特的香气、风味和丰富的营养价值而闻名，在亚洲和南美洲广泛种植。在台湾，番石榴是最重要的经济作物之一[1]。根据农业部门（2023年）的数据，2023年台湾番石榴产量约为19万吨，其中出口量接近1900吨，出口价值约为1亿新台币。

在番石榴种植过程中，许多害虫和疾病威胁着产量和果实品质。其中，由Pestalotiopsis psidii引起的番石榴果疮痂病最具破坏性。该病原体通过自然开口或环境因素/昆虫损伤造成的伤口感染果实组织，导致病斑形成[1]。台湾种植多种番石榴品种；然而，“Pearl”品种因其厚实的果肉、高甜度和风味而特别容易受到果疮痂病的影响，这对产量和果实品质有严重影响。因此，开发有效的P. psidii控制策略对于维持台湾番石榴产业的竞争力至关重要[2]。

目前，番石榴果疮痂病主要通过化学杀菌剂进行控制[3]。然而，长期使用化学药剂会带来严重的生态风险，包括对水生生态系统的高毒性和生物多样性的破坏[4]。此外，重复使用同一种杀菌剂会促使病原体产生抗性，降低控制效果并增加生产成本。因此，开发更安全、更环保的控制策略对于在减少化学投入的同时保持有效的疾病管理至关重要。

纳米技术是一个相对年轻但发展迅速的领域，已应用于多个科学学科。在该领域中，金属纳米颗粒（MNPs）因其显著的抗菌性能而受到特别关注[5]、[6]。许多研究表明，银（Ag）、金（Au）、铜（Cu）、锌（Zn）和铝（Al）等纳米颗粒可以有效抑制病原细菌和真菌的生长[7]。它们强大的抗菌活性，加上易于功能化和对抗多重耐药微生物的能力，使MNPs成为开发新型抗菌策略的有希望的平台。例如，据报道Ag纳米颗粒可以在培养基中以剂量依赖的方式抑制Fusarium solani菌株的生长，在10 mg/L浓度下实现完全抑制[8]。

最近的研究进一步证实了Ag、Cu和Zn纳米颗粒在抑制各种植物病原体生长和繁殖方面的有效性[5]、[9]、[10]、[11]、[12]。银和铜被视为广谱抗菌剂[13]，在医疗和农业应用中越来越受到重视。然而，人们对这些金属出现微生物抗性的担忧可能会影响它们的长期效果[14]。这表明需要新的策略来增强它们的应用。锌是一种参与众多生物过程的必需微量元素[15]，同样因其抗菌潜力而受到关注。例如，与Zn(II)配位的硫代半卡巴嗪类化合物表现出明显的抗菌活性[16]、[17]、[18]，展示了基于锌的化合物在生物医学应用中的潜力[19]。

合金纳米颗粒结合了多种金属的特性，在材料科学和生物医学研究中越来越受到关注[20]。除了二元合金外，多组分合金因其更高的稳定性和多功能性而受到特别关注。例如，Wang等人[21]展示了通过激光退湿法制备的CuAlAg、CuAlZn和CuAlV合金薄膜和纳米颗粒具有优异的热稳定性、耐腐蚀性和对人类病原体的抗菌性能。总体而言，合金纳米颗粒不仅提高了抗菌效果，还解决了单金属材料存在的问题，如快速降解、高成本和微生物抗性风险。然而，尽管有这些优势，关于合金纳米材料对植物病原体（特别是番石榴疮痂病的致病菌Pestalotiopsis psidii）的抗真菌潜力知之甚少。

为了解决这一空白，本研究使用物理气相沉积技术制备了Cu、Ag、Zn和AgCuZn涂层，并通过激光烧蚀生成纳米颗粒结构。系统评估了这些材料对P. psidii的抗真菌活性，并比较了薄膜和纳米颗粒的性能。此外，还进行了机制研究，以探讨活性氧（ROS）生成、膜破坏和细胞质泄漏在病原体抑制中的作用。这些步骤共同旨在评估多组分合金纳米材料，特别是AgCuZn，是否可以作为番石榴疮痂病管理的环保替代品。

部分内容摘要

薄膜和纳米颗粒

采用Wang等人[21]描述的程序，使用多靶高真空溅射系统（Kao Duen Tech. Co., Ltd., 新北市，台湾）在玻璃基底上沉积了单金属（Cu、Ag和Zn）和合金（AgCuZn）薄膜。该设备配备了三个独立的溅射枪：两个由直流电（DC，最大输出1000 W）驱动，一个由射频（RF，最大输出400 W）驱动。系统包括一个两阶段抽真空系统。

溅射和退湿后的薄膜

使用SEM检查了薄膜和纳米颗粒的表面形态。结果显示，所有金属薄膜在玻璃基底上形成了均匀连续的层，厚度约为10纳米。表面光滑，没有裂纹、断裂或岛屿状结构，证实了PVD工艺产生了具有良好覆盖率和附着力的稳定沉积（图1(a)–1(d)）。激光退湿处理后，Cu和Ag薄膜发生了变化

结论

本研究评估了Cu、Ag、Zn和AgCuZn薄膜及纳米颗粒对番石榴疮痂病病原体Pestalotiopsis psidii的抗真菌效果和潜在机制。通过菌落抑制试验、分生孢子萌发测试和果实接种实验评估了这些材料的抗真菌性能。机制研究包括细胞内ROS积累、膜完整性分析、细胞质泄漏和形态观察。

CRediT作者贡献声明

徐雅珍：方法学、数据管理。林英宏：撰写——初稿、监督、正式分析、概念化。陈敏扬：撰写——初稿、方法学、研究、数据管理、概念化。张宝伟：可视化、方法学、研究、正式分析、数据管理。林H.K.：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、监督、资源获取、概念化

利益冲突声明

■ 作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢国家科学技术委员会（ROC）在项目编号NSTC 114-2221-E-020-016下对这项研究的财政支持。