納米技術(shù)在園林植物蟲(chóng)害防治中的應(yīng)用

全球變暖和氣候變化助長(zhǎng)了城市綠化植物病蟲(chóng)害發(fā)生的頻率，大量使用合成化學(xué)品來(lái)控制害蟲(chóng)間接地助長(zhǎng)了全球變暖、生態(tài)毒性和農(nóng)業(yè)節(jié)肢動(dòng)物害蟲(chóng)的殺蟲(chóng)劑抗性。在過(guò)去的幾十年里，氣候變化確實(shí)對(duì)害蟲(chóng)的生物多樣性、種群動(dòng)態(tài)、傳播、復(fù)蘇和殺蟲(chóng)劑抗藥性的發(fā)展產(chǎn)生了影響。成蟲(chóng)抗殺蟲(chóng)劑能力的進(jìn)化、更高的遷移和分散能力使它們能夠利用多種宿主植物[。長(zhǎng)期以來(lái)，化學(xué)防治一直被認(rèn)為是控制這些害蟲(chóng)最有效的工具。自前，人們使用不同的擬除蟲(chóng)菊酯、有機(jī)磷酸酯和新型化學(xué)殺蟲(chóng)劑來(lái)控制害蟲(chóng)種群，但殺蟲(chóng)劑抗藥性嚴(yán)重影響了害蟲(chóng)防治策略。此外，這些殺蟲(chóng)劑對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和人類(lèi)健康的不利影響已經(jīng)日趨明顯。納米材料因其優(yōu)異的機(jī)械性能（剛度、結(jié)晶性）、高比表面積、可控溶解性及環(huán)境友好特征（可降解、低生態(tài)影響），已成為納米農(nóng)藥研發(fā)的關(guān)鍵材料體系。納米技術(shù)徹底改變了當(dāng)今時(shí)代的植物病蟲(chóng)害防治，基于納米材料較小的尺寸和物理形態(tài)特性，研究人員開(kāi)發(fā)了納米肥料、納米農(nóng)藥和納米除草劑，這些產(chǎn)品已經(jīng)克服了上述問(wèn)題并提高了作物產(chǎn)量。 Ag/ZnO/TiO₂ 等納米微量元素農(nóng)藥兼具害蟲(chóng)防控與作物增產(chǎn)雙重功效，其納米效應(yīng)既能增強(qiáng)生物活性，又可作為植物營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充源。人們對(duì)納米材料的合成和用作納米農(nóng)藥存在一些擔(dān)憂(yōu)，但納米結(jié)構(gòu)金屬的物理形態(tài)1特征為害蟲(chóng)防治提供了一種廉價(jià)而出色的解決方案。

一、化學(xué)農(nóng)藥的使用及影響

（一）農(nóng)藥在害蟲(chóng)防治中的使用

農(nóng)藥的使用始于19世紀(jì)70年代，當(dāng)時(shí)開(kāi)發(fā)了含砷和銅的農(nóng)藥[。后來(lái)，二氯二苯三氯乙酸（DDT）的發(fā)現(xiàn)徹底改變了害蟲(chóng)防治方式，因?yàn)樗诘蜐舛认戮哂袕V譜效力，價(jià)格低廉，而且據(jù)說(shuō)對(duì)環(huán)境友好，因此農(nóng)民對(duì)其效果感到驚訝并經(jīng)常采用它。當(dāng)時(shí)引入了不同的殺蟲(chóng)劑類(lèi)別，包括有機(jī)氯、氨基甲酸酯、擬除菊酯、氨基甲酸酯和有機(jī)磷酸酯，在檢測(cè)到DDT對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的負(fù)面影響后，農(nóng)藥配方轉(zhuǎn)向生產(chǎn)毒性更大的有機(jī)磷和擬除蟲(chóng)菊酯。過(guò)度、不加區(qū)別地持續(xù)使用這些合成殺蟲(chóng)劑對(duì)昆蟲(chóng)產(chǎn)生了強(qiáng)大的選擇壓力，迫使它們改變基因構(gòu)成，導(dǎo)致對(duì)殺蟲(chóng)劑產(chǎn)生抗藥性的害蟲(chóng)比例顯著增加。

