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      行業信息

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      納米農藥研究進展
      責任編輯:左彬彬 來源:《世界農藥》2021年第4期 日期:2021-07-02

       

      我國每年農藥制劑用量近百萬噸,農藥是防御重大生物災害、促進農產品持續穩定增長的重要物質基礎。然而,傳統農藥在使用中會因為液滴滾落、粉塵和液滴飄移、雨水沖刷等方式流失進入環境。經過科研技術工作者的努力,農藥利用率已由約30%提高到40.6%,但與發達國家的農藥利用率仍有較大差距。要保證防效,需要多次施用農藥,這不僅提高了成本,而且導致嚴重的環境污染和農藥殘留超標。提高農藥利用率,降低農藥使用量是當前面臨的一個迫切需求。在當前的農藥研發工作中,通過劑型加工的手段改善農藥的使用性能,充分發揮其生物活性與效能,已經成為農藥減施增效的重要途徑。近年來,納米科技發展迅速,因納米材料具備許多新的理化特性,如小尺寸效應、大比表面積、量子效應等。這些特性使得納米材料越來越多地應用于電子、醫學等多個領域。這些領域積累的經驗,尤其是醫藥方面研究的經驗也逐漸在農藥制劑領域中進行應用,極大地促進了農藥可持續發展。目前,納米技術在農業中的應用已經形成了一個十分活躍的新興交叉學科。2019年納米農藥被國際純粹與應用化學聯合會(IUPAC)評為將改變世界的十大化學新興技術之首。利用納米材料和技術研究納米農藥制劑是當前納米技術農業應用研究領域的熱點。納米農藥制劑有利于改善難溶農藥的分散性、提高活性成分的生物活性、控制釋放速率、延長持效期、降低在非靶標區域和環境中的投放量,減少殘留污染。為了更好地了解這一新型技術,本文對納米農藥的概念及主要制劑類型進行了總結,對納米技術在植物病蟲害防治上應用進行了回顧,以期為利用納米技術推動農藥減施增效提供重要的理論依據。

      1  納米農藥概念

      1.1  納米農藥的定義       

      納米材料是指粒徑在任一維度處于1~100 nm以內的材料,因其尺寸小,結構特殊,從而具有許多新的理化特性,如小尺寸效應、大比表面積、高反應活性、量子效應等。目前,對于納米農藥國際上沒有統一的定義,通常將尺度小于1,000 nm或以“納米”為前綴,或具有與小尺寸相關的新特性的農藥劑型稱為納米農藥。 

      1.2  納米農藥的粒徑范圍及制備方法      

      納米農藥的粒徑根據其制備方法和分散體系不同,差異比較大,常見納米農藥的粒徑范圍見表1。納米農藥的制備方法主要有以下2種方式:(1)將農藥活性物質直接加工成納米尺度的粒子;(2)以納米材料為載體,通過吸附、偶聯、包裹等方式負載農藥,構建納米載藥體系,根據載體化學性質的不同可分為有機聚合物類制劑、脂質體納米制劑、黏土材料納米制劑、二氧化硅納米制劑等。

      表1  常見納米農藥的粒徑范圍

      編號

      劑型名稱

      粒徑范圍(nm)

      1

      微乳劑

      6~50

      2

      納米乳液

      20~200

      3

      納米分散體

      50~200

      4

      納米微球

      50~1,000

      5

      納米微囊

      50~1,000

      6

      納米膠束

      10~200

      7

      納米凝膠

      10~200

      2  納米農藥劑型

      2.1  基于傳統農藥劑型的納米農藥

      2.1.1  微乳劑

      微乳劑是由水、油、兩親性物質組成,光學上各向同性,熱力學上穩定且經時穩定的外觀透明或者近乎透明的膠體分散體系,微觀上由表面活性劑界面膜所穩定的一種或兩種液體的微滴構成。農藥微乳劑是一種透明或半透明的均一液體,用水稀釋后呈微乳狀液體的制劑。微乳液可以自發形成,其形成與配方組成相關,而與制備方式無關。微乳液的分布較窄,當粒徑為30 nm時,所有液滴幾乎為同樣大小的球形。20世紀70年代開始,國外出現農藥微乳劑的研究報道,首次研制成功的商品化農藥品種為氯丹微乳劑。目前,農藥微乳劑已經得到了較大的發展,登記數量比較多。由于其具有較好的分散度,含有大量表面活性劑,其滲透性、附著性都比較強,藥效一般優于相同活性成分的其他劑型。李蕓藝等研究了5%己唑醇微乳劑,其對水稻紋枯病病菌的抑制活性優于市售的10%己唑醇乳油。劉衛國等研究了阿維菌素乳油、水乳劑、微乳劑在甘藍葉片上的潤濕鋪展性能,試驗結果表明微乳劑在葉片上的潤濕鋪展程度最好,持留量最大。然而,微乳劑也存在載藥量較低,使用的表面活性劑用量較大等問題。

