关于研发纳米农药制剂的三点建议

日期:11-05-2020

世界农化网中文网报道： 近年来，以更细微的纳米尺度（1×10-9米=1nm）为基本结构单元所构成的材料，应用于各种新型器材、智能信息元件和医药品等制造领域，其产品性能产生了意想不到的奇特效果，引起了国内外工业、农业及国防工业等科研单位的广泛关注。我国农业科学院植物保护研究所等单位，对纳米农药也做了大量研究和应用工作，并取得了初步成效。2019年，在国际纯粹与应用化学联合会百年暨门捷列夫元素周期表公布150周年庆典会上，世界权威的化学家们在诸多新兴技术中，优选出“十大化学新兴技术”，认为它们将是21世纪化学领域的重大希望，其中“纳米农药”关系到世界人类基本生存及安全问题，被排在“十大化学新兴技术”之首，对“纳米农药”的发展潜力寄予了厚望。

 

01 纳米尺度在农药制剂中的重要作用及优势

 

众所周知，化学农药原药大多是亩用量很低（每亩少至1克左右）而又不水溶的物质，必须经过分散、稀释，才能在大面积上施用。农药制剂加工和施用的全过程，就是连续分散、稀释（制剂加工分散→使用前用水稀释分散→喷布再分散）的过程，分散度的高低及均匀度，直接影响到药剂的防治效果。以往的农药剂型，从粉剂（50~100微米）→可湿性粉剂（10~20微米）→水悬浮剂（3~5微米）→乳油（1~5微米）→水乳剂（0.5~5微米）→微乳剂（0.001~0.1微米）等的发展历程，都是在不断降低农药颗粒尺度，提高其分散程度来强化农药的防治效果。国内曾兴盛一时的微乳剂已是超纳米级的剂型，因未摆脱乳化剂用量较大、需使用有害溶剂以及配制技术、设备工艺和固有制作理论的束缚，没能持续深入发展下去，使乳油再次反弹，并被基本不用有机溶剂、药效次于微乳剂而制作和施用中存在诸多缺陷的悬浮剂赶上潮头。

 

当前，绝大多数农药剂型的分散程度（粒径）都在微米（1×10-6=1μm）级范围，与纳米级相差1000倍，与多数分子粒径（0.3~0.4nm，1×10-10米级（埃））相差约10000倍。

 

量变可引起质变。由于纳米级颗粒分散极其细微，同等质量的物质，其颗粒数和总表面积数成几何级数增加，使得药性物质的活性点充分展露，从而在水中的相容性及布朗运动稳定性提高，在农作物和防治对象上的覆盖率、附着率和接触防治对象要害部位的机率都明显增大。由于颗粒极其细微，在表面活性剂的协助下，可顺利穿过作用对象的气孔、腺孔等通道，从而迅速渗透入农作物体内，为有效物到达作用点创造了先决条件。因而防治效果和农药利用率显著提高，持效期延长，且环境中的遗留污染减少，使得用药成本和农产品安全风险大为降低。同时由于颗粒极其细微分散，也不会因局部药物过量而出现作物药害。这些优势完全符合农药转型升级、优化产品结构、高质量发展、提高产品竞争力的企业战略，也与减量增效和农药制剂向着高效、安全、环保、经济、省力的时代要求相契合。

 

但要制得纳米级农药制剂，需要赋予较多能量和使用新设备，成本可能略有增加，要与它带来的综合效果进行比较后才能做出抉择。而且，急性毒性高和对外界较敏感的原药，若没采取技术保护措施，制成纳米级农药制剂后，其急性毒性将增强，但也更易降解，因此需要我们做好细致的调查研究，以便正确选择和区别对待。

 

02 关于研发纳米农药制剂的三点建议

 

1. 积极推进纳米农药的研发

 

纳米农药研发无疑是农药制剂科研人员今后的一项重点任务，但不能是制剂工作的全部，应根据原药的物理和化学性质及应用需求，将大部分原药品种尽可能制成真正合格的纳米制剂，建议参考如下情况进行选择。

 

（1） 高熔点原药

  

其中原药水中溶解度1%~2%以上时，用液固增溶法制作可溶液或可溶性粉剂。如酸根（羧酸、磷酸、磺酸、黄酸等）用成盐法制成可溶液或可溶性粉剂，还可用生成络合物、复合物、分子化合物等法制得可溶液。

 

该种情况下的可溶液体系虽然呈分子或离子状态（0.3nm~4nm不等），但因极性较强，在经过蜡质层叶面和生物内部两性（亲水和疏水）通道，尤其下行时常受到一定阻力，影响其防治效果，务必要加入适量的降低表面张力的非离子（或某些阳离子）表面活性剂，以充分展现高分散度制剂的生物效能。

 

水中相对稳定而难溶的固体原药，可制水悬浮剂、纳米水悬浮剂；水中不稳定而难溶的固体原药，加工成油悬浮剂及纳米油悬浮剂、种衣粉剂、粉尘剂、水面漂浮粉剂、可湿性粉剂等，后两者应采用水溶性包装袋包装。

