纳米载体(SPc)由内部的疏水部分和外部的亲水部分组成,其亲水外壳可提高所载药物的水溶性和水分散稳定性,同时外围带正电的叔胺基团可以与带负电荷的核酸或者药剂进行自组装,其支链上带有羰基和氨基等基团产生大量氢键,促进纳米载体与部分药剂的结合[32]。
在本研究中,发现呋虫胺可以在水溶液中与SPc自发结合,形成呋虫胺/SPc复合体,其紫外吸收光谱如图2-1所示:

图 2-1 不同浓度呋虫胺的紫外吸收光谱及其标准曲线和SPc负载呋虫胺的紫外吸收光谱
如图2-1所示,呋虫胺的紫外吸收特征峰在251 nm波长处,以251 nm的吸收值与对应的呋虫胺浓度制作标准曲线为:y=0.028x,R2=1。通过透析出未负载上的呋虫胺,计算得出SPc负载呋虫胺的载药率(PLC)为17.41%,较三井化学公司的商业化呋虫胺制剂20%有效成分稍低。
如表2-2和图2-2所示,SPc打破了呋虫胺原有的团粒结构,使呋虫胺的粒径减小。纳米载体与SPc质量比为1:1时,呋虫胺的粒径从269.28 nm减小到29.43 nm,随着SPc比例的增加,呋虫胺/SPc复合体的粒径进一步减小,但无显著差异。因此,只需少量SPc在质量比1:1的条件下,便足以将呋虫胺粒径减小9倍至几十纳米,这一结果可以减少SPc在实际生产中的应用量。
表2-2呋虫胺及不同质量比的呋虫胺/SPc复合体的粒径
Formulation | Mass ratio | Sample | Size (nm) | Average size (nm) |
Dinotefuran | - | 1 | 340.07 | 269.28±61.60 a |
2 | 227.87 | |||
3 | 239.89 | |||
Dinotefuran/SPc complex | 1:1 | 1 | 29.81 | 29.43±0.91 b |
2 | 30.09 | |||
3 | 28.39 | |||
1:2 | 1 | 28.53 | 24.33±6.39 b | |
2 | 16.98 | |||
3 | 27.49 | |||
1:3 | 1 | 24.37 | 22.25±3.22 b | |
2 | 23.84 | |||
3 | 18.54 | |||
F3,8=46.434, P<0.001 | ||||
表注:表中不同字母表示存在显著差异 (独立样本 t 检验,P<0.05)
自聚集的呋虫胺粒子大部分由接近球形的颗粒组成,呋虫胺/SPc复合体粒子仍呈近球形,但粒径显著减小(图2-2)。

图 2-2 呋虫胺及其复合体形貌的透射电镜图片与粒径分布
通过等温滴定定量(ITC)法分析SPc与呋虫胺的结合特性(图2-3B),较高的结合常数Ka (M−1)和较低的解离常数Kd (M)表明SPc与呋虫胺之间的结合反应存在较强的相互作用。吉布斯自由能ΔG为−33.38 kJ/mol,表明SPc能与呋虫胺自发结合。ΔH为−92.94 kJ/mol,ΔS为−199.77 J/mol·K,说明SPc与呋虫胺的相互作用主要通过氢键和范德华力,根据SPc与呋虫胺的化学结构,本研究中预测氢键的位置如图2-3所示。本研究与以往研究结果类似,SPc可以与化学或植物源农药如噻虫嗪、苦参碱、蛇床子素和壳聚糖等通过各种相互作用结合,改善其物理化学性能[4, 5, 30, 31]。SPc通过氢键、静电或者疏水作用等多种互作机制与多种类型的药剂相互作用,使SPc成为一种具有良好应用前景的通用型农药纳米助剂。

图 2-3 等温滴定量热法测定呋虫胺与SPc的相互作用
叶片表皮外壁有角质化膜、蜡质鞘和毛状体,表现出较强的疏水特性,导致农药漂移,污染环境。药剂溶液与叶片表面的接触角可以反映二者的亲合力。纳米药剂增强与植物叶片的黏附能力是避免药剂漂移、提高药剂利用率的重要途径[15, 67, 68]。如图2-4所示,呋虫胺与叶片表面的接触角为53.4°,而呋虫胺/SPc复合体的接触角则减小至27.9°。在SPc的作用下,呋虫胺的叶面接触角显著减小。