      2.1.2  納米乳液       

      一種液相以納米液滴的形式(通常在20~200 nm)分散到另一個與之不相混溶的液相中,這種分散體系被定義為納米乳液。納米乳液一般由油、水和表面活性劑組成,組成與微乳劑相同,但納米乳液屬于熱力學不穩定的膠體分散體系。根據減小油滴尺寸的機理,制備方法可分為高能法和低能法。低能法是改變溫度(相轉變溫度)或組成(乳液轉相點)導致相反轉從而自發形成納米乳液。高能法則借助能夠產生破裂力的機械工具,將兩相混合,將大液滴破碎成小液滴。在高能法中高壓均質系統和高速剪切系統是常用的設備,常用它們來獲得納米乳液。Kumar等對氯菊酯納米乳劑等進行了研究,結果表明納米乳劑的功效明顯提高,對土壤細菌和植物影響有所減少,其安全性有所提高。程怡博等采用超聲乳化法制備了菌核凈納米乳液,在透射電子顯微鏡下觀察,粒徑約為100 nm,以釀酒酵母菌為模式菌進行藥效試驗,在實驗室內表現出優良的抗菌活性。關文勛等利用阿維菌素具有的2個活性羥基,連續與丙烯酰氯、四乙烯五胺和琥珀酸酐反應,制備了帶有酯鍵,并對藥物親和的乳化劑前體。該乳化劑前體經中和后,可以與阿維菌素在水中自形成穩定的納米乳液,且粒徑可通過改變乳液載藥量或乳化劑中和程度來調節。在酯酶存在或強堿性條件下,乳化劑的酯鍵發生水解,乳化劑親水部分與親油部分分離,從而釋放阿維菌素,相對阿維菌素乳油具有更好的防治效果。目前,納米乳液的制備大部分仍采用高能乳化法。然而在高能乳化法中,只有極少的能量用于乳化過程,大部分都以熱能的形式損耗。低能法則利用體系自身的化學能,通過簡單攪拌便可形成納米乳液。相比之下,低能乳化法可以大大降低成本。農藥制劑中的納米乳液通常都是水包油型乳液,低能法制備的乳液效果較差,因此,在生產實踐中使用較少。但是,低能乳化法無需特殊的均質設備,因此也逐漸成為納米乳液的研究重點之一。

      2.1.3  納米分散體      

      納米分散體是將難溶于水的農藥,利用研磨、熔融乳化法、微沉淀法、溶劑揮發法等方法制備納米粒徑的粉劑或分散于水中形成納米混懸劑,其顆粒大小通常為50~200 nm。白培萬等通過濕化學合成法合成了20~30 nm氫氧化銅顆粒。納米氫氧化銅可濕性粉劑持效期長,在葉面分布均勻,是一種具有良好經濟效益的環境友好型農藥。Feng等分別對甲氨基阿維菌素固體納米分散體和市售的2種水分散粒劑進行了生物活性測定,測定結果表明納米分散體對小菜蛾的毒力是市售水分散粒劑的1.3倍。崔海信等采用微沉淀與凍干技術制備了阿維菌素固體納米分散體,其平均粒徑為96.6 nm,具有良好的穩定性,其對蚜蟲的生物活性比微乳液還高。目前,固體納米分散體的制備方法主要包括納米混懸劑轉化法、自乳化體系轉化法。其中納米混懸劑轉化法包括介質研磨-固化法、高壓均質-固化法、熔融乳化-固化法;自乳化體系轉化法包括液體微乳劑-固化法、直接固化法、納米載體吸附法。在實際應用過程中一般可將不同的方法結合使用。納米混懸劑是Muller等在1994年首次提出的科學理念,主要由3種組分組成,即難溶性藥物、分散介質和表面活性劑,是藥物顆粒的亞微米膠態分散體,藥物顆粒在表面活性劑的作用下均勻分散于水中。Liu等以聚乙烯吡啶和聚乙烯吡啶-苯乙烯為載體,制備了殺菌劑戊唑醇和百菌清的納米微粒(粒徑100~250 nm),發現其可有效控制農藥的釋放,且增加苯乙烯的濃度可以減緩戊唑醇和百菌清的釋放速率。鄭和堂和尚青等報道,采用納米高分子材料可制備能控制釋放啶蟲脒和伊維菌素納米微粒。黃啟良等報道了一種將二氧化硅作為載藥系統的阿維菌素納米微粒,發現其具有明顯的緩釋作用,并可同時減緩阿維菌素的水解和光解。Li等以羥丙基纖維素和十二烷基硫酸鈉為表面活性劑,通過濕法研磨介質研磨制備了灰黃霉素納米混懸液,考察了研磨介質對研磨速度的影響,生物活性評價表明灰黃霉素的生物利用率得到了明顯提高。納米分散體(納米固體分散體和納米混懸劑)的制備需要專門設備,能耗也比較高。

