水稻纹枯病由 Rhizoctonia solani 引发，可造成水稻严重减产，是全球水稻种植区的重大真菌性病害。长期依赖三唑类等传统药剂已导致病原菌抗性风险增加，且常规药剂易流失、靶向性差，造成环境污染与利用率低下，开发高效、智能、环境友好的新型农药递送系统迫在眉睫。
高效三唑类杀菌剂己唑醇（Hex）是防治纹枯病的重要药剂，但其在应用中存在易挥发、淋溶流失、利用率低等问题，且对水生生物具有一定毒性。
羧甲基纤维素（CMC）来源广泛、可生物降解、生物相容性优异，是潜在的农用高分子材料。其丰富的羟基与羧基便于功能化，并能改善药液在疏水叶面的润湿铺展能力。更为重要的是，水稻纹枯病菌在侵染过程中会分泌纤维素酶和有机酸，这为设计酶/pH双响应递药系统提供了关键的生物学线索。
基于此，东北农业大学叶飞/付颖/高爽教授团队在国际知名期刊《Carbohydrate Polymers》上发表了一项研究。研究团队将CMC接枝到负载己唑醇的中空介孔二氧化硅纳米粒（HMSNs）表面，构建了Hex/HMSN-CMC复合纳米系统。该系统可特异性响应病菌侵染微环境（纤维素酶及弱酸性），实现药物的靶向控释；CMC的引入显著增强了纳米粒在稻叶表面的黏附与润湿性能；中空介孔结构则实现了12%的高载药量。该系统展现出卓越的抑菌活性，并能在菌丝体及水稻植株内双向运输。生物安全性评估表明，该体系能促进水稻种子萌发，且对斑马鱼的急性毒性较商业剂型降低16.65%。
这项工作成功创建了一种兼具“环境响应触发释药”、“叶面高效沉积与滞留”和“生物安全性提升”功能的智能纳米农药递送系统，为应对真菌病害、提高农药利用率、减少面源污染提供了新策略。
表征测试
合成路线： 成功制备了 Hex/HMSN–CMC 纳米载药体系，通过物理吸附负载己唑醇，氨基化修饰后经酰胺化反应接枝 CMC。
透射电镜与扫描电镜（TEM/SEM）：观察到Hex/HMSN–NH₂ 接枝 CMC 后，样品表面变得粗糙且具有黏连性，CMC 包覆在 HMSNs 表面，且平均粒径增大至 133.44±1.41 nm。
图. ZIF-8的合成步骤（a）；TEM图像（b）、SEM图像（c）和粒径分布图（d），HMSNs的TEM图像（e）、SEM图像（f）和粒径分布图（g），Hex/HMSN–NH2的TEM图像（h）、SEM图像（i）和粒径分布图（j），Hex/HMSN–CMC的TEM图像（k）、SEM图像（l）和粒径分布图（m）。
傅里叶变换红外光谱（FTIR）：成功证实了氨基的引入（1500 cm⁻¹）及 CMC 的接枝（–CONH– 峰位于 1640 cm⁻¹ 和 1512 cm⁻¹，C–N 峰位于 1412 cm⁻¹）。
X 射线衍射（XRD）：所有样品在 2.46° 处均出现介孔结构衍射峰，但接枝与载药后峰强度显著降低。
比表面积与孔结构分析（BET/BJH）： 修饰后比表面积与孔容逐步下降，最终 Hex/HMSN–CMC 的比表面积降至 55.6552 m²/g，孔容降至 0.1684 cm³/g，孔径由 2.05 nm 降至 1.01 nm。
Zeta 电位：HMSNs 带负电（–OH），HMSN–NH₂ 带正电（–NH₂），CMC 修饰后再次带负电（–OH、–COOH），且绝对值 >30，表明体系分散稳定性良好，每一步的电位变化均证明接枝反应成功进行。
热重分析（TGA）：质量损失率依次为 HMSNs 16%、HMSN–NH₂ 24%、Hex/HMSN–NH₂ 29%、Hex/HMSN–CMC 40%；计算得出氨基官能化率 8%、载药量 12%、CMC 接枝量 19%。
X 射线光电子能谱（XPS）：证实 HMSN–NH₂ 引入氮元素（402.6 eV），负载己唑醇后出现氯（Cl）2p 峰，CMC 修饰后碳、氧元素增加，并出现微弱钠（Na）1s 峰。
图. 样品傅里叶变换红外光谱（a）、X射线衍射光谱（b）、氮气吸附-脱附等温线（c）、ζ电位（d）、热重分析（TGA）曲线（e）和X射线光电子能谱（XPS）光谱（f）。
高分辨 XPS（C 1s / N 1s）：确认 C–N 与 N–H 结合能分别偏移 0.37 eV 和 0.47 eV，证实–NH₂ 与–COOH 发生反应，成功形成酰胺键。
图. Hex/HMSN–NH2的C 1s（a）和N 1s（b）谱图，Hex/HMSN–CMC的C 1s（c）和N 1s（d）谱图，以及Hex/HMSN–NH2与CMC相互作用的机理（e）。
叶片附着性能与控释性能
接触角：Hex/HMSN–CMC 在水稻叶片上的润湿性能显著优于纯水和纯己唑醇。纯水接触角为 148.18°，纯己唑醇为 133.78°，10 s 内基本不变；Hex/HMSN–CMC 接触角在 2 s 内由 147.58° 迅速降至 117.78°。
粒径对附着的影响：Hex/HMSN–CMC 粒径较小（133.44 nm），易嵌入水稻叶片蜡质层，减少雨水冲刷与飘移损失。
累积释放率：在纤维素酶存在条件下，Hex/HMSN–CMC 的己唑醇累积释放率可达 83%，表明 CMC 包覆层易被纤维素酶降解。
