马德什·卡马拉卡南（Madesh Kamalakannan）、因巴拉杰·苏布拉马尼（Inbaraj Subramani）、卡南·马拉伊查米（Kannan Malaichamy）、戈文达拉朱·卡西维卢（Govindaraju Kasivelu）、迪内什库马尔·塞尔瓦拉杰（Dineshkumar Selvaraj）、萨米尤克塔·森蒂尔·库马尔·萨克蒂亚瓦蒂（Samyuktha Senthil Kumar Sakthiyavathi）、桑蒂亚·潘查林加姆（Santhiya Panchalingam）、维什努·穆鲁格桑（Vishnu Murugesan）、桑达里亚·萨拉瓦南（Soundarya Saravanan）
印度泰米尔纳德农业大学植物保护研究中心农业昆虫学系，哥印拜陀-641 003
**摘要**
储藏产品中的昆虫在储存过程中会对种子造成重大损失，因此需要寻找替代传统合成杀虫剂的方法，因为传统杀虫剂存在环境和抗性挑战。本研究探索了一种利用河沙提取的二氧化硅纳米颗粒（SiO₂ NPs）的绿色合成途径，以控制Sitophilus oryzae、Callosobruchus maculatus和Lasioderma serricorne等害虫，并评估其杀虫效果和对种子的安全性。通过UV–vis光谱、XRD、FTIR、ζ电位分析、HR-TEM、FE-SEM和EDAX对SiO₂ NPs进行了表征。通过计算机模拟（in silico）分析了其与解毒酶和神经酶的相互作用，并通过体内昆虫生物测定、生化验证以及玉米、绿豆和香菜种子实验进行了验证。结果表明，SiO₂ NPs在232 nm处具有吸收峰，带隙为5.11 eV，呈球形，粒径为33–35 nm，具有非晶结构，以二氧化硅为主成分，并具有优异的胶体稳定性。计算机模拟显示其与谷胱甘肽S-转移酶和混合功能氧化酶有结合能力，这一结果得到了生化实验的证实。生物测定显示杀虫效果与剂量和时间有关，LD50/LD90值分别为：S. oryzae为1.70/11.48 mg/100粒种子，C. maculatus为0.60/9.12 mg/100粒种子，L. serricorne为1.97/13.94 mg/100粒种子，主要通过物理作用机制发挥作用。种子处理后发芽率和农艺性状得到改善，同时抗氧化活性保持稳定，证明了其生理兼容性。硅的积累进一步证实了其有效吸收。总体而言，河沙提取的SiO₂ NPs是一种兼具抑制害虫和提升种子性能的双重功能系统，为储藏种子保护提供了一种可扩展且环保的策略，具有田间应用和纳米颗粒优化的潜力。
**1. 引言**
收获后的昆虫侵害是全球粮食安全的主要威胁，在谷物储存期间会导致大量的数量和质量损失（El Baghazaoui等，2024；Mutalov等，2025）。诸如Sitophilus oryzae（Linnaeus，1763）、Callosobruchus maculatus（Fabricius，1775）和Lasioderma serricorne（Fabricius，1792）等甲虫是全球最具破坏性的储藏害虫。这些害虫在谷物和豆类内部繁殖，往往在造成严重损害之前不易被发现。此外，它们还会导致重量减轻、营养成分流失、种子活力下降以及种子被粪便和昆虫碎片污染，从而降低储存谷物的市场价值和种植价值（Jasrotia等，2022；Kamalakannan等，2025）。甲虫储藏害虫的持久性主要归因于其发达且高度硬化的表皮，这层表皮能有效抵御环境压力和化学物质的渗透。由于其结构坚固以及隐蔽的取食行为，甲虫储藏害虫特别难以控制。传统的管理策略主要依赖于合成熏蒸剂和残留性杀虫剂，如磷化物和接触性有机磷化合物。然而，长期反复使用化学物质导致了广泛的抗性（Aisvarya等，2023；Kamalakannan等，2025）。此外，化学杀虫剂还引发了关于残留物积累、工人暴露、环境污染以及对种子发芽不良影响的严重担忧。日益严格的监管限制和有效熏蒸剂的逐步淘汰进一步凸显了寻找更安全、更可持续替代品的紧迫性。纳米技术通过引入具有独特物理化学性质的材料为害虫管理提供了新的机会。在各种纳米材料中，二氧化硅纳米颗粒（SiO₂ NPs）因化学惰性、机械强度、热稳定性和纳米尺度上的高表面反应性而受到广泛关注。从材料科学的角度来看，将SiO₂缩小到纳米级别显著增加了其表面积，从而增强了与生物表面的相互作用，而无需依赖有毒化学活性（Aisvarya等，2023；Sonawane等，2025）。与传统针对特定神经受体的杀虫剂不同，SiO₂ NPs主要通过物理和物理化学机制发挥作用，从而降低了抗性发展的风险。对于依赖富含脂质的表皮蜡层维持水分平衡的甲虫储藏害虫来说，SiO₂ NPs的杀虫效果尤为显著。SiO₂ NPs能牢固附着在昆虫表皮上并机械性地磨损保护性蜡层，导致水分流失、脱水压力和最终死亡（Jasrotia等，2022）。与传统惰性粉尘相比，纳米颗粒提供了更大的表面积、更强的附着力和更高的表皮相互作用效率，从而可以在较低的应用剂量下实现更有效的害虫控制。尽管硅藻土和商业二氧化硅粉尘在储藏谷物保护中得到广泛应用，但其效果往往受到颗粒大小不均匀性和表面反应性较低的制约。在优化天然来源的纳米二氧化硅以提高性能和确保一致性方面仍存在明显的研究空白。
