纳米农药研究进展

日期:07-02-2021

本文作者：中农立华生物科技股份有限公司 郭勇飞 张小军

我国每年农药制剂用量近百万吨，农药是防御重大生物灾害、促进农产品持续稳定增长的重要物质基础。然而，传统农药在使用中会因为液滴滚落、粉尘和液滴飘移、雨水冲刷等方式流失进入环境。经过科研技术工作者的努力，农药利用率已由约30%提高到40.6%，但与发达国家的农药利用率仍有较大差距。要保证防效，需要多次施用农药，这不仅提高了成本，而且导致严重的环境污染和农药残留超标。提高农药利用率，降低农药使用量是当前面临的一个迫切需求。在当前的农药研发工作中，通过剂型加工的手段改善农药的使用性能，充分发挥其生物活性与效能，已经成为农药减施增效的重要途径。近年来，纳米科技发展迅速，因纳米材料具备许多新的理化特性，如小尺寸效应、大比表面积、量子效应等。这些特性使得纳米材料越来越多地应用于电子、医学等多个领域。这些领域积累的经验，尤其是医药方面研究的经验也逐渐在农药制剂领域中进行应用，极大地促进了农药可持续发展。目前，纳米技术在农业中的应用已经形成了一个十分活跃的新兴交叉学科。2019年纳米农药被国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）评为将改变世界的十大化学新兴技术之首。利用纳米材料和技术研究纳米农药制剂是当前纳米技术农业应用研究领域的热点。纳米农药制剂有利于改善难溶农药的分散性、提高活性成分的生物活性、控制释放速率、延长持效期、降低在非靶标区域和环境中的投放量，减少残留污染。为了更好地了解这一新型技术，本文对纳米农药的概念及主要制剂类型进行了总结，对纳米技术在植物病虫害防治上应用进行了回顾，以期为利用纳米技术推动农药减施增效提供重要的理论依据。

1  纳米农药概念

1.1  纳米农药的定义

       

纳米材料是指粒径在任一维度处于1～100 nm以内的材料，因其尺寸小，结构特殊，从而具有许多新的理化特性，如小尺寸效应、大比表面积、高反应活性、量子效应等。目前，对于纳米农药国际上没有统一的定义，通常将尺度小于1,000 nm或以“纳米”为前缀，或具有与小尺寸相关的新特性的农药剂型称为纳米农药。 

1.2  纳米农药的粒径范围及制备方法

       

纳米农药的粒径根据其制备方法和分散体系不同，差异比较大，常见纳米农药的粒径范围见表1。纳米农药的制备方法主要有以下2种方式：（1）将农药活性物质直接加工成纳米尺度的粒子；（2）以纳米材料为载体，通过吸附、偶联、包裹等方式负载农药，构建纳米载药体系，根据载体化学性质的不同可分为有机聚合物类制剂、脂质体纳米制剂、黏土材料纳米制剂、二氧化硅纳米制剂等。

表1  常见纳米农药的粒径范围

2  纳米农药剂型

2.1  基于传统农药剂型的纳米农药

2.1.1  微乳剂

       

微乳剂是由水、油、两亲性物质组成，光学上各向同性，热力学上稳定且经时稳定的外观透明或者近乎透明的胶体分散体系，微观上由表面活性剂界面膜所稳定的一种或两种液体的微滴构成。农药微乳剂是一种透明或半透明的均一液体，用水稀释后呈微乳状液体的制剂。微乳液可以自发形成，其形成与配方组成相关，而与制备方式无关。微乳液的分布较窄，当粒径为30 nm时，所有液滴几乎为同样大小的球形。20世纪70年代开始，国外出现农药微乳剂的研究报道，首次研制成功的商品化农药品种为氯丹微乳剂。目前，农药微乳剂已经得到了较大的发展，登记数量比较多。由于其具有较好的分散度，含有大量表面活性剂，其渗透性、附着性都比较强，药效一般优于相同活性成分的其他剂型。李芸艺等研究了5%己唑醇微乳剂，其对水稻纹枯病病菌的抑制活性优于市售的10%己唑醇乳油。刘卫国等研究了阿维菌素乳油、水乳剂、微乳剂在甘蓝叶片上的润湿铺展性能，试验结果表明微乳剂在叶片上的润湿铺展程度最好，持留量最大。然而，微乳剂也存在载药量较低，使用的表面活性剂用量较大等问题。

