农药不同剂型间活性、毒性、行为和风险差异现状及其影响因素

来源：《农药》2023年第8期

作者：陈增龙¹  张紫溪^1,2  李莉^1,3  程有普²（1.中国科学院 动物研究所 农业虫害鼠害综合治理研究国家重点实验室；2.天津农学院园艺园林学院；3.山西农业大学 植物保护学院）

农药原药经加工后形成形态、组成及规格不同的剂型，各剂型还可配制出含有不同成分的制剂。当前我国农药剂型共有61种，农业生产中常用的有10余种，主要包括悬浮剂（suspension concentrate，SC）、乳油（emulsifiable concentrate，EC）、可湿性粉剂（wettable powder，WP）、颗粒剂（granule，GR）等。研究表明，无论是生物活性、生态毒性，还是环境行为，相同农药有效成分的不同剂型间差异显著。同一农药不同剂型经口、皮、呼吸等暴露途径进入人体后，带来的暴露风险也存在显著差异。

″十四·五″农药产业发展规划提出，要对高毒性、高风险的农药及其助剂进行严格管控，开发水基化、纳米化、超低容量、缓释等制剂，以降低对人类健康的暴露风险。因此，阐明农药不同剂型间生物活性、生态毒性和环境行为差异，理清国内外现状并分析主要影响因素，对于不同剂型农药的科学使用与风险规避具有重要意义。本文旨在结合国内外研究进展，综合分析农药不同剂型间差异现状，从农药制剂、农药助剂、农药剂型加工、农药剂型应用等角度，探讨显著影响因子，以期为更好地发挥药剂的靶标防效、降低非靶标毒性、探究环境友好新剂型提供科学参考。

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不同农药剂型生物活性差异及其影响因素

生物活性是农药发挥药效的首要因素也是对其评价的首要标准。研究指出：

1）农药助剂及其理化属性是不同农药剂型生物活性差异的显著影响因子。对于同一喷雾制剂，可以通过添加适宜桶混助剂的方式改良农药药液的物理特征，包括润湿性、黏附性、铺展面积等，从而提高农药药液的沉积量。使用烷基萘磺酸盐与阴离子润湿剂的共混表面活性剂可以提高农药制剂在茶叶上的润湿度，持留更多药液，从而达到更佳的防治效果。表面活性剂糖醇增加了多菌灵可湿性粉剂在叶片和种子表面的黏附、扩散和持留时长，能进一步增强对靶标病菌的生物活性。研究发现，对吡唑醚菌酯乳油中添加不同油助剂，如环氧大豆油、油酸甲酯和生物柴油，油助剂所占助剂总体积比例为85%时，对单囊壳白粉菌Podosphaera xanthii的防治效果可提高11.54%～91.52%。除此之外，添加防飘移助剂可以抑制农药药液弹跳，减少雾滴的飘移和蒸发。

2）施用方式的不同也是不同农药剂型生物活性差异的原因之一。农药不同剂型应用后，药液与叶片的水平接触角与农药润湿性和铺展性呈负相关，研究发现吡虫啉可溶液剂（soluble concentrate，SL）、可湿性粉剂、悬浮剂、乳油、水分散粒剂（water dispersible granule，WG）的水平接触角依次增大，分别为79.63°、86.97°、106.34°、112.95°、113.05°，导致其在水稻叶片上的润湿性和铺展性顺序为SL＞WP＞SC＞EC＞WG。目前典型施用模式包括撒施法、喷雾法、拌种法、灌根法等。农药剂型的靶标防效差异显著，氯虫苯甲酰胺悬浮剂对水稻种子进行拌种处理，其保叶效果及持效期均远优于常规喷雾防治，但采用烯酰吗啉可湿性粉剂防治马铃薯晚疫病时，喷雾法在推荐用量下的防效显著高于拌种法，说明农药防效受施用模式的影响。2种药剂出现差异的原因可能与有效成分和栽培作物有关。研究发现，大多数内吸性杀虫剂是经根系吸收后通过木质部途径向植株上部传导，因而采用根区施药或种子包衣技术制备加工的颗粒剂或种衣剂来防治地上害虫是一种可行且经济环保的措施。吡虫啉水分散粒剂灌根后在草莓植株中被根系吸收并向上运输，在叶中积蓄而茎内不积蓄，相比于喷雾法，持效性更佳，施药次数更少。

