华南农业大学张志祥老师与张佩文老师团队合作在《ACS Sustainable Chemistry & Engineering 》发表名为"Laccase-Responsive Biobased Nanocarriers from Lignin/Chitosan for Enhanced Foliar Adhesion and Targeted Pesticide Delivery" 的期刊论文。该团队聚焦绿色农业痛点，开发了一种高效、环保的农药递送系统（Pyr@CS/LNPs），核心价值在于解决传统农药利用率低、污染环境的问题。
发表日期：2025年10月14日
关键词：木质素；壳聚糖；纳米颗粒；漆酶响应型释放；叶面附着力；双向转运
木质素是自然界中唯一的芳香族高分子聚合物，也是地球上储量仅次于纤维素的第二大可再生生物质资源，作为木材的主要成分，可从制浆造纸工业的副产物中提取获得。木质素无毒、成本低廉、易获取、可再生，兼具两亲性和紫外屏蔽特性，因此被广泛研究并用作农药递送领域的载体材料。目前，木质素纳米载体的主要制备方法包括沉淀法、机械法、聚合法和自组装法，其中自组装法是木质素分子在溶液中的常规聚集过程，因操作简单、可规模化制备且环境友好，得到了广泛应用。壳聚糖是自然界中唯一的阳离子多糖，凭借独特的生物降解性、生物相容性、抗菌活性和黏附性能，成为农业应用领域的理想材料。利用带相反电荷的壳聚糖对木质素纳米载体进行表面包覆，是一种提升其实际应用价值的简便高效方法。草莓是全球广泛种植的经济作物，每吨经济价值可达 2671.3 美元。灰葡萄孢菌作为第二大重要植物病原真菌，会导致草莓的产量和品质大幅下降。相关研究表明，灰葡萄孢菌在侵染过程中会分泌大量草酸，降低侵染位点的 pH 值，刺激漆酶等多种酶的产生并提高其活性，而漆酶参与木质素的降解过程，其酶解作用可断裂木质素的复杂芳香环网络，生成低分子量酚类化合物。这一降解机制为农药的靶向释放提供了生物触发条件：当漆酶作用于木质素基纳米载体时，包封的农药可在侵染位点快速释放。该研究首先通过自组装法合成载吡唑醚菌酯木质素纳米颗粒（Pyr@LNPs），再利用静电作用在其表面修饰壳聚糖，制备得到漆酶响应型纳米递送体系（Pyr@CS/LNPs）。本研究对制备的 Pyr@CS/LNPs 进行了全面表征，并对其农药负载性能、光稳定性、控释行为、叶面黏附性等关键性能进行了评价；探究了该制剂对灰葡萄孢菌的体外和体内杀菌活性；此外，还研究了 Pyr@CS/LNPs 在草莓植株中的吸收、转运规律及生物安全性，旨在阐明壳聚糖 / 木质素纳米载体作为可持续、可控农药递送平台的应用潜力。图1系统包含木质素纳米颗粒（LNPs）在丙酮水溶液中制备过程的示意图（a）和不同水含量下的扫描电镜（SEM）图像（b），直观展现了 LNPs 的形成过程与形貌演变：水不溶性木质素可完全溶解于丙酮，向该体系中逐步加水时，木质素分子会因溶剂极性改变发生自组装，水含量达 20% 时疏水性木质素分子开始聚集为局部簇状，随水含量持续增加，木质素分子进一步自组装，60% 水含量时多数转化为典型球形的 LNPs，80% 水含量时该过程基本完成，后续经旋转蒸发除去丙酮即可获得稳定的 LNPs 水悬浮液；而其形成机制主要是木质素分子在水 - 丙酮两相界面形成膜结构，随水含量增加膜内外压力差引发相转变，木质素分子通过 π-π 相互作用层层自组装聚集在膜内表面，最终形成内部致密的 LNPs，其表面的小孔则是残留丙酮在膜内外压力差作用下突破表面所致，木质素分子的自组装主要由 π-π 相互作用驱动，且倾向于形成球形以降低表面能。