近日，中国农业大学了刘鹏飞老师团队在《Chemical Engineering Journal》发表名为"Cellulose-based nanocarrier for on-demand release and reduced aquatic toxicity of pyraclostrobin in fungal disease management"的期刊论文。
该团队构建基于纤维素的多刺激响应纳米载体，实现吡唑醚菌酯（Pyraclostrobin，Pyr）的精准释放并降低其水生毒性。
发表日期：2025年12月25日
关键词：乙基纤维素；吡唑醚菌酯；响应释放；纳米载体
纤维素作为一种具有优异生物相容性和降解性的天然聚合物，近年来已被广泛用于开发智能农药递送系。以乙基纤维素（EC）为载体，通过简单的溶剂蒸发法制备纳米级农药颗粒。乙基纤维素来源丰富、价格低廉、生物相容性好，且具有优异的成膜性能。但仅靠乙基纤维素无法满足田间应用的多重需求（如光稳定性和耐雨性），因此对乙基纤维素进行功能化修饰，对于拓展其在智能递送平台中的应用至关重要。构建单宁酸 - 铜离子（TCu）金属多酚网络（MPN）作为功能壳层。单宁酸（TA）含有丰富的邻苯二酚类官能团，能与叶片表面角质层形成多个氢键，显著增强叶面附着力。与其他常用于 MPN 形成的金属离子（如 Fe³⁺）相比，我们选择 Cu²⁺的原因在于，铜基杀菌剂已被广泛使用一个多世纪，在防治真菌、卵菌和细菌病害方面具有优异的田间效果。Cu²⁺的杀菌机制与吡唑醚菌酯不同，这种差异有助于实现互补甚至协同的病害防治效果，不仅可能减少吡唑醚菌酯的用量，还能延缓抗药性的产生。此外，TCu 壳层具有 pH 响应性：在立枯丝核菌感染形成的富含草酸的酸性微环境中，TCu 壳层会变得不稳定，从而触发杀菌剂的按需释放。这些特性共同使 TCu MPN 壳层成为增强叶片滞留能力和实现病原菌微环境触发协同防治的合理设计选择。该团队构建了一种多刺激响应纳米载体（Pyr@EC-TCu），其结构为负载吡唑醚菌酯的乙基纤维素纳米颗粒核心，表面包覆 TCu MPN 壳层。系统研究了制备参数对颗粒尺寸的影响，并对纳米载体进行了全面的理化表征，包括颗粒尺寸、Zeta 电位、光谱特性和形貌等。随后，评估了其在病原菌相关刺激下的农药释放行为，以及叶面附着力、光稳定性、抗真菌活性和对斑马鱼的急性毒性。研究结果为构建智能、环境友好的农药递送系统提供了一种有效策略，有望为推动可持续农业发展带来新的思路。图1:Pyr@EC-TCu 纳米颗粒的制备过程及病原菌触发释放机制示意图。该纳米颗粒由负载吡唑醚菌酯的乙基纤维素构成，并包覆单宁酸 - 铜离子（TA-Cu²⁺）壳层。图2围绕吡唑醚菌酯 - 乙基纤维素纳米颗粒（Pyr@EC）的制备参数优化展开，通过溶剂蒸发法制备该纳米颗粒，重点探究了超声功率、乙基纤维素（EC）粘度及吐温 80 浓度对颗粒尺寸和多分散指数（PDI）的影响，其中以 10 g・L⁻¹ 聚乙烯醇（PVA）为稳定剂，随着超声功率从 0 W 提升至 200 W，纳米颗粒的 Z - 平均尺寸从 3389 nm 减小至 845 nm，PDI 从 0.29 降至 0.20，粒径分布更均匀；EC 粘度对颗粒尺寸影响显著，低粘度 EC（9–11 mPa・s）制备的颗粒尺寸最小（656 nm），高粘度 EC（90–110 mPa・s）制备的颗粒尺寸最大（866 nm）；在 PVA 基础上添加吐温 80 可进一步优化颗粒性能，添加 3.3 g・L⁻¹ 吐温 80 时颗粒尺寸降至 289 nm，将吐温 80 浓度提升至 10 g・L⁻¹ 可维持相近尺寸并使 PDI 从 0.32 降至 0.15，这些结果表明通过调控超声功率、聚合物粘度和表面活性剂组成，可实现对 EC 基纳米载体颗粒尺寸和分散性的精准控制，为高效农药递送系统的设计提供了实践参考。图2:Pyr@EC制备参数的优化。（a） 通过溶剂蒸发制备Pyr@EC的示意图。（b–d）在不同条件下制备Pyr@EC的SEM图像、流体动力学尺寸和PDI包括：（b）不同超声功率（0、100、200W）;（c） EC粘度（9–11,45–55,90–110 mPa·s）;（d） 介于80浓度之间（3.3、6.6和10g·L−1)。