除了物理损伤外，SiO₂ NPs还可以通过诱导氧化应激和改变关键解毒酶和代谢酶来干扰昆虫生理（Aisvarya等，2023）。Kamalakannan等（2025）和Monica与Janarthanan（2026）的最新研究表明，次级生化紊乱是持续表皮损伤和纳米颗粒诱导压力的下游效应，从而将物理和生理机制联系在一起，形成连续的作用模式。这种多作用模式对于具有厚实硬化外骨骼的昆虫更为有效，因为传统化学物质往往难以渗透这些外骨骼。尽管化学合成的SiO₂ NPs显示出良好的杀虫潜力，但越来越多的人关注使用生物和天然来源的材料以提高环境兼容性（Sharma等，2022；Wahi等，2024）。来自天然或矿物的纳米颗粒通常具有更高的生物相容性和更低的次级毒性风险，因为它们不含有害的合成前体。从科学角度来看，这类材料提供了更清洁的表面、更少的化学残留物和更高的安全性。河沙是一种丰富、廉价且尚未充分开发的天然SiO₂来源，主要由长期地质过程形成的SiO₂组成，具有高矿物稳定性和纯度（Channa等，2024；Rana等，2023）。与植物基二氧化硅或工业副产品相比，河沙具有稳定的成分、低有机污染和出色的可扩展性（Aisvarya等，2023）。河沙不仅是另一种二氧化硅来源，还作为一种经济高效且环境稳定的前体，填补了天然惰性粉尘和工程纳米二氧化硅系统之间的空白。除了害虫控制外，确保处理后的种子适合食用和种植的安全性也至关重要。二氧化硅是植物中的有益元素，能够增强细胞壁、提高水分利用效率并增强抗逆性（Khan等，2025；Zargar等，2019）。在适当剂量下，SiO₂ NPs可以促进种子发芽和幼苗早期生长，表明其在不损害种子质量的情况下具有保护种子的潜力。本研究使用河沙合成了SiO₂ NPs，并评估了其作为种子保护剂的潜力。假设河沙提取的SiO₂ NPs可以通过破坏表皮层和干扰生理酶系统来有效杀灭主要储藏产品害虫，同时对种子安全，并可能通过促进硅的吸收来改善发芽和早期植物生长。这种综合方法旨在证明河沙提取的SiO₂ NPs是传统化学杀虫剂的安全、有效和可持续替代品，适用于储藏谷物害虫管理。
**2. 材料与方法**
2.1. 试验昆虫
本研究使用了实验室维持的Sitophilus oryzae、Callosobruchus maculatus和Lasioderma serricorne种群。S. oryzae来自小米系（11.29° N, 77.08° E），在玉米种子[COH (M) 6品种]上饲养；C. maculatus来自豆类系（11.02° N, 76.92° E），在绿豆种子（VBN-5）上饲养；L. serricorne来自香料和种植作物系（11.00° N, 76.55° E），在哥印拜陀TNAU的香料基基质（Co-5）上饲养。所有昆虫在标准化实验条件下（27 ± 2 °C, 65 ± 5% RH, 12小时光照：12小时黑暗）适应了两代。培养物在通风的玻璃罐中用未受杀虫剂污染的宿主材料维持。所有实验均使用新出现的成虫（1-2天龄）。
2.2. SiO₂ NPs的制备
河沙采集自印度泰米尔纳德邦蒂鲁瓦纳马拉伊区的切亚尔河（12.43° N, 79.09° E）。采样地点没有可见的工业排放或人为污染。材料用无菌聚乙烯容器运输，并在干燥条件下储存以待进一步处理。所有试剂均为分析级，合成和纯化步骤均使用蒸馏水。未添加任何化学前体、还原剂或稳定剂，确保合成方法完全基于矿物来源，不含传统纳米颗粒制备中常用的有毒化学物质或有害添加剂。SiO₂ NPs的合成遵循Radhip等（2015）的改良方案，并进行了特定修改以提高颗粒纯度和大小均匀性。首先用蒸馏水冲洗沙子两次以去除附着杂质，然后在室温下风干3小时。干燥后的沙子用研钵和研杵研磨成细均匀粉末。将粉末状沙子置于马弗炉中以900 °C煅烧，以去除残留有机物和挥发性成分。煅烧在大气条件下进行，以促进二氧化硅的热稳定性和相纯化。自然冷却至室温后，使用德国FRITSCH公司的行星球磨机进行纳米级粒度减小。研磨速度为600 rpm，每15分钟暂停5分钟以减少热应力和颗粒团聚。保持球与粉末的比例为10:1，以确保高效研磨和均匀的颗粒大小分布。所得产品为SiO₂ NPs，收集后储存在密封容器中以备后续评估。尽管煅烧和研磨步骤耗能较高，但该方法的环境优势在于避免了传统化学合成路线中的化学试剂、溶剂和有毒副产物。
2.3. SiO₂ NPs的物理化学表征
使用多种互补技术对合成的SiO₂ NPs进行了全面表征，以阐明其光学、结构、表面和形态特性。使用JASCO V-670光谱仪（日本）进行了UV–Vis–NIR光谱分析，以检测光学吸收行为和电子跃迁，并根据Tauc方法计算了光学带隙（E₉）。通过X射线衍射（XRD）检查了结晶度、相组成和晶格结构，使用X’Pert-PRO衍射仪进行测量，衍射峰与标准二氧化硅相对照。使用傅里叶变换红外光谱（FTIR，JASCO 460 Plus）在4000–500 cm-1波数范围内识别表面官能团和键合环境。通过在中性pH值的去离子水中制备的分散液测量了纳米颗粒在水悬浮液中的表面电荷和胶体稳定性。使用扫描电子显微镜（SEM；Hitachi S-4800）结合能量分散X射线分析（EDAX；Oxford Instruments）检查了形态、颗粒分布和元素组成。此外，使用高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM；JEOL 3010）获得了关于颗粒大小、形状和内部纳米结构的详细信息，从而全面了解了合成SiO₂ NPs的结构和物理化学特性。
2.4. 计算机模拟（in silico）分析
从AlphaFold蛋白质结构数据库中检索了参与Sitophilus oryzae、Callosobruchus maculatus和Lasioderma serricorne解毒和神经传递的蛋白质目标的三维结构。选择的酶包括乙酰胆碱酯酶（AChE）、谷胱甘肽S-转移酶（GST）、羧酸酯酶（CarE）和混合功能氧化酶（MFO），因为它们在异生物质代谢和神经信号传导中起重要作用。配体二氧化硅（SiO₂；PubChem CID: 24261）从PubChem获取并以SDF格式提供，随后使用Open Babel转换为PDB格式。SiO₂被用作简化结构表示，以探索二氧化硅在酶表面的初步相互作用趋势。在对接前，对蛋白质和配体结构进行了预处理，以确保正确的几何形状和质子化状态。使用CB-Dock2服务器进行了盲对接模拟，该服务器自动检测潜在的结合口袋并通过AutoDock Vina算法进行对接。对于每对蛋白质-配体，根据预测的结合能（kcal/mol）生成了最多五个结合模型，能量值越低表示结合亲和力越强。对接后分析使用LigPlot+（Madesh等，2025）识别氢键和疏水相互作用。然后使用UCSF Chimera可视化并进一步检查了所得复合物以确认相互作用特征。
