自然·通讯 | 贵州大学蔡璘团队开发铜单原子纳米酶，可高效防治植物细菌病害

植物细菌性病害是农业生产中难以根治的顽疾，每年造成巨大的作物减产。例如，番茄细菌性斑点病和青枯病可分别导致番茄产量降低75%和33%以上，严重威胁全球粮食安全。传统化学农药的长期滥用不仅导致病原菌抗药性不断增强，还带来环境污染风险。因此，开发高效、安全的新型抗菌策略迫在眉睫。近年来，具有类酶催化活性的纳米酶因其成本低、稳定性好等优势展现出巨大潜力，但如何提高其对细菌的亲和力与催化效率仍是亟待突破的关键难题。

2026年3月20日，贵州大学绿色农药全国重点实验室、绿色农药与农业生物工程教育部重点实验室蔡璘教授团队在《自然·通讯》（Nature Communications）上发表题为《具有智能捕获和光热增强活性的铜单原子纳米酶用于植物细菌病害防治》（Copper single-atom nanozyme with intelligent capture and photo-enhanced activity for controlling plant bacterial diseases）的研究成果。该研究成功开发出一种负载铜单原子的ZnS@MoS₂纳米酶，兼具高效类过氧化物酶活性和近红外光热增强效应，在防治番茄细菌性病害方面展现出优于商品农药噻唑铜的优异效果。

研究团队首先通过水热法合成了铜单原子负载的ZnS@MoS₂纳米酶。结构表征显示，该材料呈不规则层状结构，表面分布有ZnS纳米颗粒，铜以单原子形式分散于材料中，并与硫和氮/氧原子配位。X射线吸收精细结构谱分析进一步确认铜的氧化态介于+1与+2之间，且未检测到铜-铜键的存在，证实铜以孤立单原子状态存在，未发生团聚。

该纳米酶在近红外光照射下表现出优异的光热性能。在808 nm激光照射下，材料可迅速升温至40°C，恰好接近天然酶的最适工作温度。实验结果显示，近红外光照射可显著增强其类过氧化物酶活性，催化过氧化氢分解产生羟基自由基。动力学分析表明，该纳米酶对底物过氧化氢的催化速率常数远高于已有报道的多数类过氧化物纳米酶。电子自旋共振谱也直接证实其产生羟基自由基的能力在近红外光照射下进一步增强。

体外抗菌实验表明，该纳米酶对番茄细菌性斑点病菌和青枯病菌均表现出优异的抑制效果，其半数有效浓度显著低于商品农药噻唑铜。在过氧化氢存在条件下，纳米酶可进一步提升抑菌率，分别提高69.71%和87.63%。自由基清除实验证实，羟基自由基是主要的抗菌活性物质。扫描电镜观察发现，纳米酶处理可导致细菌细胞发生拉伸、挤压甚至撕裂等形态改变。

为揭示抗菌机制，研究团队通过密度泛函理论计算发现，该纳米酶对细菌表面常见的磷酸根离子具有极强的吸附能力，可通过形成金属-氧-磷键与细菌表面的脂多糖和磷脂结合，实现对细菌的“智能捕获”。这种紧密的结合可有效缩短羟基自由基的扩散距离，提高杀菌效率。此外，纳米酶还可降低细菌运动能力、抑制生物膜形成和胞外多糖产生，进一步削弱细菌的致病潜力。

生物安全性评估显示，该纳米酶在实验浓度下对番茄、烟草等植物生长无明显影响，对人肠道上皮细胞也无显著毒性，对斑马鱼和蚯蚓等非靶标生物安全。土壤和细菌感染环境中的降解实验证实，该材料可逐渐被氧化分解，具备良好的环境友好性。

在活体植物实验中，通过叶面喷施和根部灌根两种方式施用该纳米酶，均可显著降低番茄细菌性斑点病和青枯病的病情指数。在相同处理时间下，其防治效果均优于商品农药噻唑铜，且该纳米酶在不同温度、pH值和溶剂中均表现出良好的稳定性，具备持久的病害控制能力。