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为降低病虫带来的危害,农民会配合作物生长周期,适当地施用农药。由于农药多数无专一性,万一施用不当,恐将破坏农地周围的食物网,进而影响周边生态系的平衡。随着环保意识的抬头及农药安全使用管理观念的导入,除了消灭农业害虫,调节农林作物生长外,也应避免造成区域环境的负荷,为此农药的施用上也逐步朝向精准农作(精耕)的思维进行管理与实践。为对农地精准地施药,降低环境冲击,美国加州大学圣地牙哥分校(加州大学圣地亚哥分校)的研究团队,利用植物病毒作为投药载体,研发出高渗透性的奈米农药(nanopesticide)。
为开发出具有局部缓释及能轻易在环境降解的材料,研究团队将目标放在奈米级材料的研制。有别于以往以人工合成为主的奈米材料,研究团队利用植物病毒颗粒作为承载药剂的载体,选择烟草微绿嵌纹病毒(烟草温和绿色花叶病毒,简称TMGMV),豇豆嵌纹病毒(豇豆花叶病毒,简称CPMV)及酸浆嵌纹病毒(酸浆花叶病毒,简称PhMV)作为研究材料,并与中孔洞奈米矽材(介孔二氧化硅纳米粒子,简称MSNPs),聚乳酸聚乙醇酸共聚物(聚(乳酸 - 共 - 羟基乙酸),简称PLGA)等常见的药物释放系统进行比较。团队首先测量这些材料在土壤介质中的移动性(迁移率),并结合电脑模拟出材料的移动深度,应施用剂量,药物释放时间等数据发现,烟草微绿嵌纹病毒与豇豆嵌纹病毒能扩散到地表下30公分的土壤中,并精准地缓慢释放杀线虫药,有效防治危害植物根部的线虫,相比下,人工合成的奈米材料仅能移动至土壤下12公分的深度,较无法为深根系作物提供更为全面的保护。
面对较佳的移动效果,研究团队推论,这可能与病毒表面特殊的几何构造及化学组成有关,使得病毒材料能轻易地穿透土壤孔隙。在这些几何构造中,又以长棒状的烟草微绿嵌纹病毒优于其他球状的奈米材料,再加上其棒状表面拥有多种化学物质,使其能与不同土壤介质进行交互作用,也因此该奈米材质能在土壤中拥有较佳的表现。
研究团队建立的这套研究模式,有助于提升其他生物性材料的研发进程,只需简单的设备,在电脑辅助模拟下,将原本需费时1个月的研究浓缩成4天。这项研究同样为精准农业(precision agriculture),病虫害防治管理技术与环境安全作出重大的贡献。
该研究由美国国家科学基金会(国家科学基金会)及美国国家卫生研究院(国立卫生研究院)资助,相关研究成果发表在<Nature Nanotechnology>。
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