2.5. 杀虫生物测定
在实验室条件下评估了SiO₂ NPs对Sitophilus oryzae、Callosobruchus和Lasioderma serricorne的接触毒性。对于每种昆虫，取100克相应的宿主基质（S. oryzae使用玉米（COH (M) 6），C. maculatus使用绿豆（VBN-5），L. serricorne使用香菜籽（Co-5），并用不同浓度的SiO2纳米颗粒进行处理。未经处理的种子作为对照组。通过充分混合将纳米颗粒均匀分散在基质上，以确保涂层均匀，然后转移到覆盖有细布的单独容器中以允许空气流通。每个容器（容量0.5升）作为一个实验单元，以保持一致的暴露条件。所有实验单元都在室温（27 ± 5°C）和50–60%的相对湿度下进行。每个处理组释放30只新羽化的成虫（24–48小时大）。所有处理均重复三次，并采用完全随机设计，每隔24小时评估一次昆虫死亡率。观察到的死亡率使用Abbott（1925）的校正方法进行了调整。根据Finney（1971）的方法，通过Probit分析估算每种昆虫的半数致死浓度（LD50）和LD90值。首先进行了初步的剂量范围生物测定（0.1–15 mg/100克种子），以确定特定物种的反应模式，从而确定了有效的梯度浓度：玉米（S. oryzae）为0.5–12 mg/100克，绿豆（C. maculatus）为0.10–2.5 mg/100克，香菜（L. serricorne）为0.5–7 mg/100克。
2.6. 作用机制
使用Leica M205C立体显微镜（Leica Microsystems，德国）和场发射扫描电子显微镜（FE-SEM；Hitachi S-4800）分析了暴露于SiO2纳米颗粒的S. oryzae、C. maculatus和L. serricorne的外部形态。对于FE-SEM观察，样品被放置在带有双面碳带的铝棒上，然后涂上一层薄金以提高导电性。故意避免化学固定和乙醇脱水，以防止松散结合的SiO2纳米颗粒从昆虫角质层中丢失或移位。使用连接在FE-SEM上的能量分散X射线光谱仪（EDAX；Oxford Instruments）进行元素分析，以检测SiO2纳米颗粒暴露后昆虫角质层的元素组成。分析重点识别与角质层表面纳米颗粒存在相关的硅和氧信号。
2.7. 解毒酶活性评估
在暴露于SiO2纳米颗粒的LD25、LD50和LD90浓度下，评估了S. oryzae、C. maculatus和L. serricorne的解毒和神经酶活性。每个处理组包含四个重复实验，分别在暴露后24、48、72和96小时评估酶活性。所有酶活性测试每个处理组都进行了五次生物学重复实验。对于每个处理组，将二十只成虫在1毫升冷却的0.1 M磷酸盐缓冲液（pH 7.8）中研磨。将匀浆样品在4°C下以12,000 rpm的速度离心10分钟，收集上清液用于酶活性测试。总蛋白浓度通过Bradford测定法进行量化，使用牛血清白蛋白进行校准（Bradford，1976）。使用Vmax动力学微孔板读数仪（BioTek PowerWave XS）获取吸光度读数。GST活性使用CDNB和还原型谷胱甘肽作为底物进行测定，吸光度在340 nm处监测（Habig等人，1974）。MFO活性在NADPH存在下使用对硝基茴香醚进行测定，吸光度在405 nm处记录（Hansen和Hodgson，1971）。CarE活性使用α-萘乙酸作为底物进行测定。反应在30°C下孵育，并用Fast Blue RR/SDS试剂终止，吸光度在600 nm处读取（Van Asperen，1962；Qian等人，2018）。AChE活性使用乙酰硫胆碱碘化物和DTNB进行测定，吸光度在405 nm处监测（Ellman等人，1961）。
2.8. 种子处理和发芽研究
根据ISTA指南（2023）以及Aisvarya等人（2023）的少量修改，评估了种子的发芽和早期生长反应。玉米（COH (M) 6）、绿豆（VBN-5）和香菜（Co-5）的种子使用10%次氯酸钠溶液进行表面消毒，然后用无菌蒸馏水多次冲洗。通过将SiO2纳米颗粒分散在去离子水中并用数字超声波清洗器（LABMAN，印度）超声处理30分钟来制备纳米颗粒悬浮液，以确保均匀分散。将消毒后的种子在相应的LD50和LD90浓度纳米颗粒悬浮液中浸泡12小时。仅用水浸泡的种子作为对照（水预处理）。选择的浓度是之前确定的具有杀虫活性的生物有效暴露水平，以便在储存相关条件下评估对种子性能的直接影响。处理后，将种子阴干以去除多余的水分。在发芽测试中，每种处理组的25粒种子均匀排列在湿润的发芽纸上，并用弹性带固定。每种处理重复三次，并在受控实验室条件下培养。在特定时间间隔记录发芽百分比和幼苗生长参数（包括茎长、根长、总幼苗长、活力指数、侧根数量和长度、鲜重和干重）。对于玉米，在第4天和第7天进行观察；对于绿豆，在第3天和第7天；对于香菜，在第14天和第21天。这些测量用于评估纳米颗粒处理对种子发芽和早期幼苗发育的影响。
2.9. 处理种子的抗氧化活性
抗氧化系统对于保护发芽种子免受氧化应激和维持早期幼苗发育期间的正常细胞功能至关重要。对于抗氧化酶分析，从暴露于SiO2纳米颗粒的玉米、绿豆和香菜的发芽幼苗中取样1克，并与相应的未处理对照组进行比较。根据之前报道的提取程序（Madesh等人，2025），将收集的组织在冷却的磷酸盐缓冲液中精细匀浆。量化主要氧化应激标志物和抗氧化酶[超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、过氧化物阴离子（O₂•−）和脂质过氧化（以丙二醛（MDA）表示]的活性。所有生化测定均按照Madesh等人（2025）描述的经过验证和广泛接受的协议进行。所有测定都进行了三次生物学重复实验，并在吸光度的线性范围内测量酶活性，以确保分析准确性和可重复性。
2.10. 原子吸收光谱（AAS）用于检测Si积累
