納米材料用于害蟲防治的研究進展

朱金鵬 孫晟源 錢明繼 岳麗娟 劉 茜 崔素芬

（江蘇科技大學糧食學院，江蘇鎮(zhèn)江212100）

害蟲是影響糧食安全的重要不利因素，嚴重的蟲害會導致糧食減產(chǎn)甚至絕收。即使在糧食儲藏階段，害蟲也能持續(xù)危害糧食，影響糧食質量和數(shù)量。20世紀40年代以來，大量化學農(nóng)藥如有機氯、有機磷、氨基甲酸酯、擬除蟲菊酯等被用于害蟲防治領域，雖然這些農(nóng)藥可以有效防治害蟲、減少糧食損失，但伴隨著農(nóng)藥的過度使用，環(huán)境污染、農(nóng)藥殘留、害蟲抗藥性增加、誤殺害蟲天敵等問題日益突出。因此，需要創(chuàng)新現(xiàn)有的害蟲管理措施，尋找一種新型、有效、綠色的害蟲防治方法。

納米材料是21世紀非常有潛力的研究領域之一，目前已被廣泛應用于醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、化工、半導體等領域。納米材料是指晶粒小于100 nm的超微顆粒材料，一般處于原子簇與宏觀物體交界的過渡區(qū)域。從微觀和宏觀角度來看，這樣的系統(tǒng)既不是典型的宏觀系統(tǒng)也不是典型的微觀系統(tǒng)，而是一種介觀系統(tǒng)。納米材料晶粒小，并且晶界上的原子數(shù)比晶粒內(nèi)部原子數(shù)多，容易產(chǎn)生高濃度晶界現(xiàn)象，這也是納米材料具有小尺寸效應、表面效應和宏觀量子隧道效應等特性的原因[1-2]。近年來，大量研究發(fā)現(xiàn)，利用一些具有特殊性能的納米材料對傳統(tǒng)農(nóng)藥制劑進行改良，可有效降低傳統(tǒng)農(nóng)藥應用局限性，如緩釋性能差、對非靶標生物危害性高等，由此可見，納米材料有助于創(chuàng)新害蟲防治管理策略[3]。

文中對納米材料在害蟲防治領域的應用情況進行了討論，主要內(nèi)容如下：納米材料與其他殺蟲劑復配進行蟲害防治；利用納米顆粒（膠囊）技術制備殺蟲劑；利用納米顆粒介導的基因或DNA培育抗蟲農(nóng)作物品種；結合微生物功能、制備納米生物殺菌劑等。針對害蟲和農(nóng)作物種類，選擇合適的納米材料及防治方式，可達到有效防治害蟲的目的。

1 納米材料直接用于害蟲防治

納米材料能夠直接噴灑用于害蟲防治。目前，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用最多的是硅藻土，其主要成分為無定形二氧化硅。二氧化硅廣泛存在于石英砂、巖石和粘土中，是地球上最豐富的物質之一，當硅藻土內(nèi)無定形二氧化硅含量高且粒徑均勻時，硅藻土能表現(xiàn)出較好的害蟲防治效果。例如，硅藻土可以有效防治赤擬谷盜（Tribolium castaneum）、雜擬谷盜（Tribolium confusum）、谷蠹（Rhizopertha dominica）、玉米象（Sitophilus zeamais）等重要儲糧害蟲，且防治效果不受害蟲磷化氫抗性能力的影響[4]。這說明納米二氧化硅在害蟲防治領域有非常大的應用前景。另外，改性納米二氧化硅應用于害蟲防治也是目前研究的一個熱點?，F(xiàn)已證實一些經(jīng)表面電荷修飾的疏水納米二氧化硅被成功用于防治農(nóng)業(yè)害蟲，并且親水性、疏水性和親油性二氧化硅對害蟲的防治效果無明顯差別[5]。說明納米二氧化硅防蟲效果可能與改性基團無關，而僅與材料本身特性有關。

雖然納米二氧化硅可以有效防治害蟲，但其具體作用機制卻尚不清楚。昆蟲利用各種表皮類脂，形成水的天然保護屏障，防止因失水過多死亡；納米二氧化硅則通過物理吸附被昆蟲表皮脂質吸收，影響其皮脂質功能，導致昆蟲死亡。另外，在農(nóng)作物葉和莖的表面噴灑納米顆粒，不會影響植物的光合作用、呼吸作用等生理代謝活動，且不會誘導昆蟲氣管中基因表達發(fā)生變化[7]。這體現(xiàn)了納米二氧化硅材料應用于害蟲防治的安全性。世界衛(wèi)生組織已認定無定形二氧化硅對人類無害，可以作為一種綠色、安全的害蟲防治材料使用。

