有机改性生物源氧化石墨烯-介孔二氧化硅纳米颗粒用于印楝素生物农药的环保型可控释放研究

《Chemical and Biological Technologies in Agriculture》：Organically modified biogenic graphene oxide–mesoporous silica nanoparticles for eco-friendly and tailored release of Azadirachtin (neem) biopesticide

本研究针对传统农药利用率低、环境污染严重等问题，开发了一种基于稻壳生物质的氨基功能化氧化石墨烯-介孔二氧化硅纳米载体系（GO-MSN-based nano-PDS），用于印楝素（Azadirachtin, Aza）的高效负载与缓释。通过系统表征证实该载体具有高比表面积（397.51 m2g-1）和有序介孔结构，负载效率达98%，在500小时内可实现80%的累积释放。温室实验表明，200 mg L-1的Aza@nano-PDS对烟粉虱二龄若虫的防治效果达98.9%，显著优于商业制剂（13.2%）。该研究为生物农药的绿色高效利用提供了创新解决方案。

　　

在当今全球粮食安全面临严峻挑战的背景下，农药作为防控农业害虫的重要手段，其使用效率与环境影响日益受到关注。然而，传统农药制剂存在活性成分易降解、利用率低等问题，往往需要频繁施用高剂量才能达到理想防治效果，这不仅增加生产成本，更带来严重的健康和环境风险。特别是印楝素这类对环境友好的生物农药，虽然对近200种昆虫表现出显著防治效果，但其在实际应用中面临光解、热降解等稳定性挑战，限制其大规模推广应用。

为突破这一技术瓶颈，Jokarshourijeh等研究人员在《Chemical and Biological Technologies in Agriculture》发表创新性研究，开发了一种基于农业废弃物的智能纳米递送系统。该研究利用稻壳灰衍生的硅源和石墨烯前体，构建了有机改性的生物源氧化石墨烯-介孔二氧化硅杂化纳米颗粒（GO-MSN-based nano-PDS），为实现印楝素的高效负载、稳定保护和可控释放提供了新策略。

关键技术方法主要包括：1）以稻壳灰为原料通过碱溶法制备硅酸钠前体（R-Na₂SiO₃）和石墨烯粉末（R-G）；2）采用改进的Hummers法合成氧化石墨烯，并通过模板法构建氨基功能化GO-MSNs载体；3）通过溶液浸渍法实现印楝素的高效负载；4）运用透析袋法评价体外释放特性；5）通过温室生物测定评估对烟粉虱不同发育阶段的防治效果。

纳米载体的合成与表征

研究人员首先通过X射线衍射（XRD）、透射电镜（TEM）等技术证实成功合具有立方Ia3d结构的KIT-6介孔骨架。电镜图像显示纳米载体呈均匀球形，平均粒径约100纳米，孔径分布集中在6.5纳米左右。比表面积分析显示，功能化后的nano-PDS比表面积达397.51 m²g^-1，为农药分子提供了充足的负载空间。热重分析（TGA）表明载体在330°C以下保持稳定，而傅里叶变换红外光谱（FTIR）证实氨基成功嫁接并通过氢键作用与印楝素分子产生强烈相互作用。

负载性能与释放特性

通过系统优化负载参数，研究发现当印楝素与载体质量比为1:1、负载时间24小时时，氨基功能化nano-PDS的负载效率高达98%，显著优于未改性氧化石墨烯（66%）。体外释放实验表明，载药系统在500小时内呈现典型的缓释特征，累计释放率达80%。值得注意的是，纳米载体对印楝素表现出显著保护作用：固态nano-PDS制剂在54°C储存21天后仍保持97%活性，而商业水剂仅剩35%；在自然光照60天后，纳米制剂中印楝素含量几乎无变化，证明石墨烯-二氧化硅杂化结构具有优异的光屏蔽效果。

生物活性评价

在烟粉虱防治实验中，Aza@nano-PDS表现出剂量依赖性杀虫活性。200 mg L^-1浓度对二龄若虫的校正死亡率达98.9%，半致死浓度（LC₅₀）为72.49 mg L^-1。相比之下，商业印楝素制剂（CFN）在同等浓度下仅实现13.2%的防治效果。空白纳米载体（nano-PDS）本身也表现出30.3%的杀虫活性，推测与二氧化硅纳米颗粒对昆虫体壁的物理损伤作用有关。此外，该制剂还表现出显著驱避效应和产卵抑制活性，处理48小时后成虫数量减少69%，产卵量降低72%。

该研究通过巧妙的材料设计和系统的性能评估，证实生物源GO-MSNs纳米载体可显著提升印楝素的稳定性与生物利用度。氨基功能化不仅通过静电作用和氢键增强农药负载能力，还赋予载体pH响应释放特性。与传统制剂相比，纳米农药系统将防治效果提升7倍以上，同时减少施药频次和环境影响。这种以农业废弃物为原料的绿色合成策略，不仅降低生产成本，更实现资源循环利用，为可持续农业发展提供重要技术支撑。未来研究可进一步探索该体系在其他生物农药递送中的应用潜力，并通过田间试验验证其实际应用价值。