图 2-4呋虫胺及其复合体液滴与叶片之间的接触角
Santos等人[69]评价了Bt生物杀虫剂的理化参数、接触角和表面张力,发现矿物油和表面活性剂的加入降低了液滴的接触角和表面张力,导致液滴在叶片上的延展性更好。设计并合成了药剂负载的“帽子”型Janus载体(HJCs),在“衣架-帽子”拓扑效应的驱动下,将负载药剂的Janus载体嵌入叶片上的微乳头和微小碎片中,从而提高了药剂在叶片上的附着能力。在本研究中,通过SPc介导的呋虫胺接触角明显减小,揭示了呋虫胺/SPc复合体更容易在植物叶片上展布。同时SPc具有亲水性和疏水性,可以降低呋虫胺/SPc复合体液滴的表面张力,与叶片的黏附性更强,促进药剂吸收,同时减少药剂漂移造成的环境污染。
如图2-5所示,呋虫胺经LC-MS /MS检测后得到标准曲线y = 3×106x,R2=0.9996。

图 2-5呋虫胺LC-MS/MS标准曲线
经呋虫胺处理后6 h和12 h,油菜中呋虫胺含量分别为15.0和19.2 mg/kg,在SPc的介导下,油菜中呋虫胺含量分别增加至21.7和29.4 mg/kg(图2-6)。

图 2-6植物对呋虫胺及其复合体的内吸作用
呋虫胺/SPc复合体粒径较小,接触角较小。通过SPc的递送,呋虫胺植物内吸活性显著提高了1.45-1.53倍。该结果与之前的研究类似,SPc能使植物对噻虫嗪和蛇床子素的吸收分别提高1.69-1.84倍和1.28倍左右[4, 70]。杀虫剂的植物内吸性与其化学和物理特性存在内在联系,杀虫剂在植物导管内系统转运的能力与其内吸杀虫活性相关[71, 72]。纳米药剂的植物吸收、生物积累和叶面持留性能在帮助药剂发挥其生物活性方面具有重要作用[67, 73, 74]。
本研究通过植物根部施加药物,检测呋虫胺/SPc复合体对烟蚜的生物活性。如图2-7所示,清水对照组在48 h内未观察到烟蚜死亡,SPc (100 mg/L)处理48 h的蚜虫校正死亡率为0.8%。在处理后48 h,呋虫胺/SPc复合体(100 mg/L)处理的校正死亡率达到87.0%,而呋虫胺处理的校正死亡率仅为68.6%,呋虫胺/SPc复合体对蚜虫的校正死亡率分别提高了26.8% (100 mg/L)、27.9% (50 mg/L)和24.2% (25 mg/L)。在100 mg/L的浓度下,商业化呋虫胺的校正死亡率高于呋虫胺/SPc复合体。呋虫胺生物活性改善的原因可能是纳米载体使药剂纳米化,增加药剂与靶标的接触表面积,从而提高药剂活性。此外,纳米递送系统可以促进呋虫胺的植物吸收,植物对杀虫剂的吸收和生物积累与其生物活性也密切相关。例如,利用SPc递送噻虫嗪,增强了其植物内吸活性,提升了其对蚜虫的胃毒性[30]。与之前的研究类似,Kumar等人[75]构建了一种纳米级氯氰菊酯,与常规氯氰菊酯相比,它对埃及伊蚊的毒性更高。

图 2-7根吸法测定呋虫胺及其复合体对烟蚜的毒力
农药残留与食品和环境安全息息相关。本研究发现在SPc的介导下,12 h内植物对呋虫胺的内吸活性显著提高,这会不会带来更多的农药残留是值得重视的问题。值得注意的是,本研究测定了处理后3 d、5 d和7 d的呋虫胺残留,残留分别下降了1.21、1.37和2.30倍,在3 d至7 d内,呋虫胺处理后其残留几乎没有下降,降解率小于1%。而在呋虫胺/SPc复合体处理后5 d和7 d,呋虫胺降解率分别达到11.7%和40.5%,如图2-8所示:

