纳米二氧化硅在植物病虫害防治中的应用方式，有望发挥巨大应用价值

日期:12-19-2023

来源：《农药》2023年第11期

作者：李斐、陈伟、孙嘉振、闵勇、饶犇、朱镭、邱一敏、陈凌、田宇曦、刘晓艳

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在现代农业中，农药是减少植物病虫害并提高农业生产效率的重要手段。然而，目前大部分化学合成农药存在生物毒性、抗药性和环境危害性等问题，而且传统农药剂型有效利用率偏低。为了解决这些问题，迫切需要引入新型高效的植物病虫害防治技术，以减少化学农药的滥用，促进农业的可持续发展。

近年来，纳米材料及相关技术的发展为植物病虫害防治开辟了新的途径，其独特的表面特性和小尺寸效应，以及新颖的物理和化学性能有助于克服现有农药产品的许多固有限制。在各种类型的纳米材料中，纳米二氧化硅因其比表面积大、稳定性好、表面易修饰、生物相容性好等特点而受到广泛关注。

本文结合近年来国内外的研究进展，综述了纳米二氧化硅的合成方法及其在植物病虫害防治中的应用，并对其面临的挑战和未来的发展前景进行展望，旨在为纳米二氧化硅在植物病虫害防治领域的应用提供理论依据。

一、纳米二氧化硅的合成方法

传统的纳米二氧化硅合成方法主要分为物理法和化学法，其主要缺点是成本较高，而且需要使用有毒有害的化学品，会带来各种生物和环境风险。生物合成法具有低成本、低能耗和环境友好等特点，逐渐成为物理和化学合成法的替代方法。

1. 纳米二氧化硅的物理和化学合成

纳米二氧化硅的物理合成法一般是通过高能球磨或超声波喷丸等技术，对大颗粒二氧化硅进行机械粉碎。物理法制备纳米二氧化硅的优点是生产工艺简单、产量大，但存在能耗高、颗粒球形化差和粒度分布不均匀等缺点。

化学合成法是目前应用最广泛的纳米二氧化硅合成方法，主要包括反相微乳液法、化学气相缩合法和溶胶-凝胶法等。反相微乳液法大多以硅酸乙酯为前驱体，将油相、水相、表面活性剂和助剂混合形成油包水反胶束体系，促进硅酸乙酯水解缩聚形成二氧化硅。该方法的优点是易于对纳米颗粒进行调控和修饰，缺点是成本高、有机溶剂难以去除。

化学气相缩合法主要利用氢气和氧气与四氯化硅在高温下的水解缩合反应合成二氧化硅纳米颗粒，该方法的优点是操作方便、工艺简单、污染较少，缺点是难以控制纳米颗粒的尺寸和形貌。溶胶-凝胶法主要是在酸/碱催化剂的存在下以硅醇盐或硅酸钠为前驱体，经水解缩聚形成溶胶，再经过陈化、凝胶、加热等步骤来合成二氧化硅纳米颗粒。该方法的优点是过程容易控制，缺点是原料昂贵、制备时间长。

2. 纳米二氧化硅的生物合成

纳米二氧化硅的生物合成法主要包括以下几种：利用生物细胞或其提取物作为还原剂和封端剂来生产纳米二氧化硅；以天然生物材料为前驱体制备纳米二氧化硅；利用多肽的生物功能介导二氧化硅的形成。目前用于生产纳米二氧化硅的生物还原剂和封端剂主要包括细菌、真菌、藻类和植物提取物(如蛋白质、氨基酸、碳水化合物、生物碱、萜类、单宁、皂苷、酚类化合物等)。生物细胞或其提取物中的特异性还原酶可将硅醇盐或硅酸盐还原成二氧化硅，然后生物分子利用羟基、羧基和酰胺等官能团与二氧化硅结合，在纳米颗粒周围充当封端剂，提高颗粒稳定性和生物相容性。

