(493) 新疆农业大学 李君副教授团队:高度稳定的纤维素基HIPPE农药递送系统:高防控效率与低环境风险

食叶害虫被认为是制约农业生产最重要的因素。发育中的植食性幼虫通过取食和啃食叶肉或汁液降低作物产量，这不仅损害叶片，还会削弱植物的光合能力。在缺乏有效管理策略的情况下，虫害可导致农业生产损失达25%~30%。为应对多种害虫物种的持续威胁，农药被广泛用于控制害虫暴发，从而提高农业生产率并满足粮食需求。然而，在田间喷施过程中，通过叶面喷施的农药中高达90%可能因径流或流失而损失。这种损失主要受到周围环境中光解、水解、挥发、侵蚀和微生物降解等因素的影响，以及植物叶片表面疏水性蜡质角质层导致的有限吸收，这些因素使农药有效浓度降至低于发挥药效所需的阈值。同时，传统农药制剂（包括乳油、可湿性粉剂和颗粒剂）的大量滥用，已引起人们对其对非靶标生物影响的广泛担忧，以及对人类健康、生态系统和生物多样性的潜在有害影响。因此，开发高靶向性、释放可控、环境相容的绿色农药制剂已成为促进可持续农业发展的迫切需求。

为了提高农药递送效率并降低环境风险，近年来已开发出多种微/纳米载体系统（如乳液、胶囊和凝胶），以满足现代农业对可持续发展和生态安全的迫切需求。例如，Hu等人通过Janus纳米片的非共价自组装，成功构建了无表面活性剂的稳定精油乳液，从而开发出一种更可持续、更高效率的新型杀菌剂递送系统。Yan等人采用绿色、无溶剂的机械化学技术，成功构建了用于负载乙烯利（UZ）的纳米胶囊（UZ@TA-CA）。这些胶囊具有增强的细胞内递送能力，为开发高效纳米农药提供了新途径。然而，制备过程的复杂性和原料的不可降解性导致农药递送载体缺乏环境可持续性，且生产成本高。因此，迫切需要进一步优化以解决这些局限性。在此背景下，利用天然大分子构建的高内相Pickering乳液（HIPPE）因其原料来源可再生、环境友好、系统稳定性优异、界面结构可控以及载药量高等特点，已成为高效农药递送系统的有前景候选者。此外，HIPPE是一种特殊的Pickering乳液，兼具Pickering乳液的所有优点，同时保持高弹性和高粘度。

纤维素纳米晶体（CNCs）是源自纤维素的棒状纳米颗粒。与纤维素及其衍生物相比，它们具有纳米尺寸、高比表面积、高结晶度和高弹性模量、低毒性和可生物降解等优势。已有研究表明，它们是制备Pickering乳液的理想材料。其刚性纳米颗粒可在油水界面自组装形成致密屏障，有效抑制液滴聚并，从而稳定HIPPE体系。此外，CNCs表面的大量羟基提供了充足的修饰位点，通过表面修饰可实现由环境或生物因素（如温度、pH、氧化还原、光、磁场或酶）触发的响应性农药释放。然而，基于CNCs的稳定HIPPE在农药递送领域的研究仍然有限，这为开发绿色、高效、可持续的农药制剂提供了重要契机。

刺激响应型控释制剂在提高农药药效和减少环境影响方面具有巨大潜力，但其在田间波动条件下的稳定性仍面临挑战。本研究开发了一种甲基丙烯酸酐功能化纤维素纳米晶体稳定的高内相Pickering乳液（MCNCs-HIPPE）用于农药递送。MCNCs-HIPPE展现出优异的稳定性，为其在多种复杂环境中的应用提供了可靠保障。随后，将吡虫啉（IMI）负载到MCNCs-HIPPE上（IMI@MCNCs-HIPPE），评估了该递送系统的应用性能。研究结果表明，在纤维素酶促进条件下，IMI@MCNCs-HIPPE表现出更高的IMI累积释放量，从而实现智能响应式递送。其释放过程还具有温度依赖性。此外，与商业IMI制剂（EC）相比，该制剂具有更好的润湿性、粘附性和抗雨水冲刷能力。在温室防效试验中，IMI@MCNCs-HIPPE对玉米蚜虫的防治效果优于EC（LC₅₀分别为15.981 mg/L vs 40.883 mg/L）。生物安全性评估表明，与EC相比，IMI@MCNCs-HIPPE带来的环境风险更低。总之，本研究开发了一种环境友好、刺激响应型的农药乳液系统，显著提高了农药利用率并降低了环境风险，为在可持续农业中减少农药投入、同时提升药效提供了一种有前景的策略。

图1. IMI@MCNCs-HIPPE的制备及实际应用示意图。

图2. 不同样品在玉米叶片和黄瓜叶片上的表现：（a, d, e）接触角图像及其在180秒内的变化；（b）持留量；（c）回收率。

图3. 不同浓度的IMI@MCNCs-HIPPE：（a）黄瓜芽的照片；（b）黄瓜芽的发芽率；（c）黄瓜芽的鲜重；（d）大肠杆菌和金黄色葡萄球菌生长情况的照片；（e, f）大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的OD600值。

文章来源：

Zhou E, Ding J, Ma R, et al. Highly Stable Cellulose-Based HIPPE Pesticide Delivery System: High Control Efficiency and Low Environmental Risk[J]. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2026, 14, 1502−1515.

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