散沫花（Lawsonia inermis）精油及其纳米乳液对谷蠹（Rhyzopertha dominica (F.)）的生物杀虫潜力

《Renewable Agriculture and Food Systems》：Bioinsecticidal potential of Lawsonia inermis essential oil and its nanoemulsion against Rhyzopertha dominica (F.)

　　

由储粮害虫引起的采后损失对全球粮食安全和储粮经济可持续性构成重大挑战。本研究旨在提高散沫花（Lawsonia inermis）精油作为一种可再生且生态友好的合成杀虫剂替代品对控制谷蠹（Rhyzopertha dominica）的有效性。研究人员通过水蒸气蒸馏法提取精油，并利用气相色谱-质谱联用（gas chromatography–mass spectrometry, GC–MS）进行分析，鉴定出主要成分包括2-羟基-1,4-萘醌（lawsone）、柠檬烯（limonene）、1,8-桉叶素（1,8-cineole）、1,2,3-苯三酚（1,2,3-benzenetriol）、芳樟醇（linalool）和α-蒎烯（α-pinene）。制备了三种表面活性剂与油比例（surfactant-to-oil ratios, SORs）分别为2:1、2.5:1和3:1的纳米乳液，并评估了其杀虫活性和物理稳定性。SOR为2.5:1的配方表现出最高的毒性和稳定性；在最佳超声处理（20分钟）条件下，其平均液滴尺寸为118.2 nm，多分散指数（polydispersity index, PDI）为0.19，Zeta电位为?27.1 mV。与散装油和甲基嘧啶磷相比，纳米乳液显著增强了杀虫活性，其熏蒸LC₅₀为48.8 μl l^?1空气（散装油：90.5 μl l^?1空气；甲基嘧啶磷：108.6 μl l^?1空气），接触LC₅₀为0.30 μl cm^?2（散装油：1.30 μl cm^?2；甲基嘧啶磷：0.85 μl cm^?2）。在浓度为0.3 μl cm^?2时，它还实现了100%的驱避率。这些发现表明，L. inermis精油纳米乳液是一种控制R. dominica的有效且可持续的替代品。

**论文解读：散沫花精油纳米乳液对谷蠹的生物杀虫潜力**

**一、研究背景与意义**

储粮害虫造成的采后损失是全球粮食安全和储粮经济可持续性面临的重大挑战。其中，谷蠹（*Rhyzopertha dominica* (F.)）是一种破坏性的储粮初级害虫，可导致高达40%的采后损失。该害虫已对多种合成杀虫剂（如磷化氢、联苯菊酯、溴氰菊酯和多杀菌素）产生了抗性。合成杀虫剂的连续和不加区分的使用加速了抗性发展和环境污染，且其在食品中的化学残留对消费者健康构成长期危害。因此，迫切需要探索有效且环境友好的害虫防治替代策略。植物源精油因其可生物降解性、可再生性、低哺乳动物毒性和生态安全性而成为有前景的替代品。然而，精油的挥发性、水溶性差以及对温度和光敏感等特性限制了其实际应用。纳米乳液技术通过改善精油的物理化学稳定性、增强对昆虫表皮的穿透性并确保在谷物表面更均匀的分散，为克服这些限制提供了先进的技术解决方案。散沫花（*Lawsonia inermis*）因其丰富的植物化学特征（包括lawsone、芳樟醇和α-蒎烯）而成为有前景的候选植物，但其纳米乳液配方对储粮害虫的系统研究尚属空白。本研究旨在探究散沫花精油及其纳米乳液的物理化学性质、杀虫性能和驱避性，并考察搅拌和超声等配方参数对纳米乳液稳定性、液滴尺寸和Zeta电位的影响，为开发稳定、高效且生态友好的纳米制剂以纳入综合害虫管理（integrated pest management, IPM）计划提供科学依据。该论文发表在《Renewable Agriculture and Food Systems》。

**二、主要技术方法**

研究人员从巴基斯坦拉合尔（Lahore）的谷物储存设施收集谷蠹成虫，建立实验室种群并饲养1年以统一敏感性；植物材料采自巴基斯坦科学与工业研究理事会（PCSIR）拉合尔园区。通过水蒸气蒸馏法（Clevenger型装置提取180分钟）提取散沫花精油，利用气相色谱-质谱联用（GC–MS）分析其化学成分。采用改进的乳化法，以吐温80为表面活性剂，制备三种表面活性剂与油比例（SORs: 2:1, 2.5:1, 3:1）的纳米乳液，并对优选配方进行不同时间（10-30分钟）的超声处理。通过动态光散射（Zetasizer Nano分析仪）测定平均液滴尺寸、Zeta电位和多分散指数（PDI），结合黏度、pH值及多种应力条件（离心、热、冻融、酸碱）下的稳定性评估来表征纳米乳液。采用熏蒸毒性、接触毒性和驱避性生物测定法评估精油的纳米乳液对谷蠹的杀虫活性，以甲基嘧啶磷和DEET（N,N-二乙基-3-甲基苯甲酰胺）分别作为杀虫和驱避的阳性对照，使用Probit分析和方差分析进行统计学处理。

