物理化学性质和微观结构对硅藻土杀虫效果的影响——以家禽害虫Alphitobius diaperinus为例

《ACS Omega》：Influence of the Physicochemical and Microstructural Properties on the Insecticidal Efficacy of Diatomaceous Earth on the Poultry Pest Alphitobius diaperinus

硅藻土（DE）的物理化学及微观结构特性影响其对果蝇的杀虫活性，DE4结晶度低、颗粒细小且吸附能力强，杀虫效果最优（成虫88%死亡率）；DE1结晶度高（68% cristobalite）、颗粒粗大（45μm）且吸附能力弱（MB吸附率最低），杀虫效果差（成虫6%死亡率）。XRD、SEM和MB吸附实验表明，结晶化会降低DE的吸附/吸收能力，阻碍其通过物理堵塞和化学吸附作用杀灭昆虫。研究揭示了结晶度与杀虫活性负相关，为优化DE加工工艺提供依据。

　　本研究探讨了不同来源的硅藻土（Diatomaceous Earth, DE）在对抗鸡肠线虫（*Alphitobius diaperinus*）的杀虫效果，特别关注了其物理化学特性与微结构如何影响杀虫性能。硅藻土作为一种天然形成的多孔性矿物，因其在农业和工业中的广泛应用而受到关注，尤其是在害虫控制领域。然而，尽管硅藻土已被广泛认可为一种有效的物理性杀虫剂，其实际效果在不同研究中却存在显著差异，这主要归因于其物理化学性质的多样性。因此，本研究旨在通过系统分析硅藻土的结构特征和处理过程，揭示其杀虫性能的决定性因素。

硅藻土主要由非晶态二氧化硅（SiO?）组成，但也含有少量的黏土矿物、铝基物质、磷、铁、磷酸盐以及有机物。其多孔结构赋予其出色的吸油、吸水和吸附能力，同时具有化学惰性和较大的比表面积，可达200 m2/g。这些特性使其成为过滤材料、研磨剂、饲料添加剂、农药载体以及杀虫剂的候选材料。硅藻土的杀虫作用主要依赖于其物理机制，如对昆虫外骨骼的机械磨损、堵塞其表皮孔隙和感器（sensilla），以及通过吸附昆虫体表的脂质分子导致脱水死亡。由于其作用机制不依赖于化学毒性，昆虫对硅藻土不易产生抗药性，这使其成为替代传统化学杀虫剂的潜在选择。

本研究选取了四种不同来源的硅藻土样品（DE1至DE4），并对其进行了详细的物理化学和微结构分析。实验结果显示，DE4在对抗鸡肠线虫幼虫和成虫方面表现出最高的杀虫效果，分别达到98%和88%的死亡率，而DE1的杀虫效果与对照组相似，仅表现出49%和6%的死亡率。DE2和DE3也显示出良好的杀虫性能，但其效果不如DE4。值得注意的是，DE1在处理过程中表现出较差的粉体附着性和较低的吸附/吸收能力，这可能是其杀虫效果不佳的重要原因。

硅藻土的物理化学性质对其杀虫性能具有显著影响。X射线衍射（XRD）分析显示，DE1具有较高的结晶度，而DE4则呈现非晶态结构。这表明结晶度的高低可能对杀虫效果产生负面影响。此外，激光粒度分析和扫描电子显微镜（SEM）显示，DE1的平均粒径约为45 μm，而DE2、DE3和DE4的平均粒径分别为28、26和25 μm，明显更小。粒径的减小有助于提高硅藻土对昆虫表皮的附着能力，从而增强其杀虫效果。例如，DE2、DE3和DE4的粉体在昆虫体表附着性较好，而DE1则表现出较差的附着性，这可能与其较大的粒径和较高的结晶度有关。

为了进一步研究硅藻土的处理过程对其杀虫性能的影响，本研究对DE2、DE3和DE4进行了900°C高温煅烧处理。煅烧后，这些样品的结晶度显著提高，同时粒径增大，吸附/吸收能力下降。煅烧样品（DE2-C、DE3-C和DE4-C）在对抗成虫时表现出明显的杀虫效果降低，这表明煅烧过程可能会改变硅藻土的微结构，从而影响其杀虫机制。例如，煅烧可能导致硅藻土表面的硅醇基团（Si–OH）减少，从而降低其对昆虫脂质的吸附能力。此外，煅烧可能促进硅藻土中非晶态硅的结晶化，形成更坚硬的晶体结构，这可能削弱其对昆虫表皮的物理损伤能力。

