电荷反转型天然光响应纳米颗粒实现除草剂靶向递送并降低哺乳动物毒性

　　为解决农药暴露导致的哺乳动物健康风险问题，研究人员开发了一种基于桥联聚倍半硅氧烷(BPS)的天然光响应性纳米递送系统DQ@BPS。该研究通过分子动力学模拟和动物模型验证，证实该系统在自然光照下通过电荷反转机制实现二喹啉(DQ)的智能释放，使总释放量达黑暗环境的7.27倍。田间试验显示其对稗草具有优异防效，同时显著降低小鼠肝肾损伤和体内残留（减少10倍以上），对蚯蚓LC50>1000μg/cm2，且载体对白菜安全。该研究为农药精准递送系统提供了新机制，对降低农业化学品哺乳动物毒性具有重要意义。

　　

在现代农业体系中，化学农药犹如一把双刃剑。它们虽然能有效控制田间杂草、害虫和病原体，使全球粮食产量提升约33%，但其背后隐藏的生态和健康代价令人触目惊心。据统计，超过99%的农药通过蒸发、漂移或降解等途径流失到环境中，最终仅有约0.1%能作用于靶标生物。这些残留的农药通过食物链进入人体，每年在全球造成超过300万起严重中毒事件，成为威胁公共健康的隐形杀手。

二喹啉(Diquat, DQ)作为欧盟禁用百草枯后的主要替代除草剂，市场份额已跃居第二。这种吡啶类除草剂通过干扰光系统I的电子流，抑制光合作用中NADP⁺的还原过程，能有效防治棉花、大豆等作物田间的杂草。然而其毒性问题日益凸显：长期暴露会导致多器官功能障碍，死亡率高达43-60%。研究显示，DQ可对肺、肝、肾、胃肠道、心血管系统和中枢神经系统造成损害，且目前缺乏特效解毒剂。尽管已有研究尝试通过褪黑素减轻氧化应激或利用硒纳米颗粒调节肠道菌群来降低毒性，但这些策略仍处于探索阶段，无法从根本上解决暴露问题。

面对这一挑战，西南大学植物保护学院的徐军虎（Junhu Xu）研究团队独辟蹊径，从哺乳动物胃肠道黑暗环境的特点入手，创新性地开发了一种天然光响应的农药递送系统。相关研究成果发表在《Journal of Advanced Research》上，为农药精准控释提供了全新解决方案。

研究团队运用材料化学合成、纳米技术、分子模拟和生物评价等多学科交叉方法开展系统研究。通过溶胶-凝胶聚合法制备桥联聚倍半硅oxane(BPS)纳米颗粒，利用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和傅里叶变换红外光谱(FT-IR)等技术表征材料特性；采用热重分析(TGA)测定载药量；通过分子动力学模拟揭示载药与释放机制；建立小鼠动物模型评价体内毒性，通过血清生化指标(ALT、AST、Cr)和组织切片分析肝肾损伤；采用稗草模型评估除草活性，并通过白菜和蚯蚓模型考察环境安全性。

BPS对紫外光敏感响应具有电荷反转特性

通过BS单体的溶胶-凝胶聚合成功制备BPS纳米颗粒，电镜显示其形成明确的三维网络结构球形纳米颗粒，平均直径156.24nm，分布宽度45.49nm。FT-IR证实有机桥段与聚倍半硅oxane共价连接，TGA显示有机含量为57%。在254nm紫外光照射下，BPS发生光解，上清液逐渐从无色变为淡黄色，紫外吸收光谱在196nm和300nm处的特征吸收峰逐渐增强。照射后BPS从白色变为黄色，TGA显示重量损失从59.24%降至54.00%，FT-IR中-NO₂和C=O吸收峰逐渐减弱消失。Zeta电位测量表明，BPS表面电荷从照射前的-7.41mV反转为照射后的+21.50mV，证明BPS对紫外光具有敏感响应性和电荷反转特性。

