原位双金属银/金纳米复合材料作为防治主要鳞翅目害虫的生物控制剂：特性分析、生物相容性研究及抗菌性能测试

《Inorganic Chemistry Communications》：In situ bimetallic silver@gold nanocomposites as a biocontrol agent against key lepidopteran pests: Characterization, biocompatibility, antimicrobial studies

纳米复合材料基于SALG和CMCH制备，成功在位合成Ag@Au纳米颗粒，兼具高效杀虫和抗菌活性，细胞毒性低（IC50＞1000 μg/mL），半田间持效期达22.55天。

　　

Mohamed S.Hasanin | Nasr M.Abdelmaksoud

化学工业研究所纤维素与造纸系，国家研究中心，开罗Dokki 12622，埃及

摘要

农业产业因鳞翅目害虫（如棉铃虫（Spodoptera littoralis）和秋粘虫（Spodoptera frugiperda）的侵害而遭受重大经济损失，同时病原细菌和真菌也会导致作物疾病和产量损失。本研究使用基于海藻酸钠（SALG）和羧甲基壳聚糖（CMCH）的纳米复合材料，通过不同的比例制备银-金双金属纳米颗粒（Ag@AuNPs）。通过物理化学技术（包括物理化学和形态分析）评估了CMCH作为Ag@AuNPs的包覆剂、还原剂和稳定剂的作用。针对Wi38正常细胞系以及不同类别的细菌和真菌，评估了双金属纳米复合材料（BMNCs）的生物活性。分析结果显示，当CMCH含量为30%时（BMNC-30），纳米颗粒的粒径为104 nm，平均ζ电位为-23.28 ± 3.9 mV，具有优异的相容性。进一步的热稳定性研究也证明了其有效性。形态学观察表明双金属纳米颗粒在纳米复合材料中分布均匀。细胞毒性测试显示，所有制备的BMNCs的IC50值均超过1000 μg/mL；最小抑菌浓度（MIC）为31.25 μg/mL（针对B. subtilis），而对A. niger的MIC最高为250 μg/mL。采用浸叶法评估了BMNCs对S. littoralis和S. frugiperda第四龄幼虫的杀虫效果和持久性。这些纳米制剂对S. littoralis和S. frugiperda具有高毒性，LC50值分别为32.83至120.37 μg/mL和27.32至90.01 μg/mL。在半田间条件下，棉花和玉米叶片上的残留物仍具有活性，S. littoralis的半衰期（Lt50）为16.26天，S. frugiperda为22.55天。

引言

昆虫害虫对农业、林业和人类健康构成严重威胁，它们会破坏作物、传播疾病并扰乱生态系统。在各种害虫中，鳞翅目昆虫尤为严重，它们会攻击植物的所有部分，导致作物产量大幅下降。其幼虫阶段尤其具有破坏性，因为它们具有强大的咀嚼能力，会严重损害叶片，影响光合作用并减少碳水化合物的产生[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。这反过来又会影响植物的整体健康和果实产量。此外，叶片被啃食还会导致间接伤害，如晒伤，而直接取食果实则会造成严重损伤。在蔬菜种植中，作物对果实损害的耐受性通常低于对叶片损害的耐受性。棉铃虫（Spodoptera littoralis）和秋粘虫（Spodoptera frugiperda）是埃及最具危害性的鳞翅目害虫[6]、[7]、[8]。 Spodoptera littoralis是一种极具破坏性且分布广泛的害虫，常见于热带和亚热带地区。它以多种作物为食，对棉花、番茄、茄子、玉米和大豆等经济重要作物造成严重损害。在埃及，已使用超过33种杀虫剂来控制这种害虫，但棉铃虫已对大多数杀虫剂产生了抗性，这凸显了迫切需要更有效、更具针对性的替代方案[9]、[10]。 Spodoptera frugiperda的出现对玉米生产构成威胁，如果未采取适当的控制措施，会显著降低产量，尽管这种害虫对小规模农民的生计至关重要[11]、[12]。它对经济重要的谷物作物构成重大风险，导致广泛损害。这种情况加剧了全球粮食不安全、营养不良和贫困问题，尤其是对那些信息、工具、技术和管理手段有限的小农户[13]。一旦田地受到侵害，他们缺乏资金和管理策略来应对[14]、[15]。在埃及，Spodoptera frugiperda于2016年首次被发现，并于2019年5月出现在一个省份。该害虫是通过信息素陷阱在阿斯旺（Kom Ombo, Edfo）被检测到的（FAO, 2020）[16]、[17]、[18]、[19]。 如果不推广综合害虫管理（IPM），有害农药的使用增加将成为一个严重问题，对人类、动物和水生生物的健康以及环境健康构成威胁[11]、[20]。