图1：（a）木质素纳米颗粒在丙酮水溶液中的制备过程示意图；（b）不同水含量条件下的扫描电镜图像图2为Pyr@CS/LNPs 的制备流程示意图，该制备过程分两步完成，先通过自组装法制备载药木质素纳米颗粒，再利用静电作用完成壳聚糖的表面包覆：首先将木质素与吡唑醚菌酯（Pyr）共同溶解于丙酮中，向该混合溶液中按一定速率加入水，借助溶剂极性改变引发的自组装作用形成复合体系，随后通过旋转蒸发去除丙酮，得到稳定的载吡唑醚菌酯木质素纳米颗粒（Pyr@LNPs）水悬浮液；接着将制备好的 Pyr@LNPs 悬浮液缓慢加入至 1% 乙酸配制的壳聚糖（CS）溶液中，二者按 1:1 的体积比混合后在室温下磁力搅拌 24 h，利用带正电的壳聚糖与带负电的 Pyr@LNPs 之间的静电相互作用，使壳聚糖成功包覆在 Pyr@LNPs 表面，最终制得漆酶响应型的 Pyr@CS/LNPs 纳米递送体系。图3通过 SEM、TEM、EDS、动态光散射、XRD、TG、UV-vis 和 FTIR 多种表征手段，系统分析了 LNPs、CS/LNPs、Pyr@CS/LNPs 的理化特性：三者均为内部致密的规则球形，CS 包覆使 CS/LNPs 和 Pyr@CS/LNPs 表面变粗糙，EDS 证实 Pyr@CS/LNPs 中存在氯元素，说明农药包封成功；三者 Z 平均粒径依次为 183.0、191.3、233.6 nm，ζ 电位从 LNPs 的 - 28.07 mV 经 CS 包覆转为 + 35.63 mV，载药后升至 + 45.43 mV，电位绝对值均大于 30 mV 保证了分散稳定性；XRD 显示 Pyr 为高结晶态，而三种纳米颗粒均为无定形且无 Pyr 特征晶峰，表明农药以无定形包封；TG 曲线验证了 CS 的成功包覆和 Pyr 的有效负载，且 Pyr@CS/LNPs 能提升农药的热稳定性；UV-vis 光谱中木质素特征峰经自组装和载药依次蓝移，且 LNPs 和 CS/LNPs 紫外吸收显著增强，具备优异的紫外屏蔽能力；FTIR 光谱中三者均保留木质素特征峰，Pyr@CS/LNPs 同时出现 Pyr 的特征峰，结合各表征结果，证实了 Pyr@CS/LNPs 纳米递送体系的成功构建，且各组分间存在静电作用、氢键和 π-π 相互作用。图3：（a-h）透射电镜图像；（i）能谱分析图像；（j）平均粒径；（k）Zeta电位；（l）X 射线衍射图谱；（m）热重曲线；（n）紫外 - 可见吸收光谱；（o）傅里叶变换红外光谱。图4通过 XPS 全谱与高分辨谱分析，明确了 LNPs、CS/LNPs 和 Pyr@CS/LNPs 的表面元素组成与化学态变化，验证了壳聚糖包覆和吡唑醚菌酯负载的成功性并揭示了组分间相互作用：全谱扫描中 LNPs 仅含 C、O 元素，CS/LNPs 新增 N 元素峰证实壳聚糖包覆，Pyr@CS/LNPs 又出现 Cl 元素特征峰直接证明农药负载；高分辨谱下，CS/LNPs 的 N 1s 峰对应壳聚糖的 N-H、C-N 基团，而 Pyr@CS/LNPs 的 N 1s 出现吡唑环 N 和苯基 N 的新峰，C 1s 新增 C-N、C=N 峰，O 1s 的 - OC、-O-C 峰发生位移，同时 Cl 2p 清晰呈现特征分裂峰，这些谱图变化表明吡唑醚菌酯与载体间存在氢键等相互作用，各组分化学态因复合发生适应性改变，进一步佐证了 Pyr@CS/LNPs 纳米递送体系的成功构建。图5探究了木质素与吡唑醚菌酯不同质量比对 Pyr@LNPs 的外观、粒径及负载性能的影响，并展示了 Pyr@CS/LNPs 的负载效率与木质素和吡唑醚菌酯间的相互作用：随木质素 / 吡唑醚菌酯质量比增大，Pyr@LNPs 悬浮液颜色从黄色变为乳白色，Z 平均粒径从 195.5 nm 增至 320.3 nm 且粒径分布变宽，其载药量从 20.4% 显著提升至 66.8%，包封率则先升至 79.2% 的峰值后下降至 67.3%，过高吡唑醚菌酯投入易导致药物溢出，其中质量比 20:20 的 Pyr@LNPs 载药量 57.20%、包封率 77.00%，被选为后续实验材料；经壳聚糖包覆后的 Pyr@CS/LNPs 载药量与包封率略有下降，分别为 46.66% 和 71.00%；而木质素与吡唑醚菌酯间主要通过疏水作用、π-π 堆积和氢键结合，形成核壳结构的 Pyr@LNPs，吡唑醚菌酯因疏水作用自聚集为核，木质素分子通过分子间相互作用包覆形成壳，这也是该纳米载体具备高负载性能的关键原因。