 

（2） 低熔点原药

 

水中难溶的低熔点固体原药及在水中较稳定的中高沸点的液体农药，可全面研发纳米固体乳剂、超纳米固体乳剂、纳米微囊固体悬浮剂、纳米微球固体悬浮剂（粒剂或片剂、粉剂）及纳米乳剂、超纳米乳剂、纳米微囊悬浮剂、纳米微球悬浮剂、纳米乳油等。

 

2. 为纳米级农药助力添彩

 

纳米农药的超细效应、界面和能量效应，为农药有效物到达作用点提供了最佳有利条件。而纳米农药要做到控制自身有效物的释放时间、移动方向及剂量，还需能控制释放的功能性材料予以协助，其中导向性功能材料尤为重要。所谓控制释放，是通过功能性材料对原药的物理或化学吸附、相互掺杂、物理化学包裹或原药化学接枝等方式来实现缓慢释放（缓释）、快速释放（速释）、定时释放（定释）、导向释放（导释），以达到保护原药、降低毒副作用、精准施药、节省资源、延长残效期、保护环境的目的。在这之前的国内外大多数的研究是利用外界条件，如温度、水分、光照、氧气、二氧化碳、pH、电磁场等刺激源来控制有效物释放，这对医药界病人个体可能实现，但对广阔的作物群体难以实施，也不能准确无误地导向靶标。

 

笔者设想，农作物受病虫为害时，常会产生新的代谢产物及保护性反应，若在成囊（或成微球）材料和表面活性剂乃至原药结构中接枝相关联的活性基团或改造成有导向作用基因的化合物，让纳米农药乳粒或微囊、微球，携带或富集到受害部位，从而更精准地节约用药而不影响或伤及无关的部位。如聚乳酸等聚羟基酸类、聚氨基酸类、改性的羧甲基壳聚糖、糖苷类、海藻多糖类、菇类蛋白多糖、环糊精、吲哚-3-甲醛等就是可生物降解的安全性生物相容物。呋喃香豆素、类黄酮、多酚、木质素、香豆酸、绿原酸、丹宁、苯丙烷等次生代谢物和茉莉酸、DL-B-氨基丁酸、二氯异烟酸、水杨酸等诱抗剂，反应型表面活性剂及改性的纳米二氧化硅等，均有相当程度的导向功能，可根据具体场合和情况进行试验。在与作物生理生化的结合上寻求通用型或不同类别的导向型助剂及功能集团。若有必要，还可在产品中引入的同时，兼备生长调节、抗逆及微肥功能的物质，从而使纳米农药达到“锦上添花”又具综合效能的目的。

 

纳米农药，若一旦有了“北斗”导航，就如虎添翼，农药制剂环保化将有新的突破，从而跨入农药制剂的崭新时代。

 

3. 纳米农药的环保化

 

化学农药的环保化，是当代人类社会的重大关切，也是农药科技工作者时时牵挂的核心课题。农药环保化是一项复杂细致的系统工程，需要新药及功能性助剂创制、制剂加工的创新和先进药械及科学合理使用的共同努力才能全面实现。创制高效、低毒、低残留、环境友好的新品种，对农药的环保化起着决定性作用。纳米农药制剂对于充分发挥原药的内在潜力、弥补原药性能缺陷使之更加完善起着关键作用。先进药械和农药的科学合理安全使用，对农药的环保化起着保障作用。目前，药械和农药的科学合理安全使用问题比较突出，若最后关口失守，上游的努力将会前功尽弃，必需特别加以关注。

 

高质量的无人机低空飞防，确实能提高喷药效率，节省大量劳力和确保操作人员安全，适宜于大面积的茂密作物和水田中的病虫草防治，但对于坡地和小面积及稀疏作物地就不太适用，且还存在药剂飘移的安全性风险，因此除改进现有农药制剂的飘移之外，还可考虑用遇水崩解的细粒剂加以克服或缓解。

 

另外，零星小面积的施药和部分药剂流失问题还要研制多功能的新药械解决。如无人机飞防玉米螟，药剂利用率很低能否用智能机器人在喇叭口施用包衣的粒剂进行防治。互联网、大数据、人工智能等信息技术，可及时判定病虫害发生的时间和位置，使之准确定位，缩小施药范围，避免周围污染和药剂残留。同时，诸多有关预防为主、综合防治的措施，在农艺操作、制药和用药的实践中，应围绕影响环保化的各个细节，进行改进和完善，共同对农药的环保化贡献力量。

 

总之，纳米农药制剂能更充分挖掘原药性能，提高防效，减少用药和环保压力，具有明显的经济、社会和生态效益，若与控制释放技术和局部隐蔽施药结合，加之药械和施药质量改进，再与生物生理生化、信息技术等相关技术的高度融合，从而实现农药深层次的环保化、智能化，以满足广大人民群众对化学农药不断完美的期待。

作者：周本新