三重刺激响应型树枝状介孔二氧化硅纳米农药递送系统用于小菜蛾的持续防控

《Advanced Agrochem》：A triple-stimuli-responsive dendritic mesoporous silica nanopesticide delivery system for sustained control of Plutella xylostella

　　

专业术语翻译（摘要部分） 一种三重刺激响应型树枝状介孔二氧化硅纳米农药递送系统用于小菜蛾（Plutella xylostella）的持续防控 本研究开发了一种三重响应型纳米农药，用于精准递送农药。该系统实现了33.0%的高农药负载量。pH、氧化还原（redox）和淀粉酶（amylase）触发控制释放。对小菜蛾（Plutella xylostella）具有优异且长效的杀虫活性。对非靶标生物低毒且对作物安全。

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一、研究背景与意义

农药在现代农业生产中不可或缺，对控制农业害虫、保障作物产量和维护全球粮食安全具有关键作用。然而，传统农药制剂普遍存在利用率低的问题，大量有效成分在到达靶标前即因光降解、挥发、喷雾漂移和淋溶等途径损失。这些非靶标损失不仅削弱了害虫防治效果、浪费农药资源，还导致农药残留，引发环境污染和生态失衡，并对人体健康构成潜在风险。传统农药施用方式的低效率、高风险特征与绿色农业和可持续发展的目标根本相悖，因此迫切需要开发能够提高农药利用率、减少非靶标损失并降低生态与生物安全风险的新型农药制剂。

在各类纳米载体中，介孔二氧化硅纳米颗粒（MSNs）因其良好的生物相容性、可调控的孔结构和易于表面功能化而被广泛应用。但传统MSNs的孔径相对均匀且有限，低孔容和狭窄孔道可能阻碍疏水性农药分子的高效负载和扩散控制释放，从而限制负载能力和释放效率。树枝状介孔二氧化硅纳米颗粒（DMSNs）具有层级孔隙结构，其星形放射状三维孔结构可显著提高农药负载量，并为后续表面功能化修饰提供充足空间，被视为构建高效农药纳米递送系统的理想材料。然而，DMSNs大而开放的孔结构虽增强了农药负载，也可能加剧储存、运输和施用过程中的非特异性提前泄漏，损害制剂稳定性和长期防治效果。为兼顾高负载量与可控释放，需要在DMSNs表面引入生物相容且环境响应的“门控”分子。羧甲基-β-环糊精（CM-β-CD）具有良好的水溶性、生物可降解性和低毒性，可封堵孔口以减少提前泄漏。在害虫富含淀粉酶的消化道环境中，CM-β-CD门控层可被酶解降解，逐步重新打开孔道促进农药释放。此外，DMSNs框架本身也可提供环境响应性：碱性条件下硅氧烷网络侵蚀可加速载体解体，而通过共缩合引入的四硫键可在谷胱甘肽等还原剂作用下断裂，进一步促进载体降解和农药释放。

上述释放模式与小菜蛾（Plutella xylostella）幼虫中肠的生理微环境高度契合。小菜蛾是十字花科作物的重要世界性害虫，其幼虫中肠呈碱性，并含有活跃的谷胱甘肽相关还原解毒系统和可观的淀粉酶活性，分别为pH、氧化还原和酶响应释放提供了生物学触发条件。氯虫苯甲酰胺（CF）对小菜蛾等鳞翅目害虫具有高杀虫活性，但对鱼类等水生生物毒性较高，存在生态风险。因此，开发具有高负载量且对小菜蛾肠道微环境响应的氯虫苯甲酰胺纳米递送系统，可增强靶标位点释放和防治效果，同时降低环境暴露和生态风险。

