综述：纳米复合幼虫杀虫剂在蚊子媒介管理中的进展全面综述

本综述系统探讨了纳米复合材料作为新型幼虫杀虫剂在蚊媒控制中的应用潜力。文章详细分析了金属基和聚合物基纳米复合材料的合成方法、作用机制（如诱导活性氧（ROS）产生和氧化应激），及其对重要蚊种（包括埃及伊蚊（Ae. aegypti）、斯氏按蚊（An. stephensi）和致倦库蚊（Cx. quinquefasciatus））不同发育阶段幼虫的显著致死效果（LC50）。作者强调，此类材料具有高效、靶向性强且不易产生抗药性的优势，是未来昆虫综合治理（IPM）中极具前景的绿色解决方案。

　　

1 引言

蚊子是分布范围极广的节肢动物，除永久冰冻地区外，几乎遍布所有生态区。它们以传播致命病原体而臭名昭著，对人类健康构成严重威胁。疾病传播主要通过雌蚊进行，其在吸血过程中可将有害病原体引入宿主体内。主要的蚊媒疾病包括疟疾（Malaria）、淋巴丝虫病（Filariasis）、黄热病（Yellow Fever）、西尼罗河病毒（West Nile Virus）、基孔肯雅热（Chikungunya）、寨卡病毒（ZIKV）和登革热（Dengue）。其中，登革热因其疾病管理与媒介控制的双重挑战而引发全球关注，主要由埃及伊蚊（Ae. aegypti）和白纹伊蚊（Ae. albopictus）传播。

全球范围内，蚊媒疾病仍是重大的公共卫生挑战。2023年，疟疾估计导致2.63亿病例和59.7万死亡。登革热在近年急剧激增，2023年全球报告超过650万病例和6800例死亡，而到2024年，全球病例数已近1400万，死亡约1.2万例。此外，蚊媒病毒每年感染多达7亿人，导致超过一百万人死亡，约占所有传染病的17%。因此，开发先进、可持续的蚊子和疾病控制策略迫在眉睫。

传统的杀虫剂干预措施，包括有机磷、氨基甲酸酯和拟除虫菊酯类，历史上虽有效，但其长期效用受到杀虫剂抗性出现、生态失衡以及对非目标生物（包括人类）的风险威胁。对环境污染物和化学残留物在繁殖栖息地持久性的担忧，进一步强调了对环保替代品的需求。

纳米生物技术作为媒介控制的前沿领域，因其新颖的物理化学特性而提供独特优势。其潜在应用包括：(a)开发具有更高效力、更低毒性和可控释放机制的下一代药物；(b)从天然或合成物质中绿色合成驱避剂；(c)通过具有杀幼虫、成蚊或驱避活性的纳米颗粒进行媒介控制；(d)用于蚊媒病毒感染快速检测和诊断的生物传感器平台。各种纳米材料，如金属、金属氧化物、聚合物、脂质体、niosomes和陶瓷，通过化学和生物方法合成，并已在伊蚊、按蚊、库蚊等蚊虫的不同发育阶段进行了研究。这些研究一致证明了纳米颗粒作为有效蚊控剂的潜力。

纳米复合材料被定义为两种或多种材料的组合，其中至少一种材料的尺寸低于100纳米，与微米、宏观或单一纳米颗粒系统相比，它们表现出优异的光学、机械和功能特性。其增强的稳定性和性能使其特别适用于蚊虫控制应用。

2 纳米复合材料的合成

纳米复合材料通过将另一种纳米颗粒嵌入基质中而形成，因此该复合材料将具有增加的比表面积、热学和机械性能以及增强的协同效应。这些纳米复合材料在各种物理、化学和生物领域具有广泛的应用。在生物领域，纳米复合材料在医学、成像、传感器、制药、农业和食品工业中发挥着重要作用。纳米复合材料在应用中的成功实施取决于合成方法、金属/聚合物/陶瓷比例、结构等因素。通常，纳米复合材料可分为：a)金属基纳米复合材料，b)聚合物基纳米复合材料，和c)陶瓷基纳米复合材料。其合成方法包括i)自上而下法和ii)自下而上法。

