J. Clean. Prod.丨湖北中医药大学刘大会教授团队成功开发蕲艾挥发油纳米乳除草剂并揭示其应用价值

植物科学最前沿 · 公众号 · · 2024-05-07 21:46

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实现农业可持续生产和保障全球粮食安全是新千年的两大挑战。应对这些挑战需要新的生物技术以提高全球粮食产量，同时最大限度地减少环境的危害，植物源除草剂的开发研究成为重要的组成部分。近日，湖北中医药大学药学院刘大会教授团队在前期发现蕲艾挥发油强除草活性的基础之上，通过经典的 HLB 法成功制备蕲艾挥发油纳米乳除草剂。该纳米乳制剂不仅解决了蕲艾挥发油不稳定，遇热、光、氧易分解的难题，还具有以缓释封装和递送农药活性成分的能力，能通过减低叶片接触角、增加叶片保留量、提升抗洗露性能降低农药脱靶性而大幅提高利用效率。与传统水乳剂剂型相比，在达到 80% 的杂草除草率时，纳米乳剂型的有效除草浓度可降低 1-2 倍；在室外 10 mg/g 剂量下，纳米乳剂型的除草效果（ 80% 左右株防效）要比传统水乳剂剂型（ 20% 株防效）提升 4 倍左右。研究成果以《 Development and characterization of Artemisia argyi essential oil-loaded nanoemulsion for sustainable weed control: enhanced stability, amplified activity, protected non-target 》发表于环境科学与生态学 1 区 Top 期刊 Journal of Cleaner Production 。

1 实验设计：

图 1 Graphical abstract

2 实验结果

2.1 成功制备艾叶挥发油纳米乳除草剂剂型 AEOnano-EL 和 AEOnano-PLE

基于经典的 HLB 值理论，当表面活性剂 HLB 值与油相 HLB 值相等时可以发挥良好的乳化作用，形成更加稳定的体系。本研究通过外观稳定性及三元相图法确定艾叶挥发油（ AEO ）的 HLB 值为 15 。由于非离子表面活性剂和阴离子表面活性剂的复配可以扩大形成乳状液的透明温度范围，本研究在确保 HLB 值为 15 的条件下筛选了八种非离子型表面活性剂与阴离子表面活性剂的最优组合；并进一步通过最大容水量法筛选了最佳表面活性剂组合最适的助表面活性剂。在此基础之上，以 10%AEO 为油相，再次利用伪三元相图法明确了最佳的 Km 值（表面活性剂与助表面活性剂的比值）和 OSR 值（油相与表面 - 助表面活性剂体系的比值），通过高速匀浆法成功制备两种艾叶挥发油纳米乳除草剂剂型 AEOnano-EL 和 AEOnano-PLE 。

图 2 艾叶挥发油纳米乳配方筛选及配比确定

2.2 艾叶挥发油纳米乳液具备优异的理化性质及稳定性

AEOnano 在室温下为浅绿色透明外观，经鉴定为 W/O 型乳液。纳米粒径分别为 153.06nm 和 108nm ， PDI 分别为 0.252 和 0.242 。制剂具备优异的理化性质，包封率达 70% 以上，透明温度范围分别为 0-44℃ 和 0-90℃ 。在离心、光照、长期储存条件下稳定。不同的表面活性剂体系使 AEOnano-EL 表现出良好的低温稳定性， AEOnano-PLE 则表现出极高的高温稳定性，可适用于不同的地区和应用场景。该纳米乳制剂在稀释 24 小时后会出现明显的分层现象，实际田间应用时建议现配现用。

图 3 艾叶挥发油纳米乳的理化性质

（ a:AEOnano-EL;b:AEOnano-PLE ）

2.3 艾叶挥发油纳米乳较普通剂型除草活性显著提高

在温室条件下，纳米乳对稗草、狗尾草、马齿苋和反枝苋的除草活性显著提升，在达到 80% 以除草活性时，有效浓度可降低 1-2 倍。此外，纳米乳的除草活性显著高于阳性对照草甘膦和氰氟草酯。在室外 10 mg/g 剂量下，纳米乳会造成杂草叶片脱水、卷曲、茎扭曲等严重死亡现象，对稗草的株防效和鲜重防效分别超过 80% 和 70% ，而普通水乳剂仅为 20% 左右。

图 4 艾叶挥发油纳米乳的室内除草活性

（ a:AEOnano-EL;b:AEOnano-PLE;c:AEOAE ）

图 5 艾叶挥发油纳米乳的室外除草活性

（ a:AEOnano-EL;b:AEOnano-PLE;c:AEOAE ）

2.4 纳米乳液降低了农药的脱靶性从而提高利用率

通过增加农药液滴在植物叶片表面的润湿和粘附能力，可以提高农药的沉积和利用效率。本实验模拟了制剂在杂草叶片表面的静态接触角，纯水在叶片上几乎没有扩散，普通水乳剂的润湿性能略有提高，而纳米乳剂型均表现出更好的润湿性能，其接触角分别为 50.2° 和 46.2° ，且表面张力更低。良好的滞留能力可以显著提高农药的生物利用度，最终纳米乳剂型在杂草叶片上的最大保留量显著提高，尤其是在疏水性叶片；同时黏附性更强、具备高效的抗洗露性能。

图 6 艾叶挥发油纳米乳脱靶性研究（ a:AEOnano-EL;b:AEOnano-PLE;c:AEOAE ）

2. 5 纳米乳液对多种非靶标作物安全

在具有优异除草活性的同时，对非目标作物的安全性也决定了其在农业生产中的应用前景。安全性评价结果表明，在高效的除草效果试验浓度（ 5 mg/g ）时，纳米乳剂对非目标作物无影响。为了探究作物对纳米乳剂的耐受性，进一步的实验发现高浓度的（ 12.5 mg/g ）的纳米乳剂对艾叶、菊花、棉花幼苗无危害；但水稻和大豆幼苗有轻度脱水、枯萎、黄化。整体而言，在建议使用浓度下，纳米乳剂对所有非目标作物都是安全的，但更推荐它在艾叶、菊花和棉花种植中使用。

湖北中医药大学药学院 2022 级硕士研究生陈红

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