华中昆虫研究（第十四卷）

《华中昆虫研究》第十四卷：为2018年华中三省昆虫学会学术论文集，论文研究层次包含昆虫学的基础、应用基础研究和技术推广，研究方向涉及昆虫生态、昆虫生理等，地域涵盖湖南、湖北和河南，论文作者以中青年昆虫研究工作者为主体，研究生论文占有相当的比例，同时包含有学科动态和少量论文摘要。

王满囷，湖北省昆虫学会理事长，1994年于山西农业大学，获得农学学士学位;1997年于山西农业大学，获理学硕士学位;2000年于南京林业大学，获博士学位。2000-2002年在南京林业大学林业工程博士后流动站工作。2006年至2007年英国洛桑研究所访问学者，从事昆虫行为学及气味结合蛋白的克隆、表达及纯化等方面的研究。2011年度，获湖北省杰出青年人才基金、*新世纪优秀人才支持计划。目前为华中农业大学植物科技学院教授。
雷朝亮，男，1955年8月出生，教授、博士生导师，九三学昆虫学会常务理事、中国昆虫学会资源昆虫专业委员会主任、事长、华中农业大学昆虫资源研究所所长，主要从事植物保护虫生防、动物免疫学、昆虫行为学、作物抗虫性、动物生态学等方面的研究。
朱芬，湖北省昆虫学会秘书长，2006年6月年于华中农业大学博士毕业，获动物学理学博士学位，现任华中农业大学植物科技学院教师。承担教学《普通昆虫学》、植物保护专业《“三田”教学实习》两门课程。主要致力于从事昆虫生理生化、昆虫资源及昆虫活性物质的研究与利用。

壳聚糖纳米材料在新型农业杀虫剂中的研究进展壳聚糖纳米材料在新型农业杀虫剂中的研究进展基金项目：河南省水果产业体系项目（S2014-11-G03）李振亚作者：李振亚;Email：mrli0371@163com,王合中,尹新明通信作者：尹新明;Email：xmyin01@sohucom
（河南农业大学植物保护学院，郑州450002）摘要：纳米技术的迅猛发展促使了各种壳聚糖纳米材料的产生，以壳聚糖为基础的纳米材料将在现代农业杀虫剂转型中占得突出地位。壳聚糖是一种生物相容并可降解的天然材料，可作为新型农药的替代成分，如增效剂或缓释剂，在农业有害生物的防治中将发挥重要作用。本文综述了近年来壳聚糖纳米材料在新型农药研发中的现状，包括制备与应用，开发前景与亟待解决的问题等。
关键词:壳聚糖；纳米材料；杀虫剂；害虫防治

Research Advance of Chitosan Based Nano-materials in New Insecticide
Li Zhenya，Wang Hezhong，Yin Xinming
（College of Plant Protection，Henan Agricultural University，Zhengzhou，Henan 450002，China）

Abstract:The rapid development in nanotechnology has led to the creation of various chitosan based nano-materialsThese chitosan based nano-materials will have prominent task in transforming insecticideChitosan is a bio-compatible，non-toxic and natural material and could be an alternative to synthetic pesticide as a synergist or sustained release preparation which could