3）研究指出农药制剂中的有效成分分散度越高，对生物体的渗透性越强，其靶标活性越高。阿维菌素对南方根结线虫Meloidogyne incognita的防效表明微囊悬浮剂（capsule suspension，CS）中粒径为5μm的制剂（LC50为219.03 mg/L）比10μm（LC50为511.49 mg/L）的制剂分散度高、防效好（见表1）。在农药纳米制剂生物活性研究过程中，通过测定阿维菌素不同粒径344、460、615、827 nm的纳米制剂对蚜虫的活性，进一步证实了粒径越小，防效越高的结论。当然，分散度越大活性越高并不适用于所有剂型。对于生防菌而言，颗粒越大则可容纳更多的活菌繁殖体，采用尖孢镰刀菌Fusarium oxysporum不同粒径的颗粒制剂用于蚕豆红斑病Orobanche crenata和番茄红斑病Orobanche aegyptiaca的生物防治时，其结果显示粗颗粒（＞500 μm）的尖孢镰刀菌比小颗粒（＜500 μm）的生物活性更高。

4）农药剂型加工工艺及技术不同导致剂型间生物活性存在差异。与常规剂型相比，农药微胶囊化可减少农药暴露于外界环境时挥发和降解造成的损失，从而提高农药利用率，降低农药的毒性。这与微囊悬浮剂的加工工艺如聚合时间、芯壁比等参数密切相关，粒径大小、包封率和载药量也是影响微囊悬浮剂药效的关键因素。研究指出，吡唑醚菌酯的微囊悬浮剂对黄瓜炭疽病的防效比乳油和悬浮剂提高了40%，由于微囊悬浮剂通过壁材实现农药的缓释，持效期长，防治效果更佳。采用同轴电喷雾方法对农药进行一步微胶囊化有望提高农药利用率。纳米工程金属氧化物也在农药制剂加工过程中表现出了较高的应用潜力。异丙甲草胺的生物测定试验表明，其纳米剂型表现出比非纳米形式更高的效果。

5）防治靶标也是农药不同剂型生物活性差异的影响因子，研究啶虫脒5种剂型对甘蓝烟粉虱成虫的48 h活性的影响，可湿性粉剂的活性（LC50为250.64 mg/L）依次弱于微乳剂（LC50为29.77 mg/L）、乳油（LC50为55.66 mg/L）、可溶液剂（LC50为124.39 mg/L）与可溶性粉剂（LC50为197.35 mg/L）；但以黄瓜叶片为生物测定载体时，可湿性粉剂的活性（LC50为85.09 mg/L）则依次弱于乳油（LC50为38.43 mg/L）、微乳剂（LC50为42.41 mg/L）、可溶性粉剂（LC50为51.11 mg/L）、可溶液剂（LC50为65.77 mg/L）。

综上所述，农药助剂、施用方式、有效成分分散度、加工技术和防治靶标是影响同一农药不同剂型生物活性的主要因素。添加适量桶混助剂或配方助剂可以提升农药药液的沉积量，并能抑制农药雾滴弹跳，进而提高喷雾模式下农药靶标防效。当前生态暴露风险高的新烟碱类杀虫剂，可采用灌根、包衣等施用方式降低对非靶标生物的影响，亦可采用颗粒剂撒施或者设施栽培等措施达到环境友好的目的。新型植保装备与高效施药技术的结合为农药减量增效提供了技术支撑，优于传统背负式喷雾。建议注重农民施药技术培训，将农药应用风险最小化。对于微囊悬浮剂、乳油等常规剂型，可以采用增加其有效成分分散度的方式来提升药效，近年来新兴纳米农药剂型也印证了这一点；但对于生防菌制剂，建议制备粗颗粒化制剂，以获得更好的防治效果。