2.1.2  纳米乳液

       

一种液相以纳米液滴的形式（通常在20～200 nm）分散到另一个与之不相混溶的液相中，这种分散体系被定义为纳米乳液。纳米乳液一般由油、水和表面活性剂组成，组成与微乳剂相同，但纳米乳液属于热力学不稳定的胶体分散体系。根据减小油滴尺寸的机理，制备方法可分为高能法和低能法。低能法是改变温度（相转变温度）或组成（乳液转相点）导致相反转从而自发形成纳米乳液。高能法则借助能够产生破裂力的机械工具，将两相混合，将大液滴破碎成小液滴。在高能法中高压均质系统和高速剪切系统是常用的设备，常用它们来获得纳米乳液。Kumar等对氯菊酯纳米乳剂等进行了研究，结果表明纳米乳剂的功效明显提高，对土壤细菌和植物影响有所减少，其安全性有所提高。程怡博等采用超声乳化法制备了菌核净纳米乳液，在透射电子显微镜下观察，粒径约为100 nm，以酿酒酵母菌为模式菌进行药效试验，在实验室内表现出优良的抗菌活性。关文勋等利用阿维菌素具有的2个活性羟基，连续与丙烯酰氯、四乙烯五胺和琥珀酸酐反应，制备了带有酯键，并对药物亲和的乳化剂前体。该乳化剂前体经中和后，可以与阿维菌素在水中自形成稳定的纳米乳液，且粒径可通过改变乳液载药量或乳化剂中和程度来调节。在酯酶存在或强碱性条件下，乳化剂的酯键发生水解，乳化剂亲水部分与亲油部分分离，从而释放阿维菌素，相对阿维菌素乳油具有更好的防治效果。目前，纳米乳液的制备大部分仍采用高能乳化法。然而在高能乳化法中，只有极少的能量用于乳化过程，大部分都以热能的形式损耗。低能法则利用体系自身的化学能，通过简单搅拌便可形成纳米乳液。相比之下，低能乳化法可以大大降低成本。农药制剂中的纳米乳液通常都是水包油型乳液，低能法制备的乳液效果较差，因此，在生产实践中使用较少。但是，低能乳化法无需特殊的均质设备，因此也逐渐成为纳米乳液的研究重点之一。

2.1.3  纳米分散体

       

纳米分散体是将难溶于水的农药，利用研磨、熔融乳化法、微沉淀法、溶剂挥发法等方法制备纳米粒径的粉剂或分散于水中形成纳米混悬剂，其颗粒大小通常为50～200 nm。白培万等通过湿化学合成法合成了20～30 nm氢氧化铜颗粒。纳米氢氧化铜可湿性粉剂持效期长，在叶面分布均匀，是一种具有良好经济效益的环境友好型农药。Feng等分别对甲氨基阿维菌素固体纳米分散体和市售的2种水分散粒剂进行了生物活性测定，测定结果表明纳米分散体对小菜蛾的毒力是市售水分散粒剂的1.3倍。崔海信等采用微沉淀与冻干技术制备了阿维菌素固体纳米分散体，其平均粒径为96.6 nm，具有良好的稳定性，其对蚜虫的生物活性比微乳液还高。目前，固体纳米分散体的制备方法主要包括纳米混悬剂转化法、自乳化体系转化法。其中纳米混悬剂转化法包括介质研磨-固化法、高压均质-固化法、熔融乳化-固化法；自乳化体系转化法包括液体微乳剂-固化法、直接固化法、纳米载体吸附法。在实际应用过程中一般可将不同的方法结合使用。纳米混悬剂是Muller等在1994年首次提出的科学理念，主要由3种组分组成，即难溶性药物、分散介质和表面活性剂，是药物颗粒的亚微米胶态分散体，药物颗粒在表面活性剂的作用下均匀分散于水中。Liu等以聚乙烯吡啶和聚乙烯吡啶-苯乙烯为载体，制备了杀菌剂戊唑醇和百菌清的纳米微粒（粒径100～250 nm），发现其可有效控制农药的释放，且增加苯乙烯的浓度可以减缓戊唑醇和百菌清的释放速率。郑和堂和尚青等报道，采用纳米高分子材料可制备能控制释放啶虫脒和伊维菌素纳米微粒。黃啟良等报道了一种将二氧化硅作为载药系统的阿维菌素纳米微粒，发现其具有明显的缓释作用，并可同时减缓阿维菌素的水解和光解。Li等以羟丙基纤维素和十二烷基硫酸钠为表面活性剂，通过湿法研磨介质研磨制备了灰黄霉素纳米混悬液，考察了研磨介质对研磨速度的影响，生物活性评价表明灰黄霉素的生物利用率得到了明显提高。纳米分散体（纳米固体分散体和纳米混悬剂）的制备需要专门设备，能耗也比较高。

