近期，植物保护学院/绿色农药全国重点实验室徐汉虹/张志祥教授团队，在ACS Nano (1区，影响因子15.8)、Journal of Hazardous Materials (1区，影响因子12.2)、Science of the Total Environment (1区，影响因子8.2)和International Journal of Biological Macromolecules (1区，影响因子7.7)等国际著名期刊上，发表了农药新剂型制备技术和创新应用的研究新成果，在农药靶向传递和非靶标生物安全性研究方面取得了新突破。针对有害生物的为害特点，设计制备了多种绿色环保纳米农药新剂型，开发出系列农药精准靶向施药技术，研究了对蜜蜂、蚯蚓和斑马鱼等非靶标生物的影响，系统性评估了生态安全性。
暴露于不同类型的金属有机框架纳米粒子对成年斑马鱼肠道微生物群和肝脏代谢的影响
团队在国际著名刊物ACS Nano上发表题为“Effects of Exposure to Different Types of Metal–Organic Framework Nanoparticles on the Gut Microbiota and Liver Metabolism of Adult Zebrafish”的研究论文。博士研究生杨留鹏为第一作者、徐汉虹教授和张志祥教授为通讯作者。
金属有机框架纳米颗粒(MOF NP)因其在纳米农药中的潜在用途而受到广泛关注。迫切需要进行体内毒理学研究，以评估这些纳米材料对环境和人类安全的潜在危害。该研究评估了斑马鱼在短时间和长时间暴露于5种MOF NPs后的毒理学反应。急性毒性试验结果表明5种MOF NPs对斑马鱼胚胎和成年斑马鱼的毒性顺序为Cu-MOF > ZIF-90 > ZIF-8 > Fe-MOF > Zr-MOF。发育毒性结果表明暴露于MOF NPs的斑马鱼胚胎出现了孵化延迟、脊柱弯曲、卵黄囊水肿和死亡现象，其中Cu-MOF NPs显示出最高的毒性。
组织病理学分析显示ZIF-8、ZIF-90和Cu-MOF NPs引起斑马鱼肝脏肿胀和空泡化。细胞超微结构显示ZIF-8、ZIF-90和Cu-MOF NPs严重破坏了肠上皮细胞和肝细胞的线粒体结构。16S rDNA测序数据显示所有5个MOF NPs显著改变了斑马鱼肠道中的优势微生物，有益细菌Cetobacterium在所有处理组中的丰度显著减少。Fe-MOF、ZIF-8、Zr-MOF和Cu-MOF处理组肠道炎症微生物标志物变形菌门(Aeromonas, Plesiomonas, Legionella)显著升高。代谢组学结果显示花生四烯酸代谢中促炎因子(白三烯E4, 20-羟基二碳四烯酸)水平在所有处理组中显著降低，炎症抑制因子(8,9-环氧二碳四烯酸)水平在所有处理组中显著升高。与氧化应激相关的代谢物，如维生素B6代谢中的谷氨酰胺、吡哆胺和L-谷氨酸以及其他信号通路中的这些物质显著减少，这表明抗氧化剂在肝组织中扮演着重要角色。谷氨酰胺补充可以有效缓解MOF NPs诱导的氧化应激，对于维持细胞内氧化还原平衡和增强细胞抗氧化能力至关重要。本研究评估了MOF NPs的毒性，为农业纳米载体对水生生物的安全性提供了理论基础。
果胶包覆铁金属有机框架纳米粒子对立枯丝核菌的抑制机制以及诱导水稻防御反应的证据
团队在国际著名杂志Journal of Hazardous Materials上发表了题为“Inhibition mechanism of Rhizoctonia solani by pectin-coated iron metal-organic framework nanoparticles and evidence of an induced defense response in rice”的研究论文。博士研究生杨留鹏为第一作者、徐汉虹教授和张志祥教授为通讯作者。
近年来，金属纳米材料(如Ag NPs、CuO NPs、ZnO NPs和TiO2等)已被用于农业病虫害防治。在这些金属纳米粒子中，MOF因其优异的表面积、高孔隙率、高药物负载效率和易于表面功能化而被广泛用作药物释放载体，并在生物医学应用、化学传感器、废水处理和非均相催化领域得到广泛研究。
