| 标题 | 石墨烯对于植物致病菌生长抑制情况影响的生物效应分析 |
| 范文 | 陈炫木 中图分类号：G4 文献标识码：A 文章编号：（2021）-14-123 石墨烯是一种有着优异性质的新型碳纳米材料。近几年来，石墨烯优良的抗菌性能引起了人们的关注，但石墨烯主要作用于食品、动物源细菌，关于抗植物病原菌的研究相对较少。我国是个农业大国，在千年的农业耕作和植物保护中，深受植物致病菌的影响，我们有必要对石墨烯对于植物致病菌生长抑制情况影响的生物效应开展研究工作，探寻是否能够通过石墨烯的物理杀菌方式来对植物进行保护。查阅中国知网的180多篇关于石墨烯抑菌研究的期刊或论文，其中张芸芸对石墨烯杀菌机理的分析给予了我很大帮助，同时也阅读了不少国内外其他文献。本文在这个基础上，总结了现目前世界石墨烯对于植物致病菌方面的研究，并对其中关键机理进行了分析，并分析了石墨烯对于几个常见植物病原菌的实验，希望能给以相关从业人员些许帮助。 1.石墨烯对植物致病菌生物效应研究现状 碳纳米管具有非常好的抗菌性能，但是制备方法复杂，价格昂贵，且有大量有关碳纳米管毒性的报道，这些都制约了它的抗菌性能的利用与发展。与之结构相似的石墨烯制备方法简便，所用的原料碳的价格低廉，并且无毒，是纳米粒子中最佳的抗菌材料的候选者[1]。 2011年，中国科学院上海应用物理研究所物理生物学实验室Hu等（Huetal.，2010）最早详细地研究了它的抗菌性能。他们将大肠杆菌在GO溶液中孵化，发现大肠杆菌的抑制率达到了90%以上，在透射电子显微镜下观察到暴露在GO溶液中的大肠杆菌断裂，细菌的细胞膜受损。他们进一步探索，将GO溶液制成宏观可见的石墨烯纸片，发现该纸片具有很强的抗菌性能，大肠杆菌不能在石墨烯纸片上繁殖。该材料有望在医疗卫生，纳米抗菌绷带，食品包装领域得到应用。刘绍斌课题组在石墨烯抗菌性能研究方面相对比较深入（Liuetal.，2011a），他们比较了石墨粉（Gt），氧化石墨（GtO），GO，rGO四种基于石墨烯的材料的抗菌性能，发现在相同的浓度下，它们的抗菌性能由强到弱顺序是：GO，rGO，Gt，GtO。扫描电镜显微镜和动态光散射分析表明GO的尺寸在这四种材料中最小，扫描电镜观察到石墨烯纳米层能够与大肠杆菌细胞膜发生直接的相互作用。能够造成细胞膜损伤，但是不会带来菌体内活性氧（ROS）压力的升高。据Akhavan等人（Akhavanetal.，2010）报道，石墨烯卷曲的尖锐的边角也是细菌的致命的武器，因为石墨烯尖锐的边缘能够刺破细菌的细胞膜，让细胞内遗传物质释放，最终细胞瓦解死亡。 2.植物致病菌种类及研究现状 常见的植物致病性病原体有很多。其中细菌，真菌，病毒导致的病害较普遍且严重。但各种病原体入侵宿主的方式，生理，繁殖方式各不相同，在防治上的努力和研究实为捉襟见肘。 植物病菌导致的灾害种类有很多，在全球范围内各国的发生分布都很普遍。统计范围内的植物病菌500多种，发生在我国的细菌作物病害约占其中的28%。在现代农林业生产种植中，植物病菌造成的损失通常十分严重。据估计全世界马铃薯每年因细菌性病害减产25%。而在防治上多依赖于物理防治以及化学药品的大量使用和抗菌生物的防治手段，过程中存在大量缺陷和问题。现有的防治方法的局限性和暴露的问题让我们更加迫切地寻求新的途径解决这一问题。 3.石墨烯对植物致病菌的生物效应研究 3.1石墨烯用于抗青枯病菌抑菌活性的研究 青枯菌是植物致病性细菌中最为严重的细菌之一，由茄科雷尔氏菌引起的植物维管束细菌性病害，青枯菌全球范围内都可能发生，从热带到亚热带地区都能见到这种植物病害。在中国，山东省，江苏省，湖南省，广东该病菌能引起200多种作物发生不同的发病症状（Buddenhagenetal.，1964;Hayward，1991）。宋爽等人采用生长曲线法和平板计数法研究了GO，rGO的植物病原细菌抑菌效应。研究现象表明GO，rGO能延缓青枯病菌的生长速率，降低细菌的活力，具有很好的抑菌性能。她选用了荧光染料染色法，紫外-可见吸收光谱分析法，扫描电镜以及透射电镜观察法研究GO，rGO抑菌机制，研究结果表明GO与细菌直接接触后损伤该细菌的细胞膜，细胞内DNA的释放，细胞干瘪，在透射电镜下可见空虚的细胞网络结构。GO的抑菌性能对植物病原细菌具有很好的抑菌效果，并且它的作用靶点在细胞膜，不会使细菌体内产生抗性[3]。 3.2石墨烯对小麦赤霉孢子萌发及菌丝生长的影响 赤霉病是由镰刀菌属真菌引发的世界性植物病害。它可以侵染一系列的麦类和谷类作物（Chenetal.，2011）。受侵染的作物通常覆盖一层红色的霉层，因此称作赤霉病。