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杀虫、杀螨、抗菌、除草,样样精通的天然源农药——柠檬烯

作者:刘雅倩, 刘珍秀, 高波, 黄继光 更新时间:2019-12-09 点击量:184

柠檬烯功能多样,近些年在农药领域应用越来越多。本文分析了柠檬烯3种异构体的结构和理化性质,总结柠檬烯杀虫、杀螨、抗菌、除草等多方面生物活性及其作用机理,为该化合物作为天然源农药开发应用提供理论基础。

 

柠檬烯又称苎烯,为单萜类化合物,是植物精油中的一种常见成分,主要存在于柑、甜橙、柠檬、橘、葡萄柚、金柑等柑橘类水果中,也存在于其他植物如薄荷、樟脑、杉油、松针、留兰香中。该物质为无色油状液体,气味芳香,类似柠檬的香味。柠檬烯功能多样,具有抗菌抑菌、抗炎症抗氧化、抗肿瘤降低肝脏损伤祛痰平喘、利胆溶石防腐保鲜等多种作用,常用于医药、食品加工、日化等多个领域,相应的研究报道也较多。

 

随着社会大众环保意识、食品安全意识、健康意识的提高,农药的发展也朝着高效、低毒、高选择性的方向转变。植物精油是一类具有多种农药活性的植物次生代谢物,由于其对天敌昆虫、人畜无害,在环境中易降解,已成为天然源农药开发的重要途径之一。来源于植物精油中的柠檬烯,对人畜低毒、安全性高,加之其具有杀虫、杀菌、除草多方面的生物活性,近年在农药领域的研究报道也日趋增多。本文对柠檬烯在农药领域的研究进展进行梳理和总结,旨在为该物质作为天然源农药的开发应用提供科学的理论依据。

 

1  分子结构和理化性质

柠檬烯的化学名称为1-甲基-4-(1-甲基乙烯基)环己烯,分子量136.23,分子式C10H16,水溶性低,易溶于有机溶剂。因结构中含有不饱和键,稳定性不高,尤其是在受热和有光照的条件下,容易发生氧化反应。

 

属于单环单萜的柠檬烯具有3种同分异构体,分别为D-柠檬烯、L-柠檬烯和DL-柠檬烯。在很多文献报道中,未能明确其具体构型,而不同构型的柠檬烯,其生物活性也会存在差异。为避免混淆,笔者对不同构型柠檬烯的空间结构和理化性质进行了归纳和对比(表1)。

 

1  柠檬烯的3种同分异构体比较

 

2  生物活性

柠檬烯以及含有柠檬烯的精油对农作物病害、虫害、草害均有生物活性。鉴于柠檬烯广谱的生物活性,早在2010年,右旋柠檬烯(D-limonene)就作为杀虫剂和除草剂,进入美国EPA登记审批程序。随后,国内外有多份与柠檬烯有关的专利申请内容涉及含有柠檬烯的除草剂组成、制剂加工和方法,杀虫、杀螨应用等,有些已获得授权,侧面反了柠檬烯的农药活性。

 

2.1  杀虫作用

作为一种小分子化合物,柠檬烯对害虫具有引诱、驱避、熏蒸、触杀等多种作用方式。

 

Saxene等发现,柠檬烯对印度土壤的根瘤线虫有很好的杀伤效果。天牛因钻蛀为害而不易防治,而D-柠檬烯对天牛的寄生天敌花绒寄甲具有引诱作用,可以用于林业中防治天牛,但对鞘翅目害虫Hylastinus oscurus却具有驱避作用。

 

Kianulalnell等发现,胡萝卜叶中柠檬烯的含量和胡萝卜上的一种木虱(Trioza apicalis)产卵量成负相关,证明柠檬烯对胡萝卜木虱有趋避作用。另外,研究发现松树中萜烯类成分含量变化与松小蠹为害之间存在关联。柠檬烯的产生可减少害虫为害松树。

 

江志利研究山苍子油的活性时发现,柠檬烯和γ-松油烯是山苍子油的主要成分,其对粉纹夜蛾3龄幼虫的LD50112.4 μg/头,对白纹伊蚊4~6 h的驱避率在50%以上,效果优于隆力奇花露水,并在此基础上较系统地开展了植物精油的杀虫作用及制剂研究,为精油作为农药的研究奠定了较好的理论基础。

 

张仁芳等以橘皮主要成分D-柠檬烯为研究对象,研究其对果蝇的熏蒸、驱避和触杀作用生物活性。结果表明,D-柠檬烯对果蝇类生物具有熏蒸、趋避作用,在短时间内能导致果蝇死亡,但无明显触杀效果。但以柠檬烯和柠檬烯-10-醛为主要成分的大叶青兰花精油对桃蚜表现出很高的毒力,处理后24、48、72 h的LC50分别为4.40、1.44、0.27 μL/L。

 