2.2  基于材料负载的纳米农药

2.2.1  纳米微球

       

纳米微球是农药活性成分均匀分布于纳米载体材料中，多为无机型负载方法，通过吸附或者通过一定的合成方法使药物较为均一地分布在微球内部。与微囊相比，微球通常没有明显的核-壳结构，纳米微球的粒径较大，通常为50～1,000 nm。纳米微球的常用材料有聚乳酸、固体脂质体、多孔二氧化硅等。孙长娇等利用乳化-溶剂挥发法制备了嘧菌酯聚乳酸纳米微球，探讨了表面活性剂浓度和种类、聚乳酸用量等对微球粒径的影响，制备的微球粒径最小可达到236 nm。Kumar等制备了负载吡虫啉的海藻酸钠纳米微球，田间药效试验表明纳米微球的药效更高，持效期更长。Xiang等研制出一种以多孔碳酸钙为载体的纳米缓释农药，可显著提高农药利用率，减少农药用量，降低农药引发的农业面源污染。以可溶性淀粉为模板，采用共沉淀法合成多孔碳酸钙微球，并以此为载体负载农药，表现出良好的缓释行为，可以有效控制农药分子在环境中的迁移，提高农药利用率，降低农药对环境的污染风险。纳米微球的载药系统制备工艺多种多样，包括溶剂挥发法、复凝聚法等。制备工艺对纳米微球的影响非常大，工艺的微小改变对粒径和载药量的影响较大，纳米微球的另一个问题是难以获得较小的粒径。

2.2.2  纳米微囊

       

纳米微囊是一种运输系统，由农药活性成分作为内核，高分子材料作为外壳构成。纳米微囊可以包裹农药活性成分，避免其与人体直接接触，提高了对使用者的安全性。通过包裹还可以增强活性成分的稳定性、控释性和靶向性。纳米微囊常用的制备方法有界面聚合法、乳液聚合法等。Saini等以海藻酸钠为囊材合成了三氟甲吡醚纳米微囊，其粒径为138 nm，生测试验结果表明其对棉铃虫的防治效果远高于原药和乳油。Xu等通过羧甲基壳聚糖负载嘧菌酯，其载体可以在植株和病菌中可视化和pH响应，且具有良好的生物活性，在酸性环境下释放更慢，可实现环境响应释放。Gao等根据化学超分子自组装原理，研制出一种能包裹具有高毒性农药的新型“超分子纳米囊”。在非光照条件下，该纳米囊十分稳定，而在外界持续光照刺激下，化学分子的结构翻转，使纳米囊破裂从而释放农药。经试验证明，该成果具有良好的环境响应性。纳米微囊包裹高毒农药百草枯，在保留除草性能同时，极大降低了对人的毒性和对环境的影响，为绿色除草剂的研发提供了崭新的思路，是一款对人类健康无害、对环境友好的“绿色百草枯”。纳米微囊包裹农药活性物质的研究较多，其加工方式也具有多种，可以使用的材料较多，如天然高分子和人工合成的高分子材料，而且可根据需要实现光响应、温度响应、pH响应等，对活性物质可以实现控释的效果，有利于实现田间按需给药，从而达到提高农药利用率的目的。纳米微囊的控制释放也是目前研究的一个重点方向。