Fe-MOF 的开放结构框架和活性金属位点提高了其光热治疗和抗菌能力，在医疗杀菌、细菌消灭和抗菌剂方面具有重要的应用价值。该研究报道了果胶包覆的金属铁有机骨架纳米粒子(Fe-MOF-PT NPs)对水稻纹枯病(RSB)的杀菌活性和抗病潜力。体外抑菌试验表明，Fe-MOF-PT NPs显著抑制菌丝生长和细胞核形成。Fe-MOF-PT NPs吸附于菌丝体表面，通过破坏细胞膜、线粒体和DNA产生毒性。非靶向代谢组学分析结果表明，经80 mg/L NPs处理后，氨基酸及其代谢物、杂环化合物、脂肪酸和核苷酸及其代谢物的代谢物均显著下调。体内试验结果表明，Fe-MOF-PT NPs通过抑制菌丝入侵、增强抗氧化酶活性、激活茉莉酸信号通路和增强光合作用，提高了水稻对水稻纹枯病的抗性。这些发现表明 Fe-MOF-PT NPs 作为一种新的RSB病害管理策略具有巨大潜力，并为植物真菌病害管理提供了新的见解。
蓖麻油基水性聚氨酯的生态风险评价：阴/阳离子状态对蚯蚓的选择毒性机理
团队在国际著名杂志Journal of Hazardous Materials上发表了题为“Ecological risk assessment of castor oil based waterborne polyurethane: Mechanism of anionic/cationic state selective toxicity to Eisenia fetida”的研究论文。博士研究生侯瑞权为第一作者、张志祥教授和张佩文博士后为通讯作者。
阳离子型和阴离子型蓖麻油基水性聚氨酯(C-WPU/A和C-WPU/C)与植物源农药混合，增强了植物源农药的叶面粘附性、抗淋洗、光降解和贮藏稳定性性能，在农业上有很大的发展潜力。然而，目前还不清楚这些聚氨酯对土壤动物是否有害或有毒。
基于多水平毒性终点和转录组学方法，研究了C-WPU/A和C-WPU/C对赤子爱胜蚓(Eisenia fetida)的毒性效应。急性毒性试验结果表明，C-WPU/A对蚯蚓具有较高的毒性，而C-WPU/C对蚯蚓几乎无毒性。与C-WPU/C相比，C-WPU/A显著影响蚯蚓的体重、挖穴能力和产茧率。C-WPU/ A暴露后，细胞内活性氧(ROS)积累，过氧化物酶活性异常，丙二醛(MDA)含量升高。此外，蚯蚓的组织病理学损伤更为严重，如表皮损伤、空泡化、纵向肌肉组织紊乱和肠上皮细胞脱落。在细胞水平上，C-WPU/A诱导的溶酶体损伤、DNA损伤和细胞凋亡比C-WPU/A更严重。与C-WPU/C相比，C-WPU/A在转录水平产生了更多的差异表达基因和丰富的转录途径。这些通路主要涉及细胞膜信号传导、解毒和凋亡。因此， C-WPU/A作为农药载体在农业中应用对蚯蚓的毒害风险更低。
乙酰甲胺磷玉米种子包衣实现精准农业：对蚯蚓、蜜蜂和土壤微生物的安全性评估
团队在国际著名杂志Science of the Total Environment上发表了题为“Coating of maize seeds with acephate for precision agriculture: Safety assessment in earthworms, bees, and soil microorganisms”的研究论文。博士研究生闫文娟为第一作者、徐汉虹教授和张志祥教授为通讯作者。
在精准农业中，乙酰甲胺磷通常被用作种子处理剂(ST)，但其对授粉昆虫、蚯蚓和土壤微生物的影响仍不清楚。本研究旨在比较乙酰甲胺磷拌种(SD)和种子包衣(SC)处理后对玉米生长及害虫防控的影响，并评估其对蜜蜂、蚯蚓和土壤微生物的潜在风险。此外，在温室中对用乙酰甲胺磷处理过的玉米种子进行了后续研究，以评估玉米的生长过程和杀虫剂的消散动态。
研究结果表明，玉米植株对乙酰甲胺磷(SC)的吸收和转运能力较强，因此土壤中的残留量较低。但是，土壤中高浓度的乙酰甲胺磷代谢物会对蚯蚓的体重产生负面影响，而乙酰甲胺磷本身则不会。经测定，蜜蜂接触乙酰甲胺磷ST的潜在风险较低，但观察到了剂量依赖性影响。此外，与对照组相比，乙酰甲胺磷ST对土壤细菌群落的多样性和丰度没有显著影响。本研究表明SC比SD对蜜蜂和非目标土壤生物更安全，且为玉米种子乙酰甲胺磷SD和SC的吸收和转运提供了理论基础。施药土壤中的蚯蚓能够保持正常的生物活动，土壤细菌群落多样性也得以保留。不过，在目前的研究中，乙酰甲胺磷对地下水和水生生物的影响仍需开展进一步的研究。尽管如此，本研究仍具有一定的参考价值，为今后研究和开发在害虫管理中的SC应用以及评估生态安全性提供了依据。
O-羧甲基壳聚糖纳米颗粒： 提高玉米幼苗抗水胁迫能力的新方法
团队在国际著名杂志International Journal of Biological Macromolecules上发表了题为“O-Carboxymethyl chitosan nanoparticles: A novel approach to enhance water stress tolerance in maize seedlings”的研究论文。以博士研究生吴豪为第一作者、张志祥教授为通讯作者。
