本發(fā)明屬于農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化利用與環(huán)境保護(hù)，具體涉及一種改性玉米秸稈納米纖維素基雙重響應(yīng)控釋農(nóng)藥的制備方法。

背景技術(shù)：

1、傳統(tǒng)農(nóng)藥制劑在施用中普遍存在有效成分分解快、靶標(biāo)滯留率低等問(wèn)題，導(dǎo)致農(nóng)藥利用率不足30%。這不僅造成資源浪費(fèi)，更引發(fā)嚴(yán)重的土壤污染和水體富營(yíng)養(yǎng)化等環(huán)境問(wèn)題。

2、鹽堿地土壤環(huán)境特殊，土壤可溶性鹽類(lèi)濃度高，ph失衡（堿土ph值較高），土壤呈堿性，傳統(tǒng)農(nóng)藥在這樣的環(huán)境中穩(wěn)定性差，導(dǎo)致大量農(nóng)藥被土壤固定或流失，無(wú)法有效作用于病蟲(chóng)草害，利用率低，并易加劇鹽堿地土壤板結(jié)，不利于水分滲透與氣體交換，阻礙鹽堿地改良進(jìn)程。例如，某些有機(jī)磷農(nóng)藥在鹽堿地中可能因ph值偏高而加速水解，降低藥效。由于農(nóng)藥利用率低，為了達(dá)到防治效果，農(nóng)民往往需要加大農(nóng)藥使用量，這不僅增加了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，農(nóng)藥的長(zhǎng)期大量使用還會(huì)破壞鹽堿地土壤的肥力和生態(tài)功能，進(jìn)一步加劇土壤退化，此外，大量農(nóng)藥殘留于土壤、水體和農(nóng)產(chǎn)品中，對(duì)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)造成危害，破壞鹽堿地生態(tài)平衡，對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類(lèi)健康造成嚴(yán)重威脅，加上鹽堿地土壤本身排水性能較差，農(nóng)藥殘留更容易在土壤中積累，并通過(guò)淋溶作用污染地下水。

3、為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，開(kāi)發(fā)高效、環(huán)保的雙重響應(yīng)控釋農(nóng)藥應(yīng)運(yùn)而生。雙重響應(yīng)控釋農(nóng)藥能夠?qū)μ囟l件快速響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)精確控制農(nóng)藥釋放，從而提高農(nóng)藥使用效率、提升鹽堿地的作物產(chǎn)量和品質(zhì)、減少環(huán)境污染，對(duì)于推動(dòng)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展具有重要意義。目前雙重響應(yīng)控釋農(nóng)藥的制備主要采用微膠囊包埋、水凝膠負(fù)載或有機(jī)高分子共混等方法，但存在載體材料不可降解（如聚乙烯醇）、制備工藝復(fù)雜（如界面聚合法需多步反應(yīng)）或控釋響應(yīng)性單一等缺陷。

4、近年來(lái)，隨著可持續(xù)發(fā)展理念的普及和技術(shù)的進(jìn)步，利用天然可再生資源作為雙重響應(yīng)控釋農(nóng)藥載體材料成為了研究熱點(diǎn)。納米纖維素因具有高比表面積、獨(dú)特的物理化性質(zhì)和環(huán)境友好性，能顯著改善農(nóng)藥的分散性、穩(wěn)定性和穿透能力，被視為優(yōu)異的控釋農(nóng)藥載體材料。在提取納米纖維素的原材料中，玉米秸稈脫穎而出。玉米秸稈是一種常見(jiàn)的農(nóng)業(yè)廢棄物，常被燃燒導(dǎo)致浪費(fèi)，但玉米秸稈不僅蘊(yùn)藏著大量的纖維素成分，而且因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性，成為了提取高品質(zhì)納米纖維素的理想原料。同時(shí)納米纖維素表面具有豐富的改性羥基，對(duì)納米纖維素進(jìn)行改性會(huì)進(jìn)一步提升功能特性。

5、本發(fā)明旨在提供一種改性玉米秸稈納米纖維素基雙重響應(yīng)控釋農(nóng)藥的制備方法，該方法能夠有效利用農(nóng)業(yè)廢棄物，減少環(huán)境污染的同時(shí)提高農(nóng)藥使用的經(jīng)濟(jì)性和有效性。通過(guò)本發(fā)明的技術(shù)方案，可以得到基于農(nóng)業(yè)廢棄物的高性能改性納米纖維素控釋農(nóng)藥體系，兼具環(huán)境友好性與雙重釋放特性，這對(duì)于解決農(nóng)藥制劑領(lǐng)域的瓶頸問(wèn)題具有重要的指導(dǎo)意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是解決傳統(tǒng)農(nóng)藥利用率低，玉米秸稈的燃燒浪費(fèi)以及常規(guī)的纖維素性能局限的問(wèn)題，提供一種改性玉米秸稈納米纖維素基雙重響應(yīng)控釋農(nóng)藥的制備方法，提高農(nóng)藥的靶向利用率，而且生產(chǎn)工藝更加簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本更低。