图 2-8呋虫胺及其复合体处理后的呋虫胺残留
结果表明,SPc显著加速了呋虫胺的降解。原因可能是纳米级的复合体在植物中更容易被生物降解。据报道,美国、加拿大、日本和中国在水生环境中广泛残留呋虫胺,使呋虫胺成为全球环境污染物[76, 77]。SPc有利于控制呋虫胺残留,减轻其对环境的不良影响,具有良好的应用前景。
在自然条件下,呋虫胺被认为是一种对作物、人、动物都安全的新烟碱类杀虫剂[53],但在SPc的介导下是否会给植物带来药害是一个不可避免的问题。药害的症状通常在施药后1-5 d发生,受损的植株一般可在10-15 d内恢复。在呋虫胺/SPc复合体处理油菜后7 d,测定了油菜的鲜重、株高、叶长和叶宽等农艺性状。

图 2-9呋虫胺及其复合体处理油菜7 d后的农艺性状影响
如图2-9所示,在呋虫胺/SPc复合体处理后没有观察到SPc介导的呋虫胺对植株有任何化学损伤,植物生长状态正常,呋虫胺/SPc复合体与呋虫胺处理无显著差异,说明SPc在可持续农业中的安全性。
6、呋虫胺/纳米载体复合体对非靶标瓢虫的影响
本研究以瓢虫卵和幼虫为实验对象,测试了呋虫胺/SPc复合体对非靶标昆虫可能潜在的负面影响。如图2-10所示,在100 mg/L浓度下,呋虫胺和呋虫胺/SPc复合体对瓢虫孵化率均无显著影响。当浓度增加到200 mg/L时,呋虫胺处理的瓢虫孵化率与呋虫胺/SPc复合体处理的瓢虫孵化率无显著差异。对照和SPc处理1龄幼虫几乎无死亡现象,而呋虫胺/SPc复合体对1龄幼虫的毒力在处理2 d后显著增强。SPc显现出增强广谱的生物活性,在SPc的介导下对靶标害虫和非靶标天敌昆虫的毒性都有所提高。

图2-10呋虫胺及其复合体对瓢虫卵和幼虫的影响
瓢虫被广泛用作控制蚜虫的捕食者,以前的研究表明,呋虫胺残留物可以影响捕食瓢虫的性能[78, 79]。例如,呋虫胺对瓢虫的危害中等,处理后24小时死亡率为30.67%[80]。因此,在释放瓢虫的同时,应减少呋虫胺/SPc复合体的施用量,以避免呋虫胺生物活性提高带来的负面影响。此外,由于呋虫胺/SPc复合体对瓢虫卵的毒性可以忽略不计,所以可以在瓢虫卵释放时喷洒该复合体,实现协同防治。
本研究基于一种可以通过氢键和范德华力与呋虫胺结合的星形阳离子聚合物构建了一种高效的药剂递送系统(图2-11)。在SPc的介导下呋虫胺自身团粒结构被打破形成了近球形的呋虫胺/SPc复合体颗粒,颗粒大小达到几十纳米级。复合体较呋虫胺的接触角减小,更易于在植物叶片上分布和扩散。同时,在SPc的介导下显著增强了呋虫胺的植物内吸活性。呋虫胺/SPc复合体对烟蚜的毒性显著提高。在SPc的作用下,减小药剂粒径到纳米级,增加药剂扩散性、渗透性、传导性等,促进药效提高。同时,通过减小农药粒径,增大接触面积,有利于增强农药液滴在作物叶面和有害生物表面的亲和力,进而减少农药流失,减少药剂使用。
更值得注意的是,在SPc的介导下,由于纳米级复合体降解较快,呋虫胺在植物体内的残留显著降低。此外,呋虫胺/SPc复合体对油菜的农艺性状无负面影响,但对瓢虫幼虫有轻微的影响。
综上,SPc有望成为提高药剂生物活性、降低药剂残留的通用助剂,提升药剂利用率,在可持续农业中具有巨大潜力。
四川盐源苹果科技小院
培养单位:中国农业大学
联合培养单位:盐源县沁园苹果种植专业合作社
版权所有 全国农业专业学位研究生教育指导委员会 版权所有 Copyright © All Rights Resserved 京ICP备 05004632号-3
纳米载体(SPc)由内部的疏水部分和外部的亲水部分组成,其亲水外壳可提高所载药物的水溶性和水分散稳定性,同时外围带正电的叔胺基团可以与带负电荷的核酸或者药剂进行自组装,其支链上带有羰基和氨基等基团产生大量氢键,促进纳米载体与部分药剂的结合[32]。
在本研究中,发现呋虫胺可以在水溶液中与SPc自发结合,形成呋虫胺/SPc复合体,其紫外吸收光谱如图2-1所示:

图 2-1 不同浓度呋虫胺的紫外吸收光谱及其标准曲线和SPc负载呋虫胺的紫外吸收光谱
如图2-1所示,呋虫胺的紫外吸收特征峰在251 nm波长处,以251 nm的吸收值与对应的呋虫胺浓度制作标准曲线为:y=0.028x,R2=1。通过透析出未负载上的呋虫胺,计算得出SPc负载呋虫胺的载药率(PLC)为17.41%,较三井化学公司的商业化呋虫胺制剂20%有效成分稍低。
如表2-2和图2-2所示,SPc打破了呋虫胺原有的团粒结构,使呋虫胺的粒径减小。纳米载体与SPc质量比为1:1时,呋虫胺的粒径从269.28 nm减小到29.43 nm,随着SPc比例的增加,呋虫胺/SPc复合体的粒径进一步减小,但无显著差异。因此,只需少量SPc在质量比1:1的条件下,便足以将呋虫胺粒径减小9倍至几十纳米,这一结果可以减少SPc在实际生产中的应用量。
表2-2呋虫胺及不同质量比的呋虫胺/SPc复合体的粒径
Formulation | Mass ratio | Sample | Size (nm) | Average size (nm) |
Dinotefuran | - | 1 | 340.07 | 269.28±61.60 a |
2 | 227.87 | |||
3 | 239.89 | |||
Dinotefuran/SPc complex | 1:1 | 1 | 29.81 | 29.43±0.91 b |
2 | 30.09 | |||
3 | 28.39 | |||
1:2 | 1 | 28.53 | 24.33±6.39 b | |
2 | 16.98 | |||
3 | 27.49 | |||
1:3 | 1 | 24.37 | 22.25±3.22 b | |
2 | 23.84 | |||
3 | 18.54 | |||
F3,8=46.434, P<0.001 | ||||
表注:表中不同字母表示存在显著差异 (独立样本 t 检验,P<0.05)
自聚集的呋虫胺粒子大部分由接近球形的颗粒组成,呋虫胺/SPc复合体粒子仍呈近球形,但粒径显著减小(图2-2)。

图 2-2 呋虫胺及其复合体形貌的透射电镜图片与粒径分布
通过等温滴定定量(ITC)法分析SPc与呋虫胺的结合特性(图2-3B),较高的结合常数Ka (M−1)和较低的解离常数Kd (M)表明SPc与呋虫胺之间的结合反应存在较强的相互作用。吉布斯自由能ΔG为−33.38 kJ/mol,表明SPc能与呋虫胺自发结合。ΔH为−92.94 kJ/mol,ΔS为−199.77 J/mol·K,说明SPc与呋虫胺的相互作用主要通过氢键和范德华力,根据SPc与呋虫胺的化学结构,本研究中预测氢键的位置如图2-3所示。本研究与以往研究结果类似,SPc可以与化学或植物源农药如噻虫嗪、苦参碱、蛇床子素和壳聚糖等通过各种相互作用结合,改善其物理化学性能[4, 5, 30, 31]。SPc通过氢键、静电或者疏水作用等多种互作机制与多种类型的药剂相互作用,使SPc成为一种具有良好应用前景的通用型农药纳米助剂。

图 2-3 等温滴定量热法测定呋虫胺与SPc的相互作用
叶片表皮外壁有角质化膜、蜡质鞘和毛状体,表现出较强的疏水特性,导致农药漂移,污染环境。药剂溶液与叶片表面的接触角可以反映二者的亲合力。纳米药剂增强与植物叶片的黏附能力是避免药剂漂移、提高药剂利用率的重要途径[15, 67, 68]。如图2-4所示,呋虫胺与叶片表面的接触角为53.4°,而呋虫胺/SPc复合体的接触角则减小至27.9°。在SPc的作用下,呋虫胺的叶面接触角显著减小。

