Optimierung der Avermectin-Nanoabgabe: Einfluss der Partikelgröße auf Freisetzung, Stabilität und Schädlingsbekämpfung

Zusammenfassung

Der Einsatz nanotechnologischer Trägersysteme für Pestizid-Wirkstoffe erhöht die Ausnutzungsrate und verlängert die Wirksamkeit durch kontrollierte Freisetzung und verbesserten Schutz. Die meisten kontrollierten Freisetzungsformulierungen weisen jedoch große, polydisperse Partikel auf, was Leistungseinblicke limitiert. In dieser Studie wurden Avermectin (Av) Nanoabgabesysteme mit präzise kontrollierten Partikelgrößen entwickelt und deren Freisetzungskinetik, Photostabilität und Bioaktivität bewertet. Durch Anpassung der Partikelgröße konnte das Av-Freisetzungsprofil feinjustiert werden, und die biologische Aktivität nahm mit abnehmender Größe zu. Diese Ergebnisse zeigen, dass Av-Nanoabgabesysteme kontrollierte Freisetzung, UV-Schutz und Wirksamkeit deutlich verbessern, wodurch Pestizidrückstände und Applikationshäufigkeit reduziert werden.

Hintergrund

Pestizide sind entscheidend für Pflanzenschutz und Schädlingsbekämpfung, doch konventionelle Formulierungen leiden unter schlechter Dispersion, schneller Degradation und hohen Verlustraten (bis zu 70–90 %) durch Biodegradation, Photolyse, Verdunstung, Auswaschung und Grundwasserkontamination. Diese Herausforderungen gefährden Lebensmittelsicherheit und Umweltqualität und unterstreichen den Bedarf an fortschrittlichen Abgabestrategien.

Nanotechnologie bietet einen vielversprechenden Ansatz zur Verbesserung der Pestizidleistung. Nanopartikelformulierungen erhöhen die Oberfläche und verbessern die räumliche Verteilung auf Blattoberflächen, während polymere Nanoträger eine langsame, kontrollierte Freisetzung von Wirkstoffen ermöglichen. Polymilchsäure (PLA), ein biologisch abbaubarer, FDA-zugelassener Polymer, hat sich als Träger für bioaktive Moleküle bewährt und wird zunehmend für Pestizidverkapselung erforscht wegen seiner Umweltfreundlichkeit, niedrigen Kosten und Skalierbarkeit.

Nanopartikelabgabe erweitert die Kontaktfläche zwischen Schädling und Pestizid, was Adhäsion und Penetration fördert. Avermectin (Av) ist ein breitwirkendes, niedrigtoxisches Biopestizid, das jedoch schnell unter UV abgebaut wird und eine kurze wässrige Halbwertszeit hat. Mikroverkapselung wurde versucht, aber resultierende Kapseln (1–5 µm) sind groß und ungleichmäßig, was Dispersion und Wirksamkeit limitiert. Es gibt wenig Arbeiten zu Av-Nanoabgabesystemen mit kontrollierter Größenverteilung.

Diese Forschung zielt darauf ab, Av-Nanoabgabesysteme mit variierenden Partikelgrößen via Emulsionspolymerisation unter Verwendung von PLA zu synthetisieren und zu bewerten, wie die Größe Freisetzungsverhalten, Photostabilität und biologische Aktivität beeinflusst.

Experimenteller Teil

Materialien

PLA und Av wurden von Nature Works und Qilu Pharmaceutical Co., Ltd. (Innere Mongolei, China) bezogen. Polyvinylalkohol (PVA, 87–90 % hydrolysiert, M_w 30 000–70 000) wurde von Sigma-Aldrich Shanghai gekauft. Gelatin stammte von Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. Dialysemembranen kamen von Beijing Tianan Technology Co., Ltd. Alle anderen Reagenzien waren analytischer Grad, und Milli-Q-Wasser (18,2 MΩ cm) wurde durchgehend verwendet.

Herstellung des Avermectin-Nanoabgabesystems

Eine Öl-in-Wasser (O/W) Emulsion wurde durch Kombination von PLA und Av in Methylenchlorid (Ölphase) mit einer Wasserphase aus Gelatin und PVA hergestellt. Die Ölphase wurde unter Hochscheremulsion (FA25, FLUKO) in die Wasserphase getropft, um eine grobe Emulsion zu erzeugen, dann durch Ultraschall (JY 92-IIN) homogenisiert. Die resultierende Emulsion wurde über Nacht gerührt, um das Lösungsmittel zu verdampfen, durch Zentrifugation gesammelt, dreimal mit deionisiertem Wasser gewaschen und gefriertrocknet zu einem freifließenden Pulver, gelagert bei 4 °C.

Charakterisierung der Nanoabgabesysteme

Partikelmorphologie wurde per Rasterelektronenmikroskopie (SEM, JSM-6700 F) nach Platin-Sputterbeschichtung untersucht. Größenverteilungen wurden durch dynamische Lichtstreuung (Zetasizer NanoZS90) bei 25 °C gemessen.

Bestimmung der Avermectin-Beladung

Av-Gehalt wurde per UV-Vis-Spektroskopie (245 nm) quantifiziert. Proben wurden gewogen, in Chloroform gelöst, verdampft, in Methanol wiedergelöst, filtriert und analysiert.

