纳米材料用于害虫防治的研究进展

2021-03-30朱金鹏孙晟源钱明继岳丽娟崔素芬

现代面粉工业 2021年4期

朱金鹏孙晟源钱明继岳丽娟刘茜崔素芬

（江苏科技大学粮食学院，江苏镇江212100）

害虫是影响粮食安全的重要不利因素，严重的虫害会导致粮食减产甚至绝收。即使在粮食储藏阶段，害虫也能持续危害粮食，影响粮食质量和数量。20世纪40年代以来，大量化学农药如有机氯、有机磷、氨基甲酸酯、拟除虫菊酯等被用于害虫防治领域，虽然这些农药可以有效防治害虫、减少粮食损失，但伴随着农药的过度使用，环境污染、农药残留、害虫抗药性增加、误杀害虫天敌等问题日益突出。因此，需要创新现有的害虫管理措施，寻找一种新型、有效、绿色的害虫防治方法。

纳米材料是21世纪非常有潜力的研究领域之一，目前已被广泛应用于医药、农业、化工、半导体等领域。纳米材料是指晶粒小于100 nm的超微颗粒材料，一般处于原子簇与宏观物体交界的过渡区域。从微观和宏观角度来看，这样的系统既不是典型的宏观系统也不是典型的微观系统，而是一种介观系统。纳米材料晶粒小，并且晶界上的原子数比晶粒内部原子数多，容易产生高浓度晶界现象，这也是纳米材料具有小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等特性的原因[1-2]。近年来，大量研究发现，利用一些具有特殊性能的纳米材料对传统农药制剂进行改良，可有效降低传统农药应用局限性，如缓释性能差、对非靶标生物危害性高等，由此可见，纳米材料有助于创新害虫防治管理策略[3]。

文中对纳米材料在害虫防治领域的应用情况进行了讨论，主要内容如下：纳米材料与其他杀虫剂复配进行虫害防治；利用纳米颗粒（胶囊）技术制备杀虫剂；利用纳米颗粒介导的基因或DNA培育抗虫农作物品种；结合微生物功能、制备纳米生物杀菌剂等。针对害虫和农作物种类，选择合适的纳米材料及防治方式，可达到有效防治害虫的目的。

1 纳米材料直接用于害虫防治

纳米材料能够直接喷洒用于害虫防治。目前，农业生产中使用最多的是硅藻土，其主要成分为无定形二氧化硅。二氧化硅广泛存在于石英砂、岩石和粘土中，是地球上最丰富的物质之一，当硅藻土内无定形二氧化硅含量高且粒径均匀时，硅藻土能表现出较好的害虫防治效果。例如，硅藻土可以有效防治赤拟谷盗（Tribolium castaneum）、杂拟谷盗（Tribolium confusum）、谷蠹（Rhizopertha dominica）、玉米象（Sitophilus zeamais）等重要储粮害虫，且防治效果不受害虫磷化氢抗性能力的影响[4]。这说明纳米二氧化硅在害虫防治领域有非常大的应用前景。另外，改性纳米二氧化硅应用于害虫防治也是目前研究的一个热点。现已证实一些经表面电荷修饰的疏水纳米二氧化硅被成功用于防治农业害虫，并且亲水性、疏水性和亲油性二氧化硅对害虫的防治效果无明显差别[5]。说明纳米二氧化硅防虫效果可能与改性基团无关，而仅与材料本身特性有关。

虽然纳米二氧化硅可以有效防治害虫，但其具体作用机制却尚不清楚。昆虫利用各种表皮类脂，形成水的天然保护屏障，防止因失水过多死亡；纳米二氧化硅则通过物理吸附被昆虫表皮脂质吸收，影响其皮脂质功能，导致昆虫死亡。另外，在农作物叶和茎的表面喷洒纳米颗粒，不会影响植物的光合作用、呼吸作用等生理代谢活动，且不会诱导昆虫气管中基因表达发生变化[7]。这体现了纳米二氧化硅材料应用于害虫防治的安全性。世界卫生组织已认定无定形二氧化硅对人类无害，可以作为一种绿色、安全的害虫防治材料使用。

2 农药纳米乳液

纳米乳液也称细乳液，是指粒径在20～200 nm之间的胶体分散体系。与传统乳液相比，纳米乳液的动力学稳定性更好，不易出现分层或聚集现象。制备纳米乳液时，使用表面活性剂的界面活性要求低、用量少，且可以利用一些生物兼容性强的生物大分子表面活性剂。农药纳米乳液是由农药、溶剂、乳化剂、水、助溶剂和助乳化剂构成，其具体成分视情况而定；纳米乳液具有液滴粒径小且均匀、粘度低、润湿、扩散及渗透能力强等优点。液滴粒径越小、增溶作用越明显，可提高低水溶性农药的生物利用度，从而能提高施药效果。窦天琪[8]制备的7%啶·嘧纳米乳液对蚜虫（Aphidoidea）防治效果较好且安全性、稳定性较高。曾丽亚[9]制备的去甲斑蝥素纳米乳液农药可以有效防治小菜蛾（Plutella xylostella）且对非靶标生物和农作物副作用小。目前，大多数商用植物生长调节剂、广谱型杀菌剂等是以纳米乳化液形式存在。因此，纳米乳液可以有效解决普通农药水溶性差、生物利用度低、农药残留高等问题，能提高农药制剂对害虫的防治效果。

