纳米材料在储粮中抑制虫霉的研究进展

鲁玉杰，王凯巍，杨斌斌，苗世远，王争艳，鲁 婷，王随随

(河南工业大学粮油食品学院1，郑州 450001) (江苏科技大学粮食学院2，镇江 212000)

我国每年有数亿吨粮食储备，虽然近年来粮食储藏技术和基础设施有了很大提高，但是在粮食储藏期间由于霉变、虫害及它们产生的有害物质，造成一定的损失[1,2]。对于储粮害虫来说，由于长期依靠化学药剂防治，使储粮害虫产生了严重的抗药性，例如锈赤扁谷盗(Cryptolestesferrugineus)、赤拟谷盗(Triboliumcastaneum)、谷蠹(Rhizoperthadominica)、米象(Sitophilusoryzae)、书虱(Liposcelisspp.)等储粮害虫均产生严重的磷化氢抗性[3]。霉变则是粮食储藏过程中面临的另一大难题，每年全世界约有3%的粮食因为霉变造成重大损失[4]。尽管化学药剂对虫霉有一定的抑制效果，但是由于存在不科学使用的情况，造成虫霉的爆发和猖獗[5,6]，威胁粮食储藏的安全。由于对粮食安全的要求越来越高，开展针对减少化学药剂使用或者化学药剂的替代技术的研究已经成为粮食储藏技术的的迫切需求。

纳米材料一般指粒径在1～100 nm之间的粒子，其具有小尺寸、比表面积大、可修饰性强、吸附能力强等特点[7]。纳米材料除了具备杀虫效果，还能与外源杀虫因子进行联用，起到增强杀虫效果、延长有效时间、降低用药量、减少环境污染等作用[8,9]。由于储粮环境是一个人工的半开放生态系统，可以为纳米材料的作用发挥提供一个更加稳定的环境，因此，纳米材料有望用于新型的储粮虫霉防治策略[10]。

1 纳米材料对储粮害虫的抑制作用

1.1 纳米材料具有直接的杀虫作用

无机纳米材料表面的电荷使其在虫体表面具有很强的粘附性能[11]，附着在虫体表面后会破坏害虫的角质层[12,13]，造成体内水分流失，导致害虫脱水死亡[14]，杀虫效果十分显著。经过纳米氧化铝(Nanostruc tured alumina, NSA)处理的米象，纳米二氧化硅(Silica nanoparticles, SiO2-NPs)处理的四纹豆象(Callosobruchusmaculate)，死亡的试虫表皮上均有明显的损伤，体重明显下降[14,15]。NSA、纳米氧化铜(CuO nanoparticles, CuO-NPs)、纳米氧化锌(Zinc oxide nanoparticles, ZnO-NPs)、SiO2-NPs对米象、谷蠹、赤拟谷盗、四纹豆象几种重要储粮害虫的致死率均在90%以上[14,16-19]。

无机纳米材料还能导致其子代数量大幅度降低，可以很好地抑制害虫种群的增长。用ZnO-NPs和亲水性SiO2-NPs处理过的米象，CuO-NPs处理过的谷象(Sitophilusgranaries)和谷蠹，后代均减少了80%以上[17,20]。用纳米铜(Copper nanoparticles, Cu-NPs)处理鹰嘴豆象(Callosobruchusanalis)，最高产卵量仅为对照组的25%[21]。无机纳米材料这种良好的杀虫和种群抑制效果，是作为杀虫药剂的潜力之一。

1.2 纳米材料可用作农药的递送载体

纳米材料通过吸附、共价结合、胶囊化和交联作用等方式[22]，可以提高杀虫活性物质的稳定性[23]。以纳米材料作为农药的递送载体，可以提高杀虫效果、增强杀虫活性，从而显著提高药效。

使用纳米材料负载植物精油，可以阻止有效成分的降解[22]，提高植物精油对储粮害虫的毒杀效果。负载大蒜精油的聚乙二醇(Polyethylene glycol, PEG)纳米颗粒、包埋车前子(Plantagomajor)提取物的纳米脂质体(Nano liposomes)、结合孜然(Cuminumcyminum)精油的改性纳米壳聚糖(Chitosan nanoparticle, CS NPs)，对赤拟谷盗的致死率均比原液的明显升高[24-26]。纳米材料还能提高其他生物活性物质的杀虫效果。半胱氨酸蛋白酶(Cysteine protease)可以降解害虫中肠和表皮中的几丁质导致害虫死亡[27,28]，经过石墨烯量子点(Graphene quantum dots, GQDs)封装的半胱氨酸蛋白酶，对麦蛾(Sitotrogacerealella)成虫的致死率比未封装的提高了66.79%[29]。纳米材料作为递送载体增强了植物精油、生物活性物质作为杀虫剂对储粮害虫的杀虫效果。