图3系统呈现了 Pyr@EC-TCu 纳米载体的制备流程、理化表征及核心性能参数，其中 (a) 为该载体的制备示意图，通过在 Pyr@EC 纳米颗粒表面依次加入 Cu²⁺和单宁酸，经配位自组装形成单宁酸 - 铜离子（TCu）金属多酚网络（MPN）壳层；(b、c) 的扫描电子显微镜（SEM）图像显示，Pyr@EC 和 Pyr@EC-TCu 均呈近球形，后者表面因 TCu 纳米簇的存在更粗糙；(d) 的透射电子显微镜（TEM）图像及能量色散 X 射线光谱（EDS）元素 mapping 证实，C、N、O、Cl（来自吡唑醚菌酯）和 Cu（来自 TCu 壳层）在载体中均匀分布，验证了吡唑醚菌酯的成功负载与壳层的稳定包覆；(e、f) 的粒径分布与 zeta 电位数据表明，TCu 壳层包覆后，载体的 Z - 平均粒径从 294.6 nm 增至 405.6 nm，多分散指数（PDI）从 0.152 略升至 0.229，zeta 电位从 - 28.38 mV 降至 - 31.0 mV，胶体稳定性良好；(g) 的检测结果显示该载体的负载效率（LE）达 33.8%，封装效率（EE）为 71.2%，负载能力优于多数传统聚合物载体；(h) 的傅里叶变换红外（FTIR）光谱保留了吡唑醚菌酯、乙基纤维素（EC）及单宁酸的特征吸收峰，且 1173 cm⁻¹ 处新增的宽峰证实了 Cu²⁺与单宁酸的配位作用；(i、j) 的热重分析（TGA）与差热重分析（DTG）曲线表明，Pyr@EC-TCu 的热稳定性优于纯吡唑醚菌酯和 Pyr@EC，800℃时仍保留 18.24% 的残余质量，体现了 TCu 壳层的热稳定增强作用。图3:Pyr@EC-TCu 的制备示意图；Pyr@EC（b）和Pyr@EC-TCu（c）的SEM图像;（d） Pyr@EC-TCu的透射电子元件图像和EDS元素映射;（e）颗粒尺寸分布，（f）Pyr@EC和Pyr@EC-TCu的Zeta电位;（g） 加载效率（LE）和封装效率（EE）。(h) 吡唑醚菌酯（Pyr）、乙基纤维素（EC）、Pyr@EC、单宁酸（Ta）及 Pyr@EC-TCu 的FTIR；(i) 热重分析（TGA）曲线和 (j) 差热重分析（DTG）曲线。图4系统呈现了 Pyr@EC-TCu 纳米载体的多刺激响应释放特性、动力学规律及相关机制，涵盖 pH、温度、纤维素酶对吡唑醚菌酯释放的影响、释放动力学拟合、形貌演变、铜离子释放及机制示意图等内容：在 pH 响应方面，中性条件（pH 7.0）下 108 小时累计释放率仅 29.2%，酸性（pH 4.8）和碱性（pH 9.2）条件下分别提升至 49.0% 和 35.6%，且 pH 4.8 时铜离子（Cu²⁺）72 小时累计释放率达 98.43%，远高于 pH 7.0 的 23.48%，TEM 图像显示酸性条件下载体外壳部分解离；温度升高促进释放，40℃时累计释放率达 50.6%，显著高于 25℃的 29.2%；纤维素酶是主要触发因子，无酶时释放率低于 51%，而在 10 U・mL⁻¹ 和 20 U・mL⁻¹ 纤维素酶作用下，60 小时累计释放率分别达 90.5% 和 92%，时间序列 TEM 图像清晰展示了载体从完整光滑到逐渐侵蚀、最终崩解的形貌演变，DLS 数据显示酶浓度越高，载体流体力学尺寸扩张越明显；释放动力学拟合结果表明，中性条件下遵循零级动力学和菲克扩散，酸性及纤维素酶存在时为非菲克扩散，释放机制从扩散控制转变为侵蚀控制；此外，通过零级、一级、希古奇（Higuchi）和里特格 - 佩帕斯（Ritger–Peppas）四种模型对释放数据进行拟合，进一步阐明了不同环境下的释放规律，整体验证了 Pyr@EC-TCu 对病原菌感染微环境的精准响应能力。
