农药在防治植物病虫害、保护作物生产力、促进农业生产持续稳定增长等方面发挥着重要作用。然而,传统农药存在大量使用有机溶剂、粉尘飘移、分散性和稳定性差、有效利用率和生物活性低等缺陷,使得农药用量剧增,最终导致了一系列的生态环境问题,严重制约了食品、生态安全和农业可持续发展。因此,迫切需要发展绿色农药缓释技术,提高农药的利用率和安全性。近年来,纳米技术在农药领域的应用成为研究热点,特别是利用纳米材料的小尺寸效应、界面效应、智能传输、受控释放和环境响应等介观属性,对农药原药进行剂型加工和物性改良,构建纳米农药载药体系,能够大大提高农药水溶性、分散性、稳定性和润湿性,提高农药药效,减少农药使用量,降低农药残留和环境污染等。通过外源刺激响应型的控释农药递送系统因其可以减少农药与环境介质的直接接触而备受广泛关注。由于生物体(如植物)或环境介质(如土壤和空气)中存在大量的氧化剂或还原剂,氧化还原响应性载体可被用于构建智能控释农药递送系统以保护农田作物。本论文以比表面积大、稳定性高、易于表面修饰和生物相容性好的介孔二氧化硅纳米颗粒(Mesoporous silica nanoparticle,MSNs)为纳米载体,以植物内源性还原剂谷胱甘肽(GSH)为激发因子,啶虫脒(Ace)为药物活性成分,设计并合成了一种具有氧化还原响应性的纳米啶虫脒农药(Nano-Ace),用于作物害虫防控,并结合土壤微生物组学和植物代谢组学分析其环境安全性。具体研究内容和研究结果如下:(1)通过软模板法合成制备了～17 nm MSNs。以MSNs作为纳米载体,通过在其表面修饰巯基官能团和癸硫醇“守门员”封端,将新烟碱类农药啶虫脒封堵在载体介孔孔隙中,合成制备了具有氧化还原响应性释放Liproxstatin-1浓度特征的纳米啶虫脒农药Nano-Ace(～20 nm)。因其较大的比表面积(413.4±22.2 m2/g)和孔体积(2.31±0.32 cm3/g),纳米载体对啶虫脒具有良好的负载效果(18.05 μg/mg)。同时,Nano-Ace具有良好的润湿性、粘附性、pH稳定性、温度稳定性、光稳定性、长期存储稳定性,生物安全性,以及氧化还原响应释放特性。(2)Nano-Ace能够响应由蚜虫胁迫引起的植物内源GSH累积,释放Ace杀虫,不仅能够高效防控蚜虫成虫还能抑制蚜虫繁殖,缓解蚜虫对蚕豆植物的胁迫,降低叶片农药残留。Nano-Ace(1.5 mg/株,蚜虫侵染5天)处理下蚜虫成虫虫口减退率和防治效果分别达98.7%和98.4%,蚜虫幼虫减少99.3%,蚕豆叶片Ace残留(0.32±0.004 mg/kg)低于国际食品法典委员会(CAC)最大值残留限值(0.40 mg/kg),而当量市售Ace残留为Nano-Ace处理的24.87倍。蚕豆叶片代谢组学分析表明,Nano-Ace主要通过促进类黄酮物质(如山奈酚、槲皮素、阿福豆苷、芦丁)合成,激活植物防御反应,提高叶片抗氧化胁迫能力。(3)Nano-Ace能够响应由小菜蛾胁迫引起的植物内源GSH累积,释放Ace杀虫,对小菜蛾也具有一定的防控效果,可以缓解小菜蛾对小青菜的胁迫,同时降低小青菜叶片Ace残留。叶面喷施50 mg/L Nano-Ace,小菜蛾虫口减退率和防治效果在72 h分别为85%和78.6%,青菜叶片Ace残留(0.29± 0.04 mg/kg)低于我国(GB 2763-2021)最大残留标准(1.00 mg/kg),而当量市售Ace残留为Nano-Ace处理的27.62倍。小青菜叶片代谢组学分析表明,Nano-Ace 主要通过提高参与碳循环的 TCA 循环中间体乌头酸、糖代谢物质蔗糖和氮循环相关的代谢物质(氨基酸、嘌呤代谢物质等),以及生物素、B族维生素、植物激素等含量,促进叶片生理代谢,提高小青菜抗逆性,维持健康生长。室内毒理实验表明,市售Ace和Nano-Ace对小菜蛾的LC50分别为46.76 mg/L和70.94 mg/L。Nano-Ace通过破坏小菜蛾抗氧化保护酶和解毒酶系统导致其死亡。(4)高浓度Nano-Ace短期(2周)、中期(4周)和长期暴露(6周)下不会影响蚕豆正常生长。蚕豆根系代谢结果表明,Nano-Ace通过促进类黄酮代谢提高蚕豆植物抗非生物胁迫能力(短期);调节氮(如氨基酸代谢、嘌呤代谢)、碳(如糖代谢)循环,促进蚕豆TCA循环和解毒能力(中期);提高TCA循环中间体含量,上调氨基酸、核黄素、嘌呤代谢物质和植物激素等增强植物抗性(长期)。土壤微生物结果表明,Nano-Ace短期内不会影响微生物α多样性和β多样性。中期和长期暴露后,α多样性增加。在门水平上,Nano-Ace短期和长期暴露均不会显著影响微生物群落组成。中期暴露后,可招募有益微生物,使酸杆菌门(Acidobacteria)和变形菌门(Proteobacteria)分别显著增加45.7%和9.8%。而Ace长期暴露后使芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)和酸杆菌门分别显著降低35.9%和29.5%。在属水平上,Nano-Ace短期、中期暴露下仍可招募有益微生物,如短期暴露下使链霉菌属(Streptomyces)和假单胞菌属(Pseudomonas)相对丰度分别显著上调420.7%和33.8%,而Ace使其分别下调4.7%和33.8%。中期暴露后,Ace使降解农药细菌黄杆菌属(Flavobacterium)下调51.9%,而Nano-Ace处理使其增加23.3%。Ace长期暴露,使促生菌鞘氨醇单胞菌属(Sphingomonas)下调26.8%,病原菌嗜酸菌属(AcidovoraLBH589研究购买x)上调1257.6%,而Nano-Ace使嗜酸菌属下调parasite‐mediated selection44.5%。Nano-Ace暴露浓度对参与土壤C、N、S、P循环相关的土壤酶活(如土壤纤维素酶、转化酶、碱性磷酸酶、脲酶、芳基硫酸酯酶)和过氧化物酶具有“低促高抑”的趋势,而且这种抑制作用总体上弱于Ace。综上,纳米啶虫脒农药的施用对作物害虫蚜虫和小菜蛾具有较好的防控效果,其缓慢释放有助于减轻植物毒性,不会对植物健康和土壤微生物群落产生负面影响。因此,氧化还原响应性纳米控释农药有助于推动绿色、安全、高效、低毒的环境友好型纳米杀虫剂的发展,具有良好的农业害虫防治应用前景。