納米技術在園林植物蟲害防治中的應用

全球變暖和氣候變化助長了城市綠化植物病蟲害發生的頻率，大量使用合成化學品來控制害蟲間接地助長了全球變暖、生態毒性和農業節肢動物害蟲的殺蟲劑抗性。在過去的幾十年里，氣候變化確實對害蟲的生物多樣性、種群動態、傳播、復蘇和殺蟲劑抗藥性的發展產生了影響。成蟲抗殺蟲劑能力的進化、更高的遷移和分散能力使它們能夠利用多種宿主植物[。長期以來，化學防治一直被認為是控制這些害蟲最有效的工具。自前，人們使用不同的擬除蟲菊酯、有機磷酸酯和新型化學殺蟲劑來控制害蟲種群，但殺蟲劑抗藥性嚴重影響了害蟲防治策略。此外，這些殺蟲劑對生態系統和人類健康的不利影響已經日趨明顯。納米材料因其優異的機械性能（剛度、結晶性）、高比表面積、可控溶解性及環境友好特征（可降解、低生態影響），已成為納米農藥研發的關鍵材料體系。納米技術徹底改變了當今時代的植物病蟲害防治，基于納米材料較小的尺寸和物理形態特性，研究人員開發了納米肥料、納米農藥和納米除草劑，這些產品已經克服了上述問題并提高了作物產量。 Ag/ZnO/TiO₂ 等納米微量元素農藥兼具害蟲防控與作物增產雙重功效，其納米效應既能增強生物活性，又可作為植物營養補充源。人們對納米材料的合成和用作納米農藥存在一些擔憂，但納米結構金屬的物理形態1特征為害蟲防治提供了一種廉價而出色的解決方案。

一、化學農藥的使用及影響

（一）農藥在害蟲防治中的使用

農藥的使用始于19世紀70年代，當時開發了含砷和銅的農藥[。后來，二氯二苯三氯乙酸（DDT）的發現徹底改變了害蟲防治方式，因為它在低濃度下具有廣譜效力，價格低廉，而且據說對環境友好，因此農民對其效果感到驚訝并經常采用它。當時引入了不同的殺蟲劑類別，包括有機氯、氨基甲酸酯、擬除菊酯、氨基甲酸酯和有機磷酸酯，在檢測到DDT對生態系統的負面影響后，農藥配方轉向生產毒性更大的有機磷和擬除蟲菊酯。過度、不加區別地持續使用這些合成殺蟲劑對昆蟲產生了強大的選擇壓力，迫使它們改變基因構成，導致對殺蟲劑產生抗藥性的害蟲比例顯著增加。

研究表明昆蟲對殺蟲劑產生抗藥性的機制很復雜，包括主要昆蟲的生理或行為改變，導致殺蟲劑回避、排泄、隔離、代謝抗性和靶標突變，代謝抗性和靶位突變是殺蟲劑抗性的兩種主要產生途徑。殺蟲劑的生物降解是昆蟲從共同進化的分支進化而來的主要生存武器之一。這種類型的抗性通常是由于負責代謝外源物質的酶的過量產生所致，代謝酶包括三大家族：谷胱甘肽-S-轉移酶、細胞色素P450s單加氧酶和羧酸酯酶，當外源性毒性化合物進入昆蟲體內時，它要么阻斷神經元體鈉通道（有機氯和擬除蟲菊酯類），要么與乙酰膽堿酯酶結合，抑制乙酰膽堿的降解。這兩種神經毒性化合物通過持續激活鈉離子通道，阻斷昆蟲神經元復極化過程，導致神經沖動傳導失效，引發不可逆的麻痹效應并最終致死。上述代謝酶的累積性產生，抑制外源性有毒化合物到達靶位（鈉通道或乙酰膽堿酯酶），酶催化外源化合物轉化為毒性較小的化合物或無毒化合物，這些化合物很容易從昆蟲體內排出。