DQ@BPS通过电荷反转具有优异的自然光响应性能

电镜显示载药纳米颗粒保持球形但表面变粗糙，TGA证实DQ成功负载到BPS表面，载药率为5.90%。释放实验表明，在黑暗条件下12小时累计释放率仅11.03%，而在自然光下达80.20%，总释放量为黑暗环境的7.27倍。释放动力学符合一级方程Q_t=a(1-e^-kt)。分子动力学模拟显示，DQ分子与BPS分子因静电吸附而逐渐靠近并保持稳定；BPS光解后表面电荷翻转，因静电排斥而逐渐分离并释放。模拟体系的均方根偏差(RMSD)变化证实了载药和释放过程的热力学平衡特性。

DQ@BPS的光控释放降低了对哺乳动物的毒性

小鼠模型研究显示，DQ处理组体重下降最显著，而DQ@BPS组能减轻DQ引起的损伤。血清生化指标表明，DQ处理3天后AST/ALT值显著升高，表明肝细胞和线粒体严重受损；DQ@BPS组与对照组无显著差异。Cr值在DQ处理3天后显著升高，7天后趋于正常水平；DQ@BPS组和BPS组与对照组无差异。组织切片显示，DQ处理组肝细胞结构异常伴炎性细胞浸润，肾小管细胞肿胀、管腔变窄；DQ@BPS组仅轻微炎症反应且7天后逐渐恢复。HPLC-MS检测显示，DQ@BPS组血清中仅检测到痕量DQ，24小时后低于检测限，体内残留减少10倍以上。

DQ@BPS在自然光下有效控制稗草

在16μg a.i./cm²浓度下，DQ和20% DQ AS处理24小时后稗草开始枯萎，48小时后死亡；DQ@BPS处理24小时后出现中毒症状，72小时后死亡，表现出略微延迟的除草效果。黑暗条件下DQ@BPS处理的稗草中毒但未死亡。96小时后统计显示，自然光下DQ、20% DQ AS和DQ@BPS的死亡率分别为52-70%、57-77%和37-56%，鲜重抑制率分别为66-72%、67-74%和47-63%。在16μg a.i./cm²时，DQ@BPS的死亡率和鲜重抑制率分别达94%和86%，与DQ和20% DQ AS无显著差异。黑暗条件下DQ@BPS的死亡率仅为0%，鲜重抑制率为16-35%，显著低于自然光处理组。

DQ@BPS提高非靶标生物安全性

BPS对白菜安全性试验显示，各浓度下种子发芽率均超过95%，无显著差异。低浓度BPS水培2周后白菜鲜重和株高无显著变化；浓度超过500mg/L时，鲜重和株高反而增加，根长无影响表。明BPS对白菜生长无负面影响且可能促进生长。蚯蚓急性毒性试验显示，DQ的LC₅₀为633.08μg/cm²(24h)和133.45μg/cm²(48h)，属中等毒性；20% DQ AS的LC₅₀为32.32μg/cm²(24h)和24.19μg/cm²(48h)，属剧毒；而BPS和DQ@BPS的LC₅₀均大于1000μg/cm²，属相对无毒。表明负载DQ到BPS可显著降低其毒性。

该研究成功开发出一种基于电荷反转机制的新型光控除草剂递送系统DQ@BPS。该系统在自然光照下通过BPS的电荷反转（从负电变为正电）实现DQ的智能释放，总释放量达黑暗环境的7.27倍。研究证实DQ@B能显著降低DQ对哺乳动物的毒性，改善肝肾损伤，减少体内残留10倍以上；在田间条件下对稗草具有优异防效；同时对非靶标生物如蚯蚓(LC₅₀>1000μg/cm²)和白菜安全。该研究创新性地提出了基于电荷反转的光响应农药控释新机制，为解决农药暴露导致的哺乳动物健康风险提供了全新思路，对推动农业可持续发展具有重要意义。