2、一種改性玉米秸稈納米纖維素基雙重響應(yīng)控釋農(nóng)藥的制備方法，所述方法制備的控釋農(nóng)藥可以實(shí)現(xiàn)ph-氧化還原雙重響應(yīng)釋放，所述方法包括：步驟一，玉米秸稈提取納米纖維素：步驟1.1，制備玉米秸稈纖維素粉末：將未處理的玉米秸稈干燥，除去水分，隨后用攪拌機(jī)粉碎、過(guò)篩，將得到的粉末堿洗、漂白，以去除半纖維素、木質(zhì)素和其它雜質(zhì)，得到純化的玉米秸稈纖維素粉末；步驟1.2，納米化處理：純化后的玉米秸稈纖維素粉末與含有2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基，即tempo，和溴化鈉的水溶液混合，隨后添加次氯酸鈉水溶液，開(kāi)始納米化反應(yīng)，在反應(yīng)過(guò)程中持續(xù)攪拌，同時(shí)保持溶液的ph值為10.5，反應(yīng)結(jié)束后加入乙醇完全淬火，過(guò)濾收集沉淀，并將沉淀用去離子水多次洗滌，真空干燥后得到玉米秸稈納米纖維素，即cnf；步驟二，玉米醇溶蛋白改性納米纖維素：步驟2.1，制備納米纖維素水溶液：將cnf粉末溶于去離子水，室溫下攪拌，得到cnf水分散體系；步驟2.2，制備玉米醇溶蛋白乙醇溶液：將玉米醇溶蛋白，即zein，溶解在無(wú)水乙醇中，得到zein乙醇分散體系；步驟2.3，酰胺化共價(jià)改性修飾：配制1-（3-（二甲氨基）丙基）-3乙基碳化二亞胺鹽酸鹽，即edc和n-羥基琥珀酰亞胺，即nhs，的共價(jià)交聯(lián)劑，將含有edc和nhs的水溶液加入步驟2.1中的cnf水分散體系中，將混合液ph值調(diào)整至5.5~6.0，隨后加入步驟2.1中的zein乙醇分散體系，再將混合液ph值調(diào)整至8.0，室溫下反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后將反應(yīng)液ph值降至1~2來(lái)淬滅酰胺化反應(yīng)，隨后用蒸餾水對(duì)反應(yīng)液進(jìn)行離心洗滌，使用截留分子量為8000?da的透析膜透析，冷凍干燥得到共價(jià)偶聯(lián)物cnf/zein粉末；步驟三，改性玉米秸稈納米纖維素基乳液載體的制備：步驟3.1，配制水相和油相：將共價(jià)偶聯(lián)物cnf/zein粉末溶于水形成懸浮液作為水相，量取中鏈甘油三酯，即mct，作為油相；步驟3.2，制備pickering乳液：將水相和油相按比例混合，使得油相的體積分?jǐn)?shù)φ=0.4，在高速剪切機(jī)下乳化形成pickering乳液；步驟四，改性玉米秸稈納米纖維素基雙重響應(yīng)控釋農(nóng)藥的制備：步驟4.1，農(nóng)藥負(fù)載：將阿維菌素，即avm，溶于步驟三中的pickering乳液，混勻得到雙重響應(yīng)控釋農(nóng)藥avm@cnf/zein。

3、可選地，所述步驟2.3之后，所述方法還包括：步驟2.4，共價(jià)偶聯(lián)物特性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：使用opa法對(duì)共價(jià)偶聯(lián)物cnf/zein中的游離氨基的含量進(jìn)行量化，偶聯(lián)物的接枝度用以下公式進(jìn)行評(píng)估：

4、；

5、其中，as和ac分別表示偶聯(lián)物和天然玉米醇溶蛋白的游離氨基含量，化學(xué)基團(tuán)變化使用傅立葉變換紅外光譜儀在4000至400?cm-1范圍內(nèi)檢測(cè)，微觀形貌通過(guò)電子顯微鏡拍攝得到。