物理方法生产大量尺寸和形状不规则的纳米复合材料，并且需要压力、能量、人力，且成本高昂。化学合成通过优化反应条件产生均匀的尺寸和形状。

3 金属基纳米复合材料

Solairaj等人制备了银纳米颗粒/α-几丁质纳米颗粒（AgNPs/CNPs）纳米复合材料，并针对埃及伊蚊（Ae. aegypti）的1龄至4龄幼虫在不同剂量浓度下进行了评估。该纳米复合材料在48小时内对埃及伊蚊所有发育阶段均表现出100%的死亡率。其抑制活性优于单独的AgNPs和CNPs。纳米复合材料对1龄幼虫的LC₅₀为5.96 ppm，2龄幼虫为10.41 ppm，3龄幼虫为13.93 ppm，4龄幼虫为23.85 ppm；而AgNPs的相应值分别为10.69 ppm、25.80 ppm、31.06 ppm和31.87 ppm。CNPs对蚊子没有表现出显著活性。该研究暗示AgNPs和CNPs具有协同作用，并增强了杀幼虫活性。

采用绿色合成法制备的壳聚糖银纳米复合材料针对疟疾媒介埃及伊蚊（Ae. aegypti）、斯氏按蚊（An. stephensi）和致倦库蚊（Cx. quinquefasciatus）进行了评估。该纳米复合材料在响应剂量浓度（100-1000 ppm）时表现出有效的抑制效果，对埃及伊蚊、斯氏按蚊和致倦库蚊的LC₅₀分别为86 ppm、84 ppm和60 ppm。与壳聚糖和AgNPs相比，其杀幼虫效力较低，但纳米复合材料协同地增强了壳聚糖和AgNPs的反应性，从而发挥了杀幼虫活性。

采用沉淀法生产了Catechin@ZIF-L纳米复合材料。SEM分析显示，合成的纳米复合材料为二维叶状晶体。该纳米复合材料能抑制细胞生长并诱导埃及伊蚊（Ae. aegypti）4龄幼虫死亡，LC₅₀为63 μg/mL。经纳米复合材料处理的蚊幼虫在显微镜下观察到异常情况，包括体节破坏、刚毛丢失、身体和腹部变暗以及胸部变化。

通过共沉淀法合成了银掺杂锌纳米棒，并在极低浓度下对尖音库蚊（Cx. pipiens）幼虫表现出杀幼虫和杀卵特性。该纳米复合材料在剂量依赖浓度（10-30 mg/L）下抑制幼虫生长，LC₅₀为11 mg/L。经纳米复合材料处理的卵无法孵化，而未处理的卵正常孵化。

从生物质香附子（Cyperus rotundus）中合成了CuO/C纳米复合材料，并评估了其对埃及伊蚊（Ae. aegypti）4龄幼虫的杀幼虫活性。该纳米复合材料对幼虫表现出有效的抑制效果，LC₅₀为47 ppm。此外，还针对埃及伊蚊甾醇载体蛋白（PDBID:1PZ4）与CuO纳米复合材料进行了分子对接研究。结合亲和力为-2.48 kcal/mol，具有开发为杀虫剂的潜力。

同样，Ag-TiO₂纳米复合材料与番木瓜（Carica papaya）种子提取物组合使用时表现出有效的抑制活性。作者研究了纳米复合材料以及C. papaya种子提取物Ag-TiO₂纳米复合材料组合对埃及伊蚊4龄幼虫的作用。纳米复合材料在24小时内导致100%死亡率，LC₅₀为2.55 ppm；而C. papaya种子提取物Ag-TiO₂纳米复合材料组合则增加了毒性，在12小时内导致100%死亡率，LC₅₀为1 ppm。此外，纳米复合材料导致埃及伊蚊幼虫内部细胞器破坏。

采用刮刀技术合成并制备了TiO₂-C纳米复合薄膜。针对尖音库蚊（Cx. pipiens）3龄幼虫评估了其杀幼虫效果。该测定基于P-TiO₂和TiO₂-C纳米复合薄膜的光催化效应。与P-TiO₂的杀幼虫效果相比，TiO₂-C纳米复合薄膜表现出100%死亡率，LT₅₀为95分钟，而P-TiO₂的LT₅₀为271分钟。此外，经纳米复合薄膜处理的尖音库蚊幼虫的总蛋白含量、SOD（超氧化物歧化酶）和CAT（过氧化氢酶）活性显著降低。这些变化表明纳米复合薄膜诱导活性氧（ROS）产生，引发氧化应激，随后导致幼虫细胞破坏和死亡。

