研究背景
在农业生产中，杂草入侵会严重影响农作物的产量和质量，而杂草的控制目前主要依赖于化学除草剂，但化学除草剂的大量使用导致杂草产生抗药性，使防控难度加大，且大多数除草剂的效果受环境和气候条件影响显著，尤其是水溶性除草剂如双草醚 (BIS) 在季节性降雨期间难以附着在杂草叶片上，导致其除草效果变差。
纳米材料在提高农药效率和减少残留污染方面展现出巨大潜力。金属-有机框架材料 (MOFs) 中的沸石咪唑基骨架-8 (ZIF-8) 因其高比表面积、良好的生物安全性和对非靶标生物的低毒性而受到关注。ZIF-8 不仅可用于气体储存、催化、药物释放和抗菌保护，还被探索作为农药载体，以实现农药的靶向释放和减少副作用。然而，目前针对将 ZIF-8 纳米材料应用于提高除草剂的应用效率的研究还鲜有报道。
论文简介
近日，福建农林大学潘晓鸿副教授课题组联合陈志副教授以 ZIF-8 为载体负载双草醚 (BIS@ZIF-8)，构建了一种多刺激响应型金属有机框架纳米农药，全面评估了 BIS@ZIF-8 纳米复合材料的除草活性，以及在雨蚀条件下的环境行为。研究证实了 ZIF-8 具有紫外光依赖的释放机制，这一特性对于优化纳米复合材料在靶向应用中的效果至关重要。此外，研究还评估了 ZIF-8 对非靶标生物的安全性，以确保其环境兼容性。
该工作成功合成了一种新型多刺激响应型纳米农药 BIS@ZIF-8，其粒径为 118.46 nm，载药量 14.86% wt。该纳米农药在控制稗草生长方面表现出优异的除草效果，尤其在模拟雨水冲刷后，其抗冲刷能力和除草活性显著优于纯 BIS。BIS@ZIF-8 在稗草叶片上的保留率高达 76.26%，且在酸性条件下表现出良好的 pH 响应性，紫外光照射下释放速率显著增加。在自然条件下，BIS@ZIF-8 的除草效果显著优于纯 BIS，且对非靶标标生物无显著毒性，具有良好的生物安全性，为应对气候变化的农药释放策略和提高除草剂的利用效率提供了新的思路。
BIS@ZIF-8 纳米颗粒的结构和组成表征
图 1. (A) 制备过程的示意图，(B) XRD 表征其晶体结构，(C) TGA 分析其热稳定性，(D) FT-IR 光谱揭示官能团信息，(E) Zeta 电位测定 BIS、ZIF-8 及 BIS@ZIF-8 的表面电荷，以及 (F) EDS 映射表征其元素分布和组成。
BIS@ZIF-8 的抗雨水冲刷能力
图 2. (A) 模拟雨水冲刷后不同处理在对稗叶面的滞留率。(B-1) BIS、(B-2) BIS@ZIF-8、(B-3) ZIF-8、(B-4) 去离子水在稗草叶上的接触角。(C) 模拟雨水冲刷后不同处理稗草的生长情况，(D) 鲜重，(E) 株高，(F) 叶绿素含量。(G1-G3) 不同尺寸的稗草叶片表面，(G4-G6) ZIF-8 和 (G7-G9) BIS@ZIF-8 嵌入稗草微纳米结构的 SEM 图像。G1-G3 中红色箭头为稗草叶表面乳突结构。
BIS@ZIF-8 在刺激条件下的释放行为及其机制
图 3. BIS@ZIF-8 的释放行为及机理。(A) 不同条件下 BIS@ZIF-8 的累积释放速率；(B) 不同条件下（UV 和暗）ZIF-8 的紫外扫描光谱和 (C) 降解率；(D-1) 暗、(D-2) 紫外光、(D-3) pH 7.4、(D-4) pH 5.0 不同条件下 BIS@ZIF-8 的 SEM 图像及粒径分布。(E) 紫外光和暗光处理条件下 BIS 和 BIS@ZIF-8 对稗草的防治效果图。(F) 分析不同处理条件下稗草株高 (F-1)、稗草叶绿素含量 (F-2) 和稗草鲜重 (F-3) 的数据差异。
论文信息
A Multi-Stimuli-Response Metal-Organic Framework Nanopesticide for Smart Weed Control in Agriculture
Dingyang Zhang, Xueping Guo, Wenhua Rao, Danmei Pan, Fang Cao, Tianyun Zhai, Wenhui Zheng, Yakubu Saddeeq Abubakar, Xiong Guan, Zhi Chen*, and Xiaohong Pan* Environ. Sci.: Nano, 2025, 12, 608-622
https://doi.org/10.1039/D4EN00695J
作者简介
本文通讯作者，生物农药与化学生物学教育部重点实验室副主任，福建农林大学植物保护学院副教授，博士生导师。全国挑战杯优秀指导教师，福建省高层次人才（C类），入选第二届福建省科协青年人才托举工程，中国农业生物技术学会微生物生物技术分会理事，Advanced Agrochem 和 New Plant Protection 青年编委。在纳米农药、纳米材料抗菌机制等领域取得多项成果，发表论文70余篇，其中以第一或者通讯作者在 Environ. Sci. Technol.（封面文章）、Water Res.（高被引）、Chem. Eng. J.，J. Hazard. Mater.、J. Agric. Food Chem.（4 篇，其中 1 篇为封面文章），Environ. Sci.-Nano（3 篇，其中 1 篇获最佳 review 奖）和 ACS Appl. Mater. Interfaces 等国际重要学术期刊发表。主持 2 项“十四五”国家重点研发计划任务、1 项国家青年基金、2 项省级面上等项目，以第一发明人授权专利 6 件。
相关期刊
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Environ. Sci.: Nano
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Environmental Science: Nano 全面报道具有环境用途的工程纳米材料的设计和应用研究，以及人工与天然纳米材料在生物和环境体系中的相互作用。发文范围包括但不限于：纳米材料在水、空气、土壤、食物和能源可持续性等领域的新应用；纳米材料在生物系统中的相互作用以及纳米毒理学研究；纳米尺度材料的环境宿命、反应性和转化；环境中的纳米尺度过程；可持续性纳米技术，包括纳米材料的合理设计、生命周期评价、风险／效益分析等。
Peter Vikesland
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