2 農(nóng)藥納米乳液

納米乳液也稱細乳液，是指粒徑在20～200 nm之間的膠體分散體系。與傳統(tǒng)乳液相比，納米乳液的動力學穩(wěn)定性更好，不易出現(xiàn)分層或聚集現(xiàn)象。制備納米乳液時，使用表面活性劑的界面活性要求低、用量少，且可以利用一些生物兼容性強的生物大分子表面活性劑。農(nóng)藥納米乳液是由農(nóng)藥、溶劑、乳化劑、水、助溶劑和助乳化劑構成，其具體成分視情況而定；納米乳液具有液滴粒徑小且均勻、粘度低、潤濕、擴散及滲透能力強等優(yōu)點。液滴粒徑越小、增溶作用越明顯，可提高低水溶性農(nóng)藥的生物利用度，從而能提高施藥效果。竇天琪[8]制備的7%啶·嘧納米乳液對蚜蟲（Aphidoidea）防治效果較好且安全性、穩(wěn)定性較高。曾麗亞[9]制備的去甲斑蝥素納米乳液農(nóng)藥可以有效防治小菜蛾（Plutella xylostella）且對非靶標生物和農(nóng)作物副作用小。目前，大多數(shù)商用植物生長調節(jié)劑、廣譜型殺菌劑等是以納米乳化液形式存在。因此，納米乳液可以有效解決普通農(nóng)藥水溶性差、生物利用度低、農(nóng)藥殘留高等問題，能提高農(nóng)藥制劑對害蟲的防治效果。

3 納米膠囊技術

農(nóng)藥直接被利用時會在靶標周圍環(huán)境中擴散、稀釋、水解、光解或者被微生物代謝，可能難以起到應有的作用。納米膠囊技術主要從醫(yī)用高分子領域相關載藥納米粒子的緩釋與控制方面的研究成果延展而來，可以將除蟲劑納米膠囊化。與傳統(tǒng)除蟲劑相比，納米膠囊粒徑小，無需表面活性劑即可被均勻分散于水中，解決了傳統(tǒng)農(nóng)藥制劑水溶性差、生物利用率低，以及環(huán)境污染嚴重等問題，并且更容易精準施藥。MEREDITH等[10]研究表明，經(jīng)納米膠囊技術處理的擬除蟲菊酯類農(nóng)藥顯著降低了對魚類的毒害作用。武錦等[11]利用微乳液聚合法制備天然除蟲菊酯納米膠囊時發(fā)現(xiàn)乳化劑用量、殼芯比對納米乳液穩(wěn)定性、膠囊穩(wěn)定性影響較顯著，并獲得了最佳試驗條件。李敏等[12]進行了兩親性接枝共聚物改進納米膠囊性能、提高農(nóng)藥施藥效果的研究。大量研究結果表明，利用天然有機聚合物包埋殺蟲劑的有效成分，將其制備成納米微膠囊，可以有效減少農(nóng)藥使用量，降低農(nóng)藥對非靶標生物毒性，提高藥物穩(wěn)定性，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領域有巨大的應用前景。