5 聚合物基纳米复合材料

通过滴铸法合成了丝素蛋白-银纳米复合薄膜和丝素蛋白-金纳米复合薄膜并进行了表征。银纳米复合薄膜和金纳米复合薄膜在埃及伊蚊（Ae. aegypti）的幼虫和蛹中分别表现出100%和98%的死亡率，而丝素蛋白对幼虫和蛹没有任何致死活性。蛋白质和RNA的表达在纳米复合薄膜处理后显著降低。此外，在普通小麦（Triticum sativum）中的研究表明，银纳米复合薄膜和金纳米复合薄膜是安全的，可用于任何水生生态系统。

精油具有挥发性并含有治疗成分；为防止精油挥发，开发了一种使用粘土聚合物纳米复合材料的环保配方方法。将丁香（Syzygium aromaticum）精油掺入膨润土/PVP纳米复合材料中。该纳米复合材料针对埃及伊蚊幼虫进行了评估，LC₅₀为27 ppm，而精油的LC₅₀为40 ppm。在卤虫（Artemia sp.）中，纳米复合材料在高达1000 ppm的浓度下不产生任何毒性作用。这些结果表明精油纳米复合材料是一种安全的杀幼虫剂。

通过原位溶液流延技术制备了纤维素纳米晶体/ZnO/CuO纳米复合材料。该纳米复合材料针对斯氏按蚊（An. stephensi）3龄幼虫进行了评估。浓度为25、50、75和100 ppm的ZnO/CuO纳米复合材料的幼虫死亡率分别为59%、62%、62%和71%，蛹死亡率分别为2.7%、2.3%、1.7%和3.1%，成虫羽化率分别为37%、32%、35%和26%。相比之下，CNC/ZnO/CuO纳米复合材料表现出有效的抑制活性，死亡率分别为77%、82%、92%和99%。其蛹和成虫羽化率也显著高于单纯的ZnO/CuO纳米复合材料。CNC与纳米复合材料的组合对斯氏按蚊幼虫有效。CNC具有独特的光学性质和高吸附能力，能吸附金属离子。因此，CNC可成为杀幼虫应用中合适的生物材料。

纳米结构脂质载体（NLCs）具有生物可降解性和环境安全性，能够容纳大量亲水性和疏水性药物，并将其递送到水生生态系统中。磁性纳米颗粒在阳光辐射下吸收热量，使水体变暖并导致幼虫迁移。基于NLCs和磁性纳米颗粒的原理，Radwan等人设计并制备了封装在NLCs中的Poinciana提取物纳米胶囊，并用磁铁矿纳米颗粒（Po-NLC-MNPs）进行表面修饰。该纳米复合材料在不同浓度下抑制了尖音库蚊（Cx. pipiens）3龄幼虫的生长并导致死亡，LC₅₀为177 ppm。相比之下，提取物和游离的NLCs即使在1500 ppm的高浓度下也未对幼虫产生显著活性。

层状双氢氧化物（LDHs）纳米片因其独特的光学和生物学性质而成为新兴的纳米材料。采用共沉淀法制备了MgAl-LDH和NiAl-LDH纳米粘土。将绿茶油和茴香油负载到MgAl-LDH和NiAl-LDH纳米粘土上，并评估了其对尖音库蚊（Cx. pipiens）4龄幼虫的杀幼虫和成蚊效果。杀幼虫测定评估了MgAl-LDH和NiAl-LDH纳米粘土在不同浓度（125-2000 ppm）下的效果，并计算了死亡率。对于茴香油MgAl-LDH，观察到100%死亡率，LC₅₀为451 ppm；而对于茴香油NiAl-LDH，观察到100%死亡率，LC₅₀为550 ppm。相比之下，绿茶油MgAl-LDH观察到100%死亡率，LC₅₀为530 ppm；而茴香油NiAl-LDH观察到96%死亡率，LC₅₀为769 ppm。现场评估研究证实，负载油的纳米粘土使幼虫密度降低了96%（茴香油MgAl-LDH），而绿茶油使MgAl-LDH降低了90%。成蚊效果显示，茴香油MgAl-LDH抑制了成虫羽化，LC₅₀为1.75 ppm；绿茶油MgAl-LDH抑制了成虫羽化，LC₅₀为0.42 ppm。这些研究表明，负载油的纳米粘土可能是一种有效的杀幼虫剂。

