中国农业大学理学院

3月2日，中国农业大学理学院吴雪敏教授团队发表了一篇名为《环境友好型pH/纤维素酶双重刺激响应纤维涂层金属-有机框架用于杀菌剂的递送》(一种pH/细胞双重持续时间响应的细胞涂层金属-有机框架，用于环境友好型fun递送)。该研究服务于国家绿色农业发展战略，在高效农药投放和精准疾病管理方面具有潜在的应用价值，为农药减量增效和智能响应投放系统的开发提供了有力的理论支撑。

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农药作为一种重要的农用化学品，不仅保证了农产品的生产，而且为稳定国家粮食安全做出了巨大贡献。在可预见的未来，农药仍可能是控制病虫害最有效的手段。根据联合国粮农组织公布的数据，使用农药可以减少30%-40%的粮食产量损失。然而，在实际生产中，只有0.1%的农药活性成分能到达目标害虫，其余的通过雾滴漂移、生物降解、地表径流、光解和蒸发等途径流失到周围环境中。农药的脱靶损失会导致许多问题，包括残留毒性和生态失衡，严重威胁人类健康和珍贵生物种群的生存。因此，利用先进的功能材料和制备技术构建智能农药释放系统，有利于调控农药的释放，减少农药对环境的影响。同时，智能农药投放系统能够对pH、温度、酶、光照等环境条件的变化做出响应。，并触发系统的“开关”释放负载的农药，从而达到延长持续时间、减少用药次数、提高农药有效利用率的目的。

基于水稻纹枯病的发病机理，通过合理设计，将杀菌剂吡唑醚菌酯封装在金属有机骨架材料UiO-66中，并接枝天然高分子纤维素涂层，制备了一种具有pH/纤维素酶双重刺激响应的智能施药系统。在水稻纹枯病菌侵染产酸和分泌纤维素酶微环境下，能刺激表面包被分解，按需释放杀菌剂，从而实现水稻纹枯病的智能有效防治。与原农药相比，智能施药系统具有更好的生物相容性和人体安全性，不会影响水稻这种待控作物的正常生长，对土壤微生物群落影响较小，从而降低了农药使用对环境的风险。这项工作为有效预防和控制植物病害提供了一个智能的、环境友好的和可持续的策略。

1.响应型农药释放系统体外杀菌活性的研究。

采用平板法研究了吡唑醚菌酯原药、吡唑醚菌酯微胶囊剂和不同浓度的PYR@UiO-66@HPC的杀菌活性。如图3a所示，三种处理的杀真菌活性与浓度正相关。同时，PYR@UiO-66@HPC的EC50值为0.276 mg/L，高于原药(0.251 mg/L)，低于微囊(0.289 mg/L)。与原药相比，两种缓释剂型(即微囊和PYR@UiO-66@HPC)的抗菌活性略低，这是由于两者都需要时间才能完全释放原药，导致培养基中活性成分浓度低，菌落生长初期抗菌效果差。综合来看，PYR@UiO-66@HPC比市售微胶囊具有更高的抗菌活性，这归功于PYR@UiO-66@HPC的双重刺激反应特性，可导致在病菌入侵时更快释放农药，达到防治效果(图3b)。

图3 (a)吡唑醚菌酯原料药(PYR-TC)、吡唑醚菌酯微胶囊(巴斯夫-CS)和PYR@UiO-66@HPC对水稻纹枯病的抗菌活性。
(b)水稻受病原菌感染导致吡唑醚菌酯从载药系统中释放的机理。

2.对靶标敏感的农药释放系统的吸收、传导和生物安全性研究。

图4a显示了通过使用激光共聚焦显微镜，在靶真菌中作为载体的纤维包被的UiO-66的吸收。经FITC@UiO-66@ HPC处理的菌丝体显示出微弱的荧光信号，而未经处理的菌丝体没有荧光信号，表明UiO-66@ HPC可以作为载体将农药转运到真菌中，实现对病害的有效控制。

PYR@UiO-66@HPC对非目标生物的急性毒性以瑞香大作为模式生物进行了研究(图4b)。结果表明，PYR@UiO-66@HPC处理组在24和48小时的EC50显著高于吡唑醚菌酯，尤其是在48小时，PYR@UiO-66@HPC的EC50是原药的4.6倍，表明其具有较高的水生生物安全性。施用PYR@UiO-66@HPC后，水稻植株的外观没有显著变化(图4c)，也没有显著改变土壤细菌群落的组成(图4d)，表明响应性农药投放系统的发展降低了农药施用对环境的风险。

图4 (a)水稻纹枯病菌的激光共聚焦显微镜图像。
(二)大规模瑞香实验设计方案。
(c)用PYR@UiO-66@HPC处理的大米照片。
(d)土壤样品分类组成的分布差异。

中国农业大学理学院教授、徐勇副教授为本研究论文通讯作者，马迎建为第一作者，博士生于萌、潘守和、、王，研究生孙、高锐，博士后、实验员为合著者。本研究得到了R&D国家重点项目(2022YFD170050302)的资助。

吴雪敏教授团队主要从事新型绿色农药制剂和添加剂的研发和生产，纳米农药的创制和应用，农林害虫的防治。曾在《化学工程杂志》、《胶体与界面科学杂志》、《农业与食品化学杂志》、《害虫管理科学》等杂志担任第一作者或通讯作者，发表专业学术论文120余篇，主编专著2部，获省部级奖励5项，获得授权专利20余项，培养硕士、博士40余名。

原文链接:https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.142190

供稿:科学学院

供图:科学学院

编辑:李阳

编辑:孟祥慈