电离辐射与冷等离子体用于玉米采后玉米象防治：基于惩罚逻辑回归与广义线性模型的生物物理学方法

《Journal of Stored Products Research》：Ionizing radiation and cold plasma for post-harvest control of Sitophilus zeamais in maize: A biophysical approach with penalized logistic regression and generalised linear models

　　

• •
  伽马射线和电子束在仅0.5 kGy剂量下即实现了100%的死亡率。
• •
  暴露120分钟后，冷大气等离子体导致98.3%的死亡率。
• •
  Firth逻辑回归和Probit广义线性模型为死亡率分析提供了稳健的统计方法。

引言

贮藏谷物收获后损失，尤其是玉米的损失，在很大程度上是由玉米象Sitophilus zeamais Motschulsky, 1855（鞘翅目：象甲科）造成的。传统的防治方法依赖于磷化氢熏蒸，但抗药性已广泛存在，且毒性残留令人担忧（Pimentel等人，2008，2009）。伽马射线、电子束和冷大气等离子体等物理处理方法正作为一种清洁、无残留的替代方案日益兴起（Freita-Silva等人，2015；Kaur等人，2020）。

在全球范围内，谷物收获后的损失对粮食安全构成了严重威胁（Navarro和Navarro，2016），据估计，从收获到消费之间有20?30%的总产量损失（FAO，2023）。在巴西——全球最大的第三大玉米生产国，年产量超过1亿吨（CONAB，2021）——玉米象S. zeamais被认为是贮藏谷物中最具破坏性的主要害虫。虫害可导致贮藏六个月内重量损失高达40%，同时还伴随着虫粪、真菌孢子和霉菌毒素污染等品质损害（Pimentel等人，2008，2009）。除直接的经济影响外，受虫害的谷物因严格的植物检疫法规而面临国际贸易中的拒收，对巴西出口构成了重大的非关税壁垒。

数十年来，磷化氢（PH₃）熏蒸一直是贮藏谷物害虫管理的基础。然而，其大量使用已在全球范围内筛选出高度抗性的S. zeamais种群，在巴西谷物仓储设施中抗性频率超过60%（Pimentel等人，2008，2009）。此外，磷化氢会留下毒性残留，对工人构成职业危害，且与有机认证标准不相容。这些局限性促使人们寻找无残留的物理替代方案，包括电离辐射（伽马射线和电子束）和非热大气等离子体（Freita-Silva等人，2015；Kaur等人，2020；Srivastava和Mishra，2021）。

食品辐照自20世纪50年代以来一直受到研究，目前已有超过60个国家批准其用于害虫灭杀、微生物去污和抑制发芽（Diehl，2002；Dowlath等人，2021）。来自⁶⁰Co源的伽马射线具有深穿透性和均匀的剂量分布，而电子束则提供更高的剂量率和按需关闭源的运行优势。尽管效力已获证实，但两种技术都需要大量资本投资（工业设施通常需要100万至500万美元），这限制了其采用范围仅限于集中式服务提供商（Brasil，2009）。

冷大气等离子体（CAP）在过去十年中作为农业应用的有前景的替代方案脱颖而出，包括种子去污、真菌灭活和害虫防治（Bárdos和Baránková，2010；Kaur等人，2020；Dilip等人，2026）。CAP是通过在气体（通常为空气）上施加高电压产生的，产生丰富的活性氧和氮物种（RONS）、紫外（UV）光子和带电粒子，它们共同发挥生物杀灭作用。以前向涡流流配置（FVFR）运行的滑弧反应器因其可扩展性、成本效益（台架规模反应器原型的成本仅为工业辐照设备的一小部分）以及可使用压缩大气空气运行的能力而特别具有吸引力（Doria，2019；Chiappim等人，2021）。

一个关键的差距在于对死亡率数据的统计分析方法不当。经典ANOVA将剂量视为类别，并忽略了计数的二项性特征（死亡数/总数）。此外，当发生完全分离时（例如最低剂量即导致100%死亡率），标准逻辑回归无法收敛，产生无限的优势比和无效的标准误（Heinze和Schemper，2002）。在此，我们展示了如何利用惩罚化（Firth）逻辑回归和带有Probit连接函数的二项广义线性模型正确地建模此类数据，提供有限的估计值和可靠的推断。

本研究的目的是：1）确定伽马辐射、电子束和冷等离子体对S. zeamais实现100%死亡率的最低有效剂量/时间；2）利用现代统计模型比较三种技术的效力；3）为辐射昆虫学提供可重复的分析框架。

章节摘要

昆虫饲养与样品制备

Sitophilus zeamais成虫取自巴西塞特拉戈阿斯联邦农业技术研究院玉米和高粱研究所（Sete Lagoas, MG, 巴西）维持的敏感实验室种群。昆虫在受控环境条件下饲养于完整玉米粒上（25 ± 2 °C，相对湿度60 ± 5%，24小时暗期）。生物测定选用不分性别的1–2周龄成虫。生物测定前以烘干法测定谷物含水量（13%，湿基），测定三次

伽马射线和电子束——0.5 kGy实现完全死亡率

对照组死亡率较低：10天后伽马射线组为1.67%，电子束组为8.33%。所有剂量$\ge 0.5$ kGy在三次重复中均造成100%死亡率（表1）。

惩罚化逻辑回归成功处理了完全分离问题。Firth校正没有产生无限估计值，而是给出了有限但极高的惩罚化优势比。对于伽马射线，剂量$\ge 0.5$ kGy与对照组相比的惩罚化OR为9897（95% CI：[120 – ∞], p < 0.001）。电子束也观察到类似结果

讨论

我们的结果明确地证明，极低的电离辐射剂量（0.5 kGy）即可导致成虫S. zeamais完全死亡，不论辐射源类型（伽马射线或电子束）。这一发现与早期研究（Arthur，1985）一致，并证实电离辐射是一种极其有效的害虫灭杀方法。数据中的完全分离问题已被惩罚化逻辑回归正确处理，该方法提供了有限的估计值和有效的置信区间。我们建议

结论

本研究成功证明了伽马辐射、电子束和冷大气等离子体作为无残留物理替代方案在贮藏玉米中防治收获后Sitophilus zeamais的高效力。先进生物物理处理与严谨统计建模的结合产生了以下主要结论。

• •
  电离辐射的效力：伽马射线和电子束均以极低剂量

CRediT作者贡献声明

Vanessa Helena Pires Diniz：写作——原始草稿。José Helder Facundo Severo：数据管理。Felipe Valencia de Almeida：资源。Juliana Diniz Ribeiro：写作——审阅与编辑。Gustavo Paganini Canal：资源。Marco Aurélio Guerra Pimentel：方法论。Francisco Vidal Barbosa：写作——审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本研究由巴西联邦研究生教育与评估支持局（CAPES）资助，项目编号88887.603224/2021-00。作者感谢Embrapa玉米和高粱研究所提供昆虫种群和玉米样品，感谢圣保罗大学/巴西航空技术研究所物理研究所提供冷等离子体反应器设施的使用，以及感谢能源和核研究研究所（IPEN）提供伽马辐射和电子束辐照设施。本文的

Vanessa Helena Pires Diniz|José Helder Facundo Severo|Felipe Valencia de Almeida|Juliana Diniz Ribeiro|Gustavo Paganini Canal|Marco Aurélio Guerra Pimentel|Patrícia Martins Parreiras|Francisco Vidal Barbosa