植物来源纳米脂质体中界面改性与缓释特性的协同作用：提升农药效果并减少用量

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Synergy of interfacial modification and sustained release in plant-derived nanoliposomes for enhanced pesticide efficacy and dose reduction

　　赵中祥|江锡鹏|杨梅玲|杨娟|马书杰|董丽丽|索凤月|董京高|张丽辉
河北农业大学植物保护学院/华北作物改良与调控国家重点实验室/河北省农作物病虫害生物防治技术创新中心，保定市，071000，中国

摘要
植物源纳米助剂为减少对化学杀虫剂的依赖提供了一种环保的解决方案。在本研究中，利用椰子油的主要成分月桂酸（LA）和双丙酮醇（DA）通过薄膜分散-超声法结合Box-Behnken响应面优化设计成功制备了一种新型月桂酸-双丙酮醇纳米脂质体（LA-DA NLs）系统。该系统表现出优异的单分散性（粒径：191.2 ± 0.31 nm；多分散指数，PDI：0.317 ± 0.09）、稳定性（Zeta电位：-30.9 ± 0.17 mV）以及（79.65 ± 0.48%）的包封效率。在0.5%的临界胶束浓度（CMC）下，LA-DA NLs显著提升了Cyfluthrin 5%微乳液（Cyfluthrin 5% ME）的界面性能：表面张力降低了35.2%（降至38.06 mN/m），接触角降低了11.8%（降至84.79°），润湿时间缩短了59.8%（降至7.77 s）。生物测定显示，LA-DA NLs将Cyfluthrin对O. furnacalis的半数致死浓度（LC50）降低了55.4%（从0.121 g/L降至0.054 g/L）。即使农药用量减少30%（从0.3 L/hm2降至0.21 L/hm2），其杀虫活性仍得以保持。机制研究表明，LA通过疏水相互作用嵌入脂质双层，而DA通过氢键促进界面锚定，共同增强了渗透性和持续释放（24小时时达到71.48%）。该制剂还具有良好的储存稳定性和环境安全性，对非目标生物的毒性极低。这项工作为环保助剂的开发提供了实用策略，支持可持续的农作物保护和农药使用量的减少。

