《ACS Nano》：纤维素基光热涂层：种子保护和长期储存的可持续解决方案 原创 生物基科研前瞻 生物基科研前瞻 2023-07-17 08:30 发表于江苏

发布者：刘德桃发布时间：2023-08-14浏览次数：10

《ACS Nano》：纤维素基光热涂层：种子保护和长期储存的可持续解决方案

 生物基科研前瞻 生物基科研前瞻 2023-07-17 08:30 
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现代农业的高产量依赖于合成杀菌剂、农药、化肥、先进种子技术等的高投入。植物病虫害是粮食产量的主要威胁，全球约40%的玉米、马铃薯、水稻、大豆和小麦产量因作物病原体和害虫而损失。霉菌及其生长是粮食长期贮藏期间对食品安全的最大威胁。霉菌产生的剧毒化合物（如黄曲霉毒素）会污染食物，危害人类健康，甚至引起严重的公共卫生事件。因此，为了高产量的粮食，在播种前必须消除种子传播的病原菌和真菌。

近日，中国科学院化学所张军研究员、田卫国副研究员等人提出了一种通用的绿色策略，用于种子保护和长期储存。使用由光热聚多巴胺纳米颗粒（PDA NPs）和带正电荷的纤维素衍生物（Cell-N+）组成的纤维素基光热涂层（PDA NPs@Cell-N+）在红外照射下消除种子传播的细菌和真菌。体外和体内测定以及绿豆的幼苗期表型表明，光热疗法可以有效地消除病原微生物，包括坚韧的黄曲霉（抑制率>99%）。此外，由于具有出色的溶解性和生物相容性，PDA NPs@Cell-N+涂层可以洗掉和回收，无需担心食品安全。PDA NPs@Cell-N+可以成为基于自然的种子保护和长期谷物储存解决方案。

相关工作以“Cellulose-Based Photothermal Coating: A Sustainable Solution for Seed Protection and Long-Term Grain Storage”为题发表于《ACS Nano》。

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/ PDA NPs@Cell-N+光热涂层的制备 /

作者设计了一种二元光热涂层材料PDA NPs@Cell-N+，用于保护种子在植物生命周期中免受霉菌生长和疾病的影响。PDA NPs@Cell-N+由两个基本成分组成：带正电荷的纤维素衍生物（Cell-N+）基质和光热聚多巴胺纳米颗粒（PDA NPs）。Cell-N+具有固有的抗菌活性，同时 可以保证PDA NPs在种子表面的均匀分布，并促进微生物（例如带负电的细菌）接近光热PDA NPs。因此，增强的光热疗法和协同抗菌作用可以简单地使用红外照明从种子表面根除微生物。

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图1.纤维素基光热涂层的制备。

/ PDA NPs@Cell-N+的基本特性 /

PDA@Cell-N+根据图1中的合成路线制备。分别合成光热PDA-NP和水溶性Cell-N+，然后进行共混。通过1H NMR（图2A）以及FTIR（图2C）特征峰表明纤维素骨架和季铵基团之间的连接，根据1H NMR积分面积计算的季铵盐的取代度（DS）为0.945。所得Cell-N+完全溶于水，有利于光热种子涂层的制备与回收。

如图2B中的TEM图像所示，PDA纳米颗粒为具有均匀尺寸的球形结构（72.05±9.88 nm）。此外，PDA NPs带负电（图2D中的ζ电位），而Cell-N+带正电。因此，由于静电吸引，PDA NP可以均匀地分布在Cell-N+中。图2E中的DLS分析表明，PDA的流体动力学直径NPs@Cell-N+（350nm）大于PDA NP（250nm）,表明PDA NP被Cell-N+包裹。此外，PDA NPs@Cell-N+和Cell-N+的FTIR光谱几乎相同。因此，Cell-N+是PDA NPs@Cell-N+的主要矩阵而不是PDA NP。如图2F所示，从可见光到近红外区域（400–1000 nm），Cell-N+没有表现出光吸收。相比之下，PDANPs@Cell-N+在400–1000 nm范围内表现出优异的光吸收，其吸收光谱与PDA NP的吸收光谱完全一致。

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图2.PDA NPs@Cell-N的基本特性。

/ PDA NPs@Cell-N的光热性能 /

光热转换效率决定了PDA NPs@Cell-N+的抗菌活性，通过图3A–C中的红外图像和温度曲线很好地证明。PDA NP和PDANPs@Cell-N+水悬浮液用808nm近红外光（2 W/cm2）照射，温度迅速上升，并在2–3分钟内达到温度平台（PDA NPs，24.0至53.4°C；PDANPs@Cell-N+，23.4至52.6°C）。然而对于Cell-N+溶液，即使在照射10分钟后，其温度（23.5至25.5°C）几乎没有变化，证实了PDA的光热性能NPs@Cell-N+源自PDA NP。