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不同农药剂型生态毒性差异及其影响因素

农药不同剂型生态毒性差异研究多数采用模式生物斑马鱼Brachydanio rerio、家蚕Bombyx mori、赤子爱胜蚓Eisenia foetida及意大利蜜蜂Apis mellifera等（见表1）。首先，助剂本身具有毒性，助剂物理性质的不同，导致农药不同剂型的生态毒性不同。配方助剂中的溶剂亲脂性越强，越易与生物活性位点发生反应，导致其对非靶标生物产生毒性，如甲苯、二甲苯、三氯乙烯的亲脂性大小与对赤子爱胜蚓的急性毒性呈正相关，三者的正辛醇/水分配系数（logKow）依次降低，分别为3.12、2.69、2.42，其对蚯蚓的LC50也依次提高，分别为221.62、962.89、4522.41 mg/kg。研究指出，应避免在农药助剂中使用石脑油等物质，以减少两栖动物种群的吸入毒性。助剂的化学性质差异也是导致生态毒性不同的影响因素之一，阳离子表面活性剂对鱼类、藻类等水生生物的毒性相较于阴离子表面活性剂更高，是由于阳离子与带负电荷的机体表面通过离子交换机制，产生强静电相互作用发挥更高的吸附性能；非离子表面活性剂的毒性通常低于离子型表面活性剂。研究指出化学结构含有烷基酚基团的表面活性剂的生态毒性更高，且不易发生光解。此外，含有烷基酚基团的表面活性剂会在人的肝脏中引起氧化应激和细胞凋亡，对人体有一定危害。其次，制剂的不同加工壁材差异会显著影响农药制剂的生态毒性，通过研究4种不同壁材的吡唑醚菌酯微囊悬浮剂对黑斑蛙蝌蚪Pelophylax nigromaculatus的急性毒性，发现巴斯夫（BASF）生产的微囊悬浮剂毒性最高，96 h-LC50为0.019 mg/L，毒性分级为剧毒，依次高于FC公司生产的微囊悬浮剂（LC50为0.023 mg/L，剧毒）、聚氨酯（LC50为0.131 mg/L，高毒）和聚脲（LC50为0.174 mg/L，高毒）。也有研究指出纳米剂型的毒死蜱与原药（technical material，TC）相比，其对蜜蜂工蜂腹部长度有显著负向影响。此外，开发了生物炭基水凝胶微球，其载体对细胞增殖和斑马鱼胚胎的毒性作用较低，可缓解农药的浸出与淋溶，提高了药剂的生态安全性。且在乐果纳米制剂与原药对斑马鱼的毒性试验中，也发现海藻酸钠与壳聚糖包封的纳米制剂毒性更小。研究λ-氯氟氰菊酯微囊悬浮剂与λ-氯氟氰菊酯原药对胚胎斑马鱼的毒性活性，结果也显示两者的毒性相差不大。

综上所述，农药助剂理化性质与加工工艺能够显著影响农药不同剂型的生态毒性。助剂中有机溶剂因其理化性质不同，可能导致制剂生态毒性提高，如阳离子表面活性剂的生物毒性普遍强于阴离子、非离子表面活性剂。因此，在选择农药剂型时需要考虑助剂的理化属性差异，在保证靶标生物活性的同时，还需衡量助剂对环境与非靶标生物的影响。缓释剂型中常见的微囊悬浮剂与纳米剂型因药剂被壁材包裹，与其他常规剂型相比，持效期长、生态毒性低。且近年来也涌现了许多更加有效、生物安全性更高、对环境更友好的新型微囊加工技术，例如原位聚合法、超临界CO2辅助法等，开发新型加工技术是农药未来发展的趋势之一。