引言
O. furnacalis是最具破坏性的害虫之一，能够损害许多经济上重要的工业和农作物[1]。作为鳞翅目（夜蛾科）的成员，O. furnacalis在玉米生长期间会造成严重的损害，可能使产量减少超过30%。这种害虫在整个作物生长周期都构成威胁：新孵化的幼虫在早期营养阶段取食叶片，随后侵染出苗前的穗部，最终钻入茎秆、花丝和穗中。进一步的研究表明，O. furnacalis通过穗部和茎秆的损害导致更大的产量损失，其中穗部的侵害尤为严重。目前，化学农药仍然是控制O. furnacalis的主要方法。然而，长期依赖单一作用机制的杀虫剂不仅导致害虫抗性显著增强[2]，还加剧了环境问题，包括水体生态系统中的农药残留和对农作物的药害。因此，开发安全且高效的“绿色”农药助剂已成为农业生产的紧迫任务。植物源油类助剂由于其选择性作用、高特异性、低毒性和减少抗性发展的能力以及优秀的环境兼容性，成为环保农药配方中的有希望的候选者[3][4]。
椰子油（CO）从Cocos nucifera L.（棕榈科）中提取，是热带地区的主要木质油作物和食品能源来源，常被称为“生命之树”[5]。先前的研究主要关注其药理特性，包括抗菌、抗病毒、抗氧化和降血脂作用。气相色谱-质谱（GC-MS）分析确定月桂酸（LA）和双丙酮醇（DA）是CO的两大成分[6]。DA常用于药品防腐剂和防冻剂，而LA则作为一种有效的食品乳化剂，还具有破坏某些细菌和病毒功能的能力[7]。在寻找天然杀虫助剂的过程中，我们观察到LA和DA在增强对O. furnacalis的杀虫效果方面表现出显著的协同作用。然而，由于LA的水溶性差和温度敏感性导致生物利用度低，以及DA的挥发性，在储存和应用过程中逐渐蒸发，从而缩短了活性成分的半衰期，这限制了它们作为植物源杀虫助剂的实际应用。为了解决这些问题，提出将它们封装在脂质体等纳米载体中的方法，以提高稳定性和递送效率。
纳米技术已成功应用于医学、化学工程、食品科学和农业等多个领域[8]。在农业领域，纳米农药助剂的开发和应用越来越受到重视。各种纳米材料如纳米颗粒、聚合物和胶体被广泛使用[9][10]。许多系统地记录了这些材料在纳米农药助剂中的应用。例如，杜向格的研究团队评估了Harmonia axyridis的纳米载体的生物安全性，并通过整合天然捕食者和纳米配方农药建立了一种新的啶虫脒协同管理方法[11]。纳米脂质体具有亲水性和疏水性结构，能够共封装水溶性和脂溶性活性成分[12]。其仿生膜结构进一步赋予了出色的生物相容性、生物降解性和可忽略的生物毒性。崔波的团队最近开发了一种温控脂质体纳米囊泡系统，用于同时递送苯氧威和尼丁吡胺，提出了一种创新的协同害虫控制策略[13]。值得注意的是，将荔枝果皮中提取的原花青素封装在脂质体内显著增强了它们的稳定性和抗氧化活性[14]。此外，据报道，装载了三磷酸腺苷（ATP）的脂质体可以减轻双孢蘑菇的采后品质下降[15]。由于大豆卵磷脂和胆固醇的安全性和商业可用性，它们成为工业规模生产脂质体的理想 lipid 载体[16]。
大豆卵磷脂和Tween 80的结合使用已成为提高脂质体在药物配方中稳定性和药物递送性能的关键策略。最近的研究表明，使用大豆卵磷脂和Tween 80制备的脂质体是有效的农用化学品递送载体，显著延长了农药的释放曲线，从而减少了环境影响[17]。基于大豆卵磷脂和Tween 80的脂质体系统在提高生物活性化合物的稳定性、溶解性和生物利用度方面表现出显著效果[18]。进一步的研究表明，适当的Tween 80添加量可以有效防止脂质体聚集和沉淀，极大地增强了它们在农业和制药应用中的潜力[19]。
选择水化介质在确定纳米脂质体在药物配方中的稳定性、药物包封率和生物相容性方面起着关键作用。磷酸盐缓冲盐水（PBS）因其出色的缓冲能力和稳定性而在脂质体药物递送系统中得到广泛应用。大量证据表明，PBS能有效减少纳米颗粒的聚集和沉淀，从而提高生物环境中的分散稳定性——这是成功药物递送的关键因素[20]。此外，PBS的pH缓冲能力可防止制备和储存过程中由于pH波动引起的结构降解，确保脂质体的完整性和功能[21]。作为水化介质，PBS在保护脂质体载体内封装的生物活性分子方面表现出显著的能力，显著延长了蛋白质和酶基治疗剂的活性持续时间[22]。
重要的是，PBS的中等离子强度减少了与脂质双层的非特异性相互作用，从而优化了纳米脂质体的生物相容性[23]。这些综合特性使PBS成为优化脂质体配方中药物递送性能的首选介质，特别是对于需要精确控制纳米颗粒特性和生物相互作用的治疗应用。
尽管对单个植物源成分和传统农药助剂进行了大量研究，但关于将LA和DA共封装在纳米脂质体内以提高Cyfluthrin对O. furnacalis效果的研究仍然很少。为了解决LA水溶性差和DA挥发性等实际应用中的限制，本研究开发了一种稳定、高效且环保的LA-DA NLs递送系统。首次使用大豆卵磷脂、胆固醇和Tween 80作为载体材料制备了共负载的LA-DA纳米脂质体。这种纳米包封策略不仅有效克服了LA和DA的物理化学缺陷，还显著提高了Cyfluthrin对O. furnacalis的控制效果，从而实现了农药用量的减少。这项研究丰富了植物源绿色农药助剂的设计理论，为减少化学农药使用、提高害虫控制效率和减轻环境风险提供了新的方法。通过结合绿色化学原理和纳米技术，这项工作建立了一种新型的植物基纳米助剂系统，具有重要的科学意义和应用价值，有助于推进可持续的害虫管理。

材料与化学试剂
月桂酸（LA）购自上海比德制药技术有限公司。双丙酮醇（DA）从上海麦克林生化技术有限公司获得。大豆卵磷脂来自上海赛恩科技有限公司；胆固醇来自安徽泽胜科技有限公司；透析袋（分子量截留值12 kDa）来自北京益康胜世生物技术有限公司；Tween 80来自...

制备条件筛选结果
在每个筛选条件下，对LA-DA纳米颗粒进行了相同的实验操作，包封率重复测定5次；相关结果详见表A1。当大豆卵磷脂与胆固醇的质量比分别为2:1、4:1、6:1、8:1和10:1时，图1(A)显示脂质体包封率首先是增加然后在这些比例中下降。这种现象可能与胆固醇的调节作用有关...

讨论
基于植物油的助剂在杀虫应用中表现出显著的协同潜力[37]。先前的研究表明，甲基化植物油和d-柠檬烯助剂可以减少剂量同时提高螺啶氯芬对柑橘红螨（Panonychus citri）的效力[38]，而噻虫胺与植物油助剂的结合可以增加豇豆表面的农药沉积并提高蓟马控制效果[39]。在本研究中，含有大豆卵磷脂和胆固醇的纳米脂质体成功制备，表现出高包封率、良好的生物相容性和稳定性。LA-DA NLs与田间常用的杀虫剂Cyfluthrin 5% ME的组合提高了对O. furnacalis的杀虫效果和有效持续时间。LA-DA NLs有潜力作为一种新型的杀虫助剂用于控制O. furnacalis，其作用机制需要...

作者贡献声明
董京高：监督、软件、项目管理、方法论、调查、数据管理。
张丽辉：撰写——审阅与编辑、可视化、监督、软件、资源、项目管理。
江锡鹏：验证、软件、正式分析。
赵中祥：撰写——原始草稿、软件、项目管理、方法论、资金获取、正式分析、数据管理。
杨娟：验证、软件、资源、方法论。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。