2.2.3  纳米胶束

       

胶束也被称为胶团，是过量的表面活性剂在水中自组装形成的胶体溶液，表面活性剂分子缔合形成胶束时的最低浓度称为临界胶束浓度（CMC）。纳米胶束是一类由两亲性表面活性剂分子构成的球形聚集体，在表面活性剂高于临界胶束浓度时，在水中自组装形成纳米级大小的核-壳型胶束，在水溶液中分散时，亲水性一端位于表面，疏水性一端位于内核。纳米胶束粒径多为10～200 nm，制备方式和表面活性剂的分子量大小均可以影响胶束粒径。胶束的结构可控，载药量加大，能够增强药效，并且可以设计为环境响应型制剂，因此，其智能释放也是研究的重要方向。在医学领域，纳米胶束可以作为药物载体。在农业领域，用于负载农药，可提高农药的稳定性。Pedesen等人选用Compritol 888 AOT通过加热均质化得到氯氟氰菊酯微粒，其与乳油制剂的杀虫活性相当，但是对斑马鱼和大型溞的毒性分别降低了10倍和63倍。Zhang等以两亲嵌段共聚物聚环氧乙烷聚己内酯为载体制备了粒径为97.2 nm的蓖麻碱纳米胶束。药效试验表明，其对朱砂叶螨的防治明显优于蓖麻碱水溶液。

2.2.4  纳米凝胶

       

纳米凝胶是具有三维结构的交联聚合物纳米颗粒。纳米凝胶通常具有高含水量、高比表面积等特点，其大小可控，易于构建多价界面，便于进行功能性修饰，可持续释放药物，而且能够被生物降解。可首先利用共价键、氢键、范德华相互作用或物理缠结等化学和物理诱导的交联合成不含药物的聚合物纳米凝胶，然后使凝胶在水中膨胀，进而负载药物。纳米凝胶是一种新型载药系统，其主要包括化学凝胶与物理凝胶。纳米凝胶中的化学凝胶与物理凝胶分别由交联共价键和非共价键形成，这样的组成使得良好的稳定性能和较强的负载能力成为纳米凝胶的显著特性。纳米凝胶在医药行业应用比较广泛。近年，关于纳米凝胶在农业上的应用也逐渐被报道。纳米凝胶的交联网络结构能在水中膨胀但不会分散，能够保持高含水量但不溶解的状态。纳米凝胶在环境中稳定性高，可负载易挥发物质，从而提高药物的稳定性，延长缓释时间。Bhagat等制备了信息素甲基丁香酚纳米凝胶，田间防治柑橘小实蝇，可将持效期由7 d延长至30 d。一些研究者也将纳米金属氧化物和一些以纳米为前缀的农药制剂归入纳米农药制剂的范围。

3  问题与展望

       

纳米农药粒径较传统农药更小，具有更大的分散度，因此，其防治效果通常比传统农药剂型更高。传统农药剂型通常会以较高剂量施用至田间，但由于飘移、淋溶、流失、降解等作用其浓度会迅速下降，利用纳米技术对载体材料结构与功能进行调控，可构建长效缓释纳米载药系统，使农药释放特性与有害生物防控剂量需求相匹配，从而提高农药利用率，减少使用频率。此外，还可以根据有害生物的发生时间、危害周期及其生态环境，构建酶、pH、温度、光等环境因子响应型精准纳米释放技术。从报道的文献来看，纳米农药活性成分涉及杀菌剂、除草剂、杀虫剂，从性质来看内吸性和触杀性均有，因此制备纳米农药对活性成分的限制性条件比较少。然而，市场上除微乳剂外，其他类型的纳米农药非常少，可能与其规模化制备技术有关。此外，目前的评价手段不能完全满足纳米农药的研制要求。纳米材料的物理、化学和生物特性与常规材料差异大或为常规材料所不具备，在农业中纳米技术的应用将会越来越多，是开发更有效、对环境影响低的农药剂型的重要方法。此外，现有化学品的风险评估方法是否适用于纳米农药也是值得关注的问题。