表1  农药不同剂型生物活性和生态毒性差异

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不同农药剂型环境行为差异及其影响因素

表2所示，同一农药不同剂型之间的环境行为也存在显著差异，这与农药剂型中的助剂种类、工艺等密切相关。首先，提高农药利用率可以降低农药不同剂型的生态暴露风险，如在制剂中使用油基溶剂尤其是矿物油，能够增加目标表面的覆盖面积，从而减少农药使用量。配方助剂中的有机溶剂能够影响农药有效成分在土壤中的环境行为，研究表明嘧菌酯乳油在沙壤土中的淋溶量是悬浮剂的1.6倍，这主要是由于有机溶剂限制了农药分子在水中的溶解，并阻碍土壤吸附。采用鱼藤酮2种制剂探究其在甘蓝中的残留水平，发现SC的残留量（0.118 mg/kg）多于WG（0.092 mg/kg），原因是SC中表面活性剂更多，导致其在甘蓝上的初始质量分数存在差异，进而导致残留水平不同。其次，农药剂型的加工技术不同也会造成制剂的环境行为存在差异。农药有效成分由于被壁材包被，光解时间较长，紫外光下高效氯氰菊酯微囊悬浮剂的半衰期达到49.6 h，高于原药、乳油，自然光照下不同剂型间差异进一步扩大至11.5 d。与此同时，微囊中的农药被包覆后可能会造成更长时间的农药残留，需要重点关注其在土壤、水体以及作物上的残留风险。目前，微球、均质复合物缓释剂型被关注，如利用蒙脱石与新型羧甲基淀粉的混合物制备缓释颗粒，不仅能降低异丙隆在水中的释放率，还能减少该除草剂的淋溶风险。已有研究提出一种新型的可封装高水溶性农药的聚合材料，可减少农药的淋溶和渗滤造成的环境风险此外，农药剂型分散度也是环境行为差异的影响因素。农药制剂的分散度越高，其消解周期越短，无论在露地抑或温室栽培模式下，啶虫脒微乳剂较水分散粒剂半衰期更短，这是由于微乳剂粒子较细，分散性好，渗透性和吸附性强。施用方式不同也会导致不同农药剂型的环境行为出现差异，呋虫胺颗粒剂的降解速率较可溶性粉剂（water soluble powder，SP）更慢，这是由于颗粒剂直接撒施于稻田后缓慢释放到水中，再被吸收到植株体内发生降解，且吸收和降解的过程是同时进行的，因而半衰期延长，但颗粒剂需要撒施与土壤混合使用，不与非靶标生物接触，降低了其生态风险。草甘膦颗粒剂因其撒施在土壤上，且具有缓慢释放的特征，在棉花土壤上的持久性是乳油的8倍。

综上所述，农药助剂、有效成分分散度、加工技术以及施用方式不同均会导致农药剂型间环境行为差异。含有芳香族表面活性剂的农药制剂不易发生光解，农药助剂也能通过改变土壤吸附属性，进而影响其环境行为。建议密切关注农药制剂的分散度对农药有效成分环境归趋的影响，以此推动我国农药减量、增效方向的发展。同时，利用新的工艺技术进一步开发高效、绿色的农药剂型，能够为农药制剂的多样化发展提供新的思路，以取代传统的高风险农药剂型；目前，对不同药剂的田间防治效果及生态风险还有待进一步的探讨。

表2  农药不同剂型环境行为差异

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不同农药剂型生态风险差异及其影响因素

农药剂型间不同生态风险差异与作物栽培体系、施药浓度和频率息息相关（见表3）。利用Top-Rice及China-Psem模型预测吡唑醚菌酯不同剂型在地表水中的暴露量，评估其在多种栽培模式下对水生生态的高级风险。风险差异指出，在柑橘园模拟施用吡唑醚菌酯SC、EC和WP，风险商（RQ）值大小为WP＞SC＞EC；在小麦田模拟施用吡唑醚菌酯SC、WG和EC，当施用剂量为112.5～150 g a.i./hm2时，RQ值大小为EC＞SC＞WG，施用剂量为76.5～112.5 g a.i./hm2时，RQ值大小为SC＞EC＞WG；在马铃薯田模拟施用吡唑醚菌酯SC、CS和EC，施用剂量为150～180 g a.i./hm2时，RQ值大小为EC＞SC＞CS，施用剂量为75～90 g a.i./hm2时，RQ值大小为CS＞EC＞SC。可见，农药剂型在不同作物栽培体系中的风险评估存在差异，且药剂使用量也是重要影响因子。其次，农药不同剂型差异与风险量级的关系亟待阐明。对6种剂型的毒死蜱及其代谢物进行24组不同施用浓度与次数模拟施药，生态风险评估指出，毒死蜱对鱼类、无脊椎动物的初级急性风险分别占总模拟组的24.0%、9.4%，对初级生产者的初级慢性风险占总模拟组的27.1%；而高级风险评估显示不同剂型毒死蜱对鱼类、无脊椎动物及水生中宇宙组RQ值均大于1，对水生生态系统存在风险，其中颗粒剂的RQ值明显大于微乳剂、微囊悬浮剂、可湿性粉剂、水乳剂以及乳油。因此，施药剂量与频率是农药不同剂型风险差异主要影响因子。还有研究对现有吡虫啉单剂产品进行了水生生态风险评估，结果显示吡虫啉的乳油、可溶液剂、可湿性粉剂、水分散粒剂、微乳剂、悬浮剂、泡腾片剂对水生生态系统的风险主要表现为对大型溞Daphnia magna和溪流摇蚊Chironomus riparius等为代表的无脊椎生物的慢性暴露风险。采用高效氯氟氰菊酯悬浮剂、水乳剂、可湿性粉剂、乳油以及微乳剂来评估其对水生生物的风险，风险评估结果显示5种剂型高效氯氟氰菊酯对水生生物的风险均可接受。

