纳米基制剂作为非洲草地贪夜蛾（*Spodoptera frugiperda* (J. E. Smith) (Lepidoptera: Noctuidae)）治理的新型高效工具：有效性、环境风险与研究缺口

《The Journal of Basic and Applied Zoology》：Nano-based formulations as a new and efficient tool in Spodoptera frugiperda (J. E. Smith) (Lepidoptera: Noctuidae) management in Africa (review)

　　

背景
草地贪夜蛾 *Spodoptera frugiperda* (J. E. Smith)（鳞翅目：夜蛾科）是非洲威胁玉米和高粱等主要作物的最具入侵性、破坏性和多食性昆虫之一。其高速飞行能力、远距离迁飞和高繁殖力（每雌虫最多1,500粒卵）促使种群快速建立并造成显著产量损失（20–50%）。尽管化学杀虫剂仍是主要防治手段，但其造成环境污染、农药残留、健康风险和日益增长的昆虫抗药性。传统农药不足以支撑可持续农业。纳米技术通过改善农药渗透性、溶解性、选择性和控释（controlled release）提供创新解决方案。

正文
本综述批判性评估纳米基制剂（nano-based formulations），包括纳米颗粒（nanoparticles）、纳米乳剂（nano-emulsions）、纳米凝胶（nanogels）和纳米胶囊（nano-capsules），作为 *S. frugiperda* 治理的有前景替代方案。研究人员将这些制剂与常规农药进行比较，强调在较低剂量下增强效力、降低环境持久性和减少抗性发展等优势。本综述综合了纳米制剂对 *S. frugiperda* 生物学的影响、其环境归趋（environmental fate）、对非靶标生物（non-target organisms，包括传粉者、水生生物和自然天敌）的影响的当前知识，并识别非洲农业背景特有的关键研究缺口。

结论
纳米制剂代表可持续害虫管理的变革性途径，但其成功实施需要解决监管框架（regulatory frameworks）、成本效益（cost-effectiveness）、农民采用路径（farmer adoption pathways）和全面环境风险评估（comprehensive environmental risk assessments）。未来研究必须优先开展田间尺度验证（field-scale validation）、长期生态研究和非洲特定应用方案（Africa-specific application protocols）的开发。

**引言**：草地贪夜蛾（FAW，*Spodoptera frugiperda*）是高度破坏性入侵性害虫，原产美洲热带和亚热带，2016年首次在非洲尼日利亚玉米田发现，后迅速扩散。雌成虫平均产卵1,500粒，具强飞行能力，每代可迁飞至少500 km；发育受温度调控，10 °C以下难以长期存活，可取食350余种植物。

**非洲经济与粮食安全影响**：FAW入侵44个以上国家，年损失约25–63亿美元；在津巴布韦使农户收入下降44%、粮食不安全增加17%。其危害玉米营养和生殖结构，威胁粮食安全。

**常规化学防治的局限**：传统化学杀虫剂仍是主要手段，但导致抗药性、天敌减少、环境持久性、人类健康风险和污染。

**纳米技术解决方案的理论依据**：减少常规杀虫剂并发展综合治理（IPM）对安全、选择性、有效和可持续治理 *S. frugiperda* 至关重要。纳米技术具有高效、低污染、靶标特异性、公共健康安全和可负担性等优势。纳米杀虫剂对鳞翅目害虫显示高效，常见制剂包括纳米胶囊、纳米乳剂、纳米凝胶和纳米颗粒。

**害虫治理中纳米基制剂概述**：纳米制剂具有纳米尺度效应、控释和增强界面活性，可改善附着沉积、吸收、膜穿透和持续释放。

**1 纳米包封**：以纳米级载体包封活性化合物，延迟并有效释放，提高农化品性能并减少环境影响。

**2 纳米乳剂**：改善弱水溶性化合物溶解性，液滴20–200 nm，透明且抗乳析和沉降。

**3 纳米凝胶**：不溶于水，可由信息素甲基丁香酚（ME）和低分子量凝胶剂制备，开放环境稳定，显著减缓信息素蒸发，便于运输且减少重装频率。

**4 纳米结构材料**：铝（Al）、金（Au）、银（Ag）、锌（Zn）、铜（Cu）、硫化镉（CdS）等可有效控制作物害虫。

**研究缺口和目标**：尽管实验室结果有前景，非洲田间条件下效力、长期环境影响和农民采用路径仍不明。综述审视：*S. frugiperda* 管理挑战、FAO协调治理、纳米制剂新兴工具、环境与非靶标影响、FAW治理效能及非洲实施挑战。

**非洲地理分布与扩散**：FAW在非洲多国快速扩散并建立种群。

**常规防治方法的挑战**：植物形态作为化学防治屏障，玉米幼苗在较低幼虫密度即受害，复杂株型为幼虫提供庇护，随植株成熟化学防治更难；连续非选择性施药导致对carbaryl和trichlorfon等抗性。需要多次或更高剂量，增加成本与环境风险。