聚合物纳米材料具有良好的生物相容性，能促进跨膜转运，在负载杀虫因子时，可以提高杀虫活性，是一种高效的载体[30]。使用固体脂质纳米颗粒(Solid lipid nanoparticle，SLN)包埋丁香(SyringaoblataLindl)精油、PEG负载两种精油(Geranium和Bergamot)处理赤拟谷盗，测得的LC50相较于精油原液的明显降低[31,32]；检测载有薄荷(Menthapiperita)和鼠尾草(Salviaofficinalis)2种植物精油的纳米纤维对印度谷螟(Plodiainterpunctell)的接触毒性，LC50分别由纯精油的39.3、30.3 μL/L降低为11.7、9.1 μl/L[33]。

纳米材料可以提高农药杀虫的稳定性和利用率。因此，以纳米材料作为农药的载体，具有良好的增强药效作用[34]，可以减少农药的使用量[35]，降低农药对储粮的污染。

1.3 纳米材料作为农药的缓释剂

纳米材料对农药或信息素具有很好的缓释作用[22]，此外还可以对纳米材料进行化学修饰，发展为响应型控释系统。将玉米醇溶蛋白(Zein)改性后包封AVM，50 h后的累计释放率比未包封的低30%左右[36]。用介孔二氧化硅(Mesoporous silica nanoparticle, MSN)或者介孔活性炭(Mesoporous activated carbon)作为缓释载体，分别在长时间内(180 h和240 h)，对AVM的累计释放率不超过30%[37,38]。改性的MSN负载毒死蜱，600 h的释放率仅在20%左右[39]。负载到SiO2-NPs上的毒死蜱、包埋硫氟肟醚·甲基嘧啶磷的甲苯-2,4-二异氰酸酯纳米制剂在长时间后(60 d和28 d)，对赤拟谷盗、谷蠹和玉米象的致死率仍能达到90%以上[40,41]。这些都说明了纳米材料可以作为缓释剂，能有效解决农药中杀虫活性成分释放速度过快、药效持续时间短的问题。

对纳米材料进行特定修饰，可以做到响应释放，有利于提高特定环境下活性分子的释放效果。进行两亲性修饰的羧甲基壳聚糖(Carboxymethyl chitosan, CMCS)、经过化学修饰的氮化硼纳米片(Boron nitride nanoplatelets, BNNP)，在作为载体时，对AVM的释放速率会随着环境酸碱度的改变而改变[42,43]。纳米材料作为活性分子的缓释剂，具有提高有效利用率、延长有效时间、增强效果、减少总药量、降低毒性对环境的污染等优点。

1.4 纳米材料与RNA干扰技术(RNAi)结合在储粮害虫防治中的应用

纳米材料与RNA干扰技术(RNAi)相结合，可以提高RNA干扰技术对储粮害虫的杀虫效果。作为递送载体的纳米材料通过与dsRNA的磷酸基团结合，形成稳定的复合物，在表面保留有正电荷，与细胞膜表面的负电荷相互作用，可通过细胞的内吞作用进入细胞内[44]，形成包含复合物的小泡沿着微管移动到达溶酶体，纳米载体能够保护dsRNA避免被其中的核酸酶降解[45]，最终将dsRNA释放入细胞质，进而引起害虫的RNAi反应[30]。利用纳米材料建立的高效递送载体[46]，可以携带dsRNA快速穿透害虫体内的器官基膜、细胞膜和肠道围食膜等屏障[7]。对饲喂含唾液腺蛋白(Armet)dsRNA的支链两亲性肽胶囊(Branched amphiphilic peptide capsules, BAPCs)的赤拟谷盗进行荧光标记，8 h后，在试虫的中肠上皮细胞、脂肪体和马氏管中发现了荧光，而饲喂单独dsRNA的试虫在相同区域显示低背景荧光或无背景荧光[47]，这显示出纳米材料递送的高效性，可以负载dsRNA快速到达靶标位置，提升RNAi的成功率。

对dsRNA用纳米材料进行包埋，可以防止其被消化系统或者细胞内的各种酶降解[48]。重链结合蛋白基因(Bip)的dsRNA与BAPCs结合形成的复合物，用于饲喂赤拟谷盗，其致死效率比单独饲喂dsRNA的提高45%[47]。对赤拟谷盗幼虫注射携带α-微管蛋白(α-tubulin)的dsRNA的碳纳米管(Carbon nanotubes, CNTs)，与单独注射dsRNA的幼虫相比，α-微管蛋白的生成受到明显抑制[49]。这些结果表明，纳米材料递送dsRNA，可以防治dsRNA在害虫体内的降解，提高RNAi的效果。总的来说，由纳米材料介导的RNAi，改善了dsRNA易被核酸酶降解、穿透效率低等缺点[50]，从而提高对靶标的干扰效率和效果，更好地促进新型生物技术在储粮害虫防治中的应用和发展。