6、可選地，所述步驟3.2之后，所述方法還包括：步驟3.3，pickering乳液特性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：乳液液滴的形貌用攝像機(jī)和光學(xué)顯微鏡記錄，乳液的流變特性使用ta流變儀分析，偶聯(lián)物穩(wěn)定乳液的機(jī)制通過(guò)共聚焦顯微鏡成像分析，其中用尼羅紅、尼羅藍(lán)和熒光素鈣白染劑分別對(duì)mct、zein和cnf進(jìn)行染色。

7、可選地，所述步驟四之后，所述方法還包括：步驟五，改性玉米秸稈納米纖維素基雙重響應(yīng)控釋農(nóng)藥的評(píng)估：步驟5.1，控釋實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：將avm@cnf/zein放入截留分子量為5000?da的透析袋中，將透析袋浸入含有乙醇水溶液的棕色錐形瓶中形成培養(yǎng)基體系，使用氫氧化鈉或鹽酸調(diào)節(jié)培養(yǎng)基的ph值，在每個(gè)ph值下取培養(yǎng)基樣品并用紫外吸收分光光度法測(cè)量培養(yǎng)基中avm的吸光度，驗(yàn)證控釋農(nóng)藥的ph響應(yīng)性，其中，所述每個(gè)ph值覆蓋酸性、堿性和中性三類(lèi)；將谷胱甘肽添加到培養(yǎng)基中，使谷胱甘肽濃度為2?mm和8?mm，在特定濃度下取培養(yǎng)基樣品并用紫外吸收分光光度法測(cè)量培養(yǎng)基中avm的吸光度，驗(yàn)證控釋農(nóng)藥的氧化還原響應(yīng)性；將ph響應(yīng)性驗(yàn)證和氧化還原響應(yīng)性驗(yàn)證得到的數(shù)據(jù)帶入以下公式計(jì)算avm的累積釋放比rn，即代表控釋農(nóng)藥的控釋響應(yīng)機(jī)制：

8、；

9、其中， c n是特定ph或谷胱甘肽濃度下avm的濃度（mg/l）， m avm是培養(yǎng)基中avm的總質(zhì)量， n表示實(shí)驗(yàn)次數(shù)；

10、累計(jì)釋放比之間的差異通過(guò)差異因子 f?1和相似因子 f?2進(jìn)行評(píng)估，當(dāng) f?1大于15且 f?2小于50時(shí)，則認(rèn)為存在差異，表示可以實(shí)現(xiàn)不同條件下的響應(yīng)性，其中， f?1和 f?2計(jì)算公式如下：

11、；

12、；

13、其中， t表示索引變量， m表示緩釋曲線(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)區(qū)間數(shù)， r t表示控釋農(nóng)藥的累計(jì)釋放率， t t表示對(duì)照傳統(tǒng)農(nóng)藥的累計(jì)釋放率；

14、步驟5.2，效用評(píng)估實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：控釋農(nóng)藥avm@cnf/zein轉(zhuǎn)速離心后，取上清液置于深色容量瓶中，用乙醇調(diào)節(jié)體積，使用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)在245?nm波長(zhǎng)下測(cè)定上清液中游離avm的濃度，使用以下公式計(jì)算avm被響應(yīng)型載體的封裝效率：

15、；

16、其中， m avm是離心前控釋農(nóng)藥中avm的質(zhì)量， m上清液 avm是離心后上清液中未封裝的avm的質(zhì)量；

17、通過(guò)浸葉實(shí)驗(yàn)測(cè)試雙重響應(yīng)控釋農(nóng)藥的殺蟲(chóng)活性，將卷心菜葉在avm@cnf/zein配方中浸泡，并在室溫下干燥，使用浸泡在去離子水中的卷心菜葉作為對(duì)照組，將處理過(guò)的葉子轉(zhuǎn)移到含有小菜蛾的培養(yǎng)皿中，調(diào)查小菜蛾的死亡率，評(píng)估avm@cnf/zein的殺蟲(chóng)效果。

18、可選地，所述步驟1.1是將未處理的玉米秸稈放進(jìn)105?℃烘干箱干燥24?h，除去水分，隨后用攪拌機(jī)粉碎、過(guò)篩，得到的粉末按照1:25（w/v）的質(zhì)量體積比與4%（w/v）的naoh溶液混合，在100?℃的水浴鍋中加熱4?h，以去除半纖維素、木質(zhì)素和其他雜質(zhì)，過(guò)濾收集沉淀并干燥，將干燥后的粉末按照1:25（w/v）的質(zhì)量體積比與漂白溶液混合，在80?℃的水浴中持續(xù)攪拌6?h，漂白溶液組成為：0.85%（w/v）naclo2、3.75%（v/v）冰醋酸和1.35%（w/v）naoh，將漂白后的溶液水洗4次后干燥，得到純化的玉米秸稈纖維素粉末。

