纳米"大战"白叶枯,农业生产迎来新契机

1、引言

农业生产中,农药发挥着不可替代的作用。农药可用于防治植物病原体,从而显著提高作物产量,增幅可达30%。然而,传统农药存在使用率低、环境污染严重等问题。据统计,高达90%的农药因喷洒漂移、冲刷流失或光、热、微生物分解而无法有效作用于目标,实际利用率不足0.1%。这种低效利用不仅造成了巨大的经济成本,还会导致农药残留污染空气、水体和土壤,威胁公众健康。因此,提高现有农药的生物利用度对于实现绿色、可持续农业至关重要。

近年来,纳米技术为提高农药利用率、降低环境影响提供了新的解决方案。纳米农药可通过靶向递送等方式显著提高农药的生物利用度和杀菌效果,同时也克服了传统农药对紫外线降解等劣势,能够以更少的用量达到同样的防治效果,大幅降低了经济成本。因此,开发基于纳米技术的智能响应型农药成为当前亟需解决的问题。

白叶枯病是一种危害严重的植物病原真菌,可寄生600多种植物,给农业生产带来巨大损失。而咪鲜胺(Pro)是目前主要用于控制白叶枯病的杀菌剂,但其抗紫外线性能差、难以系统传导等缺点,严重限制了其使用效果和持续时间。聚多巴胺(MPDA)作为一种仿生材料,具有优异的生物相容性和抗紫外性能,有望改善Pro的应用。同时,MPDA纳米颗粒还表现出良好的光热转换性能,可作为理想的光热响应载体。此外,MPDA自身也具有一定的抑菌活性,有助于抑制白叶枯病真菌的生长。因此,将MPDA、Pro以及其他功能物质巧妙结合,构建出一种可响应多种刺激的智能型纳米农药,有望实现对白叶枯病的高效、协同控制。

2、结果与讨论

2.1 多维响应的纳米农药设计

本研究以介孔聚多巴胺(MPDA)为载体,将杀菌剂Pro作为载药物质,并利用苯并咪唑(BIZ)和β-环糊精(β-CD)的主客体络合物作为封盖剂,构建出Pro@MPDA-BIZ@β-CD(简称PMBD)纳米农药。该纳米农药可响应不同环境刺激,实现对白叶枯病的智能、协同控制。

具体地,当植物未受白叶枯病侵染时,MPDA的光热响应可在近红外光照射下触发Pro的释放,预防白叶枯病的感染。而当植物感染白叶枯病后,白叶枯病菌会分泌草酸,造成酸性微环境。此时PMBD能够迅速释放Pro进入菌丝,抑制白叶枯病的生长。同时,MPDA本身在酸性条件下会消耗氢离子,从而降低白叶枯病菌的毒性,与Pro的杀菌效果形成协同增强。另一方面,MBD材料表面富含极性基团,能够与植物叶片上的疏水成分形成氢键,增强纳米制剂的润湿性,减少雨水冲刷导致的农药流失,提高杀菌剂在植物体内的保留时间。

综上所述,该PMBD纳米农药能够根据不同的感染情况,通过多维响应(pH、光热)实现智能、高效的杀菌效果,为发展绿色、可持续的农药提供了新思路。

2.2 性能表征与验证

表征结果显示,合成的MPDA纳米颗粒具有规则的球形形貌,粒径约为150 nm。通过BIZ和β-CD的封装,PMBD平均粒径增大至210 nm,且表面电位由-28.7 mV降至-17.2 mV,说明成功构建了MPDA基纳米农药。XPS和FT-IR结果证实,PMBD中含有Pro、BIZ和β-CD等组分。MPDA材料具有丰富的介孔结构,N₂吸附-脱附曲线表明其比表面积达到310 m²/g,有利于提高Pro的负载量。

进一步测试发现,MPDA具有出色的光热转换性能。在808 nm近红外光照射下,MPDA悬液温度可迅速升至70℃以上,转换效率达40%,明显优于常用的金纳米棒。Pro@MPDA-BIZ@β-CD在不同pH条件和光照条件下的释放实验表明,在酸性环境(pH 5.0)和近红外光照射下,Pro的累积释放量分别是中性环境(pH 7.4)和无光照条件下的2.68倍和2.04倍。TEM表征也观察到,在响应条件下PMBD纳米材料发生形态变化,促进了Pro的释放。

生物安全实验结果表明,PMBD对小麦、白菜等植物的发芽率和根茎长度无明显影响,对土壤细菌也无抑制作用,符合绿色农药的生物相容性要求。

体外抑菌实验证实,PMBD对白叶枯病菌具有显著的抑制作用。平板法实验表明,PMBD在100 mg/L浓度下,可使白叶枯病菌的生长抑制率达90%以上,且对紫外线的抗性也明显优于单一Pro。过滤纸法测试发现,PMBD能够有效阻止白叶枯病菌的菌丝生长。进一步的显微镜观察发现,PMBD处理后白叶枯病菌菌丝出现严重畸形,孢子也受到明显破坏。此外,通过FITC标记的MPDA-BIZ@β-CD观察发现,该纳米制剂能够定位于白叶枯病菌的菌丝内部。

最后,田间试验也证实了PMBD对白菜叶片和番茄果实具有良好的抑菌效果。与对照组相比,PMBD显著减小了白菜叶片和番茄果实上白叶枯病的发病面积,表现出优异的实际应用前景。

3、结论

本研究设计了一种基于多聚多巴胺的智能响应型纳米农药PMBD,能够根据不同的感染情况,通过pH和光热双重刺激实现Pro的可控释放,并与MPDA自身的抑菌活性形成协同效应,显著提高了对白叶枯病的防控效果。同时,PMBD良好的生物相容性和环境兼容性,为其在实际农业生产中的应用奠定了基础。

未来,可进一步探索PMBD在其他作物病害防控中的潜力,并优化其制备工艺,提高Pro的负载量和释放效率,进一步推动其产业化应用。相信基于多维响应的智能型纳米农药,必将为绿色、可持续的农业生产提供有效支撑。

参考文献

Shuhao Lu, Bin Liang, Jianglong Hu, Yanan Liu, Fang Yang, Jie Liu, Multidimensional response of dopamine nano-system for on-demand fungicides delivery: Reduced toxicity and synergistic antibacterial effects, Chemical Engineering Journal, Volume 482, 2024, 148990. https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.148990.