二、研究内容与结论

研究人员以四硫键掺杂的树枝状介孔二氧化硅纳米颗粒（SS-DMSN）为高载药载体，以氯虫苯甲酰胺为模式农药，以羧甲基-β-环糊精（CM-β-CD）为智能门控层，构建了三重刺激响应型纳米农药递送系统（CF@SS-DMSN@CD）。该系统经系统表征确认具有规则球形形态、良好分散性和稳定的树枝状介孔结构，氯虫苯甲酰胺被成功负载，CM-β-CD通过酰胺键成功接枝于颗粒表面。该递送系统在碱性、谷胱甘肽（GSH）和淀粉酶条件下均表现出不同程度的刺激响应降解行为，同时在中性和酸性条件下保持较好的结构稳定性。该系统显著提高了氯虫苯甲酰胺的光稳定性，其光解半衰期较原药和悬浮剂分别延长约11倍和9倍。在释放行为方面，该系统表现出明显的pH响应性，碱性条件下累积释放率最高（36.7%），中性条件下最低（22.0%）；在GSH和淀粉酶存在下累积释放率分别达66.5%和49.4%，释放动力学以Fickian扩散为主。在叶面性能方面，该系统在甘蓝叶片上的接触角最低（180 s时为49.7°），表现出优异的润湿性和铺展能力，且在模拟降雨120 s后仍有明显颗粒沉积，具有良好的耐雨水冲刷性能。体内荧光成像显示，FITC标记的CF@SS-DMSN@CD经口摄入后主要在小菜蛾幼虫肠道区域积累，并可能发生跨肠转运。杀虫活性测定表明，该系统对小菜蛾3龄幼虫的急性毒力（48 h LC₅₀ = 0.217 mg/L）优于悬浮剂（0.282 mg/L），且取食抑制效果更明显；在施药后28天，该系统仍保持83.33%的死亡率，而悬浮剂仅为60%，表现出显著增强的持效性。生物安全评价显示，该系统对斑马鱼的96 h LC₅₀为1.736 mg/L，对蚯蚓的48 h LC₅₀为69.491 μg/cm²，均显著高于悬浮剂，表明其大幅降低了氯虫苯甲酰胺对水生和土壤非靶标生物的急性毒性。土壤微生物群落分析显示，该系统处理组的群落组成更接近对照组，对土壤微生物多样性的扰动小于悬浮剂。作物安全性评价表明，该系统在12.5-200 mg/L浓度范围内对白菜和油菜的种子萌发率、幼苗生长、叶片SPAD值和总氮含量均无显著影响。

三、主要关键技术方法

研究人员采用的主要技术方法包括：通过溶胶-凝胶法合成四硫键掺杂的树枝状介孔二氧化硅纳米颗粒（SS-DMSN），并依次进行APTES氨基化修饰、氯虫苯甲酰胺负载和CM-β-CD门控层接枝；利用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、热重分析（TGA）、氮气吸附-脱附（BET）和X射线光电子能谱（XPS）等手段对材料进行系统表征；采用超高效液相色谱（UHPLC）测定农药负载量和释放浓度；通过接触角测量和SEM观察评价叶面润湿性和耐雨水冲刷性；采用激光扫描共聚焦显微镜观察FITC标记纳米颗粒在幼虫体内的分布；通过叶片浸渍法测定杀虫活性和LC₅₀；参照OECD 203和OECD 207标准进行斑马鱼和蚯蚓急性毒性试验；采用Illumina NovaSeq 6000平台对土壤细菌16S rRNA基因V3-V4区进行高通量测序分析微生物群落；通过种子萌发试验和幼苗喷施试验评价作物安全性。

四、研究结果

3.1 CF@SS-DMSN@CD的形态结构表征

SEM和TEM显示SS-DMSN具有典型的树枝状介孔结构，内部孔道由中心向外放射状延伸。经氨基化、载药和CM-β-CD包覆后，各阶段产物均保持良好的球形形态和分散性。粒径从SS-DMSN的241.29 nm逐步增至CF@SS-DMSN@CD的253.59 nm，EDS元素分析检测到N、S、Cl、F、Br等特征元素，证实各功能组分成功引入。

3.2 CF@SS-DMSN@CD的理化性质表征

Zeta电位从SS-DMSN的-22.76 mV经氨基化后转为+14.63 mV，CM-β-CD修饰后回落至-10.28 mV。XRD显示CF在载体中以无定形或分子分散状态存在。FTIR证实氨基、CF特征峰（C≡N、C-F、C-Cl）和酰胺键的存在。TGA显示CF@SS-DMSN@CD在800 °C时残余质量分数仅42.5%。BET分析显示SS-DMSN的比表面积为711.6 m²/g，孔容1.072 cm³/g，平均孔径6.027 nm，CF分子最大尺寸小于该孔径，具备进入孔道的理论可行性。

3.3 CF@SS-DMSN@CD的表面化学分析与相互作用机制

XPS全谱和特征元素高分辨谱分析证实：SS-DMSN形成稳定介孔硅框架；APTES成功引入表面氨基；CF成功负载（检测到F、Cl、Br特征信号）；CM-β-CD通过酰胺键接枝于颗粒表面。各功能化步骤未破坏主体树枝状介孔硅框架。

3.4 CF@SS-DMSN@CD的降解行为

TEM时序观察显示，在pH 4和pH 7条件下纳米颗粒在0-7 d内保持完整球形和介孔结构；pH 10条件下3 d即出现部分塌陷并随时间加剧；GSH处理下3 d出现局部结构松动，5-7 d发生框架断裂和孔结构坍塌；淀粉酶处理下颗粒表面模糊、包覆层增厚并部分脱落。这表明系统在碱性、还原性和酶解条件下均具有刺激响应降解特性。

