综述：香茅属精油作为生物农药：潜力与挑战

《Bioresource Technology Reports》：Cymbopogon essential oils as biopesticides: Potential and challenges

本综述系统阐述了香茅属精油（Cymbopogon essential oils）作为环境友好型生物农药的应用潜力，重点分析了其广谱杀虫（农业及仓储害虫、真菌、病毒等）、作用机制（如神经毒性、生长调节）、多种施用方式（熏蒸、喷雾等）以及环境安全性（低残留、对非靶标生物安全）等优势，同时探讨了其产业化面临的挑战（如稳定性、标准化）及未来发展方向（如纳米制剂、代谢工程）。

　　

香茅属精油作为生物农药：潜力与挑战

引言

农药已成为现代农业和粮食储存系统中几乎不可或缺的组成部分，这源于各种害虫每年造成的巨大损失。农业害虫在植物生长、结果和储存等不同阶段均会造成损害。对粮食和饲料日益增长的需求导致了农药的广泛且通常是必要的使用。尽管化学农药通过致死、驱避和威慑等机制在控制害虫方面被证明是有效的，但它们也伴随着显著的缺点。这些缺点包括生物降解困难、高毒性、残留污染、在环境中持久存在以及对非靶标生物（包括人类）的不利影响。解决这些问题需要转向天然产物，作为化学农药的可持续替代品。

植物来源的精油（Essential Oils, EOs）已被证明对害虫具有广谱功效，包括昆虫、真菌、细菌、病毒和啮齿动物。这些油是植物天然产生的次生代谢物，并储存在特定的结构中，如分泌腔、腺毛或液滴、油腺等，具体取决于植物种类。其芳香成分赋予了杀虫特性，可作为驱避剂、拒食剂、产卵抑制剂或毒素。精油通常是亲脂性的，这使得它们能够干扰害虫的生理过程。作用机制包括神经毒性（例如，乙酰胆碱酯酶抑制、章鱼胺受体拮抗）、生长失调、干扰线粒体呼吸或诱导氧化应激以及能量耗竭，最终导致害虫死亡。与合成农药不同，精油因其挥发性、快速环境降解以及相对宽松的监管限制而更具可持续性。香茅属精油特别值得注意，因为它们能够抑制微生物活性，从而保持食品质量、延长保质期并减少经济损失。此外，其独特的风味和香气使它们在食品和饮料行业中具有价值。基于精油的农药免于农药登记进一步鼓励了其应用，强调了其实用性和环境效益。

香茅属，俗称柠檬草，属于禾本科（Poaceae），是一种C₄植物，约有55个物种。其精油被广泛认为是安全的，并且是世界上最有价值的精油之一，是生产维生素A的柠檬醛的主要天然来源。本综述评估了香茅属精油作为天然害虫控制剂的功效，重点在于其当前应用背景而非一般精油特性。然而，其应用面临挑战，包括功效可变、环境敏感性以及需要先进配方来提高其稳定性和缓释能力。精油的特性通过比重（0.890–0.904）和折射率（1.483–1.489）来表征，这些值落在用于生物测定前验证油纯度和质量的标准范围内。繁殖主要通过根蘖和种子实现。尽管它能在不同的pH值和土壤条件下生长，但在排水良好的沙壤土至壤土、pH值为4.3–8.4时观察到最佳产量。在有充足水源的情况下，香茅属植物每年可收获多达四次。香茅属的栽培相对简单，因为该植物能抵抗食草动物、害虫以及恶劣天气条件，如强风、冰雹和干旱。其广泛的根系有助于水土保持，使其成为贫瘠和未充分利用土地的优良作物。这种适应性为农村社区提供了全年收入、劳动机会和经济利益，特别是在资源有限的环境中。香茅属精油的生产和质量受到栽培实践和油提取技术的显著影响。

香茅属精油的提取及其成分

香茅属精油是生物活性化合物的复杂混合物，主要由单萜类、倍半萜类和酚类组成。柠檬醛、香叶醇、香茅醛和柠檬烯是赋予其独特香气和治疗特性的关键成分。其化学成分因物种、地理来源和提取方法而异。通常，香茅属精油通过蒸汽蒸馏获得，其中切碎的叶子与蒸汽一起蒸馏、冷凝，然后分离出油。