为了评估纳米颗粒的生物利用度和吸收效率，确定了暴露于SiO2纳米颗粒的玉米、绿豆和香菜幼苗的硅吸收情况。每种处理保持三个独立重复实验。玉米和绿豆的幼苗在发芽后第7天收获，香菜的幼苗在发芽后第21天收获。将处理组和对照组的干燥植物材料（500毫克）在60 ± 2°C下烘干，并用浓硝酸进行酸消化，直到获得澄清的消化液。用去离子水将消化液定容，然后使用原子吸收光谱仪（Thermo Scientific iCE™ 3500 AAS）测量硅浓度。遵循Madesh等人（2025）之前报道的分析协议进行校准，但进行了少量修改。在样品分析之前使用认证的标准溶液进行硅的校准，以生成线性校准曲线，并根据制造商规格验证仪器检测限，以确保分析可靠性。
2.11. 统计分析
数据使用IBM SPSS Statistics版本2021进行分析。基于Finney的方法使用Probit分析估计剂量-反应关系。应用单因素方差分析（ONE-WAY ANOVA）来确定处理对昆虫生物效力的影响，随后进行生化酶测定和种子农艺形态特征的测定，显著性水平为P < 0.05。当检测到显著差异时，使用Tukey’s HSD事后检验进行处理均值之间的成对比较。
3. 结果
3.1. 物理化学特性
合成的SiO2纳米颗粒在232纳米处表现出强烈的紫外线吸收，这是二氧化硅内在电子跃迁的特征（图1A）。UV–Vis结合Tauc图分析显示直接的光学带隙为5.11 eV（图1B），证实了纳米颗粒的宽带隙半导体性质。XRD图谱显示一个宽的漫射晕，中心位于约22°，证实了合成SiO2纳米颗粒主要是非晶态的（图1C）。在非晶背景上观察到弱衍射峰，主要归因于残留的结晶石英（α-SiO2）和来自天然河沙前体的少量铝硅酸盐杂质相。反射的强度低且宽度广，表明结晶度有限，这与球磨和热处理后部分保留了矿物相一致。在目前的合成条件下，没有观察到明显的四方二氧化硅（结晶石英）形成的强烈证据。FTIR分析证实了SiO2纳米颗粒的形成。在约1105 cm⁻¹处的强吸收带对应于Si–O–Si不对称伸缩，表明形成了二氧化硅网络。在约756 cm⁻¹处的带对应于Si–O–Si对称伸缩或Si–O弯曲振动。在约3472 cm⁻¹处的宽峰归因于表面硅醇基团的O–H伸缩，而在约1642 cm⁻¹处的带对应于物理吸附水分的H–O–H弯曲振动。在约2912 cm⁻¹处的弱带归因于来自残留有机污染物或大气吸附的微量C–H伸缩（图1D）。Zeta电位分析显示高负表面电荷（–43.9 mV）（图1E），表明在水悬浮液中具有强烈的静电排斥和优异的胶体稳定性。HR-TEM显示SiO2纳米颗粒主要是球形的、均匀的，并略有聚集（图1F），表明具有稳定的纳米级结构和孔隙性。SEM显示不规则到准球形的形状，表面粗糙多孔，颗粒大小为33–35纳米（图1G），支持高表面反应性。EDX确认硅和氧是主要元素，还有少量的钙、钾和碳来自河沙前体（图1H）。没有显著污染物的存在证实了以二氧化硅为主的组成，含有Si和O。
3.2. SiO2与酶的分子对接评估
对三种储藏产品昆虫（S. oryzae、C. maculatus和L. serricorne）进行了SiO2与四种酶的分子对接分析（表1）。在S. oryzae中，AChE和CarE的结合能分别为-2.7 kcal/mol，形成4个和2个氢键（图2A-B），而MFO的结合能为-3.0 kcal/mol，形成5个氢键（图2C）；GST的结合能最强，为-3.3 kcal/mol，形成8个氢键（图2D）。在C. maculatus中，AChE和CarE的结合能为-2.9 kcal/mol，形成5个和3个氢键（图2E-F），MFO的结合能为-2.5 kcal/mol，形成2个氢键（图2G）；GST的结合能为-2.5 kcal/mol，形成4个氢键（图2H）。在L. serricorne中，AChE的结合能为-2.8 kcal/mol，形成4个氢键（图2I），CarE和MFO的结合能分别为-2.9 kcal/mol和-2.6 kcal/mol，形成6个和2个氢键（图2J-K）；GST的结合能为-2.9 kcal/mol，形成6个氢键（图2L）。在所有物种中，SiO2在酶口袋内形成了氢键和疏水相互作用，相互作用强度因酶和物种而异。
表1. SiO2纳米颗粒与S. oryzae、C. maculatus和L. serricorne中的解毒和神经酶的分子对接相互作用
酶 结合能（kcal/mol） 氢键数量
Sitophilus oryzae 谷胱甘肽-S-转移酶与SiO2 -3.38 4
羧酸酯酶与SiO2 -2.72 2
乙酰胆碱酯酶与SiO2 -2.74 2
混合功能氧化酶与SiO2 -3.05 2
Callosobruchus maculatus 谷胱甘肽-S-转移酶与SiO2 -2.54 2
羧酸酯酶与SiO2 -2.93 2
乙酰胆碱酯酶与SiO2 -2.95 2
混合功能氧化酶与SiO2 -2.52 2
Lasioderma serricorne 谷胱甘肽-S-转移酶与SiO2 -2.96 2
羧酸酯酶与SiO2 -2.96 2
乙酰胆碱酯酶与SiO2 -2.84 2
混合功能氧化酶与SiO2 -2.62 2
3.3. 杀虫毒性
SiO2纳米颗粒对所有三种储藏产品害虫均表现出明显的剂量依赖性毒性。在C. maculatus中，随着时间的推移死亡率逐渐增加，较高剂量导致更快更明显的效应，而最低浓度在最初几天仅引起轻微的死亡率（图3A）。同样，S. oryzae的死亡率随着剂量和暴露时间的增加而逐渐增加，在最低浓度时几乎没有效应，在最高浓度下七天后几乎完全死亡（图3B）。L. serricorne表现出类似的模式，尽管死亡率的发展速度略慢于其他两种物种（图3C）。在整个实验过程中，未经处理的对照组没有观察到死亡率，证实了SiO2纳米颗粒的生物活性。Probit分析显示，S. oryzae的LD50值为1.70，C. maculatus为0.60，L. serricorne的LD50值为1.97 mg/100 g种子。LD90值分别为11.48、9.12和13.94 mg/100 g种子（表2），表明C. maculatus是最敏感的物种，其次是S. oryzae，而L. serricorne的敏感性最低。