Malacrinò等进一步研究了不同构型柠檬烯在不同温度、不同剂量下对杂拟谷盗的熏蒸和驱避活性,结果表明,R-()-limonene比S-(-)-limonene的熏蒸活性更高;在没有面粉的情况下,空气中R-()-limonene的浓度在85 mg/L时,可达到100%的熏蒸效果,并且温度与熏蒸作用呈正相关。此外,驱避活性试验结果表明R-()-limonene的毒力高于其他异构体。

 

柠檬烯不仅在室内表现出多样化的毒力,在田间也具有良好的防效。何翠娟和张颂函通过试验发现,含有柠檬烯的中试产品“37%感觉乐乳油”对蚜虫、菜青虫、小菜蛾、甜菜夜蛾等防效显著。以D-柠檬烯和食用植物油配制的80%、85%和90% D-柠檬烯混合油剂对红火蚁有翅繁殖蚁、工蚁、卵和蛹均具有良好的毒杀作用。其中,90% D-柠檬烯混合油剂的效果最理想。以单蚁巢处理的方式施用90% D-柠檬烯混合油剂,每蚁巢投放吸收了10 mL混合油剂的海绵,药后7 d灭巢率达97.44%,与对照药剂0.1%氟虫腈粉剂灭巢率97.22%差异不显著。另外,研究表明5% D-柠檬烯SL对番茄烟粉虱具有较好的防治效果。

 

2.2  杀螨作用

柠檬烯及其相关精油不仅具有多种杀虫作用,对叶螨的活性也比较显著。

 

柠檬烯,α-萜烯,和对伞花烃是藜科植物土荆芥精油的主要成分,对二斑叶螨和苹果全爪螨成螨具有极强的生物活性,效果甚至优于阿维菌素。胡军华等研究了柑橘提取物中主要杀螨活性成分,发现柑橘乙醇提取物的杀螨活性最高,果皮提取物的杀螨活性高于种子;果皮和种子乙醇和乙酸乙酯提取物通过GC-MS分析共鉴定出35种成分。其中,柠檬烯含量最高,和柠檬醛、4-松油醇、芳樟醇占提取物含量的85%以上;柠檬烯杀螨活性高于柠檬醛、松油醇、芳樟醇、β-蒎烯,说明以这些物质为主要有效成分的柑橘提取物类杀螨剂的研发具有良好的发展前景。

 

植物精油的毒力与单一组分的活性之间会存在差异。迷迭香精油对大豆和番茄上饲养的二斑叶螨雌成螨24 h的LC50分别为10 mL/L和13 mL/L,引起100%死亡率对应的浓度分别为20 mL/L和40 mL/L,但用20 mL/L精油中对应的D-柠檬烯的浓度(D-柠檬烯在迷迭香精油中的体积百分含量3.7%)处理二斑叶螨后,其对大豆和番茄二斑叶螨品系的死亡率分别只有8%和24%。说明精油各组分之间具有协同增效作用。

 

赵莉蔺等总结发现,植物精油的杀螨活性多样,对二斑叶螨有致死作用,对朱砂叶螨有杀死和忌避作用,并且使成虫产卵量减少。本课题组对D-柠檬烯的杀螨活性进行了较系统的研究,发现D-柠檬烯对柑橘全爪螨的急性毒杀作用并不明显,但对叶螨种群的繁殖具有较好的控制作用,表现出杀卵、抑制产卵等作用方式,并对几种重要化学杀螨剂具有较明显的协同增效作用。

 

由于柠檬烯的安全性和高选择性,韩国用柠檬烯进行熏蒸,防治蜜蜂寄生螨,可节省劳动力,保证蜂蜜的产量。同样,因柠檬烯对微小牛蜱具有很高的致死作用,并能抑制卵的孵化,用于畜牧业防治动物体外的螨虫。

 

2.3  抗菌、除草及其他作用

柠檬烯在食品领域的抗菌活性研究较多,而其对农业病原菌也具有抗菌活性。

 

Rodríguez等研究发现,柠檬烯的存在与柑橘类水果的抗病性存在关联。用含有D-柠檬烯的单层脂质体包裹蓝莓,可防止灰葡萄孢和青霉病,大肠杆菌、李斯特菌等引起的水果腐烂、变坏。

 

Lee等研究了不同单萜和倍半萜对水稻白叶枯病的抑制作用,先用化合物处理水稻幼苗再接种病原,结果发现感病的水稻植株通过上调柠檬烯合成基因,产生出(S)-limonene,抑制白叶枯病的发生。此外,柠檬烯可以抑制黄曲霉毒素菌株的产生。250 μg/mL的抑制活性高于柚子和甜橙精油(其主要成分为柠檬烯)。

 

