大气压等离子体沉积技术制备抗禾谷镰刀菌的芽孢杆菌孢子复合涂层研究

本文创新性地采用大气压等离子体沉积(APPD)技术，将具有抗菌活性的贝莱斯芽孢杆菌(Bacillus velezensis) N3.2孢子嵌入有机涂层，证实涂层厚度可调控孢子萌发速率但不影响其抗禾谷镰刀菌(Fusarium graminearum)活性，为开发环境友好型种子包衣技术提供新思路。

　　

引言

全球人口预计2050年将达到100亿，农业需求将比2013年增长50%。禾谷镰刀菌(F. graminearum)作为小麦赤霉病(FHB)和冠腐病(FCR)的主要病原体，不仅造成作物减产，其产生的单端孢霉烯族毒素和玉米赤霉烯酮更威胁食品安全。欧盟"从农场到餐桌"战略要求2030年前减少50%农药使用，推动生物防治剂(BCA)研发成为热点。

实验方法

研究采用贝莱斯芽孢杆菌N3.2孢子（原分类为解淀粉芽孢杆菌），通过90°C热处理20分钟获得纯孢子悬浮液（10⁶ spores/mL）。采用介质阻挡放电(DBD)反应器，以乙烯(C₂H₄)、氦气(He)和水雾混合气体为前驱体，在5 KV_pp/20 kHz条件下沉积1-16分钟，获得厚度90-1390 nm的涂层。通过FT-IR、XPS和SEM对涂层化学组成及形貌进行表征，并测试孢子存活率及对禾谷镰刀菌ITEM 6415的抑制效果。

结果分析

涂层特性：
沉积速率达82±8 nm/min，XPS显示涂层含88.3%碳和11%氧，C1s谱拟合显示含C-OH(286.4 eV)和C=O(287.7 eV)等极性基团。SEM观察到8分钟沉积形成的700 nm涂层在孢子表面产生2 μm宽褶皱（图3E-F），而纯涂层表面光滑。

生物学表现：

• 存活率：最薄涂层(90 nm)孢子萌发率与对照组无差异（4.0±0.1 mm菌环宽度），而1.4 μm涂层使萌发延迟至48小时，菌环缩小至0.8 mm（表1）。
• 抗菌活性：所有涂层孢子对禾谷镰刀菌抑制带均保持8-10 mm（图6），与未处理组无统计学差异(p>0.05)。

讨论

与传统聚乙烯醇(PVA)包衣相比，等离子体涂层展现出独特优势：

1. 厚度可控性：通过调节沉积时间（1-16分钟）精确控制涂层厚度
2. 功能保留性：即使最厚涂层(1.4 μm)仍保持100%抗菌活性
3. 缓释效应：厚度增加可延缓孢子萌发，可能延长田间作用时间

研究首次证实等离子体过程产生的活性氧(ROS)和紫外辐射对孢子的损伤可被涂层屏蔽，但需进一步验证。该技术为开发兼具机械保护性和生物活性的种子包衣提供了新范式，符合可持续农业发展需求。

结论

大气压等离子体沉积技术成功制备出包埋活体孢子的功能性涂层，突破传统生物防治剂载体技术的局限。未来研究将优化工艺参数，评估其对种子发芽率及大田防效的影响，推动该技术向农业应用转化。