Zamani等以硅酸钠为前驱体，用酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)合成纳米二氧化硅，产生了尺寸为40~70 nm的球形无定形纳米二氧化硅颗粒。Natesan等分别用荧光假单胞菌(Pseudomonas fluorescens)、深绿木霉(Trichoderma atroviride)和灰色链霉菌(Streptomyces griseus)合成二氧化硅纳米颗粒，并用斑马鱼进行了毒性检测，结果证明生物合成的纳米二氧化硅具有较好的生物相容性。

为了提高成本效益，一些研究者利用农业和工业中的植物残留物作为纳米二氧化硅合成的廉价前驱体材料。据报道，高粱、水稻、小麦和玉米等单子叶植物残留物中含有质量分数高达90%的二氧化硅，竹叶灰、甘蔗渣等常见的农业或工业废弃物中也含有质量分数50%以上的二氧化硅。Mor等以稻壳灰为前驱体合成了平均直径为10~15 nm的多孔球形二氧化硅颗粒，纯度高达98.9%。

Rangaraj等以竹叶灰为原料合成了直径10~60 nm的高纯度无定形二氧化硅纳米颗粒，并用MG-63动物细胞系进行了毒性试验，证明了生物合成纳米二氧化硅在质量浓度125 mg/L以下时没有明显的细胞毒性。自然界中，一些动植物能在体内形成天然的二氧化硅结构，称为生物硅化。随着对生物硅化机制的深入了解，研究人员发现了介导生物体内二氧化硅沉淀的关键多肽。

Kroger等从海洋硅藻筒柱藻(Cylindrotheca fusiformis)的硅质外壳中发现一组具有二氧化硅亲和力的蛋白并将其命名为Silaffin， 在Silaffin 中发现的R5 肽(SSKKSGSYSGSKGSKRRIL)是一种富含丝氨酸和赖氨酸残基的重复单元，它可以在中性pH条件下介导硅酸缩聚来合成纳米二氧化硅。基于R5肽的仿生硅化作用，一些研究者利用R5结构域构建融合蛋白，制备出具有不同结构和功能的纳米二氧化硅复合材料。例如，Wong等将蜘蛛丝蛋白结构域与R5融合，融合蛋白在仿生硅化过程中可以通过自组装充当硅酸缩聚的模板，从而生成薄膜和纤维形式的复合材料。类似地，Li等用淀粉样蛋白CsgA与R5的融合蛋白作为原位硅化的支架，构建出自支撑多孔结构复合材料。

与物理和化学合成法相比，纳米二氧化硅的生物合成有许多优点，在植物病虫害防治中具有更好的应用价值。首先，纳米二氧化硅的生物合成法可以避免引入高毒性的有机试剂，而且可以利用植物残留物等廉价原料作为前驱体，是一种绿色环保、经济可行的方法。其次，生物合成过程中的生物分子有助于增强纳米颗粒的生物相容性，提高其生态环境效益。另外，生物合成法还可以利用多肽等生物分子作为硅化模版，来模拟天然生物二氧化硅有序的多级多孔结构，实现对材料性质和功能的精准定制。

二、纳米二氧化硅在病虫害防治中的应用

目前，纳米二氧化硅在植物病虫害防治中的应用主要有以下几种方式：第一，以纳米二氧化硅作为杀虫活性成分直接用于害虫防治；第二，以纳米二氧化硅作为生物刺激剂赋予植物病原体抗性；第三，以纳米二氧化硅作为农药活性成分的载体，构建纳米载药系统；第四，以纳米二氧化硅作为核酸载体，用于DNA、RNA等遗传物质的递送。