**三、研究结果**

**精油产率和化学成分**
通过水蒸气蒸馏获得的散沫花精油产率为2.40±0.15%（v/w）。GC/MS分析显示复杂的化学成分，主要成分包括2-羟基-1,4-萘醌（lawsone，17.25%）、柠檬烯（11.94%）、1,8-桉叶素（8.08%）、1,2,3-苯三酚（7.23%）、芳樟醇（5.74%）和α-蒎烯（4.98%）。

**纳米乳液表征和稳定性**
对不同SOR的纳米乳液（未超声）进行表征，所有配方在多种应力条件下均表现出优异的稳定性。SOR为2.5:1的配方显示出最小的液滴尺寸、最低的Zeta电位和小于0.3的PDI，表明其理化性质最优。在该配方上施加不同时间的超声处理，20分钟超声与SOR 2.5:1结合产生最佳结果：平均液滴尺寸118.2 nm，Zeta电位?27.1 mV，PDI为0.190。

**纳米乳液的储存稳定性**
SOR为2.5:1且超声20分钟的纳米乳液在28天储存期内未出现相分离，表明高物理稳定性。液滴尺寸、Zeta电位、PDI、黏度和pH值随时间略有增加，表明存在最小结构变化但整体完整性得以保持。

**精油与纳米乳液的杀虫功效比较**

* **熏蒸毒性**：具有不同SOR的纳米乳液对谷蠹的熏蒸毒性评估显示，SOR 2.5:1配方效果最佳，LC₅₀值为48.77 μl l^?1空气，显著高于散装油（90.46 μl l^?1空气；相对效率RE=0.46），且两者均优于甲基嘧啶磷（LC₅₀=108.64 μl l^?1空气）。
* **接触毒性**：接触毒性测定表明，SOR 2.5:1的纳米乳液毒性最强（LC₅₀=0.30 μl cm^?2），优于散装油（LC₅₀=0.39 μl cm^?2；RE=0.77）和甲基嘧啶磷（LC₅₀=0.85 μl cm^?2）。

**驱避性测定**
评估了24小时暴露期内散沫花精油和纳米乳液（SOR 2.5:1，20分钟超声）对谷蠹的驱避性。结果显示剂量和时间依赖性的正驱避效应；纳米乳液在所有测试浓度和时间点均表现出高于散装油的驱避效果。在暴露24小时后，纳米乳液在0.3和0.4 μl cm^?2浓度下达到100%驱避率。

**四、讨论总结与结论**

**讨论部分**：研究人员指出，散沫花精油及其纳米乳液的杀虫和驱避活性归因于其复杂的植物化学特征（如lawsone、柠檬烯、1,8-桉叶素和邻苯三酚）以及纳米乳化提供的增强递送机制。这些成分可通过多靶点途径（如干扰神经信号、破坏细胞膜、诱导氧化应激）破坏昆虫生理，从而降低快速抗性发展的可能性。纳米乳化通过将生物活性化合物封装在纳米级液滴中，克服了精油的挥发性、水溶性差和快速降解等局限性，增强了稳定性、穿透性和缓释能力。优化配方（SOR 2.5:1，20分钟超声）产生的液滴尺寸小于200 nm，Zeta电位为?33 mV，有助于静电排斥防止聚集。与甲基嘧啶磷相比，纳米乳液在熏蒸和接触毒性上表现出更优效果，这可能与多靶点作用机制及纳米乳化改善的挥发性控制和持续释放有关。驱避活性受挥发性单萜影响，可能通过超刺激化学受体触发逃避行为。尽管DEET驱避更快，但散沫花纳米乳液通过驱避、毒性和生物可降解性的结合提供了可持续控制。研究还讨论了精油产率及规模化潜力，并强调需通过田间试验验证在半田间和实际储存条件下的性能、对谷物品质、非靶标生物的影响及成本效益。

**结论部分**：本研究证明，散沫花精油纳米乳液作为合成杀虫剂的生态友好替代品，在控制储粮中的谷蠹方面具有强大潜力。通过优化表面活性剂与油比例和超声参数，开发出具有有利理化性质的稳定纳米乳液，其生物活性显著高于散装油和甲基嘧啶磷。虽然研究结果突显了这些配方在实验室条件下的功效，但其成功转化至可再生农业系统将取决于进一步的验证。未来工作应侧重于评估在半田间和实际储存条件下的性能、对谷物品质和非靶标生物的影响、长期稳定性以及成本效益和农民采纳潜力。解决这些问题对于将散沫花纳米乳液整合到实际害虫管理计划中，并确保其有助于构建更可持续和更具韧性的粮食系统至关重要。