脑洞大开！水凝胶，最新Nature大子刊，为蜜蜂解毒！

在这里，康奈尔大学马明林教授团队提出了一种简单且可扩展的解决方案，通过可摄入水凝胶微粒（IHM）在体外及蜜蜂消化道中捕捉新烟碱类物质，从而减轻农药的有害影响。研究使用常见的东方大黄蜂（Bombus impatiens）作为模式物种，并以新烟碱类农药吡虫啉为代表，证明了 IHM 治疗的显著效果。在致死剂量的吡虫啉暴露下，接受 IHM 治疗的蜜蜂存活率比未治疗组高出 30%。在亚致死剂量（5 ng）下，IHM 处理明显改善了蜜蜂的采食行为，并使参与运动活动的蜜蜂数量增加了 44%。尽管单次服用 5 或 10 ng 吡虫啉后蜜蜂的振翅频率显著下降，IHM 治疗仍能有效改善这一情况。总体而言，IHM 提升了大黄蜂的健康状况，未来通过进一步优化，该技术有望为养蜂业带来益处，降低蜜蜂在作物授粉期间的风险。相关成果以“Ingestible hydrogel microparticles improve bee health after pesticide exposure”为题发表在《Nature Sustainability》上。

IHM 的体外吸附能力

评估这些 IHM 功效的第一步（图1b）是确定它们在生理相关的pH值下能否吸附新烟碱类杀虫剂（图1c、d）。吡虫啉的拟合结果显示，伪一阶模型的 R² 值较高，表明其吸附过程主要受物理吸附限制。此外，研究还分析了不同浓度的 IHM 对吡虫啉的捕获效果。结果显示，吡虫啉的捕获率与 IHM 浓度成正比，使用 5mg/ml 的 IHM 浓度可实现高达 78% 的去除率。

图 1：使用 IHM 和 IHM 表征的农药解毒策略示意图

高吡虫啉暴露后蜜蜂的存活率

首先，作者评估未接触吡虫啉的蜜蜂存活率，以确定IHM是否影响死亡率。结果显示，提供普通蔗糖糖浆和IHM糖浆的蜜蜂存活率无显著差异（图2a）。进一步测试表明，IHM不影响蜜蜂的花粉消耗（图2b）。当蜜蜂暴露于4ppm吡虫啉时，存活率明显下降，但加入IHM后，存活率提高了约30%，从58%上升至87%（图2d）。统计分析表明，IHM处理显著提高了蜜蜂的存活率，而延长至34天的评估未发现存活差异。

图 2：存活率测定和花粉消耗

为了确认 IHM 的可摄入性和通过消化道的运动，制作者通过荧光显微镜观察了其体内分布（图3a-e）。在0小时和1小时内，IHM 已经出现在蜜蜂的嗉囊和脑室中。8小时后，IHM进一步进入脑室并到达后肠（图3c）。到48小时时，IHM 主要集中在后肠，脑室中只剩下一些荧光信号，部分笼子里的排泄物呈蓝色，显示IHM已被排出。使用Cy5标记的IHM表现出肉眼可见的蓝色。同时，在整个8天的实验中，蜜蜂的消化道内始终存在IHM，证实蜜蜂持续摄取IHM糖浆（图3d）。此外，IHM的形态在消化过程中保持不变（图3e）。

图 3：体内 IHM 追踪

亚致死吡虫啉暴露后蜜蜂的健康状况

在观察到 IHM 提高蜜蜂存活率后，研究了吡虫啉的亚致死作用。初步测试发现，高剂量吡虫啉（500 ng）导致蜜蜂快速死亡，而50 ng剂量使蜜蜂昏睡且失去活力，因此亚致死作用评估使用5 ng和10 ng剂量（图4a）。测试显示，无论是否使用 IHM，蜜蜂在接受吡虫啉后糖浆（蜜蜂的食物）消耗量显著下降（图4b），但5 ng 剂量的 IHM 处理组糖浆消耗有所增加。进一步评估发现，IHM 处理显著改善了蜜蜂的运动能力，在5 ng吡虫啉处理下，蜜蜂的活动增加了44%（图4c、4d），但所有吡虫啉处理组的运动能力仍低于对照组。总体来说，IHM 改善了蜜蜂的进食和运动表现，但未完全恢复到正常水平。

图 4：糖浆消耗量和运动活动

最终的亚致死评估关注了大黄蜂的翅膀拍动频率（WBF）。如图5a所示，吡虫啉处理后，未接受 IHM 治疗的蜜蜂在5 ng 和10 ng剂量下，WBF 分别下降了11% 和15%（图5b）。研究发现，吡虫啉剂量和 IHM 的存在对 WBF 有显著影响，但二者的相互作用没有统计学显著性。5 ng 剂量的 IHM 处理组表现出显著的 WBF 改善，但0 ng 和10 ng 剂量下没有显著差异。翅膀长度和环境条件对 WBF 也有影响，但本研究中不同组间的翅膀长度差异不显著（图5c）。

图 5：翅膀拍动频率

小结与讨论

蜜蜂对全球农业和授粉至关重要，但其健康正因栖息地丧失、农药和气候变化等因素受到威胁，数量显著下降。为应对这一问题，本研究开发了花粉启发的酶微粒（IHM），以减轻新烟碱类杀虫剂（如吡虫啉）对蜜蜂的毒性。通过沉淀聚合方法合成的 IHM 直径约 5 μm，能够通过物理吸附捕获吡虫啉，降低其在蜜蜂体内的游离浓度。实验结果显示，IHM 处理提高了蜜蜂的存活率和运动能力，尤其在暴露于5 ng 吡虫啉剂量后，翅膀拍动频率（WBF）显著改善（图5b）。虽然 IHM 改善了蜜蜂健康，但在较长时间范围内和多种农药组合下仍需进一步测试。这项研究为未来基于 IHM 的蜜蜂农药解毒技术提供了可行的方向，有望增强蜜蜂抵御田间有害农药的能力。

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