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Closed-Loop Nanoagriculture: Lignocellulose-Derived Dual-Gated Nanovehicles Synchronizing Pest Management with Agricultural Waste Valorization

同步 农业 环境科学 废物管理 闭环 病虫害综合治理 生态学 工程类 生物 控制工程 拓扑(电路) 电气工程
作者
Bo Wang,Fen-Ying Wang,Guoyun Liu,Zi-Xuan Jia,Xinyue Zhang,He-Tong Liu,Wenshu Wang,Xingyang Cui,Fei‐Xian Luo
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:13 (30): 12276-12286 被引量:2
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.5c04933
摘要

Conventional pesticides’ inefficient utilization, environmental persistence, and nontarget toxicity have driven urgent demand for sustainable, stimuli-responsive delivery systems. Lignin, an abundant aromatic biopolymer and underutilized paper industry byproduct, presents a renewable platform for advanced agrochemical formulations. Herein, we engineered a biomass-derived smart nanodelivery system through supramolecular nanoarchitectonics. Transforming paper industry byproducts into functional nanomaterials, cationic corn stover lignin (L-CTAB) was molecularly engineered via quaternary ammonium grafting, enabling precise encapsulation of avermectin (AVM) through π–π stacking and hydrophobic self-assembly. Optimized formulation (1:3 pesticide/lignin’s ratio) yielded monodisperse nanospheres (250 nm) with near-perfect encapsulation efficiency (99%). The hierarchical architecture demonstrates: (1) The AVM@L-CTAB nanoarchitectonics system exhibited pH/enzyme-triggered release kinetics, with substantially enhanced cumulative AVM release under simulated pest gut conditions (alkaline pH and laccase activity) compared to acidic environments; (2) Advanced photoprotection─84% bioactivity retention after 96 h UV (vs 18% for free AVM) through lignin’s UV-absorbing conjugated systems; (3) Thermal resilience─68% residual mass at 560 °C (10 °C min–1) via char-forming aromatic networks. Bioassays demonstrated dose-intelligent efficacy: Plutella xylostella larvae revealed 90% mortality at 5 mg L–1, outperforming free AVM (30% post-UV exposure). This work not only valorizes lignocellulosic waste (global production: 50 million tons/year) into functional nanomaterials but also establishes a biodegradable, precision-targeted pesticide delivery strategy, addressing critical gaps in agricultural sustainability and environmental safety.
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