3.5 CF@SS-DMSN@CD的光稳定性和控释动力学

CF@SS-DMSN@CD的农药负载量为33.0%，高于常规MSNs的22.6%。紫外照射下其保留率始终高于原药和悬浮剂，光解速率常数仅为0.0109，光解半衰期达63.42 h，远长于原药（5.62 h）和悬浮剂（7.25 h）。释放行为显示碱性条件累积释放最高（36.7%），中性最低（22.0%），酸性居中（28.7%）；GSH和淀粉酶条件下累积释放分别达66.5%和49.4%。Ritger-Peppas模型拟合的释放指数K₂值在0.339-0.390之间，表明释放过程以Fickian扩散为主导。

3.6 CF@SS-DMSN@CD的叶面润湿性能

动态接触角测量显示，CF@SS-DMSN@CD在甘蓝叶片上的接触角随时间持续下降，180 s时达49.7°，为所有处理中最低，归因于CM-β-CD丰富的亲水性羟基和羧基。模拟降雨试验表明，即使冲洗120 s后叶片表面仍保留明显颗粒沉积，尤其在气孔周围，显示出良好的耐雨水冲刷能力。

3.7 CF@SS-DMSN@CD的摄取与分布性能

共聚焦显微镜观察显示，FITC标记的CF@SS-DMSN@CD经口摄入后，在3龄和4龄幼虫的肠道区域均观察到强烈绿色荧光信号，肠道是主要积累部位，且荧光信号也出现在肠道以外区域，提示纳米颗粒可能发生跨肠转运和体内再分布。

3.8 CF@SS-DMSN@CD的杀虫活性

叶片浸渍法测定显示，CF@SS-DMSN@CD在2 mg/L浓度下24 h和48 h死亡率分别为93.33%和96.67%，均高于悬浮剂组（86.67%和93.33%）。48 h LC₅₀为0.217 mg/L，优于悬浮剂的0.282 mg/L。取食抑制试验显示同浓度下CF@SS-DMSN@CD处理组叶片残留面积更大。持效性试验显示，施药后28 d该系统仍保持83.33%死亡率（悬浮剂仅60%），LC₅₀为0.534 mg/L，约为悬浮剂（1.079 mg/L）的一半。

3.9 CF@SS-DMSN@CD的生物安全性评估

斑马鱼急性毒性试验显示，CF@SS-DMSN@CD的96 h LC₅₀为1.736 mg/L，显著高于悬浮剂的0.320 mg/L。蚯蚓急性毒性试验显示，CF@SS-DMSN@CD的48 h LC₅₀为69.491 μg/cm²，显著高于悬浮剂的23.327 μg/cm²。纳米递送系统通过孔道限域和CM-β-CD包覆延缓了有效成分的快速释放，降低了非靶标生物的急性暴露风险。

3.10 CF@SS-DMSN@CD对土壤微生物群落的影响

16S rRNA高通量测序分析显示，各处理组共享2422个核心ASVs，优势菌门组成基本一致。CF SC处理组Observed species指数显著低于CK组，而CF@SS-DMSN@CD组的群落组成和多样性指数更接近CK组，表明该纳米递送系统对土壤微生物群落的扰动小于悬浮剂。

3.11 CF@SS-DMSN@CD的作物安全性评价

种子萌发试验显示，12.5-200 mg/L浓度范围内CF@SS-DMSN@CD对白菜和油菜种子萌发率无显著影响。苗后喷施处理未引起黄化、生长迟缓等药害症状，叶片SPAD值和总氮含量与对照组无显著差异，表明该系统对作物生长和生理代谢无明显不良影响。

五、总结与结论

本研究成功构建了基于四硫键掺杂树枝状介孔二氧化硅的纳米递送系统CF@SS-DMSN@CD，用于小菜蛾的精准防控。该系统通过APTES氨基化、氯虫苯甲酰胺负载和CM-β-CD表面接枝三个步骤完成构建，具备规则球形形态、良好分散性和稳定树枝状介孔结构。系统实现了33.0%的高农药负载量，显著提升了氯虫苯甲酰胺的光稳定性（光解半衰期延长至63.42 h），并表现出pH、氧化还原和淀粉酶三重刺激响应释放行为。该纳米递送系统改善了叶面润湿性和耐雨水冲刷能力，在小菜蛾幼虫肠道中有效积累，急性杀虫活性优于商业悬浮剂，且持效期显著延长（28 d死亡率83.33%）。同时，该系统大幅降低了氯虫苯甲酰胺对斑马鱼和蚯蚓的急性毒性，对土壤微生物群落结构扰动较小，对作物种子萌发和幼苗生长无显著影响。该研究为农药的精准释放和高效利用提供了具有应用潜力的技术路径，有助于降低生态风险，促进害虫的绿色防控。