生物农药的进化：揭秘日本三井旗下Certis如何攻克生物农药制剂难题

Certis Biologicals是日本三井的全资子公司，在生物技术领域的创新可以追溯到上个世纪40年代。此后数十年的时间里，公司不断丰富产品组合，目前已拥有极为丰富的生物农药品类，包括生防菌、病毒农药、脂肪酸、生物化学农药、植物提取物、发酵提取物，覆盖杀菌、除草、杀虫、杀螨、杀线虫和杀螺功能，共计约75款产品。其产品已进入全球五十多个国家的市场。

Certis Biologicals的制剂开发团队拥有制剂科学家、分析化学家、微生物学家等。其中，公司高级制剂科学家Brittany Nordmark毕业于卡内基梅隆大学，曾在Marrone Bio Innovations（MBI）担任制剂团队主管，在生物农药配方技术领域拥有多年经验。

以下，Brittany向我们分享开发生物农药制剂（尤其是真菌制剂）需要考虑的重要事宜，以及开发生物制剂碰上的挑战和应对经验[1]。

在开发生物农药时，制剂研究员需要首先决定采用哪种剂型：水分散粒剂（WG）、水悬浮剂 （SC）、油悬浮剂（OD），还是乳油（EC）等。国际作物保护联盟（Croplife International）的农药制剂类型和国际编码体系目录列出了超过60种不同剂型，该如何选择？惰性成分应该选择哪些？Brittany在做决定前会考虑：

1. 活性成分的特性。活性成分的特性决定了哪些剂型可用于产品开发。Certis Biologicals位于加利福尼亚州 Wasco 的工厂通过液体发酵培养的细菌，可以轻松配制成悬浮剂。其位于蒙大拿州 Butte 的生产工厂通过固体发酵培养的真菌具有疏水性，因此油悬浮剂或可湿性粉剂是适合的剂型选择。印楝素溶于油，因此乳油是该产品系列的理想剂型。

2. 活性成分的稳定性。就活体微生物而言，固体生物农药的保质期一般比液体生物农药更长。但农民更喜欢使用液体配方。若选择液体配方则可以使用惰性物质，如抗菌剂（防止杂菌与活性成分争夺资源）、抗氧化剂、食物来源，或使用诱导休眠的药剂来延长保质期。

3. 活性成分的载入。产品中含有多少活性成分合适？这给惰性成分留下了多少空间？这需要取得平衡。在配制挤压的水分散粒剂（WG）时需要加入惰性物质，如分散剂、崩解剂、润湿剂、助挤剂和稳定剂。如果该 WG 需要90%的活性成分，则只留下10%的惰性成分，可能会导致产品物理性质不佳。

4. 活性成分的功能。活性成分的杀灭功能是什么：杀虫、杀菌、杀线虫还是除草？一些杀虫剂需要惰性成分作为诱饵来引诱害虫食用。叶用杀菌剂可以从粘展剂中受益。而针对施用于犁沟内的杀线虫剂，润湿剂可以减少浸出。除草剂在低硬度水中最有效，因此在配方中添加软水剂是有帮助的。

5. 监管法规。用于（生物）农药前，惰性成分必须获准用于作物，并且在美国，必须遵守环保署 40 CFR 第 180 部分规定的配方要求。用于具备有机认证的（生物）农药前，惰性成分必须列在环保署 4A 或 4B 清单中，或具备OMRI 有机认证。在全球销售产品必须参考当地法规，例如 (EC) No 1107/2009（欧盟禁用助剂清单）。

开发生物制剂会碰上哪些挑战？

液体产品通常易于使用，因此受到种植者的青睐，但液体生物农药，尤其是活性成分为真菌的液体制剂的开发，给配方科学家带来了特殊的挑战：

1. 疏水性。真菌孢子可以通过液体或固体发酵培养。液体发酵产生芽生孢子，固体发酵则产生分生孢子。尽管芽生孢子具有亲水性，但在生物农药配方中，芽生孢子比疏水性分生孢子更难保存。因此，分生孢子通常被优先用作真菌产品的活性成分。

微生物制剂最知名的两种液体剂型是水悬浮剂（SC）和油悬浮剂（OD）。由于分生孢子具有疏水性，因此需要润湿剂和分散剂来配制悬浮液。但将真菌孢子储存在水中会影响保质期。分生孢子会在有水的情况下形成孢子，如果配方中没有营养成分，它们就会死亡。如果配方中存在营养成分，分生孢子就会发芽，产生菌丝，随着时间的推移，菌丝会使配方变稠，甚至达到污泥的稠度。

