Nano-particles’ Effect to the Survival of Bacillus cereus 905 on the Cucumber Phyllosphere

Nano-particles’ Effect to the Survival of Bacillus cereus 905 on the Cucumber Phyllosphere

在自然界，植物、微生物和环境之间的关系是极其复杂的。只有详细了解生防微生物在植物根际或叶围与病原物及其他生物、植物及其分泌物、土壤及各种环境因子之间的相互作用及其变化规律，才能有效地调控无机、有机环境，更好地发挥生防微生物的防病功能[1]。

国内外在探索环境因素在植物与微生物互作过程中的影响方面，已经开展了较多工作，包括温度、湿度、降雨、光照等气候条件，土壤理化性质，作物栽培条件等。在纳米技术出现之前，人们很难认识到自然环境中的纳米颗粒物对微生物的影响。近年来，大气等环境中纳米颗粒（超细颗粒物）的生物效应已开始深入研究[2，3]，如光催化纳米二氧化钛对很多微生物都具有杀菌作用[4，5]。这样对于暴露在自然条件下的细菌尤其是叶围微生物，适应这种较为苛刻的环境将是细菌生存的一个重要考验。

蜡样芽孢杆菌Bacillus cereus 905菌株是本实验室从植物上分离获得的生防细菌，具有促进植物生长，增强农产品品质和防治多种植物病害的功效[6]，并已开发应用于农业生产，取得了预期的经济、生态及社会效益。前期研究发现，离体条件下该菌株在纳米颗粒光催化作用的影响下存活率明显降低。二氧化钛表面产生的·OH和其他如H2O2、O·2等活性氧都参与了灭菌作用[7]。鉴于光催化纳米二氧化钛具有广谱的杀菌作用，我们必须考虑到它对于自然界中有益微生物的影响。本研究以已在生产中应用的有益芽孢杆菌（Bacillus cereus 905）为研究对象，分析纳米TiO2作用下，该细菌在黄瓜叶围存活能力的变化，有助于阐明纳米颗粒对植物叶围微生物的影响。

1 材料与方法

1.1 纳米材料准备

分别称取适量的纳米TiO2（P25，Degussa Co.），高压灭菌，保存于暗处。使用前加入无菌磷酸缓冲液（0.1mol/L，pH 7.0），超声波水浴振荡30min使纳米TiO2均一地分散于溶液中。

1.2 细菌培养与计数

Bacillus cereus 905（GFP），由中国农业大学植病系生防室分离保存并用GFP标记[8]。将B.cereus 905（GFP）接种至含有相应抗生素的LB培养基，30℃160 r/min悬浮振荡培养过夜，1000×g离心收集菌体，用无菌磷酸缓冲液洗涤菌体两次，收获的菌体重新悬浮于磷酸缓冲液中，菌体浓度由平板活菌计数法来确定。

1.3 植物生长条件和接种

所有试验选择在日光温室生长的，4片真叶龄的健康黄瓜植株（Cucumis sativus cv.CAU NO.32）上进行。用B.cereus 905（GFP）菌悬液（108CFU/mL）喷雾接种叶面，或直接将叶面浸润菌悬液3s钟接种。这样的接种程序可以达到107CFU/叶的接种量。接种1h后用美术喷笔（Airbrush，HD-470，台湾）将TiO2悬浮液（0.2mg/mL）均匀喷雾在接种过的叶面上。使用美术喷笔是为了使TiO2以极小的雾粒（平均体积750μm3）覆盖叶围，既不蘸湿叶面也避免了叶围微生物的空间移动[9]。处理后的植株继续在日光温室内培养一定时间后，取样进行原位观察或平板回收。

1.4 叶围细菌的原位观察

每个处理，随机取5片叶子，每片叶子随机切割6个1cm×1 cm的组织用以原位观察，用激光共聚焦扫描显微镜（Confocal Laser Scanning Microscope，Nikon EZ-C1）迅速扫描叶的上表面，寻找发绿色荧光细菌，操作要求熟练，防止荧光淬灭。

1.5 叶围细菌平板回收

每个取样点，每个处理随机取5片叶子，每片叶子置于预装30mL无菌缓冲液（0.1mol/L磷酸缓冲液，0.1%Bacto-Peptone，pH 7.0）的离心管或灭菌袋中，超声波水浴振荡7min，充分洗脱叶围微生物[10]。叶围洗脱液梯度稀释后，涂布至含有相应抗生素的LB平板上，30℃培养1～2天，通过菌落计数估计B.cereus 905的群体数量。