研究表明昆蟲(chóng)對(duì)殺蟲(chóng)劑產(chǎn)生抗藥性的機(jī)制很復(fù)雜，包括主要昆蟲(chóng)的生理或行為改變，導(dǎo)致殺蟲(chóng)劑回避、排泄、隔離、代謝抗性和靶標(biāo)突變，代謝抗性和靶位突變是殺蟲(chóng)劑抗性的兩種主要產(chǎn)生途徑。殺蟲(chóng)劑的生物降解是昆蟲(chóng)從共同進(jìn)化的分支進(jìn)化而來(lái)的主要生存武器之一。這種類(lèi)型的抗性通常是由于負(fù)責(zé)代謝外源物質(zhì)的酶的過(guò)量產(chǎn)生所致，代謝酶包括三大家族：谷胱甘肽-S-轉(zhuǎn)移酶、細(xì)胞色素P450s單加氧酶和羧酸酯酶，當(dāng)外源性毒性化合物進(jìn)入昆蟲(chóng)體內(nèi)時(shí)，它要么阻斷神經(jīng)元體鈉通道（有機(jī)氯和擬除蟲(chóng)菊酯類(lèi)），要么與乙酰膽堿酯酶結(jié)合，抑制乙酰膽堿的降解。這兩種神經(jīng)毒性化合物通過(guò)持續(xù)激活鈉離子通道，阻斷昆蟲(chóng)神經(jīng)元復(fù)極化過(guò)程，導(dǎo)致神經(jīng)沖動(dòng)傳導(dǎo)失效，引發(fā)不可逆的麻痹效應(yīng)并最終致死。上述代謝酶的累積性產(chǎn)生，抑制外源性有毒化合物到達(dá)靶位（鈉通道或乙酰膽堿酯酶），酶催化外源化合物轉(zhuǎn)化為毒性較小的化合物或無(wú)毒化合物，這些化合物很容易從昆蟲(chóng)體內(nèi)排出。

（二）農(nóng)藥對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響

農(nóng)藥會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生重大的有害影響，影響土壤、水和大氣。農(nóng)藥徑流會(huì)污染土壤和水資源，導(dǎo)致長(zhǎng)期的生態(tài)破壞。農(nóng)藥可以殘留在土壤中，影響土壤微生物，降低生物多樣性，破壞養(yǎng)分循環(huán)。水體可能被農(nóng)藥污染，危害水生生物并破壞生態(tài)系統(tǒng)。農(nóng)藥的漂移和揮發(fā)會(huì)導(dǎo)致化學(xué)物質(zhì)擴(kuò)散到大氣中，可能影響空氣質(zhì)量和非目標(biāo)生物。案例研究表明，有機(jī)氯農(nóng)藥的使用導(dǎo)致土壤和水污染，并具有長(zhǎng)期持久性，對(duì)野生動(dòng)物產(chǎn)生不利影響，殺蟲(chóng)劑DDT造成了廣泛的生態(tài)危害，包括鳥(niǎo)類(lèi)數(shù)量的下降和食物鏈中的生物累積。為了減輕這些有害影響，可持續(xù)的農(nóng)業(yè)實(shí)踐、綜合害蟲(chóng)管理策略和開(kāi)發(fā)替代害蟲(chóng)控制方法至關(guān)重要。農(nóng)藥雖然是有效的害蟲(chóng)防治工具，但也會(huì)給植物帶來(lái)不利影響。農(nóng)藥對(duì)植物生長(zhǎng)的不利影響可能通過(guò)各種機(jī)制造成。某些農(nóng)藥會(huì)通過(guò)破壞葉綠素合成來(lái)抑制光合作用，導(dǎo)致糖分產(chǎn)量減少和生長(zhǎng)發(fā)育不良。激素平衡被破壞是另一種影響，因?yàn)橐恍┏輨?huì)模仿生長(zhǎng)素，導(dǎo)致生長(zhǎng)模式異常和植物壓力，廣譜殺蟲(chóng)劑會(huì)直接損害細(xì)胞結(jié)構(gòu)，破壞細(xì)胞膜、干擾酶并誘發(fā)氧化應(yīng)激。另一個(gè)后果是營(yíng)養(yǎng)吸收受損，農(nóng)藥會(huì)干擾吸收和運(yùn)輸，導(dǎo)致?tīng)I(yíng)養(yǎng)不足、不平衡，以及植物整體健康狀況下降。研究表明，特定殺蟲(chóng)劑具有顯著的有害影響。例如，新煙堿類(lèi)殺蟲(chóng)劑與蜜蜂數(shù)量下降有關(guān)，損害了它們的行為并減少了授粉；草甘麟是一種常用的除草劑，它會(huì)導(dǎo)致養(yǎng)分吸收減少、土壤微生物群落改變，并對(duì)植物生長(zhǎng)和產(chǎn)量產(chǎn)生負(fù)面影響。

