SafeWax：一种受生物启发的多功能涂层在可持续作物保护中的创新应用及其机制研究

本文系统介绍了一种新型仿生涂层技术SafeWax，该技术通过模拟植物蜡质表皮结构，利用生物基饱和脂肪酸（如硬脂酸、棕榈酸）构建超疏水表面（接触角150°–160°），有效阻止真菌孢子附着（如Botrytis cinerea）并减少水分滞留，同时具备紫外线（UV）防护和自清洁功能。研究证实该涂层可降低50–70%化学杀菌剂使用量，符合欧洲绿色协议（European Green Deal）的农药减量目标，为应对气候变化下的作物病害防控提供了可持续解决方案。

　　

2.1 SafeWax概念——源于自然防御机制的学习

植物表皮蜡质层作为天然屏障，通过其超疏水特性实现自我清洁和病原体防护。受此启发，SafeWax技术利用饱和长链脂肪酸（如硬脂酸C₁₈、棕榈酸C₁₆）在挥发性溶剂（如二乙醚DEE）中结晶形成微纳分级结构，复制了荷叶效应（Lotus effect）。该涂层接触角达150°–160°，接触角滞后<8°，能有效阻止水分滞留和真菌孢子粘附，同时减少紫外线辐射损伤。

2.2 SafeWax开发与配方

涂层原料来源于果蔬废弃物（如果皮、豆壳）中提取的脂肪酸，通过绿色提取技术（超临界流体、水解）实现循环经济利用。脂肪酸的可生物降解性确保其对土壤微生物群落影响极小，不同于传统铜基杀菌剂的生态毒性。配方采用20 mg mL^?1脂肪酸浓度，通过6 bar压力喷雾形成半透明薄膜，既保持植物光合作用效率，又维持超疏水稳定性。

2.3 作用机制

SafeWax通过物理屏障而非化学毒性实现防护：① Cassie-Baxter润湿态 trapped空气层阻止水滴铺展；② 微结构表面降低真菌孢子附着概率；③ 减少叶面水分滞留时间（抑制Botrytis cinerea等病原体萌发所需的湿润环境）；④ 额外提供UV防护和减少蒸腾作用。实验证明，涂层还能通过叶片边缘集水（图5f）增强土壤水分补给。

2.4 初步实验结果

相容性测试

竹子叶片处理后接触角从95°提升至150°，且持续健康生长超1年（图2a）。番茄、辣椒、葡萄藤温室试验显示无 phytotoxic症状，仅因土壤脱水出现轻微 chlorosis（图2b-d）。

生理参数监测

气孔导度（gsw）和蒸腾速率（E）测量显示：处理后0小时番茄（gsw:0.10 vs 0.18 mol m^?2 s^?1）和辣椒（gsw:0.04 vs 0.13）显著降低，72小时后差异消失（表1），表明涂层仅引发短暂生理应激反应。

抗真菌效能

玫瑰花瓣接种B. cinerea孢子后，涂层组病斑面积显著减小（图3）。孢子萌发所需湿度环境被超疏水表面破坏，感染延迟72小时。

环境稳定性

50°C加热24小时后涂层CA、CAH、表面粗糙度（Sq≈5–6 μm）无显著变化（表2）。UVC辐射（256 nm, 42.14 mJ cm^?2）模拟18年自然光照后微观结构保持完整（图4）。

集水功能验证

近100%湿度环境下，涂层番茄/辣椒叶片露珠形成延迟，未涂层叶片迅速结露（图5a-f）。水滴在涂层叶片边缘聚集并滚落至土壤，证实水分收集潜力。

2.5 应用与广谱效益

技术适用于葡萄藤、番茄、小麦等经济作物，兼具：① 减少化学农药依赖；② 增强干旱/高温适应性；③ UV防护；④ 潜在建筑/船舶防生物膜应用。与有机农业和综合害虫管理（IPM）策略高度兼容。

2.6 未来挑战

需解决：① 溶剂使用（乙醇替代DEE）的可持续性与安全性；② 新生长叶面重复施涂频率；③ 长期土壤残留与碳氮循环影响评估；④ 溶剂免配方开发。经济效益需匹配农业市场规模化需求。

3 结论

SafeWax作为物理模式作用的仿生涂层，通过多重防护机制为可持续农业提供创新解决方案，符合Farm to Fork战略的农药减量目标，在气候变化加剧病原体压力的背景下具有重要应用前景。

4 实验方法

采用Zeiss Ultra Plus FEG-SEM表征形态，Attension Theta Lite测接触角，LI-COR LI-600测气体交换参数。真菌试验使用B. cinerea B05.10菌株（10⁴ spores mL^?1），ImageJ量化病斑面积。统计采用ANOVA（p≤0.05）。