1. 二氧化硅纳米颗粒作为杀虫活性成分

二氧化硅纳米颗粒具有广泛的杀虫活性，已被用作纳米农药来防治一系列害虫。关于纳米二氧化硅杀虫机制的假设是，当二氧化硅纳米颗粒被喷洒在害虫或其幼虫体壁时，纳米颗粒会被害虫表皮脂质物理吸附，可能通过干扰害虫的气孔和气管收缩，导致其呼吸紊乱，也可能对害虫角质层上保护性的脂质亲水膜造成磨损，导致其失水干燥而死亡。纳米二氧化硅颗粒进入植食性害虫体内后，可能通过物理磨损损害消化道，或者通过硅氧键的断裂生成自由基离子，扰乱靶标昆虫体内的生理和代谢活动，从而产生间接杀虫作用。由于纳米二氧化硅颗粒对害虫的损伤主要是物理性的，因此害虫不会在遗传或生理上对其产生抗药性，这是纳米二氧化硅作为杀虫活性成分的优势。

Rouhani等研究发现纳米二氧化硅对豇豆种子上的四纹豆象(Callosobruchus maculatus)幼虫和成虫具有致死效果，LC50分别为1.03、0.68 g/kg。Thabet等利用二氧化硅纳米颗粒防治大豆上的棉贪夜蛾(Spodoptera littoralis)，以及蚕豆上的豆蚜(Aphis craccivora)和三叶斑潜蝇(Liriomyza trifolii)，试验结果表明二氧化硅纳米颗粒对3种害虫都具有明显的致死效果，其中对豆蚜的防治效果最好。Elsadany等发现二氧化硅纳米颗粒可以有效防治大豆上的葫芦叶螨(Tetranychus cucurbitacearum)，而且螨虫死亡率随着纳米颗粒浓度的增加而显著增加。

另外，二氧化硅纳米颗粒的害虫防治效果与颗粒的尺寸、形态和表面特性有关。Debnath等发现用二氧化硅纳米颗粒(15~30 nm)处理的米象(Sitophilus oryzae)死亡率高于大颗粒二氧化硅(100~400 nm)，证明了较小尺寸的纳米颗粒具有更高的杀虫功效。Ayoub等用不同的表面活性剂为模版合成了形态结构各异的二氧化硅纳米颗粒，其表现出不同水平的昆虫毒性和代谢活动扰乱作用，证明二氧化硅纳米颗粒的形态结构变化会影响其杀虫活性。

Debnath等研究发现涂有3-巯基丙基三乙氧基硅烷的二氧化硅纳米颗粒比涂有六甲基二硅氮烷的二氧化硅纳米颗粒对斜纹夜蛾(Spodoptera litura)幼虫的防治效果更好，证明表面官能化改性会影响二氧化硅纳米颗粒的杀虫效果。

2. 二氧化硅纳米颗粒作为生物刺激剂

向植物施用纳米二氧化硅后，纳米二氧化硅可穿过植物根部细胞壁，在胞间连丝中扩散，并以不同的凝结状态(如植硅体和非晶态二氧化硅沉积物)通过木质部输送到植株的茎干和叶片等地上部分，并作为生物刺激剂诱导植物的全身防御反应，赋予植物对病原体的抗性。纳米二氧化硅赋予植物病原体抗性的原理包括物理机制和生化机制2方面。

首先，纳米二氧化硅在植物不同表皮组织内积累后，可以与细胞壁中的半纤维素交联形成二氧化硅双角质层复合物，从而作为物理屏障防止病原体的入侵。另外，纳米二氧化硅通过激活防御相关酶(例如1,3-葡聚糖酶、过氧化物酶、几丁质酶、谷胱甘肽还原酶、脂氧合酶、多酚氧化酶和苯丙氨酸裂解酶等)，促进抗菌化合物的合成(如酚类、黄酮类、二萜类等植物抗毒素)，或控制植物激素的信号通路(例如水杨酸、茉莉酸和乙烯的信号通路)来提高植物对病原体的生化抗性。

据报道，水稻、小麦、甘蔗、芒果、高粱和番茄等大多数作物在施用纳米二氧化硅后都可以降低植物疾病的严重程度。例如，纳米二氧化硅对水稻中的白枯病、纹枯病、褐斑病、叶穗瘟、茎腐病和籽粒变色等几种重要植物疾病具有抑制作用。