play an important role in pest controlThis review recaps the recent research on chitosan nano-materials in the development of new pesticides，including their preparation and application，the development prospects，the burning questions as well
Key words:Chitosan；Nano-material；Insecticide；Pest control

杀虫剂的科学有效使用，直接关系到农药防效好坏、农业安全生产、环境生态安全等方面。近年来，我国杀虫剂呈现出品种结构优化、产品研发水平提高的趋势，以新型农业杀虫剂为代表的绿色农药理念在不断发展完善(孙长娇等，2016)。
科学技术的发展促使着现代农业的不断改进和日趋完善，如纳米技术对农业生产的贡献。1959年Feynman首次提出纳米技术的概念，他设想了通过操纵原子直接合成纳米材料的可能性。而真正的“纳米技术”一词直到1974年才由Norion首次使用。纳米材料是指三维尺度中至少有一维尺度在0～100nm范围内的材料。壳聚糖是世界上储量仅次于纤维素的生物聚合物，广泛存在于虾蟹等甲壳类动物的外壳、各种昆虫的表皮、贝类等软体动物的外壳及真菌的细胞壁中。壳聚糖具有许多独特的物理化学性质如：大比表面积、非抗原性、吸附性、易溶解性，带正电荷。由于具有生物相容性、抗菌性、对环境安全、生物可降解性而成为生物组装、聚电解质分析、成膜能力及金属螯合等的理想选择。在农业领域被视为在生物农药、化肥、生长调节剂及检测植物生长与发育等方面具有巨大研发价值(Usman  et al，2016)。
目前，纳米技术的研究扩展催生出以纳米材料为基础的各种农业研究转型。壳聚糖由于其可降解性与生物溶解性可代替农业合成中的农用化学品以达到防治有害生物、强化土壤耐旱能力、调节植物生长等作用。为此，本文对近年来壳聚糖纳米材料在新型杀虫剂的研究和应用情况进行概述，为相关领域的研究拓展思路与参考。
1纳米壳聚糖的制备方法
壳聚糖溶液在阴离子环境中能够形成凝胶，用于药物输送，但尺寸大(1～2mm)而限制了其应用(Shiraishi  et al，1993)。Ohya等首次制备出壳聚糖纳米颗粒，方法为乳化和交联制备，用于静脉注射抗癌药物5-氟尿嘧啶(Grenha，2012)。目前常用的有5种纳米壳聚糖制备方法：离子凝胶法、微乳法、乳化溶剂扩散法、聚电解质复合法和反向胶束法。其中应用为广泛的是离子凝胶法、聚电解质复合法，操作简单，无须借助高强度外力或有机溶剂(Sailaja  et al，2011)。
11离子凝胶法
离子凝胶技术早由Calvo等(1997)报道，目前已被广泛改进及应用。该方法原理为利用氨基间的静电使壳聚糖和带负电荷的聚阴离子如三磷酸盐等相互作用，壳聚糖溶解于乙酸，再加入聚阴离子，在简单的机械搅拌下自发形成纳米颗粒。纳米颗粒的尺寸和表面电荷量可通过改变两者比例调节，壳聚糖比例增大时，纳米壳聚糖的浓度和聚合程度增大（Jonassen  et al，2012）。Antoniou等（2015）使用此法制备出平均粒径为(18025±2)nm，分散度（PDI）为015±002，带电量为正(237±198)mV的球状纳米壳聚糖颗粒，透射电镜显示纳米壳聚糖相比壳聚糖分子间距更为紧密。
12微乳法
