综述：纳米技术推动蚕丝业的进步：面向未来的可持续创新

《Sustainable Materials and Technologies》：Advancing sericulture through nanotechnology: Sustainable innovations for the future

本综述系统探讨了纳米材料（NMs）在蚕丝业中的前沿应用，涵盖营养强化、肠道菌群调控、蚕茧发育、繁殖性能提升及丝蛋白功能化（如AgNPs、TiO2 NPs等）。文章强调NMs通过激活关键通路（如BmNPF/MAPK、Akt/Tor）和抗氧化酶系（SOD/CAT）增强家蚕（Bombyx mori）健康与丝质，同时指出需平衡剂量依赖性毒性（如ROS生成）与产业化可行性，为可持续蚕丝生产提供创新框架。

　　

1. 引言

蚕丝业是全球重要的农业支柱产业，尤其在发展中国家承担着农村经济与就业的重要职能。家蚕（Bombyx mori L.）作为完全依赖桑叶的单食性昆虫，其营养状况直接决定蚕茧产量与丝质。近年来，纳米技术凭借其独特的物理化学性质，为蚕丝业的可持续发展提供了全新解决方案。纳米材料（NMs）可通过尺寸效应、表面功能化及高生物活性，介入家蚕生理调控、疾病管理和丝蛋白改性等多个环节，成为推动产业升级的重要科技手段。

2. 纳米材料的理化特性

纳米材料指至少一维尺寸在1–100 nm之间的物质，具有高比表面积、可调控的表面化学特性和优异的生物相容性。按其维度可分为零维（如量子点）、一维（纳米管）、二维（纳米片）和三维（纳米结构阵列）材料；按成分则包括无机纳米颗粒（如金属、金属氧化物）、有机纳米载体（如脂质体、树状聚合物）和碳基材料（如石墨烯、碳纳米管）。这些特性使NMs能够跨过家蚕中肠围食膜，通过内吞等机制进入细胞，调控生理过程。

3. 纳米材料改善家蚕营养与消化

NMs作为营养载体或添加剂可显著提升家蚕对桑叶的利用效率。例如，TiO₂ NPs（10 mg/L）可上调胰岛素信号通路基因，促进脂质与碳水化合物代谢，提高幼虫体重和消化酶活性；AgNPs与螺旋藻联用则显著增加摄食量和茧壳重量。纳米材料还可作为矿物质补充剂（如ZnO NPs、Fe₃O₄ NPs），弥补桑叶中微量元素不足，增强肠道吸收和能量代谢，最终改善丝蛋白合成。

4. 纳米材料对肠道菌群及生理的影响

NMs与家肠道微生物群的互作具有双向性：低剂量TiO₂ NPs（5 mg/L）可增加有益菌（如Lachnospiraceae、Pseudomonas），抑制病原菌（如Serratia），提升免疫调节和解毒能力；而高剂量AgNPs或ZnO NPs则可能导致菌群失调，降低益生菌丰度，引发肠道损伤和代谢紊乱。表面功能化（如PEG修饰）可增强NMs的生物相容性，减少负面效应。

5. 提升蚕茧生产与繁殖性能

多项研究表明，NMs能有效促进家蚕生长和繁殖效能。AuNPs（源自洋葱提取物）可提高丝素蛋白比例，增加茧重和丝长；TiO₂ NPs（5 mg/L）通过激活BmNPF神经肽通路，提升摄食行为与蛹期发育，显著增加产卵量。然而，过量使用SiO₂ NPs等会导致中肠组织损伤，反而抑制茧质和繁殖力，突显剂量调控的重要性。

6. 纳米材料投喂与丝蛋白功能化

通过饲喂或注射方式，NMs可被整合至丝腺内，直接参与丝蛋白的合成与修饰。例如，碳量子点（GQDs）注入幼虫体内可显著提升丝纤维的断裂强度（2.74倍）和韧性；TiO₂ NPs诱导β-折叠构象转变，增强丝纤维的热稳定性和机械性能。此外，NMs还可用于生产功能性丝绸，如荧光丝（碳点）、导电丝（石墨烯）及抗菌丝（AgNPs），拓展了丝绸在生物医学与智能纺织品中的应用。

7. 纳米材料在疾病管理中的作用

NMs展现出广谱的抗病原体活性，可用于家蚕病毒和细菌感染的防控。AgNPs对家蚕核型多角体病毒（BmNPV）和沙雷氏菌（Serratia marcescens）具有显著抑制效果，其机制涉及破坏微生物膜结构、诱导ROS生成和抑制DNA复制。此外，SeNPs和TiO₂ NPs能激活家蚕先天免疫，提升血细胞数量和抗菌肽表达，实现疾病预防与健康管理。

8. 缓解农药胁迫及提升抗逆性

NMs在家蚕农药解毒过程中发挥关键作用。例如，TiO₂ NPs可通过清除活性氧（ROS）、上调抗氧化酶（SOD、CAT）和细胞色素P450基因表达，减轻有机磷农药（如phoxim）对丝腺的损伤，恢复茧丝产量。这种抗氧化和解毒能力的增强，为家蚕在高胁迫环境下的稳健生产提供了支撑。

9. 应用挑战与产业化前景

尽管NMs在蚕丝业中表现出巨大潜力，其规模化应用仍面临诸多挑战：一是缺乏统一的毒理学评估标准和法规框架，尤其是长期低剂量暴露的生态风险；二是生产成本与稳定性问题，需要开发绿色合成路线和低成本放大工艺；三是农户接受度与技术培训，需建立安全使用指南。未来需跨学科合作，结合组学技术与人工智能，实现NMs的精准设计和可控应用。

10. 未来展望与结论

纳米技术为蚕丝业的高值化和可持续发展提供了革命性工具。通过理性设计NMs的尺寸、形貌和表面化学，可实现家蚕生理、丝质功能化和疾病管理的多目标优化。然而，推广之前必须系统解决安全性、伦理性和产业化问题。通过产学研协同创新，纳米增强型蚕丝业有望在全球纺织、生物医药和智能材料领域占据重要地位。