生物聚合物基Bt微胶囊的光热稳定性研究：为可持续害虫控制提供新策略

《ACS Omega》：Photothermal Resilience of Biopolymer-Based Btk Microcapsules: Implications for Sustainable Pest Control

本研究开发了基于壳聚糖-木质素磺酸盐复合凝聚的苏云金芽孢杆菌库斯塔克亚种（Btk）微胶囊制剂（CC-1+Btk (D)和CC-2+Btk (D)），其包封效率>98%，具备优异的理化性质。在紫外（UV-C 254 nm、UV-B 385 nm）和热（30 °C、50 °C）胁迫下，CC-1+Btk (D)表现出更高的孢子存活率（CFU）和对斜纹夜蛾（Spodoptera litura）与蓖麻尺蛾（Achaea janata）的幼虫致死率，且在蓖麻叶片上持效期可达48小时。该生物可降解微胶囊系统为增强Btk田间稳定性与残留效价提供了可规模化应用的解决方案。

　　

引言

化学农药残留、靶标害虫抗性及合成农化品的生态影响日益引发全球关注，推动了害虫治理中对更安全、环境友好型替代方案的需求。在微生物生物农药中，苏云金芽孢杆菌库斯塔克亚种（Bacillus thuringiensis var. kurstaki, Btk）因对鳞翅目害虫特异性高、对非靶标生物风险低且无化学残留而被广泛应用。然而，其田间应用常因紫外线（UV）辐射和高温等环境胁迫导致关键杀虫成分（Cry蛋白和孢子）快速降解而受限。微囊化技术，特别是基于带相反电荷聚电解质的复合凝聚法，能高效包封生物活性剂，并提供抵御非生物胁迫的保护。本研究利用壳聚糖（阳离子聚合物）和木质素磺酸盐（阴离子聚合物）开发Btk微胶囊，通过优化辅料（如硫酸锰、羧甲基纤维素）组合，旨在提升Btk的环境稳定性与杀虫持效性。

实验部分

微胶囊通过复合凝聚法制备，使用壳聚糖和木质素磺酸盐为聚电解质基质，并添加硫酸锰（MnSO₄）或羧甲基纤维素（CMC）作为辅料。通过改变组分比例制备了F₁至F₁₄系列配方，其中CC-1+Btk (D)（含单一辅料）和CC-2+Btk (D)（含双辅料）因包封效率高（>98%）、溶解度佳（~99%）而被选为优化制剂。表征包括粒径、pH、水分含量、润湿性、分散性、悬浮性及蛋白质含量（Lowry法）。结构分析通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）进行，确认了聚合物-蛋白相互作用及孢子包埋效果。

结果

微胶囊理化与结构特性

CC-1+Btk (D)和CC-2+Btk (D)的粒径分别为210–310 μm和220–340 μm，均大于未包封Btk（120–135 μm）。两者呈中性pH，而未包封Btk为碱性。微胶囊的润湿时间更短（CC-1+Btk (D)：1.0分钟；CC-2+Btk (D)：1.3分钟；未包封Btk：3.0分钟），分散性（95.0%~96.0% vs 80.0%）和悬浮性（94.5%~93.6% vs 70.0%）也更优。FTIR显示在3200–3600 cm^–1处的OH伸缩振动及1500–1700 cm^–1处酰胺键的羰基伸缩振动，表明Btk蛋白与聚合物壁材间存在强相互作用。SEM和TEM显示微胶囊表面光滑、孢子被有效包埋于聚合物基质中，而未包封Btk结构粗糙且含填充颗粒。

光热胁迫下的稳定性与生物效价

在热胁迫（30 °C和50 °C，48小时）下，CC-1+Btk (D)在粉末和悬浮剂形式中均保持最高CFU计数（如50 °C粉末形式：30.00 × 10¹⁰CFU/g，显著高于未包封Btk的12.00 × 10¹⁰CFU/g）。在UV-C（254 nm，25分钟）和UV-B（385 nm，168小时）照射后，CC-1+Btk (D)的CFU保留率也最高（如UV-B悬浮剂：37.67 × 10¹⁰CFU/g）。生物效价测试表明，CC-1+Btk (D)对斜纹夜蛾和蓖麻尺蛾的幼虫致死率在胁迫后下降最小。例如，在50 °C热胁迫后，CC-1+Btk (D)对斜纹夜蛾的致死率仍达62.7%（悬浮剂），而未包封Btk降至30.8%；对蓖麻尺蛾，CC-1+Btk (D)在50 °C下保持84.6%致死率，未包封Btk仅为37.8%。

叶片持久性与幼虫死亡率

盆栽试验中，在蓖麻叶片上处理后的12、24和48小时（HAT），CC-1+Btk (D)和CC-2+Btk (D)的CFU计数均高于未包封Btk和商业制剂。48 HAT时，CC-1+Btk (D)的CFU为29.00 × 10¹⁰，而未包封Btk降至26.00 × 10¹⁰。相应地，微胶囊处理的幼虫死亡率衰减更慢：48 HAT时，CC-1+Btk (D)对斜纹夜蛾和蓖麻尺蛾的致死率分别为65.0%和86.0%，未包封Btk仅为52.5%和65.0%。

讨论

壳聚糖-木质素磺酸盐复合凝聚基质通过静电相互作用形成稳定包封，木质素磺酸盐提供UV保护与结构刚性，壳聚糖增强基质黏附性与可控释放。辅料硫酸锰可稳定孢子代谢，CMC提升胶囊强度与分散性。CC-1+Btk (D)因基质均一、孔隙率低，在光热胁迫下表现出更优的孢子保护性与杀虫持效性。其性能优于含双辅料的CC-2+Btk (D)及商业制剂，凸显了简化配方在提升环境韧性方面的优势。该生物可降解微胶囊系统为替代传统石油基UV保护剂提供了可持续解决方案，有助于推动Btk生物农药在综合治理（IPM）中的应用。

结论

基于壳聚糖-木质素磺酸盐的复合凝聚法成功制备了Btk微胶囊，其中CC-1+Btk (D)在光热稳定性、孢子存活率及对斜纹夜蛾与蓖麻尺蛾的幼虫致死率方面均表现最佳。微胶囊化有效延缓了环境胁迫下的降解，延长了田间持效期至48小时。该研究为开发高效、稳定、环境友好的Btk生物农药制剂提供了技术支撑，建议进一步开展田间验证与规模化研究以促进其商业化应用。