此法是由De等（1999）发明，先将表面活性剂溶于正己烷中，壳聚糖的醋酸-戊二醛溶液连续加入表面活性剂/正己烷混合液中，在室温下搅拌，过夜后壳聚糖与戊二醛的游离氨基完成交联，有机溶剂除去过量的表面活性剂，CaCl2除去沉淀，后离心得到纯净的纳米壳聚糖，此法的缺点是使用抗还原剂戊二醛，不利于蛋白质或缩氨酸的整合。赵静等（2012）引用此方法制备出了平均粒径为1926nm的纳米壳聚糖载药微粒。
13乳化溶剂扩散法
EIshabouri(2002)早发表此方法，实际上是对Niwa等(1993)方法的改良。采用聚乳酸-羟基乙酸共聚物作为乳化剂，泊洛沙姆作为稳定剂，经过高压处理，稀释成乳状液，聚合物扩散形成纳米颗粒，此法的缺点是需要借助高强度压力及大量有机溶剂。Grenha(2012)研究并阐述了此法影响壳聚糖纳米颗粒的反应参数，必须保证聚合物的充分分散，此外固化前要防止离子间的粘连。
14聚电解质复合法
室温条件下，向壳聚糖的醋酸溶液中加入DNA，由于聚阳离子聚合物和DNA自我组装形成聚电解质复合体(Erbacher  et al，1998)，因此又称为自我组装法。理论上，任何聚电解质都可以与多糖相互作用制备纳米颗粒，但在实际生产中处于安全性考虑，仅限于具有水溶性和生物相容性的聚合物，此法制备的纳米壳聚糖携带有许多负性聚合物如多糖、肽。Mao等(2010)将此法优化，研究了壳聚糖与DNA的浓度比例，缓冲液的pH值大小和反应体系的温度等条件对复合反应程度的影响。
15反向胶束法
Kadib等(2008)发表该方法，主要亮点是无须交联或有毒有机溶剂，此外，利用此法可制备出尺寸较小的纳米壳聚糖颗粒，基本原理为将壳聚糖的水溶液加入含有表面活性剂的有机溶剂中，以形成反向胶束(Zhao  et al，2011)。
2纳米壳聚糖在杀虫剂中的应用
纳米壳聚糖由于其表面富含氨基，有生物相容性，比表面积大，高带电量等特性，因而具有可修饰改造性，对生物膜穿透性强，吸附能力强，携带药物等能力强。在新型杀虫剂的研发中，目前主要研究载药与缓/控释药等内容，尤其研究纳米颗粒的杀虫活性及对颗粒表面基团进修饰，以提高杀虫活性等方面。
21作为载体缓/控释药方面研究
壳聚糖纳米颗粒具有优良的载体性能，为各种载药复合物的研究发展提供了基础(Malmiri  et al，2012)。纳米壳聚糖能够携带药物颗粒跨膜，保护大分子药物不被降解，同时能控制药物或者大分子在“目的地”的释放(Janes  et al，2001；Divya ＆ Jisha，2017)。由于纳米壳聚糖的尺寸较小，能够更有效地与细胞膜相互作用并以内吞的方式进入细胞(Ghadi  et al，2014)。有研究证明，纳米壳聚糖能够提高药物的生物利用度，影响药物代谢动力学，并保持载体-药物的密闭性，减缓药物释放(Janes  et al，2001;Shi  et al，2011)。
Gabriel等(2017)采用纳米壳聚糖载植物源杀虫剂通过人工饲喂法研究3龄棉铃虫幼虫，研究发现处理9天后幼虫对载体-杀虫剂拒食率相比于对照为62%～764%，而无载体的杀虫剂为863%～100%，纳米壳聚糖作为载体能够减缓此杀虫剂的释放并减弱幼虫拒食；相比于无载体的杀虫剂，载体杀虫剂的死亡率显著增高，蛹重和成虫重量显著减少，未分化、畸形化成虫比例增多，纳米壳聚糖对于此类植物源杀虫剂的缓慢释放和长期控制虫害至关重要。Elsayed等(2015)研究了纳米壳聚糖和植物提取物对库蚊和家蝇的杀虫活性并取得良好的结果。Feng等(2012)利用200～500nm纳米壳聚糖作为载体携带植物源农药，使药效成分能够到达昆虫肠道，减少有效成分的流失并对昆虫造成损伤。