水胁迫是一种重要的非生物胁迫因素，将严重影响作物的生长和产量，对粮食安全构成威胁。尽管纳米颗粒(NPs)在提高植物抗逆性方面具有广阔的潜力，但利用O-Carboxymethyl Chitosan 纳米颗粒(O-CMC-NPs)缓解玉米水分胁迫的确切机制仍不明确。在本研究中，合成了一种O-CMC-NPs 并深入研究了它们缓解玉米幼苗水胁迫(涝和旱)的能力。结构表征显示，O-CMC-NPs 呈球形，大小约为 200 nm。值得注意的是，这些 NPs 在种子胚和根尖附近积聚，导致鲜重和干重大幅增加。对水胁迫的玉米幼苗施用 O-CMC-NPs 能显著提高叶绿素含量和各种抗氧化酶(SOD、CAT、POD、PPO)的活性。相反，与未处理的对照组相比，丙二醛(MDA)含量明显降低。此外，经O-CMC-NPs 处理的幼苗中，ZmSOD、ZmCAT、ZmPOD、ZmTIFY、ZmACO、ZmPYL2、ZmNF-YC12 和 ZmEREB180 等应激反应基因的表达水平显著上调。这些研究结果揭示了 O-CMC-NPs 在增强植物抗逆性方面的新作用，表明它们有可能在水胁迫条件下保护玉米幼苗，并促进氧化损伤的恢复。
研究结果表明，O-CMC-NPs可促进种子萌发，并提高玉米幼苗在水分胁迫条件下的生理生化特性。O-CMC-NPs对叶绿素含量、抗氧化酶活性和脂质过氧化作用的积极影响表明，O-CMC-NPs在缓解玉米水分胁迫方面发挥着重要作用。对胁迫反应基因的调节进一步证实了O-CMC-NPs 在增强植物对环境压力的适应能力方面的潜力。这些发现为应用O-CMC-NPs 提高玉米作物在水胁迫条件下的应答反应提供了宝贵的理论基础。
绿色合成木质素纳米颗粒可持续释放吡唑醚菌酯防治草莓灰霉病
团队在国际著名杂志International Journal of Biological Macromolecules上发表了题为“Green synthesized lignin nanoparticles for the sustainable delivery of pyraclostrobin to control strawberry diseases caused by Botrytis cinerea”的研究论文。硕士研究生刘俊为第一作者、张志祥教授和张佩文博士后为通讯作者。
木质素因其可再生性、生物相容性和环境友好性而成为农用化学品可持续的原料。本研究中，通过两次溶剂萃取纯化了原始脱碱木质素(DAL)，采用溶剂自组装的方法，将吡唑醚菌酯(Pyr)负载在木质素纳米颗粒中，构建了一种酶响应型纳米递送系统(Pyr@DAL-NPs)。
研究结果表明，所制备的Pyr@DAL-NPs平均粒径为250.4 nm，载药率和包封率分别高达54.70%和86.15%。值得注意的是，在浓度为2 mg/mL的纤维素酶和果胶酶的存在下，Pyr@DAL-NPs在120 h内Pyr的释放率达到92.66%。此外，与市售杀菌剂悬浮剂Pyr SC相比，Pyr@DAL-NPs的光稳定性提高了2.92倍。生测结果表明，Pyr@DAL-NPs对B. cinerea的体外杀菌活性优于Pyr SC，EC50为0.951 mg/L。生物安全性试验表明，Pyr@DAL-NPs有效降低了Pyr对斑马鱼的急性毒性，对草莓植株的健康生长没有负面影响。本研究为木质素的应用和环保型农药控释系统的开发提供了理论基础。
徐汉虹/张志祥团队长期致力于创制农药纳米新剂型、环保新乳油、绿色种衣剂和无人机飞防助剂等绿色环保农药新剂型，积累了丰富的多聚糖、金属有机框架、二氧化硅、植物精油等农药绿色新载体设计经验。上述研究得到了国家重点研发计划(2023YFD1701103)和广东省重点研发计划(2023B0202080001)等项目资助。
相关论文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.4c03451
https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2024.134807
https://doi.org/ 10.1016/j.jhazmat.2024.135553
https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.173761
https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2024.134459
https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2024.133488
文图/植物保护学院