（二）農藥對生態系統的影響

農藥會對環境產生重大的有害影響，影響土壤、水和大氣。農藥徑流會污染土壤和水資源，導致長期的生態破壞。農藥可以殘留在土壤中，影響土壤微生物，降低生物多樣性，破壞養分循環。水體可能被農藥污染，危害水生生物并破壞生態系統。農藥的漂移和揮發會導致化學物質擴散到大氣中，可能影響空氣質量和非目標生物。案例研究表明，有機氯農藥的使用導致土壤和水污染，并具有長期持久性，對野生動物產生不利影響，殺蟲劑DDT造成了廣泛的生態危害，包括鳥類數量的下降和食物鏈中的生物累積。為了減輕這些有害影響，可持續的農業實踐、綜合害蟲管理策略和開發替代害蟲控制方法至關重要。農藥雖然是有效的害蟲防治工具，但也會給植物帶來不利影響。農藥對植物生長的不利影響可能通過各種機制造成。某些農藥會通過破壞葉綠素合成來抑制光合作用，導致糖分產量減少和生長發育不良。激素平衡被破壞是另一種影響，因為一些除草劑會模仿生長素，導致生長模式異常和植物壓力，廣譜殺蟲劑會直接損害細胞結構，破壞細胞膜、干擾酶并誘發氧化應激。另一個后果是營養吸收受損，農藥會干擾吸收和運輸，導致營養不足、不平衡，以及植物整體健康狀況下降。研究表明，特定殺蟲劑具有顯著的有害影響。例如，新煙堿類殺蟲劑與蜜蜂數量下降有關，損害了它們的行為并減少了授粉；草甘麟是一種常用的除草劑，它會導致養分吸收減少、土壤微生物群落改變，并對植物生長和產量產生負面影響。

二、納米技術在植物蟲害防治中的使用

納米技術已成為一個有前途的領域，在農業和農業生態系統等各個領域都有潛在的應用。納米技術與農業的結合為提高作物產量、資源利用率和環境可持續性提供了機會。納米粒子可用作納米肥料，以增強營養輸送、控制農用化學品的釋放以及向植物定向輸送生物活性化合物，納米材料可以增強養分吸收效率，促進種子發芽和植物生長，提高作物的抗逆性。此外，納米傳感器還可用于實時監測土壤狀況、水質和作物健康狀況，助力精準農業實踐。納米粒子具有納米尺寸（1～100納米）、大表面體積比、可變的物理化學性質、高電導率和熱導率、增強的光發射和改進的表面催化性能等特性，可以不斷提高作物的生產力和可持續性。納米技術有望將傳統農業轉變為精準農業。精準農業基于平衡使用農業投入，并根據情況采取適當的針對性控制措施，在持續監測生態系統成分的情況下改良作物。納米材料在農作物保護中發揮著重要作用，特別是在節肢動物害蟲的管理中，因為它們提供了創新的解決方案，提高了藥效，減少了對環境的影響。納米農藥和納米制劑可控制釋放并增強滲透力，從而提高藥效，納米載體能夠實現殺蟲化合物的靶向遞送，提高精準度并減少脫靶效應，此外，納米材料可以破壞害蟲的關鍵生理過程，如進食和繁殖，從而提供新的作用方式。在農藥制劑生產單位中，基于金屬或聚合物納米制劑的傳統殺蟲劑產量正在增加。綠色合成納米制劑比其他納米顆?；蜣r藥更有益，因為涂層材料的操控會導致活性成分在較長時間內緩慢釋放，并最低限度地減少過量流失。植物生長促進特性、活性成分的穩定性也增加了納米制劑在作物保護領域的需求。此外，含有油或水的納米配方可提高溶解度和對抗不同昆蟲的作用潛力，已經合成了不同的植物包覆納米粒子，并針對農作物的重要害蟲進行了測試。研究結果表明，在各種金屬基納米粒子中，銀納米粒子被研究作為對抗植食性昆蟲和病原體的廣譜活性成分，二氧化硅納米粒子與銀納米粒子的協同作用對葫蘆科植物白粉病的防治有很好的防治作用。多孔納米二氧化硅還可作為井岡霉素的載體，從而實現農藥的控制輸送。銅納米顆粒也被研究作為針對不同真菌和細菌疾病的毒性劑，鋅納米粒子的雙重作用（納米肥料和殺菌活性），已唑醇納米制劑和納米硫對不同的植物病原真菌都有很強的毒性。

