中科院化学所张军、田卫国团队《ACS Nano》：纤维素基光热涂层 - 为种子保护和粮食存储提供绿色可持续解决方案

2023-07-15 来源：高分子科技

粮食安全是国家安全的重要基础，其关键在于粮食生产与长期存储。然而各类植物病虫害给粮食高产造成了巨大障碍。常用的化学杀菌剂长期使用会导致致病菌产生耐药性，削弱杀菌效果，加剧土壤污染与农药残留。因此亟需发展环境兼容性好的绿色病害防治新技术。

近日，中国科学院化学研究所张军与田卫国团队发展了一种基于聚多巴胺纳米粒子（PDA NPs）和水溶性纤维素季铵盐（Cell-N⁺）的纤维素基光热抗菌材料（图1）。Cell-N⁺带有正电荷，可与PDA通过静电相互作用结合，中和PDA的电负性，实现电荷反转，有利于材料与细菌/真菌的结合，起到暗毒性与光热协同抗菌效果。不同于传统抗生素作用机制，光热治疗（PTT）是利用光敏剂将吸收的光能转化为热量，通过在细菌等微生物周围产生的局部高温，对微生物细胞壁、细胞膜、蛋白质或酶等造成物理性损伤，而实现对细菌、真菌等微生物的有效杀灭。

图1 纤维素基光热涂层的制备及光热抗菌示意图

光热转换能力直接决定了PDA NPs@Cell-N⁺的光热抗菌效果。在808 nm近红外光（2 W/cm²）辐照下，PDA NPs@Cell-N⁺水分散液可从23.4 °C升至52.6 °C，2-3 min即可达到平衡温度。成膜后，PDA NPs@Cell-N⁺光热性能更强，在200 mW/cm²的808 nm激光光照下，10-20 s内光照区域局部温度可升至80 °C以上。同时，在经历反复5次的升温-降温循环后，对应升温速率与平衡温度无任何衰减迹象。PDA NPs@Cell-N⁺材料良好的热稳定性与瞬时表面局部高温抗菌能力是种子保护或粮食存储的关键。（图2）

图2 PDA NPs@Cell-N⁺的光热性能评价

如图3所示，利用Cell-N⁺的暗毒性和PDA的光热性能，可实现对细菌金黄色葡萄球菌（S. aureus）、大肠杆菌（E. coli）的高效杀灭（抑菌率分别为98.7%和95.4%），同时也可实现对种子致病真菌腐皮镰孢菌和黄曲霉菌的有效抑制（抑菌率接近100%和99.9%）。这些结果证明了PDA@Cell-N⁺在种子保护和谷物储存中对抗微生物的巨大能力。

图3 PDA NPs@Cell-N⁺的抗菌性能评价

将PDA@Cell-N⁺溶液包覆绿豆种子表面形成涂层，可通过光热作用清除其表面携带的致病菌。如图4所示，用808 nm近红外光（200 mW/cm²）辐照10 min后，PDA@Cell-N⁺包覆的种子表面可从29.6 °C升至73.8 °C。同时在1 min左右即可达到温度平衡，在保证种子表面病原菌受到充分热量辐照的同时而不损害种子内部正常细胞。PDA@Cell-N⁺包覆的种子培养5天后，种子及附近培养基未见任何菌落，所有种子都长出了健康的白色胚根，新生胚根生命力旺盛。同时，种子的发芽率为100%，幼苗植株的根系发达，有利于幼苗期植株的快速生长。因此，PDA@Cell-N⁺可作为一种绿色的非毒性种子保护涂层或包衣，用于提升种子发芽率，提高粮食产量。

图4 PDA NPs@Cell-N⁺用于种子保护

除此之外，PDA NPs@Cell-N⁺具有较好的生物相容性，并且在种子使用前可被清洗掉，清洗后的种子表面无材料残留，可直接用于后序加工食用。同时，清洗后的PDA NPs@Cell-N⁺水分散液可重复使用，其光热性能不受影响，这也为其在粮食存储中的应用提供了重要基础。

图5 PDA NPs@Cell-N⁺用于长期谷物储存

该项研究以“Cellulose-Based Photothermal Coating: A Sustainable Solution for Seed Protection and Long-Term Grain Storage”为题发表在《ACS Nano》上，第一作者为中国科学院化学研究所博士研究生季欣，通讯作者为张军研究员和田卫国副研究员。

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

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（责任编辑：xu）

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