近日，中国科学院生态环境研究中心朱永官研究员团队与国家纳米科学中心（中国科学院）曹宇虹研究员团队联合在国际顶级科学期刊《自然-食品》（Nature Food）上发表了一项最新成果。该成果开发了一种“纳米包膜”技术，相当于给固氮细菌穿上了一层“防护服”，使其能够在恶劣的叶面环境中稳定生存并高效固氮。田间试验表明，该技术在保证作物产量的同时，替代大约74 kg/公顷化学氮肥。该研究为解决可持续农业中的一个长期难题提供了创新方案。

现代农业高度依赖化学氮肥来维持产量，但过度施肥已导致土壤退化、水体富营养化及温室气体排放等严重的环境问题。利用微生物进行生物固氮（将空气中的惰性的氮气转化为植物可吸收的活性养分）被视为一种绿色的替代方案。然而，传统的微生物菌剂在叶面施用时面临巨大挑战：叶片表面强烈的紫外线辐射、高温以及干燥缺水环境，往往导致细菌在发挥作用前就大量死亡。该研究在一定程度上缓解了氮肥过量使用带来环境危害。

为突破这一生物学瓶颈，联合研究团队通过材料学与生物学的跨界融合，为固氮菌设计了一套纳米级的“防护铠甲”。研究人员利用金属多酚网络（MPNs）和海藻酸钠（一种天然藻类提取物）在单个细菌表面进行自组装，形成了一层致密的纳米涂层。“这层纳米涂层就像是给细菌涂上了‘防晒霜’并穿上了‘保湿衣’，”研究团队介绍道，“它显著提高了细菌对紫外线、氧化应激和干燥环境的抵抗力，极大地增强了细菌在叶片表面的黏附和生物膜形成能力。”

联合团队还进行了水稻全生命周期的田间验证。实验表明纳米包膜显著提升固氮菌在叶面的定殖。接种 14 天后，拥有“纳米铠甲”的细菌在水稻叶片上的定殖数量是未包被细菌的3.3 倍。与对照组相比，施用纳米涂层菌剂的处理可以显著增加水稻籽粒产量并减少化学氮肥的使用。

这项研究提出了一种可扩展、低成本且环境友好的农业新技术。通过稳定叶际（叶片表面）微生物群落，该技术将农作物叶片转化为高效的“迷你氮肥厂”，为减少集约化农业的碳足迹、保障全球粮食安全提供了新的技术路径。

本文通讯作者为朱永官研究员和曹宇虹研究员，第一作者为生态环境研究中心博士研究生廖邑雯，张丽梅、徐大为、曹晴浩、王航、方萍等参与了该项工作。

论文链接： Nature Food https://doi.org/10.1038/s43016-025-01280-2

土壤环境科学与技术实验室

2025年1月6日