图4:(a)（a） pH 对Pyr@EC-TCu 中吡酯链素累积释放的影响;（b） 温度依赖的释放曲线;（c）纤维素酶存在时的酶响应释放行为;(d) Pyr@EC 与 Pyr@EC-TCu 中Pyr的累积释放量对比；(e–h) 释放数据的动力学拟合结果，分别采用 (e) 零级动力学模型、(f) 一级动力学模型、(g) Higuchi模型和 (h)Ritger–Peppas模型；(i1–i4) 时间序列TEM图像，展示了在 20 U・mL⁻¹ 纤维素酶作用下，Pyr@EC-TCu 在 0、24、36 和 72 小时的形貌演变；(j) 不同纤维素酶活性（0、10 和 20 U・mL⁻¹）下的流体力学尺寸演变；(k) Pyr@EC-TCu 在 pH 4.8 和 pH 7.0 条件下的铜离子释放曲线：Cu²⁺浓度（左轴）和累积释放量（右轴）随时间的变化关系；(l) pH 4.8 条件下处理 12 小时后的代表性 TEM 图像（右侧为放大图）；(m) Pyr@EC-TCu 的多刺激响应释放机制示意图。图5呈现了不同吡唑醚菌酯制剂对立枯丝核菌（R. solani）的体外抗真菌活性及对水稻纹枯病的防治效果，其中 (a、b) 为马铃薯葡萄糖琼脂（PDA）培养基上的体外活性测试结果，涉及吡唑醚菌酯原药（Pyr TC）、乳油（Pyr EC）、纳米乳剂（Pyr NE）、Pyr@EC、Pyr@EC-TCu 及 EC-TCu 空白颗粒六种处理，所有制剂均表现出浓度依赖性抑制作用，基于半数有效浓度（EC₅₀）的抗菌效力排序为 Pyr TC（0.081 mg・L⁻¹）> Pyr EC（0.088 mg・L⁻¹）> Pyr@EC-TCu（0.099 mg・L⁻¹）> Pyr NE（0.115 mg・L⁻¹）> Pyr@EC（0.175 mg・L⁻¹），EC-TCu 空白颗粒单独也能产生 2.2%–14.9% 的抑制率，证实铜离子的内在杀菌作用；(c、d) 为温室人工接种条件下的防治效果测试，Pyr@EC-TCu 和 Pyr EC 在处理 7 天后的防效分别达 88.9% 和 81.0%，14 天后 Pyr EC 防效降至 70.9%，而 Pyr@EC-TCu 仍维持 81.0% 的高防效，EC-TCu 空白颗粒 7 天和 14 天的抑制率分别为 42.4% 和 34.9%，柱形图上方不同小写字母表明各处理间存在统计学显著差异（p<0.05，单因素方差分析及事后检验），整体结果显示 Pyr@EC-TCu 因吡唑醚菌酯的持续释放与 Cu²⁺的协同作用，展现出优于传统制剂的抗真菌活性和长效防治效果。图5:(a, b) PDA培养基上，Pyr TC、Pyr EC、Pyr NE、Pyr@EC、Pyr@EC-TCu 及 EC-TCu对R. solani的体外抗真菌活性；(c, d) Pyr EC、Pyr@EC-TCu 及 EC-TCu 对水稻纹枯病的防治效果。图6围绕 Pyr@EC-TCu 制剂的光稳定性、叶面持液量、耐雨性及相关机制展开，呈现了多方面关键性能数据与表征结果：在 254 nm 紫外线照射下，Pyr@EC-TCu 的光降解曲线显示其光稳定性显著优于吡唑醚菌酯原药（Pyr TC）和 Pyr@EC，UV 照射 36 小时后仍保留 58.5% 的活性成分，这得益于乙基纤维素核心的物理阻隔与单宁酸 - 铜离子（TCu）金属多酚网络（MPN）壳层的紫外线吸收协同作用；叶面持液量测试中，Pyr@EC-TCu 的持液量最高且与其他制剂存在统计学显著差异（p<0.05）；模拟降雨量（0–30 mL）增加的情况下，Pyr@EC-TCu 在水稻叶片表面的保留率达 68.4%，远高于吡唑醚菌酯乳油（Pyr EC，14.7%）和纳米乳剂（Pyr NE，19.4%）；扫描电子显微镜（SEM）图像清晰展示了不同冲洗条件下（无冲洗、10 mL 及 30 mL 去离子水冲洗）Pyr@EC-TCu 和 Pyr NE 在水稻叶片表面的沉积状态，Pyr@EC-TCu 即便经 30 mL 水冲洗后仍有大量纳米颗粒留存于叶片表皮缝隙，而 Pyr NE 仅残留稀疏结晶，同时通过未处理水稻叶片的 SEM 图像作为对照，直观印证了 Pyr@EC-TCu 的优异叶面附着力；此外，图中还提出了 Pyr@EC-TCu 相较于传统制剂提升光稳定性和耐雨性的推测机制，即化学层面单宁酸的酚羟基与叶片角质层形成氢键、物理层面颗粒嵌入叶片微纳结构产生机械联锁效应。