下载：下载高分辨率图片（407KB）下载：下载全尺寸图片。图3. SiO2纳米颗粒对储藏产品昆虫的杀虫效果：(A) C. maculatus，(B) S. oryzae，(C) L. serricorne。表2. SiO2纳米颗粒对玉米中的S. oryzae、绿豆中的C. maculatus和香菜种子中的L. serricorne的Probit回归分析。序号 目标昆虫 LD50 (mg/100 g种子) LD90 (mg/100 g种子) 斜率 χ²* 自由度 1. S. oryzae 1.70 (1.09-2.65) 11.48 (3.42-38.52) 1.49 0.426 2. C. maculatus 0.60 (0.30-1.20) 9.12 (0.73-114.23) 1.08 0.086 3. L. serricorne 1.97 (1.14-3.14) 13.94 (1.90-102.53) 1.51 1.056* 在每种情况下，拟合优度的χ²值均小于表中值（p = 0.05），表明数据符合Probit模型。3.4. 通过FE-SEM观察到的物理作用机制 光学和FE-SEM显微照片显示，SiO2纳米颗粒在S. oryzae、C. maculatus和L. serricorne的表皮上有大量沉积。纳米颗粒主要分布在触角、眼睛、鞘翅和腿上，表明它们广泛接触了关键的感觉和运动结构（图4）。EDAX光谱确认了硅和氧的存在，验证了纳米颗粒在昆虫表面的附着（图4）。SiO2纳米颗粒的物理覆盖可能破坏了表皮的完整性，损害了感觉功能，并限制了运动能力，这支持了SiO2纳米颗粒主要通过脱水和机械磨损导致死亡的假设。在关键身体区域的均匀分布表明其作用机制是直接接触介导的物理杀虫方式，而非化学作用方式。下载：下载高分辨率图片（455KB）下载：下载全尺寸图片。图4. 光学和FE-SEM显微照片显示了SiO2纳米颗粒与处理过的和未处理过的储藏产品昆虫的相互作用：(A-D) S. oryzae，(F-I) C. maculatus，(K-N) L. serricorne，以及(E, J, O) 通过EDAX显示的相应元素组成。黄色箭头指示表皮上附着的纳米颗粒聚集体。3.5. 解毒酶的变化 GST、CarE、AChE和MFO活性在24-96小时内对所有三种昆虫物种暴露于SiO2纳米颗粒后表现出明显且协调的生化反应。GST活性通常随着浓度和暴露时间的增加而下降，不同剂量之间的变化较小，而对照组保持稳定。96小时后，S. oryzae的GST活性分别降至1.10、1.03和0.95 µmol min⁻¹ mg⁻¹ protein；C. maculatus降至3.26、3.08和2.79；L. serricorne降至0.81、0.76和0.70（图5A）。CarE活性总体上随暴露时间增加而增加，尽管并非严格依赖于剂量，但随着时间和剂量的增加而逐渐升高。96小时后，S. oryzae的CarE活性分别升至0.63、0.68和0.78 µmol min⁻¹ mg⁻¹ protein；C. maculatus升至0.63、0.68和0.78；L. serricorne升至0.58、0.61和0.78（图5B）。AChE活性表现出剂量和时间相关的抑制模式，某些浓度下存在非线性变化。96小时后，S. oryzae的AChE活性分别降至13.6、10.1和9.1 mOD min⁻¹ mg⁻¹ protein；C. maculatus降至18.4、18.7和17.55；L. serricorne降至9.3、8.6和7.5（图5C）。MFO活性也随着暴露时间和剂量的增加而总体下降，尽管某些物种和浓度下存在中间波动。96小时后，S. oryzae的MFO活性分别降至2.55、2.15和1.80 mOD min⁻¹ mg⁻¹ protein；C. maculatus降至5.41、5.18和5.09；L. serricorne降至2.45、1.85和1.55（图5D）。下载：下载高分辨率图片（595KB）下载：下载全尺寸图片。图5. (A) GST，(B) CarE，(C) AChE，(D) MFO对用SiO2纳米颗粒处理的S. oryzae、C. maculatus和L. serricorne的生化反应。3.6. 发芽性能和幼苗活力 用SiO2纳米颗粒处理显著提高了玉米、绿豆和香菜的发芽率和早期幼苗生长。在玉米中，LD50和LD90处理下的发芽率均为100%，而对照组为88%。第7天时，LD50处理的幼苗株高达到18.55厘米，LD90处理的为20.35厘米，对照组为18.6厘米；根长分别为LD50处理的26.6厘米，LD90处理的29.7厘米，对照组为24.8厘米。处理过的幼苗的总长度和活力指数也更高，分别为LD50处理的45.15厘米和1128.75，LD90处理的50.05厘米和1251.25，对照组分别为43.4厘米和1085。次生根的数量和长度以及湿重（1.05–1.18克）和干重（2.44–2.47克）也有类似改善（图6A-C）。在绿豆中，发芽率从对照组的84%分别提高到LD50的92%和LD90的96%，株高分别为16.39厘米和16.75厘米，根长分别为16.38厘米和17.3厘米，幼苗长度分别为32.77厘米和34.05厘米。处理过的幼苗的活力指数、次生根数量和生物量也更高，LD50和LD90处理的分别为819.25和851.25，对照组为782.5（图6D-F）。香菜的发芽率分别为LD50的76%和LD90的80%，对照组为68%。株高分别为LD50的6.11厘米和LD90的6.5厘米，根长分别为LD50的11.82厘米和LD90的12.77厘米，幼苗长度分别为LD50的17.93厘米和LD90的19.27厘米。活力指数、次生根数量和生物量也有类似提高，湿重和干重分别为LD90处理的0.41–0.68克，对照组为0.34–0.55克（图6G-I）。下载：下载高分辨率图片（459KB）下载：下载全尺寸图片。