二、納米技術(shù)在植物蟲(chóng)害防治中的使用

納米技術(shù)已成為一個(gè)有前途的領(lǐng)域，在農(nóng)業(yè)和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)等各個(gè)領(lǐng)域都有潛在的應(yīng)用。納米技術(shù)與農(nóng)業(yè)的結(jié)合為提高作物產(chǎn)量、資源利用率和環(huán)境可持續(xù)性提供了機(jī)會(huì)。納米粒子可用作納米肥料，以增強(qiáng)營(yíng)養(yǎng)輸送、控制農(nóng)用化學(xué)品的釋放以及向植物定向輸送生物活性化合物，納米材料可以增強(qiáng)養(yǎng)分吸收效率，促進(jìn)種子發(fā)芽和植物生長(zhǎng)，提高作物的抗逆性。此外，納米傳感器還可用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤狀況、水質(zhì)和作物健康狀況，助力精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實(shí)踐。納米粒子具有納米尺寸（1～100納米）、大表面體積比、可變的物理化學(xué)性質(zhì)、高電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率、增強(qiáng)的光發(fā)射和改進(jìn)的表面催化性能等特性，可以不斷提高作物的生產(chǎn)力和可持續(xù)性。納米技術(shù)有望將傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)榫珳?zhǔn)農(nóng)業(yè)。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)基于平衡使用農(nóng)業(yè)投入，并根據(jù)情況采取適當(dāng)?shù)尼槍?duì)性控制措施，在持續(xù)監(jiān)測(cè)生態(tài)系統(tǒng)成分的情況下改良作物。納米材料在農(nóng)作物保護(hù)中發(fā)揮著重要作用，特別是在節(jié)肢動(dòng)物害蟲(chóng)的管理中，因?yàn)樗鼈兲峁┝藙?chuàng)新的解決方案，提高了藥效，減少了對(duì)環(huán)境的影響。納米農(nóng)藥和納米制劑可控制釋放并增強(qiáng)滲透力，從而提高藥效，納米載體能夠?qū)崿F(xiàn)殺蟲(chóng)化合物的靶向遞送，提高精準(zhǔn)度并減少脫靶效應(yīng)，此外，納米材料可以破壞害蟲(chóng)的關(guān)鍵生理過(guò)程，如進(jìn)食和繁殖，從而提供新的作用方式。在農(nóng)藥制劑生產(chǎn)單位中，基于金屬或聚合物納米制劑的傳統(tǒng)殺蟲(chóng)劑產(chǎn)量正在增加。綠色合成納米制劑比其他納米顆?；蜣r(nóng)藥更有益，因?yàn)橥繉硬牧系牟倏貢?huì)導(dǎo)致活性成分在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)緩慢釋放，并最低限度地減少過(guò)量流失。植物生長(zhǎng)促進(jìn)特性、活性成分的穩(wěn)定性也增加了納米制劑在作物保護(hù)領(lǐng)域的需求。此外，含有油或水的納米配方可提高溶解度和對(duì)抗不同昆蟲(chóng)的作用潛力，已經(jīng)合成了不同的植物包覆納米粒子，并針對(duì)農(nóng)作物的重要害蟲(chóng)進(jìn)行了測(cè)試。研究結(jié)果表明，在各種金屬基納米粒子中，銀納米粒子被研究作為對(duì)抗植食性昆蟲(chóng)和病原體的廣譜活性成分，二氧化硅納米粒子與銀納米粒子的協(xié)同作用對(duì)葫蘆科植物白粉病的防治有很好的防治作用。多孔納米二氧化硅還可作為井岡霉素的載體，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥的控制輸送。銅納米顆粒也被研究作為針對(duì)不同真菌和細(xì)菌疾病的毒性劑，鋅納米粒子的雙重作用（納米肥料和殺菌活性），已唑醇納米制劑和納米硫?qū)Σ煌闹参锊≡婢加泻軓?qiáng)的毒性。