随着对可持续和环保的害虫管理策略需求的增加，人们开始研究替代化学农药的方法，因为化学农药往往会对人类健康、非目标生物和环境带来风险[21]、[22]、[23]。除了依赖化学控制外，还可以采用多种替代方法来管理害虫，包括生物控制、农业措施、植物提取物、生物农药和天然元素。这些方法旨在减少或消除对化学农药的依赖，提供更可持续、更环保的解决方案[24]、[25]。

几十年前，商业杀虫剂被用于控制害虫，但这些化学农药会对所有生物造成各种健康问题[26]、[27]。最近，在利用纳米颗粒增强植物保护管理方面取得了显著进展[28]、[29]。因此，本研究旨在减少对化学农药的依赖，并推广使用更安全的替代品，如纳米颗粒进行害虫管理。

复合杀虫-抗菌剂被设计用于同时对抗微生物感染和昆虫害虫[30]。这类多功能制剂在纺织生产、食品保存和农业中越来越受到应用，以替代有毒的合成制剂，提供更环保、更可持续的解决方案[31]。

通常，将纳米颗粒掺入基于纳米复合材料的生物聚合物中是一种安全的控制方法，可以减少其副作用[32]。双金属纳米颗粒由两种金属或金属氧化物组成。银纳米颗粒（AgNPs）和金纳米颗粒（AuNPs）具有协同的杀虫效果。事实上，这种双金属制剂在生物领域有多种应用，尤其是在杀虫剂控制方面[34]。原位合成方法是一种绿色、经济高效的纳米颗粒制备途径[35]。Ahmed等人（2019）[36]报道了使用物理方法原位合成双金属Ag@AuNPs的方法。此外，Jiang等人（2020）[37]报道了使用大肠杆菌进行生物方法原位合成Ag@NPs的方法，其他研究则利用植物提取物[38]和生物流体[39]等绿色化学方法进行原位合成。

海藻酸钠（SALG）是一种从褐藻中提取的多糖，可食用且溶于水[40]。羧甲基壳聚糖（CMCH）是壳聚糖的改性形式，也溶于水，具有很高的安全性，适用于各种生物医学应用[41]。CMCH通过正电荷（-NH3+）和负电荷（-COO-）基团以及其长链聚合物发挥包覆和还原作用，表现出优异的稳定效果[42]。在本研究中，双金属纳米颗粒被原位制备成基于SALG和CMCH的纳米复合材料平台，用作可持续、有效的杀虫剂。通过物理化学和形态分析对不同CMCH比例的纳米复合材料进行了表征。本研究旨在制备基于海藻酸钠和羧甲基壳聚糖生物聚合物基质的环保型双金属银-金纳米复合材料（Ag@Au），并测试其作为双重作用生物控制剂的潜力，包括对其主要害虫（S. littoralis和S. frugiperda）的杀虫效果及其抗菌效果，同时确保不对非目标生物产生过度毒性。

材料与方法

CMC壳聚糖来自德国Heppe Medical chitosan GmbH，Hienrich；海藻酸钠来自德国Darmstadt的PanReac Applichem；硝酸银和三氯化金（III）来自美国Louis的Sigma Aldrich Co。微生物和细胞培养基购自印度的Loba Chem。

细胞毒性检测

使用来自美国类型培养收集中心（ATCC）的Wi38（人胚肺成纤维细胞）细胞系评估细胞毒性和生长抑制作用。按照ISO 1993-5的要求，通过MTT活力测定法评估了PPW提取物和药物载体系统的细胞毒性和生长抑制效果。遵循我们之前工作中的程序[37]，使用了0（空白）浓度及连续稀释（10倍）的实验浓度。

结果与讨论

通过使用生物聚合物作为原位包覆剂、稳定剂和还原剂，成功制备了三种不同CMCH比例的双金属纳米复合材料（BMNCs）并合成了Ag@Au NPs。

结论

本研究成功实现了在生物聚合物中合成和表征原位双金属A@Au纳米颗粒（BMNCs）。确实，开发了一种新的双金属纳米颗粒原位制备方法，可将其用作杀虫剂的生物控制剂。生物聚合物作为纳米颗粒的包覆剂、稳定剂和还原剂，从而减少了其体积。CMCH在包覆和稳定过程中发挥了关键作用。

作者贡献声明

Mohamed S.Hasanin：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、数据分析、概念构思。 Nasr M.Abdelmaksoud：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据分析、概念构思。

出版同意

不适用。

伦理批准和参与同意

不适用。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的研究。

Mohamed S.Hasanin是埃及开罗国家研究中心化学工业研究所纤维素与造纸系的生物技术助理教授，目前的研究兴趣包括农业和工业废物的微生物生物降解、纳米尺度上的大分子行为（特别是在恶劣环境条件下），以及用于生产纤维素和多糖、生物纳米材料、纳米医学、药物载体和生物纳米技术的应用。