赤霉病主要发生在气候温暖的，潮湿和半潮湿的地区。赤霉病能引起作物的严重减产和质量的下降。在过去五十年里，不同程度的赤霉病在东亚和南美发生过很多次，随着整个气候的变暖，在北美以及欧洲也流行过这种植物病害（吴美金，2008）。中国位于亚洲东部，是小麦种植面积最大的国家之一，同时也是麦类作物受害面积最大的国家。在长江中下游地区，华南以及东北地区小麦赤霉病最为严重，每年因赤霉病造成的麦类作物减产约200万-300万吨（任丽娟等.，2003）。 黄敏等人在进行GO，rGO对小麦地上部分生长作用的研究后表明，GO具有很好的生物相容性，使用GO，rGO抑制镰刀菌活性时，小麦的種子发芽率以及根系生长的情况良好，可以说小麦植物不但没有表现出毒性效应反而能促进它的生长。张立春同样也选取了植物病原真菌小麦赤霉病菌作为GO，rGO抑菌性能研究的对象。首先研究了GO，rGO对小麦幼苗生长的影响，表明GO对小麦根系的生长有一定的促进作用，而rGO对小麦根系的生长产生轻微的抑制作用。在确认石墨烯的小麦作物生物相容性较好的前体下，还进行了抑菌性能测试，就石墨烯对小麦赤霉孢子萌发的影响和对小麦赤霉菌丝的影响这两方面做了研究。其研究结果表明GO能抑制小麦赤霉孢子的萌发，对菌丝的生长没有明显的影响。GO的浓度为500?g/mL时，小麦赤霉孢子抑制率达到了82%;rGO对小麦赤霉孢子萌发抑制率较GO的低。 4总结 石墨烯在促进植物快速生长的同时，对多种农林业植物致病菌的繁殖还有明显的抑制作用。然而，石墨烯对植物生长的促进作用以及对病原菌的抑制作用的作用机制尚不明确[7]，这有待相关科研从业者的深入研究。通过以上文献及研究我们能够看出，石墨烯GO对植物病原真菌的这种良好的抑菌性能，有望发展成为一种新型的纳米杀菌剂，在农药，植物致病菌杀菌剂行业具有很大的应用前景。比如基于石墨烯在植物生长中的促进作用以及对于植物致病病原体的抑制作用，研制富有传统营养元素以及微量元素载于石墨烯的复合肥，促进石墨烯在植物灾病防治领域的应用，并在此基础上减少化学农药的用量，保证人体健康的，保证土壤内部菌落平衡，避免因现代生产种植对土地造成不可逆的永久损害，同时注重生態防治，以此实现农林业可持续绿色发展。 参考文献 [1]LeungChuLunAlex，ElizarovaIuliia，IsaacsMark，MaratheShashidhara，SaizEduardo，LeePeterD..Enhancednear-infraredabsorptionforlaserpowderbedfusionusingreducedgrapheneoxide[J].AppliedMaterialsToday，2021，23. [2]Fattah-alhosseiniArash，ChaharmahaliRazieh.EnhancingcorrosionandwearperformanceofPEOcoatingsonMgalloysusinggrapheneandgrapheneoxideadditions：Areview[J].FlatChem，2021，27. [3]李田甜.基于氧化石墨烯/二氧化钛的抑菌材料制备及性能研究[D].兰州理工大学，2020. [4]张芸芸.氧化石墨烯在杀菌和抑膜中的作用及机制[D].浙江工商大学，2019. [5]张鑫，施欢贤，任映坤.氧化石墨烯的制备、表征及其抗菌性能研究[J].西北药学杂志，2018，33（06）：796-800. [6]宋爽，储林芳，吕中，杨浩.氧化石墨烯选择性抗菌性能研究[J].武汉大学学报（理学版），2017，63（04）：283-288. [7]高扬.氧化石墨烯涂层制备及抗菌性能研究[D].太原理工大学，2017. [8]孙龙.氧化石墨烯复合材料对病原菌的抗菌效应研究[D].华中农业大学，2016. [9]张添菊.植物源抑菌剂抗食源性致病菌活性及机理研究[D].南京师范大学，2017. [10]黄敏，吴毅歆，何鹏飞.人和动物条件致病菌环境菌株侵染植物的研究进展[J].微生物学报，2016，56（02）：188-197. [11]刘浩怀，刘力飞，卢嘉明，刘晓兰.石墨烯及其衍生物的抗菌性研究进展[J].中国测试，2015，41（03）：8-13. [12]杨晓倩，张立春，李奕文，王延伟.植物病原菌效应子的研究进展[J].中国科学：生命科学，2020，50（02）：227-236. |
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