**对合成化学农药和生物杀虫剂的抗性**：*S. frugiperda* 种群对拟除虫菊酯等产生强抗性；酯酶和细胞色素P450单加氧酶等解毒酶代谢杀虫剂。暴露于lambda-cyhalothrin的田间种群过表达p450s、谷胱甘肽S-转移酶（GST）和UDP-葡萄糖醛酸转移酶（UGTS）；转录组显示超1,800个差异表达基因。对*Bacillus thuringiensis* (Bt)毒素也有抗性，Bt玉米表达Cry蛋白效力受损。

**气候变化与扩散增强**：分布与温度和降水紧密相关。28–30 °C最适，13.5–34.1 °C为卵到成虫阈。气候变暖可能扩大适生区。

**FAO在协调FAW治理中的作用**：**监测与早期预警系统**：FAO牵头区域和全球监测，降低入侵和扩散。**技术指导与能力建设**：FAO制定IPM指南，培训农民、推广人员和政府。**促进可持续管理实践**：FAO推广生物防治、栽培措施和有限农药使用，以减少抗性和生态风险。**促进国际合作**：提供平台共享信息、研究和政策协调。**支持研究与创新**：资助了解FAW生物学、行为和防控技术，并促进创新技术采用。

**纳米农药作为有前景的害虫治理工具**：**比较分析：纳米制剂与常规农药用于FAW治理**：纳米农药通过生理生化改变增强植物抗虫和抗旱。银纳米颗粒（AgNPs）提高小麦干旱下抗氧化活性；水凝胶纳米颗粒吸水缓释；银和铜纳米颗粒具抗菌活性；壳聚糖纳米颗粒无毒、抗菌、生物相容和可降解。新兴创新包括纳米生物传感器、纳米条形码和miRNA策略。**对当前证据的批判性评估**：多数效力数据来自实验室生物测定；非洲农业生态系统田间尺度研究有限；长期环境归趋数据不足；成本效益分析缺乏；小农标准化施用方案未建立。

**纳米制剂对*S. frugiperda*生物学的影响**：氧化锌（ZnO）纳米颗粒在实验室对*S. frugiperda*具良好杀虫效果，导致形态缺陷、生育力下降、产卵减少和死亡率升高。纳米包封印楝素（azadirachtin）显示更高更快杀虫活性、分散改善且紫外后稳定性增强。植物提取物合成AgNPs对2–4龄幼虫在最优剂量下达70–90%死亡率；LC₅₀一般0.3–2 mg/L，LT₅₀为10–30 h。纳米植物提取物降低幼虫至蛹存活30–60%，延迟蜕皮并增加预蛹死亡。纳米制剂缩短总发育期1.5–3天、降低蛹重；处理雌虫产卵减少20–50%，孵化率降低30–70%。

**环境影响：平衡评估**：**潜在环境风险**：**土壤微生物群落与生物地球化学过程**：Ag-NPs抑制土壤硝化，聚乙烯吡咯烷酮（PVP）包覆15 nm Ag-NPs对硝化细菌毒性高于Ag⁺，可能影响氮循环和土壤肥力。**植物毒性机制**：金属纳米颗粒增加活性氧（ROS）、氧化应激、代谢紊乱和DNA损伤，影响蛋白折叠、钙稳态、有丝分裂、光合、电子传递和TCA呼吸；抗氧化防御可能不足。**营养级转移与生物累积**：植物吸收NPs后进入水生和陆生食物链，可能累积并危害高等动物包括人类。**水生毒性**：氧化铝纳米颗粒对淡水环境急性毒性，在*Ceriodaphnia dubia*中通过内化和铝离子氧化应激；纳米毒性动态复杂。活性化合物环境归趋和生物利用度研究不足。**潜在环境效益**：降低施用量、控释减少漂移和径流、增强靶标特异性、可降解载体减少持久性、降低抗性发展减少重复施药。**环境风险评估研究优先事项**：非洲土壤长期归趋与迁移、当地食物网生物累积、土著土壤微生物组、地下水污染、热带农业生态系统标准化测试。