2 结果

对于纳米二氧化钛光催化杀菌作用机制的研究表明，二氧化钛吸收波长≤387.5nm近紫外光的光能，产生·OH，以及H2O2、O2等活性氧，从而起到杀灭B.cereus 905的作用，纳米二氧化钛本身对于B.cereus 905没有暗毒性[7]，则实验中同时设一个低水平的光照条件作为参比。由于是利用太阳光作为光源，能穿透玻璃到达植物叶面并被纳米二氧化钛所吸收利用的光波绝大多数为UVA（320～400nm），在日光温室的一角通过设遮阳网来创造低UVA剂量的光照条件。纳米二氧化钛处理后的植株继续在日光温室内培养8h，立即取样进行原位观察或平板回收。8h内低UVA剂量的光照条件和正常日照条件下的平均UVA辐射强度分别为0.2mw/cm2和1.3mw/cm2。

图1 纳米二氧化钛对B.cereus 905（GFP）在黄瓜叶围存活能力的影响

Figure 1 The impact of nano-TiO2 to the survival of B. cereus 905 on the cucumber phyllosphere

如图1所示，两种不同UVA剂量光照8h后，在纳米二氧化钛的影响下，B.cereus 905的残余量分别降低为对照（纳米二氧化钛浓度为零）的52.4%（0.2mw/cm2）和11.6%（1.3mw/cm2）。对照处理B.cereus 905的存活能力保持在106CFU/叶的水平，甚至在低UVA剂量的光照条件下，纳米二氧化钛处理的B.cereus 905的存活能力也能维持与对照同一数量级的水平；而在高UVA剂量的光照条件下，B.cereus 905的存活能力明显下降，甚至发生数量级的变化，群体数量比对照下降了88.4%。

原位观察结果也与平板回收的结果保持一致（见图2）。对每个叶片随机切取组织块扫描观察发现，在所有的处理中不论是单个细菌还是细菌聚集体，它们在叶围的存在位置与叶表面的结构特征有关。叶表面对于细菌来说是一个非常不平坦的生活环境。它实际上是掩藏有许多不同结构的区域的集合体，包括腺毛、钩毛、气孔、表皮细胞和纹理等。大多数观察到的细菌位于叶的纹理或腺毛处，也有一部分位于表皮细胞上或气孔附近。在纳米二氧化钛处理的叶面，观察到的细菌数量较少，并且很难观察到单个细菌，大多数细菌以聚集体的形式存在。Monier J-M和 Lindow SE也发现菜豆叶面菌Pseudomonas syringae以单个细胞的存在形式比以聚集体的形式对于环境的干燥胁迫更为敏感[11]。

图2 Bacillus cereus 905（GFP）在黄瓜叶围存活情况（原位观察）

Figure 2 The survival of Bacillus cereus 905 on the cucumber phyllosphere（Microscopy of Bacteria in Situ）

3 讨论和结论

本研究表明，在正常日照情况下，B.cereus 905的存活能力明显下降，群体数量比对照下降了88.4%。无论是原位观察还是传统的平板回收结果说明，受二氧化钛光催化杀菌作用的影响，有益微生物B.cereus 905在黄瓜叶围的存活能力明显降低，这与在离体条件下得到的结论[7]相一致。

鉴于光催化纳米二氧化钛广谱的杀菌作用，我们必须考虑到它对于自然界中有益微生物的影响。对纳米颗粒物生物效应的研究，是一个急需研究的领域。空气及植物表面等许多地方都存在许多纳米级颗粒，对于暴露在自然条件下的细菌，适应这种较为苛刻的环境将是细菌生存的一个重要考验。尤其是随着纳米包膜肥料、纳米土壤改良剂、二氧化钛光合作用促进剂等的产业化，以及农业生产中的投入使用，会使越来越多的人们注意到这一问题。

目前对于纳米颗粒作为环境因素对植物、微生物影响的研究并不多见，本文探讨了有益微生物在植物表面受纳米颗粒影响而产生的存活能力问题，但如何创造生防微生物的适宜环境，或改进其对环境的适应能力以提高生防制剂效果的稳定性，还需要进一步深入的研究。