銀納米粒子因其在節(jié)肢動(dòng)物害蟲(chóng)管理中的潛在作用而受到關(guān)注。銀納米粒子可以通過(guò)各種機(jī)制與害蟲(chóng)相互作用，包括物理和化學(xué)作用。銀納米粒子尺寸小，可穿透昆蟲(chóng)的外骨骼，造成物理?yè)p害并干擾重要的生理過(guò)程，一旦進(jìn)入昆蟲(chóng)體內(nèi)，銀納米粒子就會(huì)對(duì)昆蟲(chóng)的細(xì)胞和組織造成結(jié)構(gòu)損傷，銀納米粒子可以與昆蟲(chóng)細(xì)胞的脂質(zhì)膜相互作用，導(dǎo)致其破壞和細(xì)胞內(nèi)容物的泄漏。研究人員發(fā)現(xiàn)，銀納米粒子會(huì)對(duì)角質(zhì)層、內(nèi)部組織和腸道上皮細(xì)胞造成損害，導(dǎo)致死亡和生長(zhǎng)抑制。銀納米粒子可以破壞細(xì)胞膜的通透性，導(dǎo)致離子失衡、氧化應(yīng)激，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡。Amjad等人研究了蚜蟲(chóng)的氧化應(yīng)激反應(yīng)，棉蚜研究人員發(fā)現(xiàn)，暴露于銀納米粒子會(huì)導(dǎo)致蚜蟲(chóng)體內(nèi)活性氧（ROS）水平和脂質(zhì)過(guò)氧化增加。這種氧化應(yīng)激導(dǎo)致細(xì)胞損傷，存活率和繁殖率下降。在另一項(xiàng)研究中，研究人員觀察到，暴露于銀納米粒子會(huì)導(dǎo)致ROS生成增加，并破壞抗氧化酶活性，如超氧化物歧化酶（SOD）和過(guò)氧化氫酶（CAT）。此外，銀納米粒子還會(huì)干擾重要的酶活性，破壞害蟲(chóng)的激素平衡，影響其生長(zhǎng)、繁殖和發(fā)育。像果蠅，銀納米粒子導(dǎo)致參與代謝的關(guān)鍵酶（AChE和ALP）的活性紊亂。此外，銀納米粒子還影響果蠅的激素平衡，導(dǎo)致其生長(zhǎng)、發(fā)育和繁殖發(fā)生改變。銀納米粒子會(huì)破壞蛻皮激素和保幼激素（JH）等關(guān)鍵激素的水平。果蠅蛻皮類(lèi)固醇在調(diào)節(jié)昆蟲(chóng)的蛻皮和變態(tài)過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用。研究發(fā)現(xiàn)，銀納米粒子暴露導(dǎo)致蛻皮類(lèi)固醇水平降低，影響蛻皮的正常進(jìn)程，導(dǎo)致昆蟲(chóng)發(fā)育遲緩和生長(zhǎng)模式異常。

三、納米顆粒應(yīng)用的挑戰(zhàn)