除杀菌活性外,柠檬烯也有除草作用Jalaei等研究了采集于伊朗的大叶青兰花精油的化感作用和杀虫活性,结果发现,柠檬烯和柠檬烯-10-醛为主要成分的精油对反枝苋和藜两种杂草的种子萌发和幼苗生长具有抑制作用。青柠精油也具有除草活性,其主要成分是柠檬烯(40.92%)和柠檬醛(27.46%);在0.10~1.50 mg/mL浓度范围内,青柠精油、柠檬烯、柠檬醛能影响野燕麦、稗草、小子虉草的种子发芽、胚芽鞘生长和根长,但柠檬烯的活性较柠檬醛低。

 

此外,柠檬烯还是一种良好的溶剂,可以清除农药残留,去除率高于自来水。R()-柠檬烯对异尖线虫具有显著的生物活性,因其对人畜安全,可用于海产品加工中防病除虫,表现出广阔的应用前景。

 

3  作用机制

关于柠檬烯的杀虫机理,有文献提到柠檬烯通过破坏昆虫体壁蜡质层,导致水分丧失,同时体壁破坏使体液排泄,堵塞气孔,干扰氧气交换,从而使昆虫窒息、失水死亡。也有提及柠檬烯类似矿物油,直接阻塞昆虫气孔导致缺氧而死亡。虽然存在一定的合理性,但因缺乏相关系统的研究报道,只能算推测或假说。

 

柠檬烯的抗菌、除草机理则稍显深入。Cai等研究了柠檬烯、柠檬醛和丁香酚对鲁氏酵母的抗菌活性和机理,结果表明,柠檬烯能影响细胞膜和细胞蛋白。通过扫描电镜观察发现柠檬烯破坏了酵母细胞表面,导致核酸泄露,相对导电率提高。电泳分析表明,柠檬烯可以引起酵母可溶性蛋白质损失,同时能破坏蛋白质或抑制蛋白表达。青柠精油(主要含有柠檬烯和柠檬醛)对植物的除草活性和细胞毒理研究结果表明,青柠精油、柠檬烯、柠檬醛能引起洋葱根尖细胞周期发生改变,降低有丝分裂指数、提高染色体畸变等现象,说明这类成分有可能被开发成为环境友好的除草剂,应用于农业生产。

 

除此之外,在医学上有较多关于柠檬烯的细胞毒理研究报道。柠檬烯常用于香水中,是一种弱敏化剂,但其自然氧化后产生的烯丙基氢过氧化物能氧化细胞表面的硫醇基,降低GSH/GSSG的比例,从而间接引起基因和蛋白表达发生变化,导致过敏反应出现。柠檬烯的抗癌作用研究发现,D-柠檬烯处理小鼠肿瘤细胞后,使细胞凋亡和细胞自我吞噬作用有关的基因表达提高,从而抑制小鼠体内肺癌细胞的生长和肿瘤的形成。

 

由此可以看出,柠檬烯对生物体具有多种不同的作用机制,但其对病虫草的具体生物学机理,目前还不清楚,值得进行深入研究。而柠檬烯农药毒理机制的阐明,对其开发应用具有良好的指导意义。

 

4  发展前景

目前,柠檬烯已广泛用于食品加工、洗涤用品和美容品(香水)领域,其相关应用效果已有大量研究,表明其具有抗炎、抗氧化、镇痛、抗癌、抗糖尿病、抗过敏、抗病毒、抗辐射等多种与人类健康有关的作用,并且一些与医学有关的作用机理已有研究报道,其可望发展成为一类应用于人类健康和疾病领域的重要植物性药物。随着柠檬烯在医学领域研究的深入和完善,可为其用作农药提供更多的科学依据。

 

毒性问题是新农药研发中需要密切关注的一个现实问题。无论是D-柠檬烯L-柠檬烯或DL-柠檬烯,美国FDA都将它们划分为对人类安全的化合物。FAO/WHO对D-柠檬烯每日允许摄入量也未做限制性规定。在中国,D-柠檬烯是GB 2760—2014中规定允许使用的香料之一,对雄性和雌性小鼠的经口LD505.6 g/kg和6.6 g/kg,对大鼠的分别为4.4 g/kg和5.1 g/kg。说明柠檬烯低毒,安全性高,可用于农药领域但柠檬烯的环境化学行为还需要关注。

 

鉴于柠檬烯多种多样的生物活性,较早国外就将其当作农药登记和使用,近两年国内也开始将柠檬烯用于农作物上防治病虫害。美国奥罗阿格瑞国际有限公司已于2018年在中国首次登记D-柠檬烯原药和5%可溶液剂,用来防治番茄烟粉虱。这标志着柠檬烯在我国正式作为杀虫活性成分,进入了农业生产应用领域。同时,柠檬烯还具有杀螨、抗菌、除草等多种活性,以及作为助剂提高农药防效等作用,由于其来源广泛、活性多样,必将受到更多的关注,发展前景广阔。


来源:刘雅倩1, 刘珍秀1, 高波2, 黄继光1柠檬烯在农药领域的应用进展中国植保导刊, 2019, (8): 24-28; 69

作者单位介绍:1 华南农业大学/天然农药与化学生物学教育部重点实验室;2 湖北宜都市农业环境保护站

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