6 纳米复合材料的杀幼虫机制

了解纳米材料在昆虫/幼虫中的毒性效应对于开发纳米材料作为杀虫剂至关重要。银纳米颗粒会导致慢性不良影响，如抑制生长和发育，并在模式昆虫果蝇中诱导自噬。这表明纳米颗粒会对模式昆虫造成应激。纳米材料的特性（尺寸、形状、电荷、金属）影响着其对不同物种的杀幼虫活性。例如，二氧化硅和铝会与昆虫的表皮层结合，导致脱水和细胞死亡，而银纳米颗粒在分子水平上诱导毒性，氧化锌则引起细胞内细胞器损伤和恶化。

迄今为止，尚无明确的纳米颗粒杀幼虫活性机制。根据已有研究，很明显纳米颗粒通过内吞作用、扩散和吞噬作用内化到细胞中；一旦内化到细胞中，纳米复合材料通过产生活性氧（ROS）引发氧化应激，导致细胞死亡。在响应纳米颗粒处理的幼虫中，抗氧化酶SOD表达增加了十倍，而碱性磷酸酶（ALP）和GPX（谷胱甘肽过氧化物酶）酶表达降低了50%，谷胱甘肽-S-转移酶（GST）酶表达在1000 mg/L纳米颗粒处理的幼虫中增加。细胞骨架蛋白、应激反应蛋白、能量产生蛋白、转录和转导蛋白在响应纳米颗粒处理的埃及伊蚊幼虫中上调。这些蛋白质与线粒体功能障碍、DNA/蛋白质损伤和细胞死亡有关。这些表明纳米颗粒引发氧化应激介导的细胞死亡。

此外，在幼虫中还观察到结构和形态异常，如中肠的变化，包括细胞空泡化、膜恶化、细胞破裂、细胞病理学异常、上皮细胞变薄和细胞破坏以及核异常。此外，纳米颗粒可通过引起卵巢缺陷、卵长度减少和滋养细胞减少来干扰产卵过程，延迟卵室发育，从而导致繁殖力下降。此外，金属稳态失调也可能导致发育延迟。

从已有研究来看，纳米复合材料对蚊子的所有发育阶段都表现出惊人的活性。在埃及伊蚊物种中，关于纳米复合材料杀幼虫研究的报道数量最多，远超其他物种。因此，有必要研究纳米复合材料对所有蚊子物种的毒性，以得出结论：纳米复合材料是一种有效的杀幼虫剂。

7 结论与未来展望

尽管纳米技术带来了创新解决方案，但在将纳米基杀虫剂转化为商业产品方面仍存在空白。制造成本和工艺是纳米复合材料商业化的主要障碍。其次，可持续性是纳米复合材料的另一个关注点。所开发的纳米复合材料必须具有生态友好性，对非靶标生物安全，并且需要为纳米复合材料作为杀虫剂的可持续性建立明确的监管框架。

在田间试验应用之前，必须确定纳米复合材料在非靶标生物中的安全法规和健康风险评估。必须精确了解纳米复合材料的生物降解性，并需要新的配方将纳米复合材料纳入可生物降解的袋中，以便在水生生态系统中有效应用。利益相关者、财政激励、资助、意识计划、学者、工业家和环保主义者必须整合到一个单一的领域，以成功开发纳米复合材料作为杀虫剂。

展望未来，纳米复合材料基杀幼虫剂的成功采用取决于跨学科研究，包括标准化纳米颗粒配方、毒性评估以及与监管机构合作制定强有力的政策。此外，公众意识和接受度对于纳米技术在媒介控制计划中的大规模应用至关重要。当经过深思熟虑地整合到昆虫综合治理（IVM）计划中时，纳米复合材料通过可持续创新、减少环境影响和改善公共卫生成果，具有改变蚊虫控制实践的潜力。随着持续的创新、政策支持和现场验证，纳米复合材料基杀幼虫剂可能成为下一代环保蚊虫控制方法的关键部分。