图6. SiO2纳米颗粒处理种子的农艺形态参数：(A–C) 玉米（第4天和第7天）的根长、株高、幼苗长度、发芽率、湿重、干重、活力指数和次生根发育；(D–F) 绿豆（第3天和第7天）的相应参数；以及(C–I) 香菜（第14天和第21天）。3.7. SiO2纳米颗粒对抗氧化酶和氧化应激标志物的影响 在玉米幼苗中，SiO2纳米颗粒处理使SOD活性从43.2（对照组）增加到LD50的46.75和LD90的48.64 U mg-1 Protein（图7A），CAT活性从0.12增加到0.135和0.172 μmol H2O2 mg-1 Protein min-1（图7B）。O₂•−含量从5.4增加到5.98和6.65 μmol g-1（图7C），H₂O₂水平从7.0增加到7.25和7.65 μmol g-1（图7D）。MDA含量也从15.25增加到17.6和18.25 nmol g-1 FW（图7E）。在绿豆中，SOD活性从30.25增加到32.2和36.25 U mg-1 Protein（图7A），CAT活性从0.10增加到0.17和0.35 µmol H2O2 min-1 mg-1 protein（图7B）。O₂•−水平从4.8增加到5.2和5.96 μmol g-1（图7C），H₂O₂含量从6.5增加到7.25和8.2 μmol g-1（图7D），MDA含量从12.35增加到13.2和15.2 nmol g-1 FW（图7E）。在香菜中，SOD活性从25.25增加到28.35和31.12 U mg-1 Protein（图7A），CAT活性从0.10增加到0.18和0.21 µmol H2O2 min-1 mg-1 protein（图7B），O₂•−含量从3.8增加到4.25和4.8 μmol g-1（图7C），H₂O₂水平从5.8增加到6.24和8.1 μmol g-1（图7D），MDA含量从12.35增加到13.2和15.2 nmol g-1 FW（图7E）。下载：下载高分辨率图片（366KB）下载：下载全尺寸图片。图7. SiO2纳米颗粒处理种子中的抗氧化酶活性、氧化应激标志物和Si积累：(A) SOD，(B) CAT，(C) O₂•−，(D) H₂O₂，(E) MDA和(F) 原子吸收光谱。3.8. 种子中的Si积累 AAS显示，与对照组相比，所有处理过的种子中的Si积累量均有所增加。在玉米中，对照组的Si含量为0.65 ppm，LD50处理时增加到1.00 ppm，LD90处理时达到5.25 ppm。在绿豆中，对照组的Si含量为0.25 ppm，LD50处理时为0.33 ppm，LD90处理时为1.75 ppm。在香菜中，对照组的Si含量为0.10 ppm，LD50处理时为0.80 ppm，LD90处理时为1.25 ppm（图7F）。4. 讨论 像Sitophilus oryzae、Callosobruchus maculatus和Lasioderma serricorne这样的储藏害虫会对储藏种子造成严重损害，影响质量和数量（El Baghazaoui等人，2024年）。S. oryzae主要攻击谷物（Abedi等人，2024年），C. maculatus针对豆类（Hamzei等人，2023年），而L. serricorne侵染多种干燥种子和产品（Cao等人，2019年）。传统的储存方法，如化学熏蒸剂，往往由于化学残留、环境风险和抗性的快速发展而无法完全控制鞘翅目储藏害虫。此外，储存条件的变化，如湿度和温度，会加剧虫害并降低传统处理的效果。在这种情况下，基于纳米颗粒的干预措施已成为可持续害虫管理的有希望的替代方案。其中，SiO2纳米颗粒特别有效，因为它们能够附着在昆虫表皮上，吸收脂质和水分，并诱导脱水，最终导致害虫死亡（Jasrotia等人，2022年；Kamalakannan等人，2025年）。其物理作用机制不仅确保了高效率，还最小化了抗性发展的风险，这是传统管理的主要缺点。SiO2纳米颗粒可以通过物理、化学或生物方法制备。物理方法，如高能研磨，可以精确控制颗粒大小，但需要大量的能量输入（Vinukonda等人，2025年）。化学方法，如溶胶-凝胶合成，可以制备均匀且可调的纳米颗粒，但涉及有害试剂（Aisvarya等人，2023年；Naaz等人，2023年）。相比之下，通过植物提取物或微生物系统的生物合成提供了一种环保且成本效益高的替代方案，产生稳定的纳米颗粒，没有有毒副产品，非常适合应用于种子储存系统。有趣的是，SiO2纳米颗粒的主要成分Si在自然界中非常丰富，特别是在富含SiO2的河沙中（Channa等人，2024年；Rana等人，2023年）。利用这一自然资源不仅提供了可持续且低成本的Si来源。从河沙中提取的SiO2纳米颗粒在232纳米处显示出明显的UV-Vis吸收峰，表明Si的电子跃迁，Tauc分析显示其直接带隙为5.11 eV。该值低于Aisvaraya等人（2023年）报告的河沙基SiO2纳米颗粒的330纳米峰，这可能是由于颗粒大小、表面缺陷密度和合成相关变化影响了量子限制和光学跃迁。Khan等人（2023年）也观察到真菌来源的SiO2纳米颗粒在260纳米处有一个峰，支持SiO2纳米颗粒典型的UV吸收行为。XRD图谱显示了一个以2θ ≈ 22°为中心的宽晕圈，证实了合成的SiO2纳米颗粒主要是非晶态的，微弱的反射表明存在微量四方Si结晶。这一观察结果与Hoang等人（2022年）的报告一致，他们报告了21–22°处的特征性非晶SiO2峰，具有较大的半光谱宽度，这归因于小颗粒大小。Khan等人（2023年）也观察到真菌来源的SiO2纳米颗粒在21.66纳米处有一个类似的宽非晶峰。相比之下，Aisvarya等人（2023年）和Kuddus等人（2020年）观察到明确的结晶相和尖锐的衍射峰，表明本研究中的非晶结构是由于生物提取和球磨结合而形成的，引入了机械无序和生物分子辅助稳定，从而避免了高温结晶，形成了结构无序的非晶SiO2。观察到的FT-IR特征与羟基化SiO2纳米颗粒的形成一致，特别是表面存在大量的硅醇基团和吸附的水。与羟基相关的振动表明表面有强烈的水合，这是高表面积纳米SiO2的典型特征。