进一步的傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析表明，非晶态硅藻土样品（DE2、DE3和DE4）具有更多的硅醇基团和羟基（–OH），这些基团在硅藻土的吸附过程中起着关键作用。而煅烧后的样品（DE2-C、DE3-C和DE4-C）则表现出这些基团的减少，进一步验证了煅烧对硅藻土吸附能力的负面影响。此外，热重分析（TGA）结果显示，非煅烧样品中存在更多的物理吸附水，而煅烧样品的水分流失更显著，这可能与其更高的结晶度有关。

氮气吸附/脱附分析和甲基蓝（MB）吸附实验也提供了重要线索。非煅烧样品DE2、DE3和DE4表现出较高的吸附能力，而DE1的吸附能力较低。这表明，硅藻土的吸附性能与其结晶度呈负相关。同时，DE1的比表面积和孔隙体积较大，但其杀虫效果仍然不佳，这可能与其较高的结晶度和较差的粉体附着性有关。因此，硅藻土的结晶度、粒径和吸附能力似乎是决定其杀虫效果的关键因素。

本研究还发现，硅藻土的处理方式对其杀虫性能有显著影响。例如，DE4在煅烧后表现出较低的杀虫效果，这可能与其在煅烧过程中未能完全去除有机杂质有关。相比之下，DE2在未煅烧状态下表现出较高的杀虫效果，而煅烧后的DE2-C则效果大幅下降。这表明，煅烧过程中温度和时间的控制对于硅藻土的性能优化至关重要。如果煅烧温度过高或时间过长，可能会导致硅藻土的非晶结构转变为更结晶的结构，从而降低其吸附能力，影响杀虫效果。

此外，本研究还探讨了硅藻土对昆虫感器的影响。感器是昆虫感知环境的重要结构，特别是在湿度变化方面起着关键作用。实验中发现，DE2、DE3和DE4的粉体能够附着在昆虫的触角上，这可能会影响其感器功能，导致昆虫行为和生理功能的改变。这种影响可能与硅藻土的微结构和表面特性有关，例如其粒径和表面粗糙度。而DE1由于粒径较大且结晶度较高，其粉体在昆虫体表的附着性较差，可能无法有效干扰昆虫的感器功能。

综上所述，本研究揭示了硅藻土的物理化学特性与杀虫效果之间的复杂关系。DE4表现出最佳的杀虫性能，这可能与其较低的结晶度、较小的粒径以及较高的吸附能力有关。而DE1由于较高的结晶度和较差的粉体附着性，其杀虫效果显著降低。煅烧处理虽然可以提高硅藻土的纯度和吸附能力，但过高的温度可能导致其结晶度增加，从而削弱其杀虫效果。因此，为了优化硅藻土的杀虫性能，应控制煅烧温度和时间，以避免其结晶度过度增加，同时保留其较高的吸附能力。此外，硅藻土的粒径、比表面积、孔隙结构和表面化学特性也应作为选择和优化硅藻土杀虫性能的重要参考因素。

本研究的发现对硅藻土在农业害虫控制中的应用具有重要意义。由于硅藻土的物理杀虫机制使其不易产生抗药性，且成本低廉、来源广泛，因此在实际应用中具有较高的可行性。然而，为了确保其最佳效果，必须对其物理化学特性进行深入分析，并根据具体需求调整处理工艺。例如，在对抗鸡肠线虫时，选择具有较低结晶度、较小粒径和较高吸附能力的硅藻土样品（如DE4）可能更为有效。同时，合理的煅烧处理可以去除杂质，提高其吸附性能，但需避免过度结晶化，以防止其杀虫效果下降。

本研究的结果表明，硅藻土的物理化学和微结构特性对其杀虫性能具有决定性影响。通过系统分析这些特性，可以更好地理解硅藻土的作用机制，并为其在农业和害虫控制领域的应用提供科学依据。未来的研究可以进一步探索不同处理条件对硅藻土性能的影响，以及如何通过调整其物理化学特性来提高其杀虫效果。此外，还可以研究硅藻土与其他杀虫剂的协同作用，以开发更高效、环保的害虫控制方案。