天然的东西就总是安全的吗？有效的植物纳米杀虫剂可能对传粉者有害

《Environmental Science: Nano》：Is natural always safe? Effective botanical nano-aphicide can be harmful to pollinators

　　大蒜精油基纳米乳剂对棉蚜的毒理作用及对蜜蜂和植物的影响。采用高压微流体化技术制备纳米乳剂，动态光散射分析显示其粒径179±1.4 nm， polydispersity指数<0.25，负电荷稳定。毒理测试表明纳米乳剂对棉蚜残留接触和 topical应用均有效（LD50分别为1.079%和0.212% EO），但对蜜蜂口服毒性显著（100%死亡率），而植物毒性低（Pi<0.1）。研究证实纳米生物农药高效但需评估非靶标生态风险。

　　本研究聚焦于开发一种新型的绿色纳米生物农药，旨在替代传统化学农药，用于控制棉花蚜虫（*Aphis gossypii*）。该纳米生物农药基于大蒜精油（*Allium sativum*）制成，采用了纳米乳液（nano-emulsion）作为载体，通过高压力微流化技术（high-pressure microfluidization, HPM）实现其制备。在研究过程中，不仅评估了其对目标害虫的毒理活性，还对其对非目标生物如蜜蜂（*Apis mellifera*）和植物（如甜椒）的潜在影响进行了分析。这项研究的结果表明，大蒜精油纳米乳液在控制棉花蚜虫方面具有显著效果，但在对蜜蜂的毒性方面也表现出较高的风险。因此，研究结果强调了在推广此类新型纳米生物农药时，需要进一步评估其对非目标生物的生态影响，特别是在农业生态系统中的实际应用。

### 一、研究背景与意义

随着农业对环保和可持续发展的重视，传统化学农药因其对环境和人类健康的潜在危害，正逐渐被天然来源的植物提取物所替代。植物精油因其天然的生物活性，被广泛认为是替代化学农药的有力工具。然而，植物精油在实际应用中存在一些局限性，如易挥发、溶水性差、降解速度快等，这限制了其在农业环境中的使用效率。为了解决这些问题，近年来纳米技术被引入到植物精油的输送系统中，包括纳米结构和纳米乳液，以提高其稳定性和生物活性。

纳米乳液作为植物精油的一种先进输送形式，已被证明在提高杀虫效果方面具有显著优势。例如，有研究表明，通过纳米乳液技术制备的某些植物精油对多种害虫表现出良好的生物活性。然而，尽管纳米技术在提高农药效果方面具有潜力，其对非目标生物的生态影响仍需深入研究。尤其是在农业生态系统中，蜜蜂等传粉昆虫对维持生态平衡至关重要，而植物精油纳米乳液可能对它们产生毒性。因此，研究纳米生物农药对非目标生物的影响，对于正确设计综合害虫管理系统（IPM）和避免对传粉昆虫种群造成负面影响具有重要意义。

### 二、研究材料与方法

本研究使用了从有机柑橘果园中采集的棉花蚜虫种群，用于评估大蒜精油纳米乳液的生物活性。蚜虫的饲养条件控制在26 ± 1 °C、65 ± 2%相对湿度和16:8小时光照与黑暗周期内，以确保其正常发育。同时，用于毒性试验的蜜蜂为1至2日龄的工蜂，采集自同一部门的实验蜂场，且在实验前至少三个月未接受任何化学处理。

甜椒植物则在有机土壤中种植，并在恒定的环境条件下生长，以确保其生理状态稳定。用于实验的植物高度为15–20厘米，叶片数量约为15 ± 1片。在评估纳米乳液对植物的毒性时，采用了植物毒性指数（Pi）作为衡量指标，结合叶片受损数量和严重程度进行计算。

大蒜精油的化学成分通过气相色谱-质谱联用技术（GC-MS）进行了分析。实验中使用了Thermo Fisher TRACE 1300气相色谱仪，配合MEGA-5毛细管柱和ISQ LT质谱检测器，以确定精油中各成分的种类和含量。结果表明，大蒜精油主要由硫化合物构成，占总面积的95.35%，其中二烯丙基二硫化物、二烯丙基三硫化物、二烯丙基硫化物、二烯丙基四硫化物等为主要成分。

为了制备大蒜精油纳米乳液，研究采用了一种“自上而下”的方法，将大蒜精油与表面活性剂Tween? 80按一定比例混合，使用磁力搅拌器确保油相均匀。随后，将水加入油相，形成原始乳液，再通过高压力微流化设备进行处理，以获得稳定的纳米乳液。该设备的压力设置为30,000 PSI，以确保纳米乳液的均匀性和稳定性。为避免精油降解，反应室和热交换器在处理过程中被冰浴冷却。

