在碳丹唑胁迫下，生物源磁铁矿纳米颗粒驱动的土壤微生物功能恢复及群落恢复力

《Microbiological Research》：Soil microbial functional recovery and community resilience driven by biogenic magnetite nanoparticles under carbendazim stress

　　

S Leiva-Soto|O Rubilar|P Fincheira|M Fernández-Baldo|Fernández-Triana|M Schoebitz|G. Larama|R Rodriguez|E López-Mena|G.R Tortella

智利拉弗龙特拉大学（Universidad de La Frontera）自然资源科学博士项目，特穆科（Temuco）

摘要

杀菌剂在农业土壤中的持久存在对土壤健康构成重大威胁，因为这些化合物会破坏微生物群落并影响关键生态系统功能。卡班达齐姆（Carbendazim）是一种常用的系统性杀菌剂，以其抑制微生物活性和干扰养分循环的能力而闻名。本研究评估了生物磁铁矿纳米颗粒缓解卡班达齐姆引起的干扰并促进土壤微生物功能恢复的能力。在受卡班达齐姆（浓度为10 mg/kg）故意污染的农业安第斯土（Andisol）中，应用了柠檬酸稳定的磁铁矿纳米颗粒，并在受控的微宇宙条件下进行了实验。在30天的时间内，测量了与碳、氮和磷循环相关的土壤酶活性（β-葡萄糖苷酶、脲酶、酸性磷酸酶）、微生物基因丰度（16S rRNA、amoA、amoB拷贝数）、群落结构以及农药的消解动力学。结果表明，磁铁矿纳米颗粒显著加速了卡班达齐姆的消解，使其半衰期缩短了约50%。纳米颗粒的应用部分缓解了卡班达齐姆对土壤酶的抑制作用，细菌和硝化菌的丰度有所恢复，群落组成和多样性模式也更接近未处理土壤的情况。通过16S rRNA扩增子测序对土壤细菌群落进行的共现网络和多变量分析显示，细菌相互作用结构得到了部分恢复，其中添加了磁铁矿和Fe纳米颗粒的处理组的网络连通性和模块性增强，接近未受干扰的细菌群落的特征。这些发现初步表明，生物磁铁矿纳米颗粒可能减少农业土壤中的农药压力，并支持微生物功能的恢复。使用洋葱皮废弃物作为环保前体进一步凸显了这种方法的循环利用潜力。洋葱皮是一种广泛产生的农业工业副产品，富含多酚化合物，尤其是槲皮素及其衍生物，它们在纳米颗粒生物合成过程中起到天然还原和稳定作用，无需使用有毒化学试剂，从而降低了环境足迹。这种既可作为废物利用策略又可作为生物活性封端剂来源的双重作用，值得进一步评估其作为可持续土壤改良剂的应用。

引言

现代农业中农药的密集和持续使用导致其在土壤中广泛积累，其持久性和对微生物介导过程的干扰带来了严重的环境挑战（Pelosi等人，2021年；Pathak等人，2022年）。由于农药的毒性和化学稳定性，它们在土壤和水中积累，减少了有益生物的数量，并改变了对生态系统功能至关重要的营养相互作用（Beaumelle等人，2023年）。来自世界各地的证据表明，长期接触农药会对生物多样性、土壤微生物群落结构以及维持长期农业生产力的生态系统服务产生不利影响（Sharma等人，2019年；Carvalho，2017年）。在农业土壤中，农药的持久性尤其令人担忧，因为它破坏了维持土壤长期健康和生态系统功能的微生物介导过程（Donley，2019年；Silva等人，2019年）。因此，迫切需要可持续、低影响的策略来减少农业生态系统中的农药持久性，特别是在环境压力不断增加的情况下保持土壤微生物功能的稳定性。

卡班达齐姆（Carb）是一种广谱抗真菌的苯并咪唑类杀菌剂，因其广谱抗真菌活性和相对较低的成本而在全球农业系统中得到广泛应用。它对多种植物病原真菌（包括子囊菌门如Fusarium、Botrytis、Sclerotinia和担子菌门如Rhizoctonia）特别有效，通过抑制β-微管蛋白聚合来干扰真菌细胞分裂过程中的有丝分裂纺锤体形成（Zhou等人，2023年）。然而，反复使用会促进其在土壤中的积累，增加生态风险（Zhou等人，2023年）。卡班达齐姆残留物可长期存在，并已被证明会改变微生物群落结构，减少真菌和细菌的生物量，并抑制参与养分循环和土壤功能的关键土壤酶活性（Wang等人，2016年；Alengebawy等人，2021年）。关键酶（如脱氢酶、脲酶和磷酸酶）的抑制直接损害了土壤肥力和生物健康。此外，长期接触卡班达齐姆甚至会在专门设计用于农药降解的生物混合物中抑制微生物活性（Tortella等人，2014年）。这些发现强调了迫切需要创新和可持续的策略来减少卡班达齐姆的持久性，同时保护土壤微生物的恢复力和生态系统功能。