图5：（a）外观图、（b）粒径分布图、（c）载药量与包封率；（d）载吡唑醚菌酯壳聚糖 / 木质素纳米颗粒的载药量与包封率；（e）木质素与吡唑醚菌酯之间可能存在的分子间作用力示意图。图6围绕 Pyr@CS/LNPs 的光稳定性和漆酶响应控释行为展开多维度表征，直观展现其核心性能优势：首先通过模拟紫外降解实验，发现 Pyr SC 在紫外照射下降解速率远高于 Pyr@CS/LNPs，后者的光解半衰期是前者的 2.65 倍，证实该纳米递送体系能显著提升吡唑醚菌酯的光稳定性；同时通过体外释放实验，显示 Pyr@LNPs 在漆酶（6、12 U/g）刺激下吡唑醚菌酯释放量大幅提升，12 U/g 漆酶下 120 h 累积释放达 94.72%，而 Pyr@CS/LNPs 因壳聚糖包覆形成物理屏障，漆酶响应释放被显著抑制，12 U/g 漆酶下 120 h 仅释放 32.05%，且威布尔模型能最佳拟合二者的释放动力学；此外，SEM 图像还显示漆酶处理会逐步破坏 Pyr@LNPs 的球形结构，而 Pyr@CS/LNPs 的形貌几乎无变化，与释放数据相互印证，同时示意图也清晰阐释了漆酶对两种纳米颗粒的不同作用机制，为该体系的靶向控释提供了直观和数据支撑。图6：（a）漆酶响应机制示意图；（b）降解率；（c）二者的准一级动力学曲线；（d、e）累积释放曲线；（f、g）释放动力学模型拟合曲线；（h）扫描电镜图像。图7通过接触角、表面张力、叶面保留量测定及模拟雨水冲洗实验，结合 SEM 表征，系统探究了水、Pyr SC、Pyr@LNPs 和 Pyr@CS/LNPs 在草莓叶片上的润湿性与黏附性：Pyr@CS/LNPs 的接触角和表面张力均低于其他组，润湿性表现优异且不含表面活性剂和有机溶剂，环境友好性更佳；其在草莓叶片上的保留量也显著高于其他组，模拟雨水冲洗后，Pyr@CS/LNPs 的农药残留量是 Pyr SC 的 3.15 倍，黏附性优势明显；SEM 图像显示，Pyr SC 在叶片表面呈大而不规则的聚集体，冲洗后大量脱落，Pyr@LNPs 覆盖性有所提升但仍有部分脱落，而 Pyr@CS/LNPs 能在叶片表面形成均匀且附着力强的薄膜，结合了纳米颗粒的尺寸优势和壳聚糖的黏膜黏附特性，因此具备优异的抗雨水冲刷能力。图7：（a、b），（c）表面张力；（d）滞留量；（e）冲洗前后，在草莓叶片上的吡唑醚菌酯含量，（f）残留率；（g-j）冲洗前后的扫描电镜图像。图8通过体外和体内实验探究了不同制剂对灰葡萄孢菌的杀菌活性，结果显示各吡唑醚菌酯制剂均呈剂量依赖性抑菌效果，且载体 LNPs 和 CS/LNPs 本身也有一定杀菌作用，其中 CS/LNPs 因壳聚糖的广谱抗真菌性抑菌效果更优；体外实验中 Pyr@LNPs 的 EC₅₀最低，Pyr@CS/LNPs 略高，这与壳聚糖包覆延缓农药释放相关，而体内草莓叶片抑菌实验中，Pyr@CS/LNPs 的病斑抑制率显著高于 Pyr SC 和 Pyr@LNPs，在处理 3 天时优势尤为明显，其优异的体内杀菌效果源于壳聚糖包覆带来的良好叶面滞留性、农药的持续释放特性，以及纳米载体自身的抗真菌作用，三者协同提升了农药在侵染位点的生物利用度。图8：（a、b）对灰葡萄孢菌的体外杀菌活性；（c、d）对灰葡萄孢菌的体内杀菌活性。