微弱的C–H信号表明有少量的有机残留物或环境吸附，但不影响SiO2框架。这些发现与先前的研究结果一致。Hoang等人（2022年）报告了类似的羟基相关峰，证实了SiO2表面有大量的水吸附，以及特征性的Si–O–Si网络振动，表明SiO2网络结构紧密。同样，Aisvarya等人（2023年）观察到河沙来源的SiO2纳米颗粒中也有类似的Si–O–Si拉伸模式，支持了纳米级SiO2网络的形成和表面羟基化。zeta电位为−43.9 mV，表明表面电荷足够强，确保了强烈的静电排斥和稳定的分散性，支持了合成SiO2纳米颗粒具有优异胶体稳定性的假设。尽管Aisvarya等人（2023年）报告了一个更负的值（-63.9 mV），但目前的值超过了普遍接受的稳定性阈值（±30 mV），表明在没有过量表面电荷的情况下实现了有效的稳定，这种过量电荷可能会限制界面相互作用，并可能反映了表面官能团和残留生物分子封端的差异。高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）分析显示，SiO2纳米颗粒主要是球形的，相当均匀，并且有轻微的聚集现象，表明其具有稳定的纳米级结构以及多孔特性。场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）进一步显示，这些颗粒形状不规则至近似球形，表面粗糙且多孔，尺寸在33-35纳米之间，这支持了其高表面反应性的观点。这些观察结果与Aisvarya等人（2023年）的报告一致，他们报告了源自河沙的SiO2纳米颗粒，平均尺寸约为39纳米，TEM图像中存在轻微的不均匀性，同时能量 dispersive X 射线光谱（EDAX）显示在约2 keV处有一个主要的二氧化硅峰。同样，Hoang等人（2022年）通过SEM观察到了颗粒状的、聚集的SiO2纳米颗粒，而TEM证实了这些颗粒形成了多孔簇。
SiO2的杀虫活性通过计算机模拟分子对接（in silico molecular docking）针对三种储藏产品昆虫中的四种关键酶（AChE、CarE、MFO和GST）进行了评估。在S. oryzae中，结合能为-2.7 kcal/mol（AChE）、-2.7 kcal/mol（CarE）、-3.0 kcal/mol（MFO）和-3.3 kcal/mol（GST）。在C. maculatus中，结合能为-2.9 kcal/mol（AChE）、-2.9 kcal/mol（CarE）、-2.5 kcal/mol（MFO）和-2.5 kcal/mol（GST）。在L. serricorne中，结合能为-2.8 kcal/mol（AChE）、-2.9 kcal/mol（CarE）、-2.6 kcal/mol（MFO）和-2.9 kcal/mol（GST），表明不同物种和酶之间的亲和力存在差异。总体而言，SiO2作为简化配体的计算机模拟对接显示了弱到中等的结合亲和力，表明其仅具有低强度和非特异性的相互作用倾向，而不是强烈的酶抑制作用。SiO2纳米颗粒对所有三种储藏产品害虫表现出剂量和时间依赖性的杀虫活性。Probit分析显示，S. oryzae的LD₅₀值为1.70，C. maculatus为0.60，L. serricorne为1.97 mg/100 g种子，相应的LD₉₀值分别为11.48、9.12和13.94 mg/100 g种子，表明存在物种特异性敏感性。这些数值与之前的报告相当，例如Aisvaraya等人（2023年）报告的S. oryzae的LD₅₀为0.92 mg/100 g玉米种子，以及Manohara等人（2025年）发现的来自溶硅细菌（Enterobacter hormaechei）的SiO2纳米颗粒对C. maculatus的LC₅₀为0.285 g/kg黑豆种子。C. maculatus的敏感性最高，其次是S. oryzae，而L. serricorne的敏感性最低。然而，没有直接与商业惰性粉尘或标准硅基制剂进行比较基准测试，这限制了在标准化条件下对其相对效果的明确评估。此外，本研究仅限于短期成虫死亡率，因此没有考虑长期保护效果，如后代抑制、谷物损伤减少或种子活力保持。为了解决这一局限性，未来的工作应集中在延长储存评估和在实际储存条件下与商业保护剂的比较研究上。
FE-SEM分析显示，SiO2纳米颗粒广泛附着在S. oryzae、C. maculatus和L. serricorne的角质层上，尤其是在触角、眼睛、鞘翅和腿上，表明其具有广泛的物理覆盖。EDAX确认了Si和氧的存在，支持了直接接触介导的作用机制。接触后，SiO2纳米颗粒可能破坏角质层的完整性并损害感觉和运动功能，从而通过微通道或孔隙进入昆虫体内。可能的作用机制包括初始的表面级物理破坏，随后是内部生理压力。次要效应可能涉及氧化应激介导的细胞损伤和昆虫组织内的代谢失调（Jasrotia等人，2022年；Kamalakannan等人，2025年）。此外，SiO2纳米颗粒在24-96小时内对S. oryzae、C. maculatus和L. serricorne造成了显著的生化和神经破坏。GST活性（一种关键的II期解毒酶）随着暴露水平的增加而总体下降，但在某些剂量下有轻微偏差，分别在S. oryzae、C. maculatus和L. serricorne的LD90时达到0.95、2.79和0.70 µmol min⁻¹ mg⁻¹ protein。CarE活性逐渐增加（尽管并非在所有剂量和时间点上都一致）（LD90：0.78、0.78、0.83 µmol min⁻¹ mg⁻¹），并且与对照组相比增加具有统计学意义（p < 0.05），表明可能存在一种补偿性反应，但不足以抵消总体毒性。AChE活性在较高剂量下被抑制（LD90：9.1、17.55、7.5 mOD min⁻¹ mg⁻¹），表明神经生理压力可能导致运动能力和死亡率的降低。MFO活性随着暴露而总体下降（LD90：1.80、5.09、1.55 mOD min⁻¹ mg⁻¹），并且在某些物种和剂量下存在非线性变化。