增加香茅属精油含量的生物技术干预

研究和技术的不断进步为农业及相关领域带来了新的、有前景的发展。旨在增强农业经济的生物技术方法正蓄势待发。尽管对香茅属精油的需求持续增长，但传统栽培受到环境变异、害虫压力和遗传异质性的阻碍——导致产量不稳定。现代生物技术，如植物组织培养、代谢工程等，提供了解决方案。

香茅属精油的应用

香茅属精油的应用范围广泛，从用作生物农药、食品防腐剂、饮料、抗菌剂、香料制品、芳香疗法到制药领域。全球预测表明，柠檬草精油市场将从2021年的4198万美元增长到2028年的8143万美元，复合年增长率（CAGR）为9.93%，反映了食品、制药和害虫控制领域不断增长的需求。这一趋势强调了研究其应用的迫切需要。

熏蒸剂

柠檬烯和芳樟醇等香茅属成分对稻象甲（Sitophilus oryzae）具有熏蒸作用。有报道称，香茅（Cymbopogon citratus）精油对仓储产品害虫具有很强的熏蒸活性，在16 μL/L浓度下24小时内导致赤拟谷盗（Tribolium castaneum）65%的死亡率，而在20 μL/L浓度下对稻象甲（Sitophilus oryzae）达到100%的死亡率，证实了其强大的杀虫特性。类似地，其他研究也证明了其熏蒸效果。

精油的作用机制

精油的一般毒性主要由于对神经递质合成、神经递质信号传导、离子通道、膜受体、信号转导酶/蛋白质以及这些蛋白质的储存、释放、再摄取和功能的影响。香茅属精油中的主要成分，如香茅醛、香茅醇和香叶醇，已知通过多种作用模式影响昆虫，如接触驱避剂、 deterrent 和 killer。

环境问题

香茅属物种通常野生生长，对香茅属精油日益增长的需求如果过度开发可能对生态平衡构成威胁。与任何物种一样，可持续利用是长期生产精油的关键。必须在最佳生长条件下按比例种植香茅属，因为作物产量和质量取决于生长条件。香茅属精油对各种非靶标生物的毒性评估已经完成，总体显示其环境风险较低。

监管问题

香茅属精油被认为对人类、非靶标生物和环境是安全的。它被分类为“公认安全”（Generally Recognized as Safe, GRAS）物质，可用作食品添加剂，也符合在香料、饮料、药品和农药应用中监管标准。其天然挥发性和低持久性最大限度地减少了环境影响，并且有证据表明对人类或其他哺乳动物没有毒性作用。香茅属精油的农药用途受到特定法规的约束，但由于其天然来源，通常比合成农药更容易获得批准。

主要挑战与未来方向

香茅属精油作为一种有前景的、环境友好的传统杀虫剂替代品脱颖而出，这归功于其天然来源、广谱活性和生物可降解性，但其商业化面临多方面的挑战，需要创新的解决方案。虽然其生物活性特性使其对农业和家庭害虫有效，但应用方法的优化，包括剂量调节和递送机制，对于最小化潜在风险仍然至关重要。未来的研究应侧重于开发缓释或控释制剂，如凝胶、油混合物或纳米制剂，以提高其稳定性和持久效力。探索香茅属精油与其他生物活性物质的协同组合可以增强其功效并减少所需剂量。此外，需要标准化协议来确保不同批次和来源的精油质量一致。生物技术干预，如通过代谢工程提高精油产量，以及解决与大规模生产相关的经济可行性和监管障碍，对于香茅属精油作为主流生物农药的成功整合至关重要。

结论

香茅属精油在从农业到健康及其他领域的广泛应用中具有巨大的前景。其作为农药的功效——无论是作为单一成分、其整体还是与其他生物活性物质组合——已针对众多农业害虫、仓储谷物害虫、真菌、病毒、家庭害虫和吸血媒介得到证实。香茅属精油的多功能性体现在其多种应用模式上，如熏蒸剂、直接喷雾剂和颗粒制剂。其主要优势包括环境安全性、对非靶标物种影响小、速效特性以及与可持续农业实践的一致性。此外，它们能适应不同的环境条件。生物技术进步有助于扩大其使用规模，而缓释或控释制剂进一步增强了其潜力。香茅属物种对小型、中型和大型农民及企业家的工业和经济效益可能对国家增长做出重大贡献。然而，需要解决与可变功效、环境敏感性和先进配方需求相关的挑战，以充分发挥其潜力。持续的研究、开发工作和监管支持对于将香茅属精油整合到主流的害虫管理策略中至关重要。