纳米二氧化硅还可以抑制黄瓜、豌豆、甘蔗和小麦的根腐病、叶斑病、锈病和白粉病。此外，纳米二氧化硅还可以控制由茄链格孢菌(Alternaria solani)引起的番茄早疫病，由丁香假单胞菌(Pseudomonas syringae)引起的芒果细菌性根尖坏死，以及由炭疽菌(Colletotrichum sublineolum)引起的高粱炭疽病等重要植物疾病。

3. 纳米二氧化硅作为农药载体

纳米颗粒可以通过吸附、包埋、镶嵌等结合方式作为农药活性成分的载体，从而有效提高农药的生防效果，达到减施增效的目的。在各种可用的纳米颗粒中，二氧化硅纳米颗粒是最有吸引力的纳米载体之一。

首先，纳米二氧化硅比表面积大，有利于提高农药活性成分的负载量，而且纳米二氧化硅本身的杀虫活性可以发挥协同杀虫作用，从而提高农药的杀虫效果。

其次，二氧化硅纳米颗粒可以增强农药在某些叶片表面上的吸附性，提高农药利用率。然后，二氧化硅纳米颗粒载体的小尺寸效应使其很容易通过植物角质层和气孔，促进植物对农药的吸收利用。

另外，二氧化硅纳米颗粒的结构还容易通过不同合成工艺来调整，例如形成具有多孔结构的介孔二氧化硅纳米颗粒。这种介孔二氧化硅纳米颗粒有助于提高农药负载量和缓释性能，而且介孔通道易于修饰，提高了纳米颗粒使用的灵活性。

Song等用尺寸为50~200 nm的二氧化硅纳米颗粒负载氯虫腈，发现二氧化硅纳米颗粒负载的氯虫腈对小菜蛾(Plutella xylostella)的毒性是商用微米级氯虫腈制剂的2倍。Zhao等发现负载螺虫乙酯的二氧化硅纳米颗粒在粗糙的黄瓜叶表面表现出较高的沉积性能，而且可以在黄瓜叶上形成抗径流保护层，从而提高农药利用率。

Xu等用二氧化硅纳米颗粒负载吡喃菌酯，发现纳米载体促进了黄瓜对农药的吸收和运输，而且颗粒尺寸越小运输效率越高。

Gao等使用羟丙基纤维素封端的空心介孔二氧化硅纳米颗粒作为吡唑醚菌酯的载体，发现纳米载体能显著提高吡唑醚菌酯的光稳定性，而且能响应纤维素酶或低pH环境快速释放包封的吡唑醚菌酯。

Abdelrahman等用介孔二氧化硅负载咪鲜胺，并在颗粒表面涂覆果胶作为门控系统，发现纳米载体能响应果胶酶释放咪鲜胺，对稻瘟病菌(Magnaporthe oryzae)表现出显著和持久的杀真菌功效，而且在水稻植株中具有良好的吸收和转运性能。

4. 纳米二氧化硅作为核酸载体

以纳米二氧化硅作为核酸载体在植物病虫害防治中的应用主要有2个方向。

第一，利用纳米二氧化硅负载DNA，促进目的基因在植物中的遗传转化和重组表达；

第二，利用纳米二氧化硅负载dsRNA，以诱发RNA干扰作用。利用植物基因工程改良作物品种是提高作物抗病虫害能力的热门研究方向之一。

然而，传统的农杆菌介导法和基因枪法等植物遗传转化方法存在宿主适用面窄、转化效率低等局限性。纳米颗粒是植物基因工程中的新型基因载体，它可以在没有外力帮助的情况下透过细胞壁将DNA输送到植物细胞中，然后在特定区域释放。介孔二氧化硅纳米颗粒的多孔结构有助于在颗粒内部负载DNA，从而保护其免受核酸内切酶降解，进而将DNA准确地转移到植物中以产生瞬时或稳定的转化。

Torney等首次利用孔径3 nm的介孔二氧化硅纳米颗粒作为绿色荧光蛋白基因的载体，并用金纳米颗粒作为封盖剂覆盖介孔通道，成功将DNA和化学物质共同递送到烟草叶片细胞中。

