自然·通訊 | 貴州大學蔡璘團隊開發銅單原子納米酶，可高效防治植物細菌病害

植物細菌性病害是農業生產中難以根治的頑疾，每年造成巨大的作物減產。例如，番茄細菌性斑點病和青枯病可分別導致番茄產量降低75%和33%以上，嚴重威脅全球糧食安全。傳統化學農藥的長期濫用不僅導致病原菌抗藥性不斷增強，還帶來環境污染風險。因此，開發高效、安全的新型抗菌策略迫在眉睫。近年來，具有類酶催化活性的納米酶因其成本低、穩定性好等優勢展現出巨大潛力，但如何提高其對細菌的親和力與催化效率仍是亟待突破的關鍵難題。

2026年3月20日，貴州大學綠色農藥全國重點實驗室、綠色農藥與農業生物工程教育部重點實驗室蔡璘教授團隊在《自然·通訊》（Nature Communications）上發表題為《具有智能捕獲和光熱增強活性的銅單原子納米酶用于植物細菌病害防治》（Copper single-atom nanozyme with intelligent capture and photo-enhanced activity for controlling plant bacterial diseases）的研究成果。該研究成功開發出一種負載銅單原子的ZnS@MoS?納米酶，兼具高效類過氧化物酶活性和近紅外光熱增強效應，在防治番茄細菌性病害方面展現出優于商品農藥噻唑銅的優異效果。

研究團隊首先通過水熱法合成了銅單原子負載的ZnS@MoS?納米酶。結構表征顯示，該材料呈不規則層狀結構，表面分布有ZnS納米顆粒，銅以單原子形式分散于材料中，并與硫和氮/氧原子配位。X射線吸收精細結構譜分析進一步確認銅的氧化態介于+1與+2之間，且未檢測到銅-銅鍵的存在，證實銅以孤立單原子狀態存在，未發生團聚。

該納米酶在近紅外光照射下表現出優異的光熱性能。在808 nm激光照射下，材料可迅速升溫至40°C，恰好接近天然酶的最適工作溫度。實驗結果顯示，近紅外光照射可顯著增強其類過氧化物酶活性，催化過氧化氫分解產生羥基自由基。動力學分析表明，該納米酶對底物過氧化氫的催化速率常數遠高于已有報道的多數類過氧化物納米酶。電子自旋共振譜也直接證實其產生羥基自由基的能力在近紅外光照射下進一步增強。

體外抗菌實驗表明，該納米酶對番茄細菌性斑點病菌和青枯病菌均表現出優異的抑制效果，其半數有效濃度顯著低于商品農藥噻唑銅。在過氧化氫存在條件下，納米酶可進一步提升抑菌率，分別提高69.71%和87.63%。自由基清除實驗證實，羥基自由基是主要的抗菌活性物質。掃描電鏡觀察發現，納米酶處理可導致細菌細胞發生拉伸、擠壓甚至撕裂等形態改變。

為揭示抗菌機制，研究團隊通過密度泛函理論計算發現，該納米酶對細菌表面常見的磷酸根離子具有極強的吸附能力，可通過形成金屬-氧-磷鍵與細菌表面的脂多糖和磷脂結合，實現對細菌的“智能捕獲”。這種緊密的結合可有效縮短羥基自由基的擴散距離，提高殺菌效率。此外，納米酶還可降低細菌運動能力、抑制生物膜形成和胞外多糖產生，進一步削弱細菌的致病潛力。

生物安全性評估顯示，該納米酶在實驗濃度下對番茄、煙草等植物生長無明顯影響，對人腸道上皮細胞也無顯著毒性，對斑馬魚和蚯蚓等非靶標生物安全。土壤和細菌感染環境中的降解實驗證實，該材料可逐漸被氧化分解，具備良好的環境友好性。

在活體植物實驗中，通過葉面噴施和根部灌根兩種方式施用該納米酶，均可顯著降低番茄細菌性斑點病和青枯病的病情指數。在相同處理時間下，其防治效果均優于商品農藥噻唑銅，且該納米酶在不同溫度、pH值和溶劑中均表現出良好的穩定性，具備持久的病害控制能力。

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