这可能反映了I期解毒酶的抑制，也可能反映了暴露过程中的次级压力效应。生化改变提供了酶破坏的直接实验证据，表明SiO2纳米颗粒暴露会导致昆虫的代谢失衡和氧化应激。虽然对接相互作用较弱，但结合强烈的生化反应来看，毒性并非由特定的分子结合驱动，而是由纳米颗粒的间接或表面效应引起。因此，对接结果应仅作为可能相互作用位点的假设生成指标，而生化测定提供了主要的机制证据。GST、MFO和AChE的联合抑制，加上CarE的补偿性诱导，破坏了代谢和神经稳态，导致氧化应激和生理失衡，从而可能引起昆虫死亡。从机制上讲，观察到的毒性可能是由SiO2纳米颗粒与昆虫角质层和内部细胞系统的物理和物理化学相互作用引起的，可能导致脱水压力、氧化损伤和随后的酶变化。然而，确切的分子途径尚不清楚，需要通过包括转录组学和蛋白质组学在内的组学方法进一步研究，以阐明对纳米颗粒暴露的基因和蛋白质水平的反应。尽管FESEM和EDX确认了纳米颗粒在昆虫角质层上的存在，但更全面的机制理解需要额外的多尺度分析。先进的技术如原子力显微镜（AFM）和纳米压痕可以用来评估角质层的纳米级表面形态和机械强度变化。傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）可以进一步识别角质层成分（如脂质、蛋白质和几丁质）的化学修饰。功能测定包括重量水分损失和角质层渗透性测试可以评估昆虫水分屏障的破坏情况，而几丁质酶活性分析可能表明在纳米颗粒压力下的角质层重塑。综合分析和生物学方法将提供SiO2纳米颗粒引起的角质层损伤和压力的全面结构、化学和功能验证。
种子在预处理过程中对纳米颗粒的吸收可能通过附着在种皮上并在吸水过程中通过微孔进入，然后可能通过非质外途径进入组织。与对照组相比，SiO2纳米颗粒处理的种子表现出发芽率和幼苗生长参数的增加。发芽测试遵循标准种子测试协议进行，以确保可重复性和相关性。然而，所提出的机制仍然是推测性的，需要使用先进的成像技术进行确认，并且需要进一步的长期田间研究来在实际条件下验证其效果。LD₅₀和LD₉₀处理都促进了根系的二次发育和幼苗的整体活力，这与Aisvaraya等人（2023年）的发现一致。这种反应可能与SiO2纳米颗粒改善的营养吸收、增强根系代谢活性以及更好的水分保持有关，同时激活了抗氧化酶，减少了氧化应激并促进了细胞分裂和伸长，最终增强了根系结构和生物量积累。这些发现与Sharf-Eldin等人（2023年）和Manohara等人（2025年）的先前报告一致。此外，SiO2纳米颗粒处理增强了玉米、绿豆和香菜幼苗中的抗氧化酶活性和氧化应激标志物。在玉米中，SOD从43.2增加到46.75（LD50）和48.64（LD90） U mg⁻¹ protein，CAT从0.12增加到0.135和0.172 µmol H₂O₂ mg⁻¹ protein min⁻¹，而O₂•−、H₂O₂和MDA分别增加到6.65 μmol g⁻¹、7.65 μmol g⁻¹和18.25 nmol g⁻¹ FW。绿豆（SOD 36.25 U mg⁻¹，CAT 0.35 µmol H₂O₂ mg⁻¹ protein min⁻¹）和香菜（SOD 31.12 U mg⁻¹，CAT 0.21 µmol H₂O₂ mg⁻¹）也观察到了类似的增加。重要的是，发芽率、幼苗生长的同时增加以及ROS标志物（H₂O₂和MDA）的适度升高可能反映了伴随抗氧化防御系统激活的轻微氧化应激条件，表明在种子预处理期间存在调节的氧化还原平衡。在这种情况下，ROS可能同时作为信号分子和脂质过氧化的指标，对发芽和早期生长至关重要。El-Maarouf-Bouteau和Bailly（2008年）以及Li等人（2026年）的研究表明，ROS在种子生理中起着双重作用，其中受控的ROS水平有助于解除休眠、调节ABA/GA信号传导并促进发芽，而过度积累则会导致氧化损伤。平衡的氧化还原反应可能支持在实验条件下改善种子活力和幼苗表现，同时也表明了一定程度的氧化应激。此外，它显著增加了幼苗中的Si积累，玉米中的Si积累分别为1.00 ppm（LD50）和5.25 ppm（LD90），而对照组分别为0.65 ppm；绿豆分别为0.33 ppm和1.75 ppm；香菜分别为0.80 ppm和1.25 ppm。这种增加可能是因为SiO2纳米颗粒通过促进细胞壁的穿透和激活Si转运途径来增强Si的吸收和转运，从而加强了细胞结构并支持生长。
因此，源自河沙的SiO2纳米颗粒表现出稳定的物理化学性质，并通过有效控制三种储藏产品害虫同时增强了玉米、绿豆和香菜的发芽和早期幼苗生长。未来的研究可以探索SiO2纳米颗粒对更广泛储藏害虫和作物的影响，以及将SiO2与必需的微量营养素（如锌（Zn）、铁（Fe）、锰（Mn）和铜（Cu）掺杂以克服早期种子营养缺乏并进一步促进生长的潜力。这些方法可以通过减少收获后的损失和促进更健康的幼苗来改善储存管理。重要的是，使用丰富的河沙作为前体以及简单的球磨工艺可能表明其在低成本、大规模生产方面的潜在可扩展性和实际可行性。然而，仍需要全面的生命周期评估和技术经济分析来确认其长期的环境可持续性和商业可行性。总体而言，这种基于纳米技术的策略为综合害虫和作物管理提供了可持续的、环境安全的解决方案，为提高种子质量和储存实践铺平了道路。
5. 结论
从地球化学和自然来源的河沙中提取的SiO2纳米颗粒代表了针对储藏产品害虫（包括S. oryzae、C. maculatus和L. serricorne）的传统管理策略的有希望的替代方案，这些害虫由于快速繁殖和化学控制的有限效果而带来重大挑战。合成的SiO2纳米颗粒表现出稳定的物理化学性质，并通过直接接触和与关键酶（包括AChE、MFO、GST和CarE）的相互作用表现出杀虫活性。除了害虫控制外，SiO2纳米颗粒处理还改善了玉米、绿豆和香菜的种子发芽、早期幼苗生长和农艺形态特征。抗氧化酶活性的增强和应激反应标志物的增加，以及Si积累的增加，有助于提高幼苗的活力和韧性。总体而言，这些发现突显了源自河沙的SiO2纳米颗粒作为环境安全、天然可用且有效的纳米材料在可持续种子保护和储存害虫管理方面的双重益处。