Hajiahmadi等利用尺寸40 nm的介孔二氧化硅纳米颗将含有B.t.毒素蛋白基因CryIAb的质粒转入早期成熟阶段的番茄果实中，使CryIAb蛋白在番茄植株中重组表达，从而提高了转基因植物对番茄潜叶蛾的抗性。

RNA干扰(RNAi)是一种由双链RNA(dsRNA)诱导的转录后基因沉默，当dsRNA传递至病原微生物或害虫体内，可以使靶标基因沉默并失去功能，最终抑制病原体的生长发育或提高宿主植物的病虫害抗性。RNAi技术在实际应用的主要障碍是RNA的稳定性易受田间环境中紫外线、RNA酶、温度和天气变化的影响。

以纳米颗粒作为dsRNA的递送载体，可以有效改善RNA的稳定性和递送效率，从而提高RNAi的生物防治效果。Xu等利用氨基功能化的介孔二氧化硅纳米颗粒递送dsRNA，用于沉默马铃薯Y病毒的外壳蛋白编码基因，试验结果表明负载dsRNA的二氧化硅纳米颗粒能有效沉默靶标基因，并在超过14 d的时间内保护植物免受病毒感染。

三、问题与展望

农药是目前应用最广泛的植物病虫害防治方法，但常规农药常存在利用率低、抗药性强、生物毒性高和环境危害性等问题。作为一种新型病虫害防治技术，纳米二氧化硅可以作为杀虫活性成分或生物刺激剂来保护作物免受病虫害的侵袭，或者作为农药活性成分的载体提高农药的杀虫活性、稳定性、靶标吸附性和缓释性能。另外，纳米二氧化硅还可以作为核酸递送的载体，在植物基因工程和RNA干扰等新型病虫害防治技术中发挥作用。虽然国内外针对纳米二氧化硅的研究已经取得了一定的进展，但纳米二氧化硅在实际应用中仍然存在以下几方面问题。

纳米二氧化硅的规模化生产有一定难度。现有的纳米二氧化硅化学和物理合成法缺乏成本和环境效益。虽然生物合成法有希望克服传统合成法的缺点，但其合成工艺较为复杂，需要进一步建立规模化和标准化的生产工艺。另外，大部分关于纳米二氧化硅防治病虫害的研究都是在实验室条件下进行的，实验过程过于精细，对生产设备、工艺、成本等因素未做过多考虑，导致规模化生产受到限制。

纳米二氧化硅的生物安全性需要进行全面评价。与传统农药不同，纳米二氧化硅的生物毒性与纳米颗粒的粒径分布、形态结构、表面特性和载药率等参数相关，不能简单套用现有的农药毒理学评价标准。另外，纳米二氧化硅在自然环境中的降解、转移和富集等行为，都可能对环境中非靶标生物的生存造成威胁，但目前相关的研究还不充分。因此，有必要建立一套综合性标准来评估纳米二氧化硅的生物毒性和环境行为，更全面地评价其生物安全性。

纳米二氧化硅在农业中应用的政策法规需要完善。目前，世界各国对于纳米技术在农业中的应用缺乏统一的政策法规和行业标准。联合国粮农组织、经合组织和欧盟等国际组织已经将制定适合农业纳米技术发展的指导方针和法规作为重中之重。目前纳米二氧化硅在我国农药登记中还存在一些困难，例如缺少正式的剂型名称，缺少专门的环境评价准则和颗粒尺寸等参数的国家标准。因此，加快纳米二氧化硅评估、登记等相关政策法规的完善，对于促进纳米二氧化硅在农业中的应用有重要意义。

目前，纳米二氧化硅在植物病虫害防治中的应用仍处于起步阶段，大部分研究仅在实验室阶段，距大规模的实际应用还有一定距离。随着对纳米二氧化硅生产工艺的进一步研究，生物安全评价标准的建立，以及相关政策法规的落实，纳米二氧化硅有希望在植物病虫害防治领域发挥巨大的应用价值。