在过去十年中，纳米技术作为一种有前景的工具受到了越来越多的关注，可以减轻农药污染并促进更可持续的农业实践。金属纳米颗粒具有独特的物理化学性质，能够与土壤微生物相互作用，影响养分循环、有机物矿化和农药降解（Fermoso等人，2019年；Jalil和Ansari，2019年）。在适当剂量下，这些材料可以刺激微生物代谢活动并改善活性氧的解毒，使其成为化学压力下土壤功能恢复的有希望的工具。特别是基于铁的纳米颗粒（如磁铁矿（Fe?O?）已被证明能够促进微生物活性，增强有机污染物的生物降解，并保持土壤功能稳定性（Baraga?o等人，2020年）。

磁铁矿纳米颗粒的绿色合成提供了一种可持续的替代传统化学方法的选择，后者通常需要有毒试剂并产生有害残留物（Koul等人，2021年；Aly等人，2024年）。植物提取物为纳米颗粒生产提供了环保平台，因为多酚和其他生物活性代谢物可作为天然还原和稳定剂（Devatha等人，2016年；Vera等人，2023年）。其中，洋葱（Allium cepa）皮是一种广泛产生的农业工业副产品，富含多酚化合物，尤其是黄酮类化合物如槲皮素及其衍生物（Kumar等人，2022年；Kuppusamy等人，2020年；Prelac等人，2023年）。这些生物分子有助于纳米颗粒的生物合成，同时可能增强胶体稳定性和对污染物的去除能力。值得注意的是，洋葱皮的 polyphenol 含量是可食用部分的十倍，这突显了其在绿色纳米技术应用中的价值（Kuppusamy等人，2020年）。因此，利用洋葱皮废弃物代表了一种具有可持续土壤管理潜力的循环利用策略。

磁铁矿纳米颗粒表现出独特的超顺磁行为、良好的生物相容性和高表面积与体积比，使其成为环境应用的有吸引力的候选材料（Dimitriev等人，2019年；Dudchenko等人，2022年）。在受农药污染的土壤中使用时，它们不仅能够减少外来物质的持久性，还能支持与土壤健康和恢复力相关的微生物过程（Baraga?o等人，2020年；Ziganshina和Ziganshin，2023年）。用柠檬酸钠进一步稳定后，可以提高其在土壤基质中的胶体稳定性和分散性，增强其环境适用性（Kotsmar等人，2010年；Qureashi等人，2021年）。尽管取得了这些进展，但目前尚不清楚通过植物介导的绿色合成方法生产的磁铁矿纳米颗粒是否能够同时加速卡班达齐姆的分解并减轻其对农业土壤中微生物功能的不良影响。

综上所述，从洋葱皮提取物合成的磁铁矿纳米颗粒可能提供一种可持续且生物相容的策略，以增强土壤在农药压力下的恢复力。本研究提出了一种结合绿色纳米颗粒合成与土壤微生物生态学的循环利用方法，评估柠檬酸包覆的磁铁矿纳米颗粒是否能够同时加速卡班达齐姆的消解并恢复农业安第斯土中的土壤微生物功能、丰度和群落结构。

部分内容

材料与方法

卡班达齐姆（≥99.9% Pestanal? 分析标准品）购自Sigma-Aldrich（Merck，德国）。所有其他试剂和溶剂均为分析级，也来自Sigma-Aldrich（Merck）。

从洋葱皮中提取酚类化合物

A. cepa 中酚类化合物的结果（表2）显示，随着储存时间从第0天增加到第45天，CC-0和CC-1处理组的总多酚含量逐渐下降。在CC-0样本中，多酚含量从第0天的201.6 ± 14.8 mg GAE/100 g下降到第45天的173.7 ± 4.9 mg GAE/100 g，减少了约14%。同样，CC-1样本的多酚含量从4485.8 ± 79.0 mg GAE/100 g下降到4369.4 ± 72.6 mg GAE/100 g，减少了约3%。尽管两种处理组都显示出

结论

洋葱皮可以作为合成具有适合土壤应用物理化学性质的磁铁矿纳米颗粒的绿色前体。在评估的受控微宇宙条件下，这些纳米颗粒加速了卡班达齐姆的消解，使其半衰期缩短了约50%，表明降解过程得到了增强，但其背后的机制仍需进一步阐明。

单独使用卡班达齐姆会对土壤造成可测量的干扰

(Aguila-Torres等人，2025年；Conway等人，2017年；Dmitriev等人，2019年；El-Temsah和Joner，2013年；Khuntia等人，2019年；Kim等人，2017年；Liu等人，2021年；Maciag等人，2025年；Mostafalou和Abdollahi，2017年；Nicolopoulou-Stamati等人，2016年；Rodriguez等人，2022年；Sen等人，2024年；Yu等人，2023年)

致谢

本研究得到了ANID/FONDECYT项目1230529的财政支持。作者还感谢拉弗龙特拉大学（Universidad de La Frontera）科学建模与计算中心（Centro de Modelación y Computación Científica）的Soroban（SATREPS MACH—JPM/JSA1705）超级计算基础设施的支持。