图6:(a) Pyr TC、Pyr@EC 及 Pyr@EC-TCu 在 254 nm 紫外线照射下的光降解曲线；(b) 蒸馏水、Pyr EC、Pyr NE、Pyr@EC 及 Pyr@EC-TCu 制剂施用后的持液量；(c) 随着模拟降雨量（0–30 mL）增加，Pyr EC、Pyr NE、Pyr@EC 及 Pyr@EC-TCu 在水稻叶片表面的保留率；(d–e) SEM图像，展示不同冲洗条件下（无冲洗、10 mL 去离子水冲洗、30 mL 去离子水冲洗）Pyr@EC-TCu（d1–d3）和 Pyr NE（e1–e3）制剂在水稻叶片表面的沉积情况；(f) 未处理水稻叶片表面的 SEM 图像；(g) 与传统制剂相比，Pyr@EC-TCu 提升光稳定性和耐雨性的推测机制。图7展示了斑马鱼暴露于吡唑醚菌酯乳油（Pyr EC）、Pyr@EC 及 Pyr@EC-TCu 三种制剂后，在 24 小时、48 小时、72 小时和 96 小时四个时间点的死亡率剂量 - 反应曲线，数据以平均值 ± 标准差（SD）表示（每组 15 尾斑马鱼）；结果显示，Pyr EC 对斑马鱼具有高急性毒性，其半数致死浓度（LC₅₀）在 0.068–0.075 mg・L⁻¹ 之间，而纳米制剂 Pyr@EC 和 Pyr@EC-TCu 均显著降低了这种毒性，其中 Pyr@EC 的 LC₅₀为 0.184–0.292 mg・L⁻¹，Pyr@EC-TCu 的 LC₅₀进一步提升至 0.386–0.580 mg・L⁻¹，相较于 Pyr EC，Pyr@EC-TCu 将斑马鱼的急性毒性降低了 5.7–7.7 倍，这一差异源于 EC 基质与 TCu 壳层形成的物理屏障延缓了吡唑醚菌酯的扩散，减少了其与斑马鱼鳃组织的直接接触，同时纳米颗粒在暴露期间保持良好的胶体稳定性，未发生明显聚集或沉淀。图7:剂量 - 反应曲线，展示斑马鱼（Danio rerio）暴露于Pyr EC、Pyr@EC 及 Pyr@EC-TCu 后不同时间点的死亡率：(a) 24 小时、(b) 48 小时、(c) 72 小时、(d) 96 小时。图8呈现了不同处理对水稻幼苗的药害评估结果，包含 10 天后未处理对照组（CK）、EC-TCu 空白颗粒处理组（T1）和 Pyr@EC-TCu 处理组（T2）的植株代表性图像，以及株高、根长、地上部鲜重三项生长参数的定量分析；从结果来看，三组植株在外观上无明显差异，且定量分析显示 T1 组、T2 组与 CK 组在株高、根长、地上部鲜重方面均无统计学显著差异（p>0.05），未出现矮化、黄化、坏死等典型药害症状，表明该 Pyr@EC-TCu 纳米载体在水稻幼苗营养生长早期具有良好的生物相容性，不会对水稻生长及生理发育产生负面影响。图8:不同处理对水稻幼苗的药害评估。(a) 10 天后，未处理对照组（CK）、EC-TCu处理组（T1）和 Pyr@EC-TCu 处理组（T2）的植株代表性图像；(b–d) 植物生长参数的定量分析：(b) 株高、(c) 根长、(d) 地上部鲜重。该研究通过简便的溶剂蒸发法成功合成了负载吡唑醚菌酯的乙基纤维素纳米颗粒，并在其表面包覆单宁酸 - 铜离子（TCu）金属多酚网络（MPN），构建出多刺激响应纳米载体 Pyr@EC-TCu；该载体以纤维素酶为主要触发因子，pH 和温度为次要触发因子，在病原菌感染位点可实现吡唑醚菌酯的精准按需释放（60 小时内累计释放率达 92%），且 TCu 壳层释放的 Cu²⁺能与吡唑醚菌酯产生协同杀菌作用，显著提升对水稻纹枯病的防治效果（7 天防效 88.9%，14 天仍保持 81.0%）；同时，该载体具备优异的抗紫外线降解能力和耐雨性，能减少农药流失，且对斑马鱼的急性毒性降低 7.7 倍，对水稻幼苗无明显药害，展现出良好的环境相容性；不过，铜离子在农业生态系统中的潜在累积风险需引起关注，未来需开展铜基纳米载体的全生命周期生态安全性评估，以平衡其杀菌效能与长期生态安全，为可持续农业提供更完善的智能农药递送方案。文 章 题 目：Cellulose-based nanocarrier for on-demand release and reduced aquatic toxicity of pyraclostrobin in fungal disease management.本公众号对相关研究成果的解读，仅供科研探讨与学术学习；如涉及侵权问题，烦请通过后台联系我方作删除处理。
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