      2.2  基于材料負載的納米農藥

      2.2.1  納米微球       

      納米微球是農藥活性成分均勻分布于納米載體材料中,多為無機型負載方法,通過吸附或者通過一定的合成方法使藥物較為均一地分布在微球內部。與微囊相比,微球通常沒有明顯的核-殼結構,納米微球的粒徑較大,通常為50~1,000 nm。納米微球的常用材料有聚乳酸、固體脂質體、多孔二氧化硅等。孫長嬌等利用乳化-溶劑揮發法制備了嘧菌酯聚乳酸納米微球,探討了表面活性劑濃度和種類、聚乳酸用量等對微球粒徑的影響,制備的微球粒徑最小可達到236 nm。Kumar等制備了負載吡蟲啉的海藻酸鈉納米微球,田間藥效試驗表明納米微球的藥效更高,持效期更長。Xiang等研制出一種以多孔碳酸鈣為載體的納米緩釋農藥,可顯著提高農藥利用率,減少農藥用量,降低農藥引發的農業面源污染。以可溶性淀粉為模板,采用共沉淀法合成多孔碳酸鈣微球,并以此為載體負載農藥,表現出良好的緩釋行為,可以有效控制農藥分子在環境中的遷移,提高農藥利用率,降低農藥對環境的污染風險。納米微球的載藥系統制備工藝多種多樣,包括溶劑揮發法、復凝聚法等。制備工藝對納米微球的影響非常大,工藝的微小改變對粒徑和載藥量的影響較大,納米微球的另一個問題是難以獲得較小的粒徑。

      2.2.2  納米微囊       

      納米微囊是一種運輸系統,由農藥活性成分作為內核,高分子材料作為外殼構成。納米微囊可以包裹農藥活性成分,避免其與人體直接接觸,提高了對使用者的安全性。通過包裹還可以增強活性成分的穩定性、控釋性和靶向性。納米微囊常用的制備方法有界面聚合法、乳液聚合法等。Saini等以海藻酸鈉為囊材合成了三氟甲吡醚納米微囊,其粒徑為138 nm,生測試驗結果表明其對棉鈴蟲的防治效果遠高于原藥和乳油。Xu等通過羧甲基殼聚糖負載嘧菌酯,其載體可以在植株和病菌中可視化和pH響應,且具有良好的生物活性,在酸性環境下釋放更慢,可實現環境響應釋放。Gao等根據化學超分子自組裝原理,研制出一種能包裹具有高毒性農藥的新型“超分子納米囊”。在非光照條件下,該納米囊十分穩定,而在外界持續光照刺激下,化學分子的結構翻轉,使納米囊破裂從而釋放農藥。經試驗證明,該成果具有良好的環境響應性。納米微囊包裹高毒農藥百草枯,在保留除草性能同時,極大降低了對人的毒性和對環境的影響,為綠色除草劑的研發提供了嶄新的思路,是一款對人類健康無害、對環境友好的“綠色百草枯”。納米微囊包裹農藥活性物質的研究較多,其加工方式也具有多種,可以使用的材料較多,如天然高分子和人工合成的高分子材料,而且可根據需要實現光響應、溫度響應、pH響應等,對活性物質可以實現控釋的效果,有利于實現田間按需給藥,從而達到提高農藥利用率的目的。納米微囊的控制釋放也是目前研究的一個重點方向。