4 納米顆粒載體技術

近年來，納米顆粒載體被廣泛應用于農(nóng)業(yè)生物制藥領域。將納米顆粒以殺蟲劑的形式封裝，可以明顯改進傳統(tǒng)農(nóng)藥的功效。利用納米技術制作載體、發(fā)展新型農(nóng)藥加工技術可以使農(nóng)藥更易穿透害蟲表皮，延長作用時間，從而能提高害蟲毒殺效果。另外，納米載體能有效降低農(nóng)藥在目標靶區(qū)的殘留，允許精準施加藥[13]。納米顆粒載體主要有金屬納米顆粒、聚合物納米顆粒、生物基納米顆粒和納米顆?；鞈覄┑?，其中利用金屬納米顆粒作為農(nóng)藥有效成分載體在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領域應用較為廣泛。目前，大部分研究是通過分析不同金屬納米材料的殺蟲特性篩選、制備出綠色、有效的害蟲防治材料。一些納米金屬載體材料如結合鋁（ANP、NSA、AL2O3）、結合鋅（ZNP、ZnO）、結合鈦（TNP、TiO2）、結合銀（AgNPs）等已被合成并應用，相關農(nóng)藥表現(xiàn)出較好的殺蟲效果，且毒性較低[3，14，15]。如納米銀通過抑制乙酰膽堿酯酶活性，納米金通過抑制胰蛋白酶活性等干擾昆蟲生長發(fā)育與繁殖等[16]。此外，金屬納米顆粒還可被應用于農(nóng)藥殘留檢測。例如，徐娜等[17]利用銀納米顆?？焖贆z測殺撲磷農(nóng)藥殘留量，操作簡便、靈敏性較高。劉復新等[18]利用納米顆粒標記可視化試紙來檢測農(nóng)藥殘留。由此可見，金屬納米顆粒作為藥物載體對降低農(nóng)藥使用量，提高農(nóng)藥效率，減少農(nóng)藥殘留對環(huán)境的污染發(fā)揮了重要作用。

利用聚合物納米顆粒載體可以有效延緩農(nóng)藥釋放，提高農(nóng)藥水溶性[19]。佟雨佳等[20]發(fā)現(xiàn)，基于兩親聚合物mPEG-PLGA負載疏水性農(nóng)藥異丙甲草胺時，異丙甲草胺對小鼠的毒性降低。雖然聚合物納米顆粒有較好的害蟲防治功能，但是大部分聚合物納米基農(nóng)藥仍存在穩(wěn)定性低、生產(chǎn)步驟繁雜、生產(chǎn)困難等問題。生物基納米顆粒載體能夠增加農(nóng)藥對生物膜的穿透性，提高農(nóng)藥目標性和施藥效果。相比于脂質體和微粉化制劑，納米混懸藥物更易使用，可負載在水溶液和有機體中溶解性差的藥物。HARTFIE等[21]利用固體脂質微膠囊和納米顆粒包裹高效氯氟氰菊酯，提高了氯氟氰聚酯對水蚤的防治效果，同時減少了藥劑對非靶標生物如魚的毒性。與傳統(tǒng)方法相比，利用生物方法制備納米顆粒過程不添加有機試劑，方法簡單、安全且無污染，因此具有較大的市場開發(fā)前景。

5 利用納米技術進行核酸傳送和DNA干擾

除了直接致害蟲死亡外，還可利用納米技術制備生物制劑干擾害蟲遺傳信息，從而致害蟲死亡。He等[22]制備了含CHT10基因dsRNA熒光納米載體進行CHT10基因沉默，干擾昆蟲正常的生長發(fā)育，達到害蟲防治目的。在此過程中，dsRNA/FNP熒光納米粒子因毒性低、靶標性強且易被細胞吞噬，提高了基因沉默效果。利用非病毒基因傳遞系統(tǒng)敲除害蟲的關鍵發(fā)育基因功能，可以有效避免化學殺蟲劑靶標性差、農(nóng)藥殘留以及對環(huán)境污染等問題。Das S等[23]比較分析了3種納米（殼聚糖、碳量子點（CQD）和二氧化硅）dRNA材料干擾埃及伊蚊（Aedes aegypti）基因（snf7和src）表達情況，結果發(fā)現(xiàn)這3種納米材料都可以明顯沉默靶標基因，有效控制昆蟲種群發(fā)展，其中CQD-dsRNA對靶標基因的沉默效果最好。Zhang等[24]發(fā)現(xiàn)，殼聚糖/Agchs-dsRNA納米顆?？梢砸种茖葋啺次茫ˋnopheles gambiae）體內(nèi)Agchs1和Agchs2表達，從而能有效抑制幼蟲的攝食。這些研究結果表明，基于納米材料制備的dsRNA提高了傳統(tǒng)dsRNA基因沉默效果，可以更有效地調控害蟲生長發(fā)育過程，為未來制定安全、綠色、靶標性強的害蟲防治策略提供了有利線索。

6 結語

隨著時代的發(fā)展，傳統(tǒng)的滅蟲方式已不能滿足人們的需求，因此尋找更快速、更有效、更能減少環(huán)境污染、對人類更友好的滅蟲方式已成為迫切需要。納米材料應用于害蟲防治已經(jīng)取得初步效果，大量的研究已證實納米材料在害蟲防治領域有巨大的應用前景。