环保型纳米纤维素复合材料用于稳定纳米乳液杀虫剂：提升药效和耐候性

《Carbohydrate Polymers》：Eco-friendly nanocellulose composites for stabilizing nanoemulsion insecticides: Enhancing efficacy and weather resistance

农药使用效率低、易流失问题得到解决，新型PTB/CNC纳米乳剂通过BSA-TCEP交联形成稳定界面膜，结合CNC的刚性纤维结构和表面负电荷有效抑制PTB自聚集，使油包水纳米乳剂在模拟暴雨下保持84%活性成分，叶片接触角达85.5°，农药沉积效率提升15%，兼具环保性和长效性。

　　在现代农业中，杀虫剂是有效控制害虫的关键工具。然而，传统杀虫剂的配方常常因为意外飞溅、反弹以及雨水冲刷等问题，导致使用效率低下。为了应对这些挑战，研究人员开发了一种基于淀粉样蛋白/纤维素纳米晶体（PTB/CNC）复合物的绿色油包水纳米乳液。这种新型乳液不仅提升了杀虫剂在植物叶片上的附着能力，还显著增强了其在恶劣环境下的稳定性，为可持续农业发展提供了新的解决方案。

该研究的核心在于通过三（2-羧乙基）膦（TCEP）诱导牛血清白蛋白（BSA）发生构象变化，形成一种相变淀粉样蛋白（PTB）。与此同时，为了防止PTB过度自聚，研究人员引入了纤维素纳米晶体（CNC），使其能够与PTB形成稳定的复合结构。这种结合不仅有效抑制了PTB的自聚集现象，还显著提高了其在油水界面的稳定性和功能性。PTB/CNC纳米复合物展现出优异的界面活性、生物相容性以及长期稳定性，使得其在农业应用中具有广阔的前景。

在实验过程中，研究人员发现PTB/CNC纳米乳液在超疏水叶片上表现出卓越的沉积能力。例如，在莲叶上，其接触角达到了85.5°，并且能够完全抑制滴落现象。在模拟强降雨条件下（150 mm），PTB/CNC纳米乳液能够保留84%的配方，这比传统的可乳化浓缩剂（EC）提高了六倍。田间试验进一步表明，使用这种新型乳液后，作物的收获产量提高了超过15%。这些结果充分证明了PTB/CNC纳米乳液在提升杀虫效果和减少环境影响方面的潜力。

此外，该系统能够兼容多种植物油，且残留物易于去除，从而降低了对环境的潜在危害。与传统合成表面活性剂和聚合物相比，PTB/CNC纳米复合物不仅减少了对生态系统的毒性影响，还避免了复杂的合成过程，使得其更适合大规模推广和应用。研究人员认为，这种基于纳米纤维素的淀粉样蛋白复合物可以自组装在油水界面，形成稳定的界面膜，从而实现高效、安全的杀虫剂输送。这种策略不仅提升了杀虫剂在叶片上的附着能力，还减少了溶剂的使用，提高了沉积效率，为可持续农业发展提供了新的思路。

在材料选择方面，BSA和TCEP均从上海阿拉丁生化科技公司购得，其纯度均达到98%。而经过磺酸化的纤维素纳米晶体（CNC-C）则由桂林奇宏科技公司提供，其固含量为4%。这些材料的详细参数可以参考表S1。同时，橄榄油、花生油、大豆油、油菜籽油和玉米油等植物油均从国药集团化学试剂公司购得，为纳米乳液的制备提供了多样化的选择。研究人员选择橄榄油作为油相，并与PTB/CNC复合物结合，以优化乳液的性能。

在对PTB/CNC纳米复合物的表征中，研究人员利用透射电子显微镜（TEM）观察其结构。如图1a所示，CNC在TEM图像中呈现出棒状或纤维状的结构，长度在100–500 nm之间，直径在4–10 nm之间。图1b则展示了在孵育一分钟后的PTB的TEM图像。初始的BSA溶液呈现透明状态，但在加入TCEP后，其二硫键被破坏，导致BSA链展开并形成非透明的淀粉样聚集物。这些聚集物的尺寸在1小时后达到50 nm到10 μm之间。这些结果表明，TCEP能够有效地诱导BSA形成PTB，而CNC则能够有效抑制其自聚，从而形成稳定的PTB/CNC纳米复合物。

为了进一步验证PTB/CNC纳米复合物的性能，研究人员还对其物理化学性质进行了详细分析。结果表明，这种复合物具有优异的界面活性，能够在油水界面自发吸附，形成稳定的纳米乳液体系。同时，PTB/CNC纳米复合物能够通过多种相互作用（如静电作用、氢键作用和疏水作用）增强乳液与植物叶片之间的附着能力。这些相互作用不仅提高了乳液在叶片表面的稳定性，还显著提升了其在不同环境条件下的适用性。

在实际应用中，研究人员发现PTB/CNC纳米乳液能够显著减少农药的使用量，同时提升其在植物表面的沉积效率。这种高效且环保的输送系统不仅降低了对生态环境的污染，还减少了对非目标生物的潜在影响。此外，由于PTB和CNC均具有良好的生物相容性和可降解性，因此在使用后不会产生二次污染，为农业可持续发展提供了绿色、安全的解决方案。

在实验过程中，研究人员对不同配方进行了测试，并选择了最佳的组合。最佳配方包括橄榄油、PTB/CNC的浓度比为20:2 mg·mL?1、水油比为8:2，以及6 wt%的高效广谱杀虫剂氟氯氰菊酯。通过这种优化，研究人员成功制备了平均粒径为259.4 ± 10.2 nm的纳米乳液，其表现出卓越的长期稳定性，能够维持超过180天的性能。这一结果不仅证明了PTB/CNC纳米复合物在稳定纳米乳液方面的有效性，还为农业中的实际应用提供了可靠的数据支持。

综上所述，这项研究通过开发一种基于淀粉样蛋白和纤维素纳米晶体的纳米复合物，成功解决了传统杀虫剂在使用过程中存在的效率低下和环境污染问题。PTB/CNC纳米乳液不仅具有优异的界面活性和生物相容性，还能够显著提升杀虫剂在植物叶片上的附着和沉积能力，从而实现高效、环保的杀虫效果。这种新型的绿色农药输送系统在现代农业中具有重要的应用价值，有望在未来推广至更广泛的农业生产场景中，为提高作物产量和保护生态环境做出贡献。