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Biogenic selenium nanoparticles from marine Pseudoalteromonas shioyasakiensis VB17: Physicochemical characterization and preliminary stimulation of seed germination

利用海洋细菌 *Pseudoalteromonas shioyasakiensis* VB17 合成了具有稳定蛋白质和多糖包覆的生物源硒纳米颗粒，该纳米颗粒对特定微生物无毒性，并能有效促进小麦和荞麦的种子萌发及早期幼苗生长。

原作者： Le Thi My Hiep, I. A Beleneva, U. V Kharchenko, Nguyen Duc Anh, Sidorenko M. Marina L.

发布于 2026-08-25

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原作者： Le Thi My Hiep, I. A Beleneva, U. V Kharchenko, Nguyen Duc Anh, Sidorenko M. Marina L.

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

硒是一种对人类和动物健康至关重要的微量元素，它能起到保护细胞免受损伤的作用，并有助于调节激素。虽然植物并不严格依赖它生存，但少量的硒可以像维生素一样作用于植物，帮助农作物长得更强壮，并更好地抵御干旱或盐碱土壤等恶劣条件。然而，硒是一把双刃剑。在自然界常见的化学形式中，如果剂量过高，会对植物产生毒性，导致生长受阻或使幼苗死亡。科学家们长期以来一直在寻找一种能够安全向植物输送这种元素的方法，旨在寻找一种既能让植物轻松吸收，又不会产生毒性反应的形式。一个极具前景的解决方案是将硒转化为极其微小的颗粒，其大小以十亿分之一米来衡量。这些纳米颗粒可以以独特的方式与植物生物学发生相互作用，从而在提供该元素益处的同时，避开原始化学形式带来的危险。

为了制造这些颗粒，研究人员通常转向自然界而非工业工厂。科学家们并非使用严苛的化学物质或高能耗来制造纳米颗粒，而是利用微生物的自然能力。某些细菌充当着微型工厂的角色，将溶解在环境中的硒转化为固体且无害的颗粒。这种被称为“生物合成”的过程被认为是一种更绿色、更可持续的材料生产方式。所使用的特定细菌种类会影响所得颗粒的大小、形状和表面特性，进而决定了它们在应用于农作物时的效果。挑战在于寻找合适的菌株以及生产出既有效又安全的颗粒所需的完美条件。

在最近的一项研究中，研究人员将注意力转向了一种名为 Pseudoalteromonas shioyakiensis VB17 的特定海洋细菌，这种细菌最初是从越南 Nha Trang 湾的海水中分离出来的。团队希望观察这种海洋微生物是否能够高效地将有毒的硒转化为有用的纳米颗粒，以及这些颗粒是否能促进植物生长。他们首先测试了细菌在不同条件下的表现。他们将细菌与不同含量的硒混合，并调整混合物中细菌细胞的数量，以寻找生产过程中的最佳平衡点。他们发现，初始阶段拥有更多的细菌有助于加速将有毒硒转化为固体颗粒的过程，但这种现象仅限于一定程度内。如果硒浓度过高，拥有过多的细菌实际上会减慢过程并减少硒的转化总量。研究人员确定了一个特定的平衡点：使用适量的细菌混合特定剂量的硒效果最好。在这种条件下，细菌能迅速转化硒，创造出一种稳定的纳米颗粒悬浮液。

纳米颗粒生产出来后，研究人员对其进行了仔细检查，以了解其成分和外观。通过强大的显微镜和基于光的分析工具，他们发现这些颗粒大多呈圆形或略微椭圆形。单个颗粒的大小在约 80 到 135 纳米之间，这虽然极其微小，但足以通过先进的成像设备观察到。在这些颗粒内部，硒形成了晶体结构，这意味着原子排列成整齐、重复的模式，这是材料稳定且成型良好的标志。分析还显示，这些颗粒的表面覆盖着天然的生物分子，具体为细菌在生产过程中释放的蛋白质和糖类。这些涂层就像一个保护壳，使颗粒在水中保持稳定，并防止它们立即发生团聚。此外，颗粒带有很强的负电荷，这有助于它们相互排斥并在液体中保持悬浮状态，这是将其应用于植物的一项关键特性。