对于液体真菌产品，油悬浮剂（OD）比水悬浮剂（SC）更适合选用。油能够润湿疏水性活性物质，而分生孢子不会在油中形成孢子。但配制油悬浮剂也存在一系列挑战，这些挑战在以下第2-6项中讨论。

2. 均匀性。种植者和配方科学家都希望他们的液体生物农药是均匀的。出现分离有时会让人怀疑其功效受到了影响，可能会引发诸如″这个产品仍然有效还是变质？″或″摇晃后活性成分是否均匀分散在整个罐中？″等问题。

均匀性差也会影响产品的易用性。虽然在使用前摇晃液体生物农药是个很好的处理办法，但不应需要剧烈摇晃来让沉淀物重新悬浮。理想的液体配方不会随着时间的推移而出现分层，但如果满足这两个标准，分层就不会影响产品销售：1）沉淀物应易于重新悬浮；2）沉淀应在几天后出现，而非几小时，甚至几分钟。

对于油悬浮剂，分层通常是由于油和活性成分之间的密度差异而产生的。为了解决这种分离问题，配方科学家通常在制剂中使用表面活性剂和二氧化硅。但这些成分可能会造成增稠问题，影响产品倾倒。

3. 可倾倒性。可倾倒性是指液体从容器中倒出的能力，也与种植者使用产品的易用性相关。如果液体配方太稀或表面张力较低，倒出时可能会滴落，导致产品浪费。更常见的情况是液体配方太稠。稠配方会比稀配方更多地覆盖于罐子表面。为了回收产品，种植者可能需要将罐子倒置一段时间或用水冲洗罐子。为了防止给种植者带来这些不便，配方科学家可以向液体配方中添加流变改性剂以达到理想的黏稠度。

4. 乳化性。制剂在加水稀释使用时，由于油和水不相溶，因此表面活性剂在油悬浮剂开发中起着重要作用。油在水中保持稳定的乳液状态，与混罐中活性成分的均匀分布相关。这又与产品施用过程中活性成分的均匀分布相关，这对种植者来说非常重要。如果乳液不稳定，油就会浮到混罐表层。由于疏水性活性成分更喜欢油（在油中具有较低的化学势），它会跟随油聚集在混罐表层。

如何选择有效的表面活性剂？

Brittany一般会从亲水亲油平衡值 (HLB)开始。这一数值是表面活性剂亲水基团与亲油基团的比值。平衡值低则亲油性更强 (< 10)，平衡值高则亲水性更强 (> 10)。Angela Lemmon Turner整理了一份超过60种油脂所需要的表面活性剂亲水亲油平衡值[2]。在得知所使用油脂的亲水亲油平衡值后，就可以尝试具备该值的不同表面活性剂在产品中的适用性。

以亲水亲油平衡值范围展示表面活性剂功能分类（图源：维基百科）

5. 存活力。生物农药配方最大的挑战是存活力。制剂开发商可以配制一款均匀的油悬浮剂，它很容易倒出并形成稳定的乳液，但如果微生物活性成分不能在室温下存活至少6个月，就等于没有产品。短活力的油悬浮剂通常可以归因于配方中的油载体或其他惰性成分。在批准产品之前，应进行稳定性试验。

6. 成本。制剂产品的成本需要较低才能被种植者接受。一些制剂开发商用于真菌油悬浮剂的载体能够满足上述要求，但因成本过高最终难以销售。

生物农药开发的最大挑战是同时解决所有配方难题。在这个油悬浮剂案例中，研究人员通过添加可以乳化载体油的表面活性剂来配制均匀的配方。但这些表面活性剂使配方变得黏稠，以至于难以倒出。一旦添加流变改性剂使配方可以倒出，制剂就不再是稳定的乳液，因此不得不改用其他表面活性剂。配方开发是一个循环过程，需要研究、试验、时间和毅力，但当配方能够让种植者受益时，这些付出都是非常值得的。

[1] 本文内容主要来自Brittany在第五届国际农化制剂与应用技术高峰论坛（FAT 2024）上分享的报告，及其撰写的文章。 

[2] https://www.researchgate.net/profile/Jean-Canselier/post/How-can-I-determine-the-Hydrophilic-Lipophilic-Balance-of-an-oil/attachment/59d6235879197b8077981ae7/AS%3A306873738170368%401450175808132/download/Required_HLB_for_Oils_and_Lipids.pdf

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