19、可選地，所述步驟1.2中，純化后的玉米秸稈纖維素粉末按照1:100（w/v）的質(zhì)量體積比與含有2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基，即tempo，和溴化鈉的水溶液混合，水溶液中tempo的濃度為1?mmol/l，溴化鈉的濃度為10?mmol/l，隨后添加次氯酸鈉水溶液，每克純化后的玉米秸稈纖維素粉末對(duì)應(yīng)添加10?mmol的次氯酸鈉，開(kāi)始納米化反應(yīng)，持續(xù)攪拌2?h。

20、可選地，所述步驟2.1是將0.4?g?cnf粉末溶于50?ml去離子水，室溫下攪拌，得到cnf水分散體系；所述步驟2.2是將0.2~0.8?g?zein溶解在100?ml的無(wú)水乙醇中，得到zein乙醇分散體系；所述步驟2.3是將含有0.38?g?edc和0.22?g?nhs的50ml水溶液加入步驟2.1中的cnf水分散體系中。

21、可選地，所述步驟3.1中共價(jià)偶聯(lián)物cnf/zein粉末溶于水形成的懸浮液溶質(zhì)溶液質(zhì)量比為1.0%；所述步驟3.2中是在fb-110j高速剪切機(jī)12000?rpm轉(zhuǎn)速下乳化3?min形成pickering乳液。

22、可選地，所述步驟4.1是將10?mg阿維菌素，即avm，溶于6?ml步驟三中的pickering乳液，混勻得到雙重響應(yīng)控釋農(nóng)藥avm@cnf/zein。

23、可選地，所述步驟5.1中透析袋浸入的乙醇水溶液為50?ml，濃度為40%；所述步驟5.2中控釋農(nóng)藥avm@cnf/zein以12000?rpm轉(zhuǎn)速離心10?min，離心后，取1?ml上清液置于深色容量瓶中，用乙醇調(diào)節(jié)體積至25?ml；浸葉實(shí)驗(yàn)是將直徑為3?cm的卷心菜葉在avm@cnf/zein配方中浸泡10分鐘，48小時(shí)后調(diào)查小菜蛾的死亡率。

24、本發(fā)明的有益效果是：

25、1.本發(fā)明驗(yàn)證了edc/nhs交聯(lián)劑在醇溶體系下的有效性，并成功改性了玉米秸稈納米纖維素，拓寬了應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)制備方法操作簡(jiǎn)便，成本低廉，易于規(guī)?；a(chǎn)；

26、2.本發(fā)明“取之于農(nóng)并用之于農(nóng)”，為農(nóng)藥行業(yè)提供了一種高效、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的新型雙重響應(yīng)控釋農(nóng)藥，該控釋農(nóng)藥具有ph-氧化還原雙重響應(yīng)特性，在害蟲(chóng)腸道堿性環(huán)境（ph值較高）和含有谷胱甘肽（一種氧化還原劑）的條件下，控釋農(nóng)藥能夠快速釋放農(nóng)藥活性成分，實(shí)現(xiàn)對(duì)害蟲(chóng)的精準(zhǔn)殺滅，而在其它非目標(biāo)環(huán)境下，農(nóng)藥釋放緩慢，從而提高了農(nóng)藥的精準(zhǔn)利用率，有望廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，提高農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)，促進(jìn)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收；

27、3.本發(fā)明所制備的控釋農(nóng)藥具有ph?-氧化還原雙重響應(yīng)釋放特性，在鹽堿地堿性土壤環(huán)境下釋放更多農(nóng)藥活性成分，從而顯著提高農(nóng)藥在鹽堿地的利用率，減少農(nóng)藥浪費(fèi)，以及減少對(duì)鹽堿土壤改良的負(fù)面影響。

28、4.本發(fā)明使用玉米秸稈農(nóng)業(yè)廢棄物作為原料，既解決了玉米秸稈燃燒造成的環(huán)境污染問(wèn)題，又實(shí)現(xiàn)了資源的循環(huán)利用，符合綠色化學(xué)和可持續(xù)發(fā)展的理念，具有良好的環(huán)境效益和社會(huì)價(jià)值，屬于“變廢為寶”。