      2.2.3  納米膠束      

      膠束也被稱為膠團,是過量的表面活性劑在水中自組裝形成的膠體溶液,表面活性劑分子締合形成膠束時的最低濃度稱為臨界膠束濃度(CMC)。納米膠束是一類由兩親性表面活性劑分子構成的球形聚集體,在表面活性劑高于臨界膠束濃度時,在水中自組裝形成納米級大小的核-殼型膠束,在水溶液中分散時,親水性一端位于表面,疏水性一端位于內核。納米膠束粒徑多為10~200 nm,制備方式和表面活性劑的分子量大小均可以影響膠束粒徑。膠束的結構可控,載藥量加大,能夠增強藥效,并且可以設計為環境響應型制劑,因此,其智能釋放也是研究的重要方向。在醫學領域,納米膠束可以作為藥物載體。在農業領域,用于負載農藥,可提高農藥的穩定性。Pedesen等人選用Compritol 888 AOT通過加熱均質化得到氯氟氰菊酯微粒,其與乳油制劑的殺蟲活性相當,但是對斑馬魚和大型溞的毒性分別降低了10倍和63倍。Zhang等以兩親嵌段共聚物聚環氧乙烷聚己內酯為載體制備了粒徑為97.2 nm的蓖麻堿納米膠束。藥效試驗表明,其對朱砂葉螨的防治明顯優于蓖麻堿水溶液。

      2.2.4  納米凝膠       

      納米凝膠是具有三維結構的交聯聚合物納米顆粒。納米凝膠通常具有高含水量、高比表面積等特點,其大小可控,易于構建多價界面,便于進行功能性修飾,可持續釋放藥物,而且能夠被生物降解?墒紫壤霉矁r鍵、氫鍵、范德華相互作用或物理纏結等化學和物理誘導的交聯合成不含藥物的聚合物納米凝膠,然后使凝膠在水中膨脹,進而負載藥物。納米凝膠是一種新型載藥系統,其主要包括化學凝膠與物理凝膠。納米凝膠中的化學凝膠與物理凝膠分別由交聯共價鍵和非共價鍵形成,這樣的組成使得良好的穩定性能和較強的負載能力成為納米凝膠的顯著特性。納米凝膠在醫藥行業應用比較廣泛。近年,關于納米凝膠在農業上的應用也逐漸被報道。納米凝膠的交聯網絡結構能在水中膨脹但不會分散,能夠保持高含水量但不溶解的狀態。納米凝膠在環境中穩定性高,可負載易揮發物質,從而提高藥物的穩定性,延長緩釋時間。Bhagat等制備了信息素甲基丁香酚納米凝膠,田間防治柑橘小實蠅,可將持效期由7 d延長至30 d。一些研究者也將納米金屬氧化物和一些以納米為前綴的農藥制劑歸入納米農藥制劑的范圍。

      3  問題與展望      

      納米農藥粒徑較傳統農藥更小,具有更大的分散度,因此,其防治效果通常比傳統農藥劑型更高。傳統農藥劑型通常會以較高劑量施用至田間,但由于飄移、淋溶、流失、降解等作用其濃度會迅速下降,利用納米技術對載體材料結構與功能進行調控,可構建長效緩釋納米載藥系統,使農藥釋放特性與有害生物防控劑量需求相匹配,從而提高農藥利用率,減少使用頻率。此外,還可以根據有害生物的發生時間、危害周期及其生態環境,構建酶、pH、溫度、光等環境因子響應型精準納米釋放技術。從報道的文獻來看,納米農藥活性成分涉及殺菌劑、除草劑、殺蟲劑,從性質來看內吸性和觸殺性均有,因此制備納米農藥對活性成分的限制性條件比較少。然而,市場上除微乳劑外,其他類型的納米農藥非常少,可能與其規;苽浼夹g有關。此外,目前的評價手段不能完全滿足納米農藥的研制要求。納米材料的物理、化學和生物特性與常規材料差異大或為常規材料所不具備,在農業中納米技術的應用將會越來越多,是開發更有效、對環境影響低的農藥劑型的重要方法。此外,現有化學品的風險評估方法是否適用于納米農藥也是值得關注的問題。

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