接下来的步骤是测试这些生物制造的颗粒是否安全且有效。研究人员首先针对常见的土壤细菌和真菌进行了测试，以确保它们不会伤害有益的微生物。在测试的浓度下，纳米颗粒没有表现出杀死或抑制这些微生物生长的迹象，表明它们与土壤环境具有兼容性。随后，他们将实验转向种子。他们用含有纳米颗粒的溶液处理小麦和荞麦种子，并观察其生长情况与未经处理的种子之间的差异。结果令人鼓舞。经过处理的小麦种子发芽更可靠，并长成了更强壮的幼苗。与对照组相比，幼苗发育出了更长的根和茎，且整体重量显著增加。荞麦种子也表现出萌发率的明显提升，有更多的种子成功发芽。

这些发现表明，海洋细菌 VB17 是一种能够生产硒纳米颗粒的有效菌株，这些颗粒既对有益微生物安全，又能促进植物生长。该研究提供了一个清晰的案例，展示了如何通过调节特定菌株来生产具有特定特征（如尺寸和表面涂层）的颗粒，而这些特征对于农业用途至关重要。尽管结果令人振奋，但研究人员指出，这仍处于研究的早期阶段。实验是在受控的实验室环境下进行的，且仅测试了一种特定浓度的纳米颗粒。未来的工作需要确定针对不同作物的最佳剂量，并验证这些益处在现实世界的农田和温室中是否依然成立。尽管如此，这项研究为这样一个未来提供了引人入胜的展望：即海洋细菌可以帮助解决陆地农业挑战，将一种潜在的有毒元素转化为培育更健康、更具韧性作物的工具。

技术摘要：源自海洋假交替单胞菌 (Pseudoalteromonas shioyasakiensis) VB17 的生物源硒纳米颗粒

问题陈述
硒（Se）是一种重要的微量元素，但其在农业中的应用因其益处与毒性之间的极窄窗口而变得复杂。无机硒物种（如亚硒酸盐 [Se(IV)]）在高浓度下会诱发氧化应激。虽然硒纳米颗粒（SeNPs）为受控递送和提高生物利用度提供了一种极具前景的替代方案，但传统的物理和化学合成方法通常涉及高能耗和有害的还原剂。因此，需要使用海洋微生物进行绿色、生物源的合成路径。然而，在将特定微生物菌株与所得纳米颗粒的理化特性及其随后的生物学功效联系起来方面，仍存在显著的研究空白。具体而言，关于 Se(IV) 还原性能的菌株特异性变化以及由此产生的纳米颗粒特性的关系尚未得到充分理解，也尚未系统地评估源自特定海洋分离株的 SeNPs 的农业潜力。

研究方法
本研究利用从越南 Nha Trang 海湾分离出的海洋细菌——假交替单胞菌 (Pseudoalteromonas shioyasakiensis) VB17 来合成生物源 SeNPs。研究遵循了四个阶段的方法：

Se(IV) 还原过程的优化： 将该细菌培养在海洋肉汤中，改变初始细胞密度（OD600 = 0.3、0.6 和 1.0）和 Se(IV) 浓度（0.5–10 mM）。在 72 小时内监测还原动力学，以确定达到 90% 还原所需的时间 ( $T_{90}$ )、最终还原效率以及表观初始还原速率 ( $V_0$ )。
理化特征表征： 基于最佳还原条件，合成并收集 SeNPs。使用以下手段对其进行表征：
- 扫描电子显微镜 (SEM)： 用于观察形貌和颗粒尺寸。
- X 射线衍射 (XRD)： 用于确定晶体结构和晶粒尺寸。
- 傅里叶变换红外 (FTIR) 光谱： 用于识别表面相关的官能团。
- 动态光散射 (DLS)： 用于测量不同浓度下的流体动力学尺寸、多分散指数 (PDI) 和 Zeta 电位。
微生物兼容性： 使用孔扩散法，在 100 ppm 浓度下测试合成的 SeNPs 对枯草芽孢杆菌 (Bacillus subtilis) BKM B501 和拟枝菌 (Trichoderma viride) 471 的抗菌活性。
农业评估： 在实验室条件下，评估 SeNPs（浓度为 1.5 g L⁻¹）对小麦 (Triticum aestivum L.) 和荞麦 (Fagopyrum esculentum L.) 种子萌发及早期幼苗生长的影响。评估参数包括萌发力、萌发百分比、根/茎长度、鲜重和根数。