张谦(2014)详细研究了单分散纳米壳聚糖胶囊的制备及缓释药物的功能，通过药物释放的机理模型，解释了药物释放动力学和药物释放体系的结构变量的关系。将啶虫脒吸附在纳米壳聚糖胶囊中，囊心比越大，吡虫啉的释放速率越低，在药物释放的后期，随着释放介质渗入胶囊内部，药物的溶解和渗出速率明显下降，但高囊心比的胶囊提供了更大的药物浓度梯度，因而使药物能够更快速地释放。大粒径的胶囊由于其较低的比表面积和较厚的扩散基质，因而缓/控释更为显著。此外，Kumar等(2015)也研究了纳米壳聚糖胶囊对啶虫脒缓控释能力，吸附后的纳米胶囊粒径不变，在溶剂中的稳定性增加，在酸性、碱性溶剂中36h的释放量为50%，在水溶剂中需要24h，而对照组按照商业配方在3种介质中6h的释放量全部高于50%，证明这一无毒可降解的纳米载体有助于减少农药的使用。
22作为新型杀虫剂方面
壳聚糖本身已被证明具有一定的杀虫活性(张宓，2003；王合中等，2016；Badawy，2012；Coleman，2005；Rabea，2011)。壳聚糖的纳米颗粒能显著提高聚合物的比表面积、表面电荷量与电荷密度(Huang  et al，2014)。目前，研究纳米壳聚糖本身的杀虫活性的方式有两种，一是不对纳米颗粒表面的官能团进行改造而直接作用于虫体。对纳米颗粒进行各种修饰以达到增加溶解性，增加稳定性，增加对药物的吸附能力等目的从而尽可能地增加药效减少用量。
221纳米壳聚糖的杀虫效果
Sabbour等(2016)详细研究了在室内和模拟田间的条件下粒径约为50nm的纳米壳聚糖对沙漠蝗的作用效果。室内研究表明：纳米壳聚糖对初孵幼虫、幼虫、幼虫末期、雌性成虫和雄性成虫的室内LC50分别为268mg/L、244mg/L、213mg/L、231mg/L和232mg/L；壳聚糖与纳米壳聚糖处理后产卵量、卵的孵化率及成虫数量比空白显著降低，而纳米壳聚糖处理相比壳聚糖处理组也显著降低；模拟田间防效表明：壳聚糖处理后沙漠蝗存活率为29%，而纳米壳聚糖处理后存活率仅为8%，并得出纳米壳聚糖的水溶性及小尺寸效应是其穿透并致死害虫的原因。纳米壳聚糖可以作为一种安全有效的化学纳米材料应用于害虫防治(Sabbour，2014；2015；2016)。笔者也曾初步研究了脱乙酰度的纳米壳聚糖对小麦蚜虫的毒力(2016)，采用有效粒径为1570nm的纳米壳聚糖，对麦长管蚜、二叉蚜、禾谷缢管蚜进行毒力测定，LC50值分别为17825mg/L、20589mg/L和14381mg/L，而对3种麦蚜的7天田间防效达8033%、7965%、8257%，而与吡虫啉的等体积混配剂，对麦长管蚜、二叉蚜、禾谷缢管蚜田间防效7天的结果为8831%、8721%、8476%。
222改性纳米壳聚糖的杀虫效果
对壳聚糖的改性研究主要集中于与金属离子螯合以增加活性离子、增加有机/无机化学基团以提高氨基活性及生物活性等。改性出的壳聚糖及其衍生物已展示了对灰翅夜蛾、棉铃虫、小菜蛾、棉蚜、桃蚜等害虫良好的防治效果。截至目前，已有至少24个种类的几丁质及其衍生物已被证明具有明显的杀虫活性，其有效浓度为5g/kg（Chen  et al，2011；Zhang  et al，2011)，其中杀虫活性的是N-（2-乙酰-6-苄基）-几丁质，对幼虫具有100%的毒杀效果，其LC50仅有032 g/kg。Casals(2012)用N-烷基壳聚糖，苄基壳聚糖对棉铃虫、小菜蛾、棉蚜、麦长管蚜、桃大尾蚜等害虫的防治效果进行研究并取得积极进展。Badawy(2012)对不同分子量的壳聚糖的杀虫效果进行了研究，发现分子量为227×105 g/mol 及其铜改性的壳聚糖对夜蛾和夹竹桃具有较高的毒杀作用。
