2023年2月10日，云南农业大学植物保护学院何月秋教授团队在环境科学领域高质量期刊 environment international（中国科学院1区，IF=11.8）发表了题为“Environmental effect of agriculture-related manufactured nano-objects on soil microbial communities”的综述论文。该论文系统性综述了与农业相关的人造纳米物对土壤微生物群落的环境影响，提出了与农业相关的纳米制品（MNOs）可以彻底改变作物生产，并有助于实现可持续发展的目标。
MNOs具有不同的物理化学性质，能够以控制、靶向和刺激响应的方式封装和传递活性成分来提高效率，同时最大限度地减少对非目标生物和环境的附带损害。众所周知，以纳米杀虫剂和纳米肥料形式应用的MNOs对土壤微生物群落都有积极和消极的影响，但对不同剂量、类型和环境条件的详细研究很少。因此，必须通过整合组学（转录组学、代谢组学和蛋白质组学）、人工智能和统计框架等先进技术来了解形成MNOS-微生物相互作用的复杂机制和因素。最后文章提出了通过mnos介导的土壤微生物群操纵来修改土壤微生物群落以改善微生物功能的想法。如果适当利用这些微生物的功能来服务农业，可以彻底改变现代农业，并帮助实现未来农业的可持续发展目标。
图1 . 纳米农用化学品概述
纳米杀虫剂包括两类，I类是金属基(A)，而II型(D)是由聚合物、粘土和玉米醇溶蛋白颗粒构成的纳米载体，包括纳米胶囊(i)、纳米球（ii ）、纳米凝胶（iii）、纳米凝胶、纳米脂质体(v)、固体脂质NPs（vi）、树枝状分子（vii）、玉米醇溶蛋白NPs（viii）、碳纳米管（ix）、石墨烯NMs (x)、纳米复合材料（xi）、介孔二氧化硅NMs（xii）。而纳米肥料可分为三类：纳米宏量营养素(B)、纳米微量营养素(C)和纳米载体(D)，它们封装活性成分以实现控制、靶向和同步释放。
由于纳米物质独特的物理化学特性，包括高表面积和体积比、高反应性和弹性、表面潜力、可改变的物理/化学性质和分子操作，纳米产品被认为是农业应用的理想产品，因此，这些纳米特性可用于开发成功的纳米农业化学品，以实现可持续农业。（图1）
图2 . 纳米农用化学品对大块土壤/根际微生物多样性的影响
土壤微生物多样性的变化扰乱了土壤生态系统的平衡，导致土壤抑制病原体的能力受损引入改性纳米颗粒可以恢复正常的土壤微生物活性，以抵御病原体的攻击。以纳米农用化学品的形式直接向土壤中施用mno会影响微生物多样性。文献揭示了纳米农用化学品对微生物多样性带来的消极影响和积极的影响。MNOs丰富了特定的类群，而其他的类群则相对的有所减少，这些结果取决于MNOs的浓度、暴露时间、MNO类型、土壤类型和其他土壤因素。（图2）
图3 . 纳米农用化学品对土壤微生物功能的影响
土壤微生物具有调节生物地球化学循环、土壤酶活性、碳固存和外来生物/污染物的降解等多种功能。以纳米农用化学品的形式应用MNOs对这些功能均有正向和负向影响，绿色箭头表示正调控，红色箭头表示负调控。MNOs对土壤微生物系统的影响在很大程度上取决于土壤性质和复杂性的影响，如有机质的存在、缓冲能力、土壤颗粒聚集、MNOs的固定化以及MNOs 周围的沉积和冠状形成。（图3）
图4 . MNOs对土壤微生物的毒性机制
土壤微生物群对生态系统的最佳功能调控非常重要而细菌和真菌是土壤微生物群的主要组成成分。MNOs或纳米颗粒破坏细胞壁并渗透到能产生活性氧（ROS）的细胞内部并破坏细胞成分。活性氧破坏能量通路并降低线粒体功能(真菌中)。此外，氧化应激导致遗传毒性，最终导致细胞凋亡。（图4）
图5 . MNOs介导的对土壤微生物群系的调控
土壤微生物在植物的生长和恢复力中起着关键作用。微生物网络显示了植物的致病性（红色圆圈）及其与土壤(A)中其他微生物的相互作用。然而，这些相互作用可以通过应用定制的MNOs (B)、纳米封装的PGPB (C)或纳米封装的微生物代谢物或生物化合物(D)来调节，这些代谢物或生物化合物有助于招募有益的微生物(绿色圆圈)并丰富功能分类群(黄色和粉红色圆圈)(E)。（图5）
纳米技术的快速发展确保了纳米农用化学品有潜力在可持续农业和粮食安全方面发挥基本作用，但它仍然有一定的缺点和局限性。与传统农药相比，纳米农用化学品的经济效益和可扩展性限制了市场生产和消费者的接受度。同时，对微生物组调控来防控重要植物病原体和提高作物产量的研究取得了巨大的进展。纳米介导的微生物组工程在农业生产力和可持续性方面具有巨大的潜力，但需要探索MNOs类型和剂量相关的相关机制和相互作用，以避免对农业生态系统产生任何不可预见的负面影响。
云南农业大学在读博士生Ayesha Ahmed为第一作者，何月秋教授、Shahzad Munir副教授为该论文的通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金资助项目（3205040307）和云南省博士后一级研究基金资助项目（202103）等的支持。