主要贡献与结果

还原性能： 研究表明，初始细胞密度和 Se(IV) 浓度相互作用决定了还原结果。虽然增加细胞密度加速了早期阶段的还原速率 ( $V_0$ )，但并未一致地提高高 Se(IV) 负荷下的最终转化率。具体而言，在 10 mM Se(IV) 条件下，最高细胞密度（OD600 = 1.0）在 72 小时内未能达到 90% 的还原率，其最终效率（85.17%）低于较低密度的组别。研究确定了生产的最佳平衡点为 OD600 = 0.6 且 Se(IV) 浓度为 3 mM。
理化性质： 所得 SeNPs 主要呈球形或次球形，粒径范围为 80.6–135 nm (SEM)。XRD 分析证实了存在结晶态单质硒（三方/六方相），其晶粒尺寸约为 20 nm。FTIR 光谱表明纳米颗粒表面存在蛋白质和多糖相关的官能团（酰胺 I/II、C-O、C-H），这暗示存在生物分子包覆层。
胶体稳定性： DLS 分析显示流体动力学直径为 304.2–450.2 nm，明显大于晶粒尺寸，表明存在表面层和颗粒聚集现象。纳米颗粒表现出强负 Zeta 电位 (−60.2 至 −43.7 mV)，随着浓度的增加，电位绝对值减小，这与浓度升高导致的多元性和聚集增加相关（0.50 mg mL⁻¹）。
生物兼容性： 在 100 ppm 浓度下，VB17 衍生的 SeNPs 对 B. subtilis 或 T. viride 未表现出可检测到的生长抑制作用，表明其与这些特定微生物具有兼容性。
农业效应： 使用 1.5 g L⁻¹ SeNPs 处理显著增强了种子萌发和早期生长。在小麦中，萌发力从 45.0% 提高到 60.0%，实验室萌发率从 25.0% 上升至 52.0%。幼苗生长参数也表现出显著改善：茎长从 2.80 cm 增加到 7.00 cm，根长从 2.20 cm 增加到 4.45 cm，根数从 3.00 增加到 6.73。荞麦也观察到了类似的积极趋势。

意义与主张
作者主张，本研究提供了特定海洋菌株 (P. shioyasakiensis VB17) 的 Se(IV) 还原性能与其产生的纳米颗粒之理化及生物学特性之间的系统性联系。该工作强调了以下几点：

菌株特异性优化： SeNP 的生产效率高度依赖于特定的培养参数（细胞密度 vs. 底物浓度），且较高的生物量并不总是意味着在高硒胁迫下具有更好的表现。
独特的纳米颗粒特征： VB17 衍生的 SeNPs 拥有一种独特的组合：结晶态 Se⁰ 核心、生物分子表面层（蛋白质/多糖）以及特定的胶体行为，这使其区别于化学合成或其他的生物源变体。
初步农业潜力： 研究提供了初步证据，表明这些特定的生物源 SeNPs 可以作为增强小麦和荞麦种子萌发及早期幼苗长势的有效剂剂，且对所测试的微生物菌株没有明显的毒性。

论文对于其结论保持了谨慎的语气，明确指出这些发现是初步的。作者指出，该研究是在实验室条件下进行的，仅使用单一浓度，未测量植物组织中的硒吸收或积累情况（因此未确认生物强化作用），且仅针对两种菌株评估了微生物兼容性。因此，这些结果支持了在将这些 SeNPs 推荐用于广泛农业应用之前，需对剂量效应关系、生理机制和野外表现进行进一步研究的必要性。

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