銀納米粒子因其在節肢動物害蟲管理中的潛在作用而受到關注。銀納米粒子可以通過各種機制與害蟲相互作用，包括物理和化學作用。銀納米粒子尺寸小，可穿透昆蟲的外骨骼，造成物理損害并干擾重要的生理過程，一旦進入昆蟲體內，銀納米粒子就會對昆蟲的細胞和組織造成結構損傷，銀納米粒子可以與昆蟲細胞的脂質膜相互作用，導致其破壞和細胞內容物的泄漏。研究人員發現，銀納米粒子會對角質層、內部組織和腸道上皮細胞造成損害，導致死亡和生長抑制。銀納米粒子可以破壞細胞膜的通透性，導致離子失衡、氧化應激，最終導致細胞死亡。Amjad等人研究了蚜蟲的氧化應激反應，棉蚜研究人員發現，暴露于銀納米粒子會導致蚜蟲體內活性氧（ROS）水平和脂質過氧化增加。這種氧化應激導致細胞損傷，存活率和繁殖率下降。在另一項研究中，研究人員觀察到，暴露于銀納米粒子會導致ROS生成增加，并破壞抗氧化酶活性，如超氧化物歧化酶（SOD）和過氧化氫酶（CAT）。此外，銀納米粒子還會干擾重要的酶活性，破壞害蟲的激素平衡，影響其生長、繁殖和發育。像果蠅，銀納米粒子導致參與代謝的關鍵酶（AChE和ALP）的活性紊亂。此外，銀納米粒子還影響果蠅的激素平衡，導致其生長、發育和繁殖發生改變。銀納米粒子會破壞蛻皮激素和保幼激素（JH）等關鍵激素的水平。果蠅蛻皮類固醇在調節昆蟲的蛻皮和變態過程中起著至關重要的作用。研究發現，銀納米粒子暴露導致蛻皮類固醇水平降低，影響蛻皮的正常進程，導致昆蟲發育遲緩和生長模式異常。

三、納米顆粒應用的挑戰

納米粒子在促進植物生長發育和減輕生物和非生物脅迫方面表現出了巨大的潛力。然而，它們也具有一些需要考慮的局限性。其中一個局限性是納米粒子對植物和環境都有潛在的毒性。研究表明，某些納米粒子，如CuNPs會對植物產生植物毒性作用。銀納米粒子對各種作物種子發芽和植物生長有不利影響。這些發現強調了需要謹慎使用納米粒子以避免對植物產生潛在毒性。

另一個限制因素是納米顆粒在環境中積累和持久的可能性。納米顆粒可以存在于土壤和水生態系統中，從而產生潛在的長期影響。一項研究證明了 TiO₂NP_S 在土壤中的積累及其對土壤酶活性的潛在影響。同樣，CuNP在環境中的積累可能會對環境產生潛在的毒性作用。這些發現強調了了解納米顆粒在環境中的命運和行為以減輕其潛在不利影響的重要性。此外，基于納米顆粒的技術的成本效益和可擴展性也可能是限制因素。納米顆粒的生產和合成成本可能很高，阻礙了其在農業中的廣泛應用。

四、未來展望

為了進一步推進納米材料在節肢動物害蟲管理領域的應用，需要對不同納米粒子對昆蟲的物理、生理、生理化學和遺傳影響進行全面研究。首先，雖然許多研究已經評估了各種納米粒子的功效，但關于它們對節肢動物害蟲的具體物理影響的知識仍然有限。因此，進行詳細研究以了解納米粒子如何影響昆蟲行為、進食模式、運動和其他物理參數至關重要。通過更深入地了解這些物理效應，可以開發出新穎且更有針對性的害蟲防治方法。

其次，不同納米粒子對節肢動物害蟲功效的作用機制目前尚不明確。雖然納米粒子在害蟲管理方面顯示出良好的前景，但納米粒子與害蟲之間確切的細胞和分子相互作用仍然在很大程度上處于未知狀態。因此，進行徹底的研究以揭示納米粒子與害蟲相互作用的機制方面至關重要。此類研究工作將為納米粒子所針對的特定途徑和生物過程提供寶貴的見解，從而優化和設計更有效的害蟲管理策略。

最后，必須評估與使用納米粒子相關的植物毒性和生態毒性限度。盡管進行了大量實驗來評估納米粒子的功效，但尚未充分考慮其對植物健康和周圍生態系統的潛在不利影響。因此，未來的研究應優先評估每種納米材料的植物毒性和生態毒性限度。通過解決這些未來方向，我們可以進一步了解納米顆粒對節肢動物害蟲的影響，闡明其作用機制，并確定與其使用相關的植物毒性和生態毒性限度。這些努力將有助于開發有效、環保且可持續的基于納米材料的節肢動物害蟲管理策略。

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（作者單位：通遼市住房和城鄉建設局）