为了评估纳米乳液的物理特性，使用了动态光散射（DLS）技术，对粒子大小、聚散性指数（PDI）和表面电位（ζ-potential）进行了测量。研究还评估了纳米乳液在一个月内的稳定性，以确保其在实际应用中的长期有效性。

### 三、实验结果

实验结果显示，大蒜精油纳米乳液在控制棉花蚜虫方面表现出良好的生物活性。在残余接触毒性和直接涂抹试验中，该纳米乳液在72小时暴露后对蚜虫的致死剂量（LD）表现出显著效果。例如，在残余接触毒性试验中，LD30、LD50和LD90分别为0.810%、1.079%和2.171%的大蒜精油浓度，而在直接涂抹试验中，LD30、LD50和LD90则分别为0.133%、0.212%和0.667%。这些结果表明，纳米乳液在直接涂抹方式下具有更高的毒性，可能与其在昆虫体内的吸收效率有关。

在对蜜蜂的毒性试验中，采用口服给药方式，结果显示大蒜精油纳米乳液对蜜蜂表现出显著的致死效果。在4小时暴露后，所有测试剂量均导致蜜蜂死亡率超过90%，而对照组（纯水和蔗糖溶液）的死亡率则接近于零。这表明，纳米乳液在蜜蜂体内的毒性可能与其成分的生物活性有关，特别是其中的硫化合物。

在对甜椒植物的毒性评估中，结果显示纳米乳液对植物的伤害较小。在1至2天内，只有最高剂量（LD90）导致植物毒性指数（Pi）显著增加，但在5天后，Pi值逐渐下降，最终在10天后接近于零。这表明，纳米乳液对植物的毒性随时间推移而减弱，可能与其在植物表面的降解有关。

### 四、研究讨论

大蒜精油的化学成分分析表明，其主要由硫化合物构成，其中二烯丙基二硫化物和二烯丙基三硫化物为最主要的成分。这些成分的高浓度可能与其对害虫的高效毒性有关。然而，不同来源的大蒜精油可能因干燥方法、提取工艺和分析技术的不同而表现出不同的组成。因此，在研究中需要考虑这些因素对结果的影响。

纳米乳液的制备过程中，使用了高压力微流化技术，以确保其稳定性。该技术在纳米乳液的制备中被广泛采用，因其能有效控制粒子大小和PDI值。在本研究中，纳米乳液在24小时后的粒子大小为86.03 ± 0.60 nm，而一个月后增长至179 ± 1.4 nm。尽管粒子大小有所增加，但仍然保持在纳米范围内，表明其在长时间内具有良好的稳定性。此外，纳米乳液的表面电位在实验过程中保持为负值，这有助于防止其在环境中发生聚集。

在对蜜蜂的毒性评估中，研究发现大蒜精油纳米乳液通过口服途径对蜜蜂表现出显著的毒性，而通过直接接触途径则相对安全。这一结果表明，纳米乳液的毒性可能与其在昆虫体内的代谢途径有关，特别是在摄入过程中可能更容易被吸收。因此，在农业实践中，需要避免在作物开花期间使用该纳米乳液，以防止蜜蜂误食，从而保护传粉昆虫的种群。

此外，研究还发现，纳米乳液对植物的毒性较低，只有在较高剂量下才会对植物造成一定程度的伤害。然而，不同植物种类对纳米乳液的反应可能不同，例如，大蒜纳米乳液对番茄植物和柑橘植物均未表现出明显的毒性。这表明，纳米乳液的生物活性可能具有一定的选择性，但仍需进一步研究其对不同植物的影响。

### 五、研究结论

本研究证明了大蒜精油纳米乳液在控制棉花蚜虫方面的高效性，其物理特性符合纳米农药的标准，包括纳米级的粒子大小、低PDI值和负表面电位。然而，该纳米乳液对蜜蜂表现出较高的毒性，表明其在实际应用中需要特别注意对非目标生物的影响。因此，在推广此类纳米生物农药时，应结合其对环境和生态系统的潜在影响，进行更加全面的评估。

同时，研究强调了纳米技术在植物精油应用中的潜力，但也指出其生态影响仍需进一步研究。虽然纳米生物农药在提高杀虫效果方面具有优势，但其对非目标生物的毒性可能因使用方式和剂量而有所不同。因此，在实际应用中，应采取适当的措施，以减少其对环境和生态系统的负面影响。

总之，本研究为开发绿色纳米生物农药提供了重要的数据支持，但同时也提醒研究人员在推广此类产品时，应更加关注其对非目标生物的生态影响，特别是在农业生态系统中的实际应用。未来的研究需要进一步探讨纳米生物农药对不同非目标生物的生物活性，以确保其在环保和生态友好的基础上实现有效的害虫控制。