与PDA NPs@Cell-N+水悬浮液相比，固体PDA NPs@Cell-N+薄膜的光热性能（图3C）要优越得多， PDANPs@Cell-N+在更低的辐照强度（200mW/cm2）下，薄膜也显示出更快的温度上升（20秒内局部温度>80°C），足以杀死种子表面的细菌和真菌，而不会损坏种皮内的活性部分。此外，PDANPs@Cell-N+薄膜还表现出优异的光热稳定性。如图3D所示，经过几个加热和冷却循环后，PDANPs@Cell-N+悬浮液和薄膜中没有观察到光热性能（平台温度）的明显恶化。因此，PDA的高效光热转换和光热稳定性NPs@Cell-N+使其成为在储存或植物生长过程中保护种子免受病原微生物侵害的涂层材料的有前途的候选者。

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图3.PDA NPs@Cell-N的光热性能。

/ PDA NPs@Cell-N+的体外光热抗菌活性 /

作者以金黄色葡萄球菌和大肠杆菌，以及真菌F. solani和A. flavus为模型，对PDA NPs@Cell-N+水悬浮液的光热抑菌活性进行了评价。如图4A-D所示，在黑暗培养20 min后，再在808 nm NIR光(2 W/cm2)下照射10 min，相比单独的PDA NPs与Cell-N+， PDA NPs@Cell-N+对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制率显著提高，分别达到95.4%和98.7%，说明Cell-N+可以促进PDA NPs与细菌的相互作用，提高光热治疗效果。另外如图4E-F所示，在近红外辐照(808 nm, 2 W/cm2, 20 min)下，PDA NPs@Cell-N+在较高浓度(2 mg/mL)下可有效抑制茄油霉和黄曲霉，对茄油霉和黄曲霉的抑制率分别接近100%和99.9%，表明PDA NPs@Cell-N+在种子保护和粮食储存中具有很强的抗微生物能力。

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图4.PDA NPs@Cell-N的抗菌和抗真菌性能。

/ PDA NPs@Cell-N+涂层在绿豆上的光热抗菌活性 /

作者采用携带未知致病微生物的绿豆来评估PDA NPs@Cell-N+的体内光热抗菌活性。如图5A–B所示，涂有PDA NPs@Cell-N+的绿豆表面温度在近红外辐射（808nm，200mW/cm2）下，快速上升并在1分钟内达到平衡温度（29.6至73.8°C）。相比之下，裸露的绿豆在相同的辐照下，长时间辐照只会出现轻微的温度变化（31.2至36°C）。这样的局部热量（>45°C）足以清除绿豆上的病原微生物，而不会伤害绿豆内部的活部。如图5C–D所示，胚根是由近红外照射的绿豆形成的，这些绿豆在28°C的琼脂平板上发芽5天。涂有PDA NPs@Cell-N+的绿豆的琼脂平板（图5D，I–III）非常干净，而裸绿豆（图5C，i–iii）一些胚根已经被感染。结果表明，PDA的光热治疗NPs@Cell-N+涂层彻底根除了绿豆上的病原微生物。同时绿豆的萌发能力仍然得到了保持（图5 E、F）。PDA NPs@Cell-N+作为一种优良的种子保护包衣材料，能有效抑制植物的种子传播病害，提高作物产量。

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图5.用于种子保护的光热PDA NPs@Cell-N+。

/ 粮食贮藏中霉菌生长抑制及PDA NPs@Cell-N+的回收利用 /

如图6A所示，PDA NPs@Cell-N+具有良好的生物相容性，，同时得益于Cell-N+在水中的优异溶解度，PDA NPs@Cell-N+可以很容易地从绿豆上洗掉(图5B)，并通过蒸发回收。图6B的ATR-FTIR分析显示，去除PDA NPs@Cell-N+后的原始裸绿豆和包覆绿豆表面的ATR-FTIR光谱几乎相同，说明PDA NPs@Cell-N+通过清洗被完全去除的。清洗后的粮食(如绿豆)可以直接用于烹饪。此外，回收的PDA NPs@Cell-N+可以作为种子保护涂层重复使用。如图6C所示，与原PDA NPs@Cell-N+涂层相比，回收后的PDA NPs@Cell-N+涂层的光热性能并没有下降。由于PDA NPs@Cell-N+具有良好的生物相容性、易去除性和循环稳定性，如图6D所示，可以实现PDA NPs@Cell-N+作为种子保护包衣在储粮中的循环利用。

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图6.用于长期储存谷物的光热PDA NPs@Cell-N。

/ 总结 /

在本文中，作者设计了基于纤维素的光热涂层材料PDA NPs@Cell-N+用于种子保护和长期谷物储存。实验结果表明，带正电荷的抗菌Cell -N+可以吸引致病微生物接近PDA NPs，从而增强PDA NPs@Cell-N+的光热治疗效果。因此，PDA NPs@Cell-N+涂层在近红外照射下进行局部光热治疗，可以在不伤害绿豆内部活体的情况下，有效清除绿豆上的致病菌。此外，光热涂层可以很容易地洗掉并回收，而不会污染作为食物的种子。生物相容性光热包衣材料PDA NPs@Cell-N+在种子保护和采后籽粒长期贮藏方面具有广阔的应用前景。它还为未来绿色和可持续农业的杀菌剂设计提供了另一种途径。


原文链接：
https://doi.org/10.1021/acsnano.3c03660

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