综述：提升生物安全：挥发性有机化合物（VOC）检测技术在入侵性害虫和病原体监测方面的进展与前景

《Sustainable Food Technology》：Advancing biosecurity: progress and prospects of volatile organic compound (VOC) detection for invasive pest and pathogen surveillance

　　可持续农业与VOC检测技术：基于褐臭虫的生物安全挑战与解决方案

　　生物安全是维护人类、动物、植物及生态系统健康的基石，其核心目标是防止外来入侵物种的引入与扩散，从而降低对农业、生物多样性和经济带来的威胁。随着全球贸易和旅行的迅速增长，生物入侵的传播速度也显著加快，导致了严重的农业损失。据估算，自1970年以来，全球因外来物种造成的经济损失已超过1万亿美元。澳大利亚在生物安全领域建立了全球最为有效的系统之一，该系统涵盖了边境前、边境和边境后的多层次措施，并依托国家框架如《紧急植物病害响应协议》和《植物保护计划》（PLANTPLAN）加以支持。然而，外来物种持续增加的趋势，也凸显出开发可携带且快速的诊断工具的必要性，以确保在不同地区实现一致性的检测能力。本文旨在探讨外来物种的历史、生态和经济影响，聚焦于澳大利亚的生物安全实践，并重点分析褐斑粉虱（*Halyomorpha halys*）这一外来物种的检测技术，评估基于挥发性有机化合物（VOCs）的检测方法的优势与局限性，并展望未来如何通过进一步发展这些技术来提升农业和生物安全领域的早期病虫害诊断能力。

生物安全不仅关乎农业，还涉及生态环境和人类健康。它是一种跨学科的综合措施，旨在应对生物入侵所带来的复杂挑战。随着全球化进程的加速，生物安全的重要性日益凸显，因为商品、人员和生物材料的跨境流动使得外来物种的传播更加频繁。因此，生物安全的实施需要涵盖多个层面，包括常规的国内监测、先进的技术手段和国际协作机制。从历史上看，外来物种的入侵给农业和环境造成了巨大损害。例如，19世纪中叶，爱尔兰的马铃薯饥荒由*Phytophthora infestans*引起，起源于美洲，最终导致了欧洲的大规模饥荒和人口迁移。类似地，19世纪末期，欧洲葡萄园受到来自美洲的葡萄根瘤蚜虫（*Daktulsphaira vitifoliae*）的侵袭，对葡萄酒产业造成了毁灭性打击。这些历史事件揭示了生物入侵的全球性威胁，并强调了建立综合性生物安全体系的必要性。

澳大利亚作为拥有独特生态系统和重要农业产业的岛国，其生物安全措施在全球范围内堪称典范。这些措施不仅保护了国家的经济利益，也维护了生态系统的完整性。澳大利亚的生物安全体系包括边境前、边境和边境后的多环节管理，旨在降低外来物种的引入、定殖和扩散风险。国家生物安全机构如农业、水资源与环境部（DAWE）负责制定和执行国家生物安全政策，确保符合国际植物检疫标准，并维护无害生物状态。此外，诸如《紧急植物病害响应协议》（EPPRD）和《植物保护计划》（PLANTPLAN）等合作框架，进一步支持了澳大利亚在生物安全方面的成功经验。类似地，欧盟通过《植物健康条例》（Regulation 2016/2031）设立了早期防控措施，以防止植物病害在成员国之间扩散。而美国则通过国家植物诊断网络（NPDN）和农业部动植物卫生检验局（USDA-APHIS）等机构，应用多种监测技术来识别和管理外来物种。这些案例展示了不同地区如何根据自身需求调整生物安全体系，同时越来越多地采用便携式、技术驱动的检测工具，以应对不断出现的病虫害威胁。

褐斑粉虱（*Halyomorpha halys*）是一种来自东亚（包括日本、韩国和中国）的外来物种，近年来已广泛扩散至美国、加拿大、欧洲、俄罗斯和南美洲等地。它正在成为非洲、南亚和大洋洲（包括澳大利亚和新西兰）的严重生物安全威胁。该物种之所以成为入侵性害虫，主要归因于其广泛的食性，可以危害超过300种农业和观赏植物。这种广泛的寄主范围导致了对多种作物的严重损害，包括榛子、桃子、苹果、蔬菜、小水果、大豆和玉米等。除了农业影响，褐斑粉虱还会对居民区造成困扰，其释放的有害物质可能引发健康问题。此外，褐斑粉虱还可能成为病原菌和酵母的传播媒介，如*Eremothecium coryli*，这是一种导致果实腐烂的病原体，以及与紫薇树 witches' broom 病症相关的类菌质体。由于其适应性强，能够通过进口货物（如个人物品、机械和飞机）进行长距离迁移，因此对新地区的入侵和防控提出了更高的挑战。褐斑粉虱的繁殖和发育周期受温度和光周期的影响，这使得其在温带地区能够完成1至2个世代。随着冬季临近，成虫会聚集在人造结构中越冬，进入一种称为滞育的休眠状态，这种状态可能因环境条件的改善而被打破。这种气候适应性凸显了其在多种环境中的潜在定殖能力，进一步增加了管理难度。