**对非靶标生物的影响**：**一般影响机制**：纳米制剂改变溶解度、迁移性和持久性，从而改变毒性；提高亲脂活性物表观溶解度和生物利用度，增强蜜蜂和鱼吸收；更小粒径易穿过生物屏障；控释降低急性峰值但延长低水平暴露；对生物表面或随食物、花蜜、花粉、悬浮颗粒摄入亲和力更高。**对传粉者（蜜蜂）的影响**：死亡风险表现为大蒜精油纳米乳剂对蚜虫有效但蜜蜂取食后死亡率高；纳米银（如25 ppm）加入蜜蜂食物降低工蜂寿命；纳米材料影响解毒酶和抗菌肽，改变对其他农药和疾病的易感性；控释纳米杀虫剂可能避免田间快速死亡，但颗粒回到蜂巢导致延迟或慢性群体暴露；不同ZnO制剂在研究水平未显著影响蜜蜂寿命或关键酶，影响具材料特异性和剂量依赖性。**对鱼类的影响**：增强吸收表现为水中纳米颗粒易经鳃吸收，导致内部活性物剂量高于常规制剂；氧化应激与组织损伤表现为诱导脂质过氧化及鳃、肝、肾组织病理异常；生物累积变化表现为纳米载体易与有机物和浮游生物结合，提高经食物链被鱼摄入概率；低非靶标毒性制剂如针对蚊幼虫的铁或氧化铁纳米颗粒对食蚊鱼毒性低，需优化粒径、表面包覆和剂量。**对自然天敌的影响**：纳米制剂可减少天敌伤害。大表面积体积比允许低剂量精准施用，减少对天敌附带损害。控释减少施药频率和量，保护天敌种群。纳米制剂除虫菊酯未影响*Macrolophus pygmaeus*和*Coccinella septempunctata*的死亡率或存活时间。但银纳米颗粒可能通过改变猎物生理影响捕食者-猎物相互作用；亚致死浓度可能影响生态平衡，风险评估应纳入行为和生态终点。

**实施纳米制剂治理*S. frugiperda*的挑战**：**田间验证与放大**：需大规模田间研究验证多样非洲环境下的效能和安全性，以及植物、寄主-病原和生态系统影响。**技术与制剂挑战**：规模下稳定性、控释和均一性；田间降解、挥发和生物活性损失。**制造与成本**：低成本可放大制造仍难；绿色合成需平衡环保与产量。**生物相互作用知识缺口**：纳米颗粒与植物、细菌、土壤和非靶标动物相互作用知识有限，影响风险评价和环境归趋预测。**环境累积与长期效应**：纳米颗粒环境累积和非靶标影响需研究；长期影响研究有限；吸入、摄入或皮肤接触有健康风险，需要监管和安全措施。**经济障碍**：纳米颗粒合成昂贵，限制广泛使用；现有防控系统实施困难和不同田间效能验证也有挑战。**监管与政策框架**：缺乏纳米颗粒测试和监管标准，阻碍商业化和安全保证；纳米材料处置和降解产物管理需开发。**公众意识与农民采用**：公众意识缺乏可能阻碍接受；农民采用路径需教育、示范、成本分担、整合IPM、当地语言推广材料。**非洲特定挑战**：储存处理基础设施有限；农业生态条件多变需本地化制剂；农民教育和推广支持；许多国家监管能力有限；纳米材料和设备进口依赖。

**未来方向与研究优先事项**：**需立即关注的研究缺口**：非洲农业生态条件下田间效能试验；热带土壤长期环境归趋；与常规方法成本效益分析；小农标准化施用方案；纳米制剂效能抗性监测。**政策与监管建议**：制定非洲特定纳米农药登记监管框架；建立区域测试中心；创建绿色纳米农药激励；加强纳米安全标准国际合作；将纳米农药纳入国家IPM政策。**制度框架**：提升大学和研究机构纳米农业研究能力；发展公私伙伴关系生产纳米农药；创建农民田间学校传播纳米技术；建立环境和健康影响监测系统。

**结论**：*S. frugiperda*是造成埃及和非洲等地主要作物重大损害的破坏性害虫。寻找合成化学杀虫剂替代品是优先事项。纳米基制剂在低剂量下具有高防控效率，可能克服抗性、降低环境风险和脱靶毒性。成功实施需要田间验证、环境归趋和长期生态影响评估、人体健康风险评估、成本效益制造和应用方案、监管框架和安全标准、农民采用路径和推广支持。未来研究应优先田间尺度验证、长期生态研究和非洲特定应用方案。