图 2-4呋虫胺及其复合体液滴与叶片之间的接触角
Santos等人[69]评价了Bt生物杀虫剂的理化参数、接触角和表面张力,发现矿物油和表面活性剂的加入降低了液滴的接触角和表面张力,导致液滴在叶片上的延展性更好。设计并合成了药剂负载的“帽子”型Janus载体(HJCs),在“衣架-帽子”拓扑效应的驱动下,将负载药剂的Janus载体嵌入叶片上的微乳头和微小碎片中,从而提高了药剂在叶片上的附着能力。在本研究中,通过SPc介导的呋虫胺接触角明显减小,揭示了呋虫胺/SPc复合体更容易在植物叶片上展布。同时SPc具有亲水性和疏水性,可以降低呋虫胺/SPc复合体液滴的表面张力,与叶片的黏附性更强,促进药剂吸收,同时减少药剂漂移造成的环境污染。
如图2-5所示,呋虫胺经LC-MS /MS检测后得到标准曲线y = 3×106x,R2=0.9996。

图 2-5呋虫胺LC-MS/MS标准曲线
经呋虫胺处理后6 h和12 h,油菜中呋虫胺含量分别为15.0和19.2 mg/kg,在SPc的介导下,油菜中呋虫胺含量分别增加至21.7和29.4 mg/kg(图2-6)。

图 2-6植物对呋虫胺及其复合体的内吸作用
呋虫胺/SPc复合体粒径较小,接触角较小。通过SPc的递送,呋虫胺植物内吸活性显著提高了1.45-1.53倍。该结果与之前的研究类似,SPc能使植物对噻虫嗪和蛇床子素的吸收分别提高1.69-1.84倍和1.28倍左右[4, 70]。杀虫剂的植物内吸性与其化学和物理特性存在内在联系,杀虫剂在植物导管内系统转运的能力与其内吸杀虫活性相关[71, 72]。纳米药剂的植物吸收、生物积累和叶面持留性能在帮助药剂发挥其生物活性方面具有重要作用[67, 73, 74]。
本研究通过植物根部施加药物,检测呋虫胺/SPc复合体对烟蚜的生物活性。如图2-7所示,清水对照组在48 h内未观察到烟蚜死亡,SPc (100 mg/L)处理48 h的蚜虫校正死亡率为0.8%。在处理后48 h,呋虫胺/SPc复合体(100 mg/L)处理的校正死亡率达到87.0%,而呋虫胺处理的校正死亡率仅为68.6%,呋虫胺/SPc复合体对蚜虫的校正死亡率分别提高了26.8% (100 mg/L)、27.9% (50 mg/L)和24.2% (25 mg/L)。在100 mg/L的浓度下,商业化呋虫胺的校正死亡率高于呋虫胺/SPc复合体。呋虫胺生物活性改善的原因可能是纳米载体使药剂纳米化,增加药剂与靶标的接触表面积,从而提高药剂活性。此外,纳米递送系统可以促进呋虫胺的植物吸收,植物对杀虫剂的吸收和生物积累与其生物活性也密切相关。例如,利用SPc递送噻虫嗪,增强了其植物内吸活性,提升了其对蚜虫的胃毒性[30]。与之前的研究类似,Kumar等人[75]构建了一种纳米级氯氰菊酯,与常规氯氰菊酯相比,它对埃及伊蚊的毒性更高。

图 2-7根吸法测定呋虫胺及其复合体对烟蚜的毒力
农药残留与食品和环境安全息息相关。本研究发现在SPc的介导下,12 h内植物对呋虫胺的内吸活性显著提高,这会不会带来更多的农药残留是值得重视的问题。值得注意的是,本研究测定了处理后3 d、5 d和7 d的呋虫胺残留,残留分别下降了1.21、1.37和2.30倍,在3 d至7 d内,呋虫胺处理后其残留几乎没有下降,降解率小于1%。而在呋虫胺/SPc复合体处理后5 d和7 d,呋虫胺降解率分别达到11.7%和40.5%,如图2-8所示:

图 2-8呋虫胺及其复合体处理后的呋虫胺残留
结果表明,SPc显著加速了呋虫胺的降解。原因可能是纳米级的复合体在植物中更容易被生物降解。据报道,美国、加拿大、日本和中国在水生环境中广泛残留呋虫胺,使呋虫胺成为全球环境污染物[76, 77]。SPc有利于控制呋虫胺残留,减轻其对环境的不良影响,具有良好的应用前景。
在自然条件下,呋虫胺被认为是一种对作物、人、动物都安全的新烟碱类杀虫剂[53],但在SPc的介导下是否会给植物带来药害是一个不可避免的问题。药害的症状通常在施药后1-5 d发生,受损的植株一般可在10-15 d内恢复。在呋虫胺/SPc复合体处理油菜后7 d,测定了油菜的鲜重、株高、叶长和叶宽等农艺性状。

图 2-9呋虫胺及其复合体处理油菜7 d后的农艺性状影响
如图2-9所示,在呋虫胺/SPc复合体处理后没有观察到SPc介导的呋虫胺对植株有任何化学损伤,植物生长状态正常,呋虫胺/SPc复合体与呋虫胺处理无显著差异,说明SPc在可持续农业中的安全性。
6、呋虫胺/纳米载体复合体对非靶标瓢虫的影响
本研究以瓢虫卵和幼虫为实验对象,测试了呋虫胺/SPc复合体对非靶标昆虫可能潜在的负面影响。如图2-10所示,在100 mg/L浓度下,呋虫胺和呋虫胺/SPc复合体对瓢虫孵化率均无显著影响。当浓度增加到200 mg/L时,呋虫胺处理的瓢虫孵化率与呋虫胺/SPc复合体处理的瓢虫孵化率无显著差异。对照和SPc处理1龄幼虫几乎无死亡现象,而呋虫胺/SPc复合体对1龄幼虫的毒力在处理2 d后显著增强。SPc显现出增强广谱的生物活性,在SPc的介导下对靶标害虫和非靶标天敌昆虫的毒性都有所提高。

图2-10呋虫胺及其复合体对瓢虫卵和幼虫的影响
瓢虫被广泛用作控制蚜虫的捕食者,以前的研究表明,呋虫胺残留物可以影响捕食瓢虫的性能[78, 79]。例如,呋虫胺对瓢虫的危害中等,处理后24小时死亡率为30.67%[80]。因此,在释放瓢虫的同时,应减少呋虫胺/SPc复合体的施用量,以避免呋虫胺生物活性提高带来的负面影响。此外,由于呋虫胺/SPc复合体对瓢虫卵的毒性可以忽略不计,所以可以在瓢虫卵释放时喷洒该复合体,实现协同防治。
本研究基于一种可以通过氢键和范德华力与呋虫胺结合的星形阳离子聚合物构建了一种高效的药剂递送系统(图2-11)。在SPc的介导下呋虫胺自身团粒结构被打破形成了近球形的呋虫胺/SPc复合体颗粒,颗粒大小达到几十纳米级。复合体较呋虫胺的接触角减小,更易于在植物叶片上分布和扩散。同时,在SPc的介导下显著增强了呋虫胺的植物内吸活性。呋虫胺/SPc复合体对烟蚜的毒性显著提高。在SPc的作用下,减小药剂粒径到纳米级,增加药剂扩散性、渗透性、传导性等,促进药效提高。同时,通过减小农药粒径,增大接触面积,有利于增强农药液滴在作物叶面和有害生物表面的亲和力,进而减少农药流失,减少药剂使用。
更值得注意的是,在SPc的介导下,由于纳米级复合体降解较快,呋虫胺在植物体内的残留显著降低。此外,呋虫胺/SPc复合体对油菜的农艺性状无负面影响,但对瓢虫幼虫有轻微的影响。
综上,SPc有望成为提高药剂生物活性、降低药剂残留的通用助剂,提升药剂利用率,在可持续农业中具有巨大潜力。
版权所有 全国农业专业学位研究生教育指导委员会
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