全球气候变化对褐斑粉虱的分布和种群动态产生了显著影响。气候预测表明，气温上升和生长季节延长将有助于其在新的地区建立种群。高风险区域包括南美洲东部、非洲中部和南部、澳大利亚东部沿海以及新西兰北岛，这些地区提供了适合褐斑粉虱生存和繁殖的气候条件。气候适宜性和广泛的寄主范围共同构成了其入侵能力的双重保障，因此迫切需要采取积极的措施，以限制其传播和影响。准确预测其潜在分布对于制定有效的生物安全计划至关重要。

褐斑粉虱释放的挥发性有机化合物（VOCs）在生物安全检测中具有重要的应用价值。这些化合物由其腹部的特殊腺体分泌，包括三十三烷、（*E*）-2-癸烯醛、4-氧-（*E*）-2-己烯醛等，具有防御功能，可以驱赶捕食者并保护昆虫免受环境压力。它们在滞育期间和应激反应中被释放，为生物安全检测提供了新的思路。研究表明，三十三烷是褐斑粉虱滞育期间的主要成分之一，被认为是检测国际货物中害虫入侵的潜在标志物。气相色谱-质谱联用技术（GC-MS）已被用于识别这些挥发性化合物，提供了关于该物种化学生态学的宝贵信息。此外，经过训练的检测犬也能够识别这些VOCs，这表明它们在生物安全监测中的应用潜力。实验室研究发现，成年雄性褐斑粉虱在傍晚和夜间会增加三十三烷和（*E*）-2-癸烯醛的释放量，而幼虫则持续较高水平地释放（*E*）-2-癸烯醛。这些动态的释放模式值得进一步研究，以更好地理解其在检测系统设计中的应用价值。

目前，生物安全领域广泛采用多种检测方法，包括通用和特定的手段。通用检测方法旨在识别广泛的潜在入侵物种，而特定方法则针对特定物种进行优化。常见的通用检测方法包括视觉检查、遥感技术、空中监测、基因检测和声学检测。特定检测方法则常采用经过训练的嗅探犬和电子鼻（e-nose）等技术。这些方法各有优劣，例如，训练有素的检测犬虽然在澳大利亚生物安全系统中扮演了重要角色，但其使用成本较高，涉及大量的人力、犬只训练和运营支持。传统实验室方法如DNA分析、PCR和ELISA等虽然准确可靠，但通常耗时较长，依赖实验室环境，需要专业技术人员操作，且成本高昂，这凸显了对更快捷、便携和经济的替代方案的需求。

为了检测和控制褐斑粉虱的扩散，澳大利亚农业、水资源与环境部（DAWE）以及农业与渔业部已在其指定的监测区域部署了信息素陷阱、灯光陷阱和粘性陷阱。然而，信息素陷阱在捕捉滞育个体和新出现的越冬成虫方面效果有限，而灯光陷阱虽然有效，但季节性较强，需要长时间固定在原地，限制了其便携性。此外，这些捕虫系统的制造和运输成本较高，给大规模部署带来了挑战。因此，近年来基于VOCs的检测方法为提升害虫检测系统提供了新的可能性，尤其是在针对褐斑粉虱的应用中。

VOCs作为检测生物入侵的重要工具，具有广泛的应用前景。它们在生物系统中扮演着防御、交流和生态互动的关键角色，涵盖了多种化学类别，如碳氢化合物、醇类、醛类、有机酸和萜烯类。由于其具有物种特异性，VOCs被视为检测害虫和病害的潜在生物标志物。例如，在农业中，乙烯是一种由植物释放的VOCs，能够启动果实成熟过程；在林业中，VOCs的分析已被证明可以区分健康与患病的植物。一些研究表明，某些VOCs可以用于早期病害检测，如在无症状但被* Ceratocystis platani*感染的树木中检测到的VOCs，显示了VOCs在早期病害识别中的潜力。

气相色谱-质谱联用技术（GC-MS）被认为是VOCs分析的黄金标准，因其在分离和检测VOCs方面的卓越性能。然而，GC-MS存在明显的局限性，如操作复杂、成本高昂、检测速度慢以及对专业人员的依赖，这限制了其在快速或现场诊断中的应用。相比之下，电子鼻技术（e-nose）提供了一种低成本、便携和快速的替代方案，能够通过传感器阵列识别特定的VOC模式，实现现场检测。尽管其灵敏度和选择性低于质谱方法，但其无需复杂的样品预处理、设备体积小且响应迅速，使其在边境检查和早期病虫害检测中具有显著优势。然而，电子鼻仍面临选择性不足、湿度和温度变化引起的基线漂移等挑战，这些都需要通过材料设计的改进来解决。

基于VOCs的检测技术正朝着更高效、更广泛的应用方向发展。这些技术不仅在农业和生物安全领域具有重要意义，还可能在医疗诊断、环境监测和公共健康监督等方面发挥关键作用。通过整合多种传感技术和数据分析方法，如人工智能和机器学习，可以进一步提升VOCs检测的准确性和实用性。同时，推动低成本、可大规模生产的VOCs检测系统，有助于实现生物安全的可持续发展。未来的VOCs检测技术有望在减少检测成本、提高检测速度和增强便携性方面取得突破，从而在应对全球生物入侵挑战中发挥更大作用。