纳米技术在植物源农药应用上功效独特、前景广泛

 

 

植物次级代谢产物被用于制作农药拥有悠久的历史，西方国家早在古埃及和古罗马时期就开始使用植物材料进行病虫防治，在1763年，法国开始将烟草和石灰混合后用来防治蚜虫。1850年后，开始有大量的具有杀虫功效的植物被在全球范围内广泛运用，其中包括除虫菊、鱼藤属植物、苦木、沙巴草等。

 

早在公元前7世纪，中国的《周礼》中就有利用植物来杀虫防病的记载，如《周礼·秋官司寇·司隶/庭氏》记载防除蠹虫的方法，“翦氏掌除蠹物，以攻禜攻之。以莽草熏之，凡庶蛊之事”（翦氏一族的人主要负责用莽草熏杀蠹虫）。在《神农本草经》《齐民要术》及《本草纲目》等古书中，同样也记载了大量具有杀虫抑菌的植物。

 

 

随着人口的逐渐增长、科学的进步，为了满足人们对粮食，蔬果的大量需求，成本更低、防效更好的化学农药逐渐占据了主导地位。从半个多世纪的化学农药发展历史来看，无数事实可以证明化学农药在控制农作物病虫草鼠危害、保证农业丰收方面起着任何别的措施不能代替的重要作用。

 

据国际权威人士估计，如果停止使用化学农药，农作物将减产30%。在中国，这意味着将有3.5亿人挨饿。农场如果停止使用化学农药，水果将减产78%，蔬菜减产54%，谷物将减产32%。但是，使用化学农药对人类也确实存在直接的或潜在的负面影响。长期过度使用化肥会使农田的土壤板结施肥的效果下降最终又带来农产品的品质下降；过度使用农药会使农产品农药残留量增加，进而危害人类将康。

 

植物源农药的活性成分是自然存在的物质，主要由C、H、O等元素组成，来源于自然，环境相容性好。在长期的进化过程中已形成了其顺畅的代谢途径，不会污染环境。不仅具有杀虫、杀菌活性，还兼有调节植物生长、诱导免疫、肥效、保鲜作用，且作用方式多样。

 

从作用方式来看，一般对害虫是胃毒作用或特异性作用，少为触杀作用，因此对天敌等非靶标生物是相对安全的，并且往往含有数种有效成分，且作用机制与一般化学农药不同，不易使有害生物产生抗药性。但是植物源农药的使用上也会面临一些新的困难，由于其来源特殊，成分十分的复杂，会出现诸如制剂困难，稳定性差、容易分解等影响药效的问题。现代农业对植物源农药有了更多新的要求（张兴等, 中国生物防治学报, 2015, 31(5): 685-698）。

 

 

纳米材料是一种小于100 nm的结构或物质，其拥有多种其他材料所不具备的优异特性。纳米材料与植物源农药的结合，可以增强药物进入靶生物体内的能力，能够提高农药的稳定性并产生新的控释作用（张阳德. 化学工业出版社, 2006, pp.1；许艳玲, 天津农学院学报, 2009, 16(1): 49-51）。

 

纳米制剂可改善天然产品的稳定性和有效性，具有控制活性化合物释放到靶生物体的能力，然后控制小分子物质释放到作用部位。他们还可以减少杀虫剂对非靶生物的不良毒副作用、提高杀虫剂的稳定性、保护其活性成分不被微生物降解（Krober and Teipel, Chemical Engineering and Processing, 2005, 44(2): 215-219）。

 

 

印楝树衍生物在农业上广泛用于防治昆虫、线虫、真菌和细菌。但是，印楝素对温度和光敏感以及易被微生物降解等都会迅速使其失去活性。

 

Riyajan和Sakdapipanich（Polymer Bulletin, 2009, 63(4): 609-622）开发的涂有天然橡胶的网状海藻酸钠与戊二醛胶囊剂，比无橡胶覆盖的微胶囊释放更慢。在相同时间内（24 h），无橡胶覆盖的纳米胶囊的释放率是100%，而涂有橡胶的纳米胶囊释放率是80%。

 

Forim等（Journal of Agricultural & Food Chemistry, 2013, 61(38): 9131-9139）开发了一种含有印楝素的聚ε-已内酯纳米颗粒以及该系统所用的喷雾干燥粉末的新制备技术。通过测试发现纳米印楝素颗粒封装效率达到98%。在电子显微镜下，观察到的颗粒呈球形形态，表明活性成分是由于聚合物链的松弛或聚合物被破坏而被释放。大大提高了印楝素在紫外线辐射下的稳定性和水溶性。用纳米印楝素颗粒(5 000 mg/kg)处理小菜蛾，其死亡率为100%。

 

Costa 等制备了不同的含印楝素的剂型(纳米胶囊、微胶囊、浓缩乳状液)，并在紫外线的照射下观察制剂的稳定性。结果发现纳米制剂比商业产品稳定性更高，未封装的化合物在七天内完全降解，而封装的印楝素14天只降解了20%。

 

 

鱼藤酮是一种植物源杀虫剂，存在于豆科鱼藤酮属植物的根或根茎中。由于鱼藤酮在紫外线下易降解、对鱼类的毒性强、水溶性低等原因限制了其在农业上的应用（Chen et al., Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology, 2009, 95(2): 93-100; Isman, Annual Review of Entomology, 2006, 51: 45-66）。

 

Lao等（Carbohydrate Polymers, 2010, 82(4): 1136-1142）制备和表征两性分子衍生物N(18 醇-1-环氧丙基醚)-O-壳聚糖硫酸盐作为鱼藤酮的载体。并成功的将鱼藤酮杀虫剂封装在浓度为26 mg/mL 的纳米胶束中，使其水溶度提高了13 000倍。封装的鱼藤酮，150 h后释放约70%，230 h后达到最大释放，而未封装的鱼藤酮，9 h 后释放70%，27 h达到最大释放。

 

Martin等（Journal of Supercritical Fluids, 2013, 81: 48-54）利用超临界辅助雾化技术对三种类型的聚合物（聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮、海藻酸钠）进行了测试。包封率最好的是由海藻酸钠/鱼藤酮（100%）和聚乙二醇/鱼藤酮（98%）所组成的系统。

 

 

Yang等（Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2009, 57: 10156-10162）用聚乙二醇纳米颗粒作为大蒜精油的载体，采用熔融法制备纳米颗粒，包封率为80%。精油封装时其活性成分没有显著变化。5个月后，该制剂对甲虫成虫有80%的杀虫效果，单独使用大蒜精油，效果只有11%。

 

 

先进的纳米技术将会把植物源农药引领到一个全新的高度，纳米技术能够彻底解决植物源农药现存的低稳定性、高挥发性、热分解性等问题，具有良好的发展前景，新技术的研发和推广将更进一步缓解化学农药对环境和人类自身带来的不利影响。

 

相信在不久的将来，植物源农药与纳米技术相结合的优势商业产品就会出现，加速淘汰污染严重的普通化学农药。