图9以激光共聚焦显微镜观察了水和荧光标记的 FITC@CS/LNPs 分别经根部、叶片处理后草莓不同组织的荧光分布，清晰揭示了 CS/LNPs 在草莓植株中的吸收与双向转运特性：水处理组仅见叶绿体的红色自发荧光，无绿色荧光；经根部处理后，草莓根尖和根部出现强绿色荧光，茎维管束荧光信号也较明显，叶片维管束有微弱荧光，且纳米颗粒优先聚集在侧根和不定根结合处；经叶片处理后，叶片呈现强绿色荧光，茎和根的维管束也有强烈荧光信号，仅根尖荧光较弱，且叶部吸收的纳米颗粒会通过维管系统向下转运并聚集在另一侧不定根区域；两种处理方式下均能在草莓根、茎、叶、根尖检测到绿色荧光，且叶片处理的荧光信号更强，说明该途径的转运效率更高，同时也证实 CS/LNPs 可通过植物维管系统实现长距离转运，根部吸收的颗粒向上运输，叶片吸收的颗粒则经角质层、气孔进入植株后向下运输。图9：（a）水处理组草莓各组织的激光共聚焦荧光成像图；（b）异硫氰酸荧光素标记的壳聚糖 / 木质素纳米颗粒经根部处理后、（c）经叶片处理后草莓各组织的激光共聚焦荧光成像图。图10通过定量检测对比了吡唑醚菌酯商业悬浮剂（Pyr SC）与 Pyr@CS/LNPs 经根部、叶片处理后，吡唑醚菌酯在草莓根、茎、叶组织中的分布含量，清晰体现出 Pyr@CS/LNPs 的农药递送优势：根部处理 24 小时后，Pyr@CS/LNPs 组草莓根、茎、叶中的农药含量远高于 Pyr SC 组，其中根部含量差距最为显著；叶片处理 24 小时后，Pyr@CS/LNPs 组在各组织中的农药含量同样均高于 Pyr SC 组，茎和叶部的提升效果尤为明显；两种处理方式下，Pyr@CS/LNPs 均能促进草莓对农药的吸收与转运，让各组织中农药含量显著提升，有效提高了农药在植株内的分布与利用效率。图10：吡唑醚菌酯商业悬浮剂与载吡唑醚菌酯壳聚糖 / 木质素纳米颗粒经（a）根部吸收、（b）叶片吸收。图11通过测定草莓植株的株高、鲜重、根长等核心生长指标，并结合植株表型照片，探究了水、LNPs、CS/LNPs、Pyr SC、Pyr@LNPs 和 Pyr@CS/LNPs 不同处理组在 7 天处理后对草莓生长的影响，结果显示各处理组的草莓生长指标与空白对照组相比均无显著差异，且不同浓度的各制剂处理也未对草莓产生不良影响，直观证实了 Pyr@CS/LNPs 这一木质素 - 壳聚糖基纳米递送体系对草莓植株无生长抑制作用，具备良好的植物生物安全性。图11：草莓植株的（a）表型照片、（b）株高、（c）鲜重和（d）根长。该研究以自组装和静电作用为手段，成功构建了负载吡唑醚菌酯的壳聚糖 / 木质素纳米递送体系 Pyr@CS/LNPs，该纳米载体呈均匀球形，平均粒径 233.6 nm 且载药量高达 46.66%，性能优势显著：相较吡唑醚菌酯商业悬浮剂，其能大幅提升农药的紫外光稳定性，且在模拟灰葡萄孢菌侵染的漆酶刺激下可实现农药的快速靶向释放；壳聚糖的包覆还显著提升了该体系在草莓叶片上的黏附与滞留能力，同时其可在草莓植株内实现双向转运，助力农药的定向递送；生物测定表明，Pyr@CS/LNPs 对灰葡萄孢菌的防治效果优于商业制剂，且生物安全性良好，不仅降低了对蚯蚓的急性毒性，还对草莓的正常生长无任何不利影响，证实木质素 - 壳聚糖基天然高分子纳米载体具备优异的生物相容性。该体系虽为绿色高效的农药控释系统研发提供了可行策略，对推动农业资源高效利用和可持续发展具有重要意义，但目前仍面临规模化生产的成本与工艺优化问题，且其长期环境风险、复合环境胁迫下的田间表现仍需开展全面深入的研究验证。文章题目：Laccase-Responsive Biobased Nanocarriers from Lignin/Chitosan for Enhanced Foliar Adhesion and Targeted Pesticide Delivery.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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