3 纳米胶囊技术

农药直接被利用时会在靶标周围环境中扩散、稀释、水解、光解或者被微生物代谢，可能难以起到应有的作用。纳米胶囊技术主要从医用高分子领域相关载药纳米粒子的缓释与控制方面的研究成果延展而来，可以将除虫剂纳米胶囊化。与传统除虫剂相比，纳米胶囊粒径小，无需表面活性剂即可被均匀分散于水中，解决了传统农药制剂水溶性差、生物利用率低，以及环境污染严重等问题，并且更容易精准施药。MEREDITH等[10]研究表明，经纳米胶囊技术处理的拟除虫菊酯类农药显著降低了对鱼类的毒害作用。武锦等[11]利用微乳液聚合法制备天然除虫菊酯纳米胶囊时发现乳化剂用量、壳芯比对纳米乳液稳定性、胶囊稳定性影响较显著，并获得了最佳试验条件。李敏等[12]进行了两亲性接枝共聚物改进纳米胶囊性能、提高农药施药效果的研究。大量研究结果表明，利用天然有机聚合物包埋杀虫剂的有效成分，将其制备成纳米微胶囊，可以有效减少农药使用量，降低农药对非靶标生物毒性，提高药物稳定性，在农业生产领域有巨大的应用前景。

4 纳米颗粒载体技术

近年来，纳米颗粒载体被广泛应用于农业生物制药领域。将纳米颗粒以杀虫剂的形式封装，可以明显改进传统农药的功效。利用纳米技术制作载体、发展新型农药加工技术可以使农药更易穿透害虫表皮，延长作用时间，从而能提高害虫毒杀效果。另外，纳米载体能有效降低农药在目标靶区的残留，允许精准施加药[13]。纳米颗粒载体主要有金属纳米颗粒、聚合物纳米颗粒、生物基纳米颗粒和纳米颗粒混悬剂等，其中利用金属纳米颗粒作为农药有效成分载体在农业生产领域应用较为广泛。目前，大部分研究是通过分析不同金属纳米材料的杀虫特性筛选、制备出绿色、有效的害虫防治材料。一些纳米金属载体材料如结合铝（ANP、NSA、AL2O3）、结合锌（ZNP、ZnO）、结合钛（TNP、TiO2）、结合银（AgNPs）等已被合成并应用，相关农药表现出较好的杀虫效果，且毒性较低[3，14，15]。如纳米银通过抑制乙酰胆碱酯酶活性，纳米金通过抑制胰蛋白酶活性等干扰昆虫生长发育与繁殖等[16]。此外，金属纳米颗粒还可被应用于农药残留检测。例如，徐娜等[17]利用银纳米颗粒快速检测杀扑磷农药残留量，操作简便、灵敏性较高。刘复新等[18]利用纳米颗粒标记可视化试纸来检测农药残留。由此可见，金属纳米颗粒作为药物载体对降低农药使用量，提高农药效率，减少农药残留对环境的污染发挥了重要作用。

利用聚合物纳米颗粒载体可以有效延缓农药释放，提高农药水溶性[19]。佟雨佳等[20]发现，基于两亲聚合物mPEG-PLGA负载疏水性农药异丙甲草胺时，异丙甲草胺对小鼠的毒性降低。虽然聚合物纳米颗粒有较好的害虫防治功能，但是大部分聚合物纳米基农药仍存在稳定性低、生产步骤繁杂、生产困难等问题。生物基纳米颗粒载体能够增加农药对生物膜的穿透性，提高农药目标性和施药效果。相比于脂质体和微粉化制剂，纳米混悬药物更易使用，可负载在水溶液和有机体中溶解性差的药物。HARTFIE等[21]利用固体脂质微胶囊和纳米颗粒包裹高效氯氟氰菊酯，提高了氯氟氰聚酯对水蚤的防治效果，同时减少了药剂对非靶标生物如鱼的毒性。与传统方法相比，利用生物方法制备纳米颗粒过程不添加有机试剂，方法简单、安全且无污染，因此具有较大的市场开发前景。

5 利用纳米技术进行核酸传送和DNA干扰

除了直接致害虫死亡外，还可利用纳米技术制备生物制剂干扰害虫遗传信息，从而致害虫死亡。He等[22]制备了含CHT10基因dsRNA荧光纳米载体进行CHT10基因沉默，干扰昆虫正常的生长发育，达到害虫防治目的。在此过程中，dsRNA/FNP荧光纳米粒子因毒性低、靶标性强且易被细胞吞噬，提高了基因沉默效果。利用非病毒基因传递系统敲除害虫的关键发育基因功能，可以有效避免化学杀虫剂靶标性差、农药残留以及对环境污染等问题。Das S等[23]比较分析了3种纳米（壳聚糖、碳量子点（CQD）和二氧化硅）dRNA材料干扰埃及伊蚊（Aedes aegypti）基因（snf7和src）表达情况，结果发现这3种纳米材料都可以明显沉默靶标基因，有效控制昆虫种群发展，其中CQD-dsRNA对靶标基因的沉默效果最好。Zhang等[24]发现，壳聚糖/Agchs-dsRNA纳米颗粒可以抑制冈比亚按蚊（Anopheles gambiae）体内Agchs1和Agchs2表达，从而能有效抑制幼虫的摄食。这些研究结果表明，基于纳米材料制备的dsRNA提高了传统dsRNA基因沉默效果，可以更有效地调控害虫生长发育过程，为未来制定安全、绿色、靶标性强的害虫防治策略提供了有利线索。