Sahab等(2015)研究了有效粒径为5075nm的改性物纳米（壳聚糖-多聚丙烯酸）对四纹豆象和棉蚜的杀虫活性。室内测定结果表明，经过壳聚糖-多聚丙烯酸纳米颗粒处理7天后的棉蚜存活率为27%，产卵量为209个/头，而对照组分别达为97%与100个/头；四纹豆象的存活率分别为219%（处理组）与963%（对照组），产卵量分别为28个/头（处理组）与100个/头（对照组），改性后的纳米壳聚糖具有明显的杀虫效果，并与Cabrera(2002)及Zhang(2003)的研究结果一致。
3纳米壳聚糖助力精细农业与可持续农业
目前，以纳米壳聚糖、纳米二氧化硅为代表的众多农药纳米制剂能够针对害虫制定出具体的防治措施，以减少化学农药使用和残留，越来越多的研究趋向于精细纳米农业系统的研发(Manju  et al，2016)，从而达到对农业生产的危害如环境破坏、农药残留与粮食安全等降至(Nuruzzaman  et al，2016；Shukla  et al，2013)的目的。此外，纳米农药制剂具有更高的溶解度、稳定性和分散性能(Venugopal  et al，2016)，基于纳米材料的智能传输系统，使一些纳米材料（如果胶、淀粉、纤维素和壳聚糖）在提高农药利用率，尽量减少危险残留物在生态环境中扩散的研究备受关注(Dzung  et al，2011；Caulet  et al，2014)。
在发展农业提高粮食生产力的同时不对生态系统产生不利影响，是农业科学研究的永恒主题。在此背景下，缓慢而持久地控制农用化学品的释放是一项关键技术，诸多对纳米壳聚糖的研究表明其已经成为一种可利用的稳定载体。利用纳米材料和纳米技术以应对气候变化、环境污染及农药残留等农业可持续发展和粮食安全所面临的挑战，将纳米技术应用于植物病虫害的监测和防治，在提高植物抗性、减少药肥施用、提高作物产量等方面是此项技术的价值所在。将杀虫剂或其他农药装载于微球中，能够起到“封装”的作用，既能保护有效成分避免大量流失，又能保证杀虫剂只在微球/微囊的控制范围内释放，避免对周遭环境的影响，这是可持续农业的一种微观诠释(Kashyap  et al，2015)。Wu等(2008)研究了纳米壳聚糖的缓释肥料性能，利用壳聚糖纳米颗粒的内层涂层，制备出一种同时具有控释和保水能力的壳聚糖纳米复合肥。经检测，纳米壳聚糖颗粒对营养物质的释放在第30天时不超过75%，此外，纳米壳聚糖还是一种可降解材料，对土壤不会造成污染。Corradini等(2010)也研究了纳米壳聚糖缓释氮磷钾肥的可能性，Hussain等(2013)报道了影响纳米壳聚糖中尿素释放的影响因素。Ahmed和 Fekry(2013)研究了纳米壳聚糖为基础的传感器，用于测定土壤和水体中重金属的含量，对重金属砷、铅、镍等具有很强的去除能力，并通过电响应监控整个吸附去除过程。这些材料不但制备简单，控释农药和氮磷钾肥，还能避免土壤和水体污染，减少农药和化肥的使用，在降低生产成本的同时提高作物生产率，助力于农业可持续发展。
4展望
尽管纳米壳聚糖在医药和医学科学领域有着充分的研究与应用，但关于纳米壳聚糖在杀虫剂及其研究应用尚处于初级阶段。利用壳聚糖纳米颗粒在运送杀虫剂及诱导植物生长等方面研究极少，对非靶标生物的安全性评价方面研究罕见。
一旦实现此类纳米颗粒有效控制作物生长并减少农用化学品的环境危害，就要不得不考虑宿主-病原体、纳米技术与高效运输、纳米颗粒与植物防御系统及定点释放等可能从生理生化和遗传水平揭示纳米粒子的运作模式。终形成安全有效低剂量的植物保护产品，真正意义上提高生产力，降低生产成本。因此，纳米壳聚糖具有广阔的应用前景，具有可持续性与环境友好性，尚需更加深入的研究与实践。