pH 响应释放：弱酸性环境（pH 5.0）下释放速率加快，弱碱性环境（pH 9.0）下释放速率减慢，该结果表明 Hex/HMSN–CMC 可对酸性环境产生响应链收缩封闭孔道。
释放动力学模型：不同 pH 条件下释放行为均符合一级动力学模型（R² > 0.99），表明释放速率与浓度正相关。
Ritger–Peppas 扩散指数：pH 5.0 时 n = 0.51，pH 7.0 时 n = 0.45，说明己唑醇释放同时受骨架溶蚀与非费克扩散控制；pH 9.0 时 n = 0.38（< 0.43），为费克扩散主导，释放更缓慢持久。
纤维素酶响应释放：有纤维素酶时，一级、Higuchi 与 Ritger–Peppas 模型的 R² 均 > 0.98，扩散指数 n = 0.78，表现为非费克扩散，释放速率显著加快。
图. Hex/HMSN–CMC和Hex的接触角（a，b）。Hex/HMSN–CMC喷洒后的叶片滞留和粘附示意图（c）。立枯丝核菌感染以及Hex/HMSN–CMC对纤维素酶和pH值的响应示意图（d）。不同条件对Hex/HMSN–CMC释放性能的影响（e）。不同的释放动力学模型（f–i）。
抑菌活性
Hex/HMSN–CMC 对立枯丝核菌的抑菌活性显著优于市售己唑醇悬浮剂（Hex SC），且呈浓度依赖性。培养 5 天时，Hex/HMSN–CMC 的 EC₅₀ 为 0.638 mg/L，Hex SC 为 1.281 mg/L；培养 10 天时，Hex/HMSN–CMC 的 EC₅₀ 为 1.404 mg/L，Hex SC 为 2.454 mg/L。
载体自身抑菌活性： HMSN–CMC 本身具有一定抑菌活性，可通过诱导病原菌细胞内活性氧（・OH、・O₂⁻、¹O₂）过量产生，造成菌丝过氧化损伤。
菌丝内分布： FITC@HMSN–CMC 处理后，菌丝在 488 nm 激发下呈现绿色荧光，证明 HMSN–CMC 可通过内吞作用将己唑醇运载至菌丝内部。
图. 第5天和第10天后，Hex SC和Hex/HMSN–CMC对水稻纹枯病菌的杀菌活性图像（a）。第5天（b）和第10天（c）后，Hex SC和Hex/HMSN–CMC对水稻纹枯病菌的抑制率。HMSN–CMC在菌丝体中的分布（d）。
在水稻植株中的分布与转运
FITC@HMSN–CMC 处理根系或叶片后，在根、茎、叶中均观察到绿色荧光，表明 HMSN–CMC 可在水稻植株内具备双向长距离运输能力，48 h 内被高效吸收。
己唑醇在植株中的分布： 处理 2 天后，Hex/HMSN–CMC 处理组叶片与根系中的己唑醇含量均高于 Hex SC 处理组，证明其具有更优异的吸收与传导性能。
图. HMSN–CMC在水稻植株中的分布和转运（a）。与Hex悬浮剂（SC）相比，Hex/HMSN-CMC处理根部（b）和叶片（c）后，水稻植株中Hex的浓度随时间变化情况（b和c）。HMSN–CMC在水稻植株中的转运示意图（d）。
生物安全性评价
种子发芽率： Hex/HMSN–CMC 对水稻种子萌发无抑制作用，发芽率较对照组略有提升，可能与 HMSNs 中硅元素增强抗逆性及调控叶绿素、酚类、黄酮类等物质有关。
斑马鱼毒性： Hex/HMSN–CMC 对斑马鱼的 LC₅₀ 为 4.469 mg/L，较 Hex SC（3.831 mg/L）提高了 16.65%，显著降低了己唑醇对非靶标水生生物的生物毒性。
图. Hex/HMSN–CMC对种子发芽率（a）、（b）和斑马鱼（c）的影响.
创新点
（1）提出了纤维素酶 /pH 双响应控释设计，利用立枯丝核菌侵染时分泌的纤维素酶和有机酸作为天然触发信号，实现农药按需靶向释放，解决传统 MSNs 基载体无环境响应、易在非靶标环境中直接释放农药的问题；
（2）实现了CMC 修饰的多功能集成，单一接枝层同步达成响应控释、提升水稻叶面润湿粘附性、促进真菌菌丝粘附内吞的效果，简化制备工艺的同时提升载体综合性能；
（3）构建了多维度性能协同的递送体系，在显著提升杀菌活性（5 天 EC₅₀较市售制剂降低约 50%）的同时，实现农药在真菌菌丝和水稻植株中的双向高效转运，还降低了对斑马鱼的水生毒性，提升水稻种子萌发率，兼顾高效防治与生物安全。
引用信息：
Carbohydrate Polymers 365 (2025) 123822
DOI号（在线访问）：
https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2025.123822声明：
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撰稿：李颖（仲恺农业工程学院，2024级制药与精细化工研究生）
审核：左继浩（仲恺农业工程学院，化工与材料学院专任教师）
投稿邮箱：zuojihao@zhku.edu.cn
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