2 纳米材料在储粮中抑制霉菌的研究

2.1 纳米材料对储粮霉菌的抑制作用

纳米材料的独特尺寸效应(10～100 nm)和表面效应，可以穿透细胞壁和细胞膜，进入细胞内对生理代谢进行扰乱，导致真菌失去活性，从而达到杀灭真菌的作用[51]。Ag/TiO2纳米材料处理过的烟曲霉(Aspergillusfumigatus)，体内产生过量活性氧，致使烟曲霉死亡[52]。青霉菌(Penicillium)在ZnO-NPs处理前后，菌体中与氧化应激相关的基因发生了显著上调，通过诱导氧化应激损伤菌体来抑制增殖[53]。经过碳基纳米材料(石墨烯和氧化石墨烯)处理的真菌体内磷酸酶、磷酸水解酶等几种重要酶的合成减少，最终造成这些真菌死亡[54]。ZnO-NPs处理过的黄曲霉(A.flavus)，菌丝干重显著降低，菌丝生长形态异常甚至断裂[55]。

无机纳米材料对曲霉属等真菌的防治具有抑制效果强、持续时间长、使用剂量低等优点。CuO-NPs对黑曲霉和黄曲霉的抑制率分别可达83%和81%[56]。ZnO-NPs处理过的黑曲霉、黄曲霉和桔青霉(Penicilliumcitrinum)的菌落总数30 d内均持续低于对照组[57]，且在低剂量(100 μg)下，对黑曲霉表现出了明显的抑制效果[58]。由此可见，无机纳米材料具有作为储粮防霉剂的潜力。

2.2 生物源介导的纳米材料对储粮霉菌抑制

近年来，由植物提取物、细菌和真菌这些生物源介导合成金属纳米材料的新技术备受关注，它们的成本更低廉且对环境友好[59]。新鲜番茄提取物中的苹果酸和柠檬酸是植物介导合成纳米银(Silver nanoparticles, Ag-NPs)的驱动力，将Ag+还原产生10 nm的球形单质Ag-NPs[60]。稻壳提取物中的还原性糖类在合成Ag-NPs中也是至关重要的，合成后的左旋葡聚糖、葡萄糖、6-磷酸海藻糖和6-磷酸葡萄糖含量几乎降低为零[61]。从藻类的提取物中分离纯化得到2种蛋白质与纳米金、Ag-NPs的合成紧密相关[62,63]。利用植物如方茎青紫葛(Cissusquadrangularis)、印度塔树(Polyalthialongifolia)叶的提取物，可以分别合成CuO-NPs和Cu-NPs，且均对黑曲霉有良好的抑制效果[56,64]。植物提取物还原生成纳米材料，对储粮霉菌具有良好的抑制作用。细菌、真菌体内含有的硝酸还原酶，可以将电子从还原性物质(NADH等)转移至金属离子，是生成纳米材料的关键物质之一[65,66]，可将Ag+还原为Ag-NPs[67]，合成效果与硝酸还原酶的活性成正比[68]。土曲霉(Aspergillusterreus)介导合成的Ag-NPs对黄曲霉和烟曲霉的抑菌效果比对照组的效果提高了约45%[69]。生物源介导合成的纳米材料对储粮霉菌都具有优异的抑菌活性，而这种合成技术为纳米材料的大规模生产提供了一种绿色安全、经济高效的合成方法，将会更好地推动纳米材料在抑制储粮虫霉的应用发展。

3 总结与展望

纳米材料在储粮虫霉抑制中表现出了很好的应用潜力，不仅能单独作为新型药剂来进行开发，同时作为递送载体或者缓释剂可以提高农药、dsRNA等杀虫因子的杀虫效果，延长持效期，减少使用量等。由生物源介导合成无机纳米材料的技术，降低了纳米材料的合成成本，为纳米材料的大量合成提供了技术支撑，将促进纳米材料在储粮中抑制虫霉应用和发展。未来将会继续研发筛选高效、安全、成本低、适用性强的新型纳米材料，开发纳米材料在储粮抑制虫霉中的应用技术；开展纳米材料或其介导的外源杀虫因子(农药、植物精油、dsRNA)等毒力提升的机理研究等。

纳米材料在开发用于储粮虫霉防治的更安全有效的制剂方面具有良好的前景和潜力，这可能将导致储粮虫霉防治策略发生重大改变。本文对纳米材料在储粮中抑制虫霉的相关研究进行了综述，以期为储粮虫霉防治提供新的思路，达到有效防治虫霉的效果，减少虫霉造成的储粮损失，保证储粮的储藏安全，做到绿色储粮。