納米粒子在促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育和減輕生物和非生物脅迫方面表現(xiàn)出了巨大的潛力。然而，它們也具有一些需要考慮的局限性。其中一個(gè)局限性是納米粒子對(duì)植物和環(huán)境都有潛在的毒性。研究表明，某些納米粒子，如CuNPs會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生植物毒性作用。銀納米粒子對(duì)各種作物種子發(fā)芽和植物生長(zhǎng)有不利影響。這些發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了需要謹(jǐn)慎使用納米粒子以避免對(duì)植物產(chǎn)生潛在毒性。

另一個(gè)限制因素是納米顆粒在環(huán)境中積累和持久的可能性。納米顆?？梢源嬖谟谕寥篮退鷳B(tài)系統(tǒng)中，從而產(chǎn)生潛在的長(zhǎng)期影響。一項(xiàng)研究證明了 TiO₂NP_S 在土壤中的積累及其對(duì)土壤酶活性的潛在影響。同樣，CuNP在環(huán)境中的積累可能會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生潛在的毒性作用。這些發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了了解納米顆粒在環(huán)境中的命運(yùn)和行為以減輕其潛在不利影響的重要性。此外，基于納米顆粒的技術(shù)的成本效益和可擴(kuò)展性也可能是限制因素。納米顆粒的生產(chǎn)和合成成本可能很高，阻礙了其在農(nóng)業(yè)中的廣泛應(yīng)用。

四、未來(lái)展望

為了進(jìn)一步推進(jìn)納米材料在節(jié)肢動(dòng)物害蟲(chóng)管理領(lǐng)域的應(yīng)用，需要對(duì)不同納米粒子對(duì)昆蟲(chóng)的物理、生理、生理化學(xué)和遺傳影響進(jìn)行全面研究。首先，雖然許多研究已經(jīng)評(píng)估了各種納米粒子的功效，但關(guān)于它們對(duì)節(jié)肢動(dòng)物害蟲(chóng)的具體物理影響的知識(shí)仍然有限。因此，進(jìn)行詳細(xì)研究以了解納米粒子如何影響昆蟲(chóng)行為、進(jìn)食模式、運(yùn)動(dòng)和其他物理參數(shù)至關(guān)重要。通過(guò)更深入地了解這些物理效應(yīng)，可以開(kāi)發(fā)出新穎且更有針對(duì)性的害蟲(chóng)防治方法。

其次，不同納米粒子對(duì)節(jié)肢動(dòng)物害蟲(chóng)功效的作用機(jī)制目前尚不明確。雖然納米粒子在害蟲(chóng)管理方面顯示出良好的前景，但納米粒子與害蟲(chóng)之間確切的細(xì)胞和分子相互作用仍然在很大程度上處于未知狀態(tài)。因此，進(jìn)行徹底的研究以揭示納米粒子與害蟲(chóng)相互作用的機(jī)制方面至關(guān)重要。此類(lèi)研究工作將為納米粒子所針對(duì)的特定途徑和生物過(guò)程提供寶貴的見(jiàn)解，從而優(yōu)化和設(shè)計(jì)更有效的害蟲(chóng)管理策略。

最后，必須評(píng)估與使用納米粒子相關(guān)的植物毒性和生態(tài)毒性限度。盡管進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)來(lái)評(píng)估納米粒子的功效，但尚未充分考慮其對(duì)植物健康和周?chē)鷳B(tài)系統(tǒng)的潛在不利影響。因此，未來(lái)的研究應(yīng)優(yōu)先評(píng)估每種納米材料的植物毒性和生態(tài)毒性限度。通過(guò)解決這些未來(lái)方向，我們可以進(jìn)一步了解納米顆粒對(duì)節(jié)肢動(dòng)物害蟲(chóng)的影響，闡明其作用機(jī)制，并確定與其使用相關(guān)的植物毒性和生態(tài)毒性限度。這些努力將有助于開(kāi)發(fā)有效、環(huán)保且可持續(xù)的基于納米材料的節(jié)肢動(dòng)物害蟲(chóng)管理策略。

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（作者單位：通遼市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局）