Kontrollierte Freisetzungsstudien

Proben wurden in 10 mL 1:1 Ethanol/Wasser suspendiert, in einen Dialysebeutel gegeben und in 90 mL desselben Mediums eingetaucht. In festen Intervallen wurden 5 mL Aliquots durch frisches Lösungsmittel ersetzt, und Av-Konzentration wurde per UV-Vis gemessen. Technisches Abamectin (TC) diente als Kontrolle.

Photolyse-Verhalten

Av-Photolyse wurde durch Bestrahlung von Methanol/Wasser-Lösungen unter einer 500 W UV-Lampe (λ = 365 nm) für bis zu 72 h bewertet, mit Probenahme alle 12 h.

Stabilitätstests

Proben wurden bei 0 ± 2 °C für 7 Tage und 54 ± 2 °C für 14 Tage gelagert, dann wurde der Av-Gehalt erneut gemessen.

Bioassays

Blatt-Tauch-Bioassays gegen Kohlblattlauslarven wurden durchgeführt. Blätter wurden in Av-Suspensionen mit Triton X-100 getaucht, getrocknet und 48 h inkubiert (25 °C, 75 % r.F.). Mortalität wurde erfasst, und LC₅₀-Werte mit DPS v12.01 berechnet. Kommerzielles WDG diente als Kontrolle.

Ergebnisse und Diskussion

Aufbau und Charakterisierung des Avermectin-Nanoabgabesystems

Abbildung 1 skizziert den Syntheseworkflow. Durch Variation des PVA/Gelatin-Verhältnisses wurden Partikelgrößen von 344 bis 827 nm erreicht (Abbildung 2). Die Av-Beladung lag zwischen 33,4 % und 57,5 % (Abbildung 3). Alle Partikel waren glatt, kugelförmig und gleichmäßig dispers.

Schematik der Av-Nanoabgabesystem-Herstellung.

SEM-Bilder (a–d) und Größenverteilungen (e) der Av-Nanoabgabesysteme.

Av-Beladung über verschiedene Partikelgrößen.

Avermectin-Freisetzung aus dem Nanoabgabesystem In Vitro

Freisetzungsprofile (Abbildung 4) zeigen, dass technisches Av fast vollständig innerhalb von 25 h freigesetzt wird, während Nano-Systeme eine biphasische Freisetzung aufweisen: einen initialen Burst gefolgt von nachhaltiger Freisetzung über 240 h. Kleinere Partikel (344 nm) setzten 79,4 % Av frei, verglichen mit 53,2 % für 827 nm Partikel, was zeigt, dass größere Oberfläche die Diffusion beschleunigt. Damit ist Partikelgröße ein entscheidender Hebel für die Anpassung der Freisetzungskinetik.

Freisetzungsverhalten der Av-Nanoabgabesysteme in Ethanol/Wasser (1:1, v/v) über 200 h.

Biologische Aktivität

Bioassays gegen Blattläuse (Abbildung 5) zeigen einen klaren Trend: LC₅₀-Werte sinken mit abnehmender Partikelgröße. Kleinere Partikel verbessern Dispersion, Benetzbarkeit und Retention, wodurch die Bioverfügbarkeit steigt. Alle Nano-Systeme übertreffen kommerzielles Av WDG, was bestätigt, dass Nanoverkapselung die Wirksamkeit steigert.

Bioassay-Ergebnisse der Av-Nanoabgabesysteme mit variierender Partikelgröße.

UV-Schutzeigenschaften von Avermectin im Nanoabgabesystem

Photolyse-Experimente (Abbildung 6) demonstrieren, dass das Nanoabgabesystem Av vor UV-Abbau schützt: nach 48 h tritt nur 18,7 % Photolyse auf versus 46,7 % für kommerzielles WDG; bei 72 h 25,6 % versus 51,5 %. Die Polymerwand schirmt den Wirkstoff effektiv ab.

Vergleich des Av-Photolyse-Prozentsatzes mit kommerziellem WDG und Nanoabgabesystem unter UV-Bestrahlung.

Lagerstabilität

Stabilitätstests (Abbildung 7) zeigen, dass die Av-Beladung bei 0 °C und 25 °C stabil bleibt. Ein moderater Verlust (< 5 %) tritt nach 14 Tagen bei 54 °C auf, zurückführbar auf thermische Degradation. Insgesamt weist das Nanoabgabesystem exzellente Lagerstabilität auf.

Stabilität des Av-Nanoabgabesystems bei verschiedenen Lagertemperaturen.

Schlussfolgerungen

Wir haben erfolgreich Avermectin-Nanoabgabesysteme mit kontrollierten Partikelgrößen via Emulsionspolymerisation und PLA als biologisch abbaubarem Träger hergestellt. Die Partikelgröße bestimmt Freisetzungsrate, UV-Schutz und biologische Aktivität: kleinere Partikel setzen Av schneller frei, verbessern die Schädlingsbekämpfung und bieten überlegene Photostabilität. Diese Nano-Systeme überwinden Limitationen konventioneller Biopestizide – wie rasche Degradation, Bodenadsorption und kurze Wirkdauer – und verbessern damit Wirksamkeit, reduzieren Applikationshäufigkeit und minimieren Umweltauswirkungen.