可见，作物栽培体系、施药剂量与频率与农药不同剂型的生态风险评估密切相关。在不同作物栽培体系中，同一农药不同剂型风险量级差异显著；在同一栽培体系中，施用不同浓度、次数的农药，剂型间风险评估结果也存在明显差异。建议保持农药制剂生物活性的同时，结合不同的栽培体系选择风险较小的剂型，如水基化剂型。施用农药时需因地制宜，科学依据农药防治靶标推荐施用量进行作业，且农药不同剂型差异与风险量级的内在联系机制亟待阐明。

表3  同一农药不同剂型生态风险情况

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总结与展望

农药助剂能够影响农药制剂在防治靶标上的释放、沉积、渗透、黏附及持留等特征，以及有效成分在动植物体的吸收、迁移、分布等过程，进而导致同一农药不同剂型间生物活性、生态毒性、环境行为、生态风险等方面出现差异。添加桶混助剂或配方助剂来提升农药药液的沉积量以及抑制农药雾滴弹跳，能够有效提高喷雾类农药的生物活性，降低其生态风险。但部分农药助剂生态毒性不明确，影响生态环境，甚至威胁人体健康，选用农药剂型时建议科学考察助剂理化属性的差异，衡量靶标活性、助剂对环境、非靶标生物以及人类的影响，应用绿色高效的农药助剂。

其次，农药有效成分分散度也是剂型间生物活性、环境行为差异的影响因子，增加有效成分的分散度可有效提升新型纳米剂型和乳油等常规剂型的生物活性，应密切关注不同分散度农药制剂环境行为归趋。且农药制剂的分散度越高，其消解周期越短。目前纳米农药的研究及实际应用大多停留在试验阶段，纳米农药的大规模田间应用仍需不断探索，也需关注纳米颗粒的毒性机制。

再次，施用方式以及加工技术也会影响农药利用率，导致农药制剂的生物活性、生态毒性、环境行为出现差异。可采用灌根、包衣等施用方式提升生物活性，并降低新烟碱类农药对非靶标生物的影响。亦可合理利用航空施药等新型植保施药方式，达到环境友好的目的。建议注重农民施药技术培训，将农药剂型生态风险最小化。将智能化的加工技术与高效施药方式结合，研发水基化、纳米化、超低容量、缓释等新剂型，因地制宜，采用农药推荐剂量精准施药，并推动加工技术创新，研发高效、绿色、安全的农药剂型。

最后，农药不同剂型因作物栽培体系、施药浓度与施药方式等不同导致生态风险评估结果存在差异，但相关研究较少。建议加强农药不同剂型精准风险评估以及施用方式研究，聚焦于生态风险与膳食风险，推动农药剂型研究从实验室中小范围到农田大尺度应用的转型，并注重农民施药技术培训，结合土壤特性，选择合适的剂型，并高效利用植保无人机施药。农药剂型差异研究任重而道远，高效、绿色和无害化农药剂型是未来发展趋势。