深入解析减施增效农药剂型设计与制剂研发策略

日期:08-17-2021

世界农化网中文网报道： 在可预见的将来，使用农药仍然是有效防控农业有害生物的重要手段。目前普遍采用茎叶喷雾技术施用农药，药液自喷施器械喷出进入靶标作物生长的生态环境之后，便受到风、光、温、湿等气象因子以及靶标作物冠层与叶面特性等的影响，雾滴在空中蒸发变小而产生飘移，在叶片表面碰撞弹跳而溅落流失。1979年，Young提出农药“剂量转移（dose transfer）”概念，指出农药利用率（作物沉积率，下同）为20%～30%，有效利用率不足0.1%。2015年，我国农业部提出农药零增长行动方案，发布小麦、水稻、玉米三大主粮作物农药利用率为36.6%；2016年再次部署，从4个方面推进农药减施增效；2019年小麦、水稻、玉米三大主粮作物农药利用率达到了39.8%。约60%的农药在向靶标作物叶面沉积的过程中流失，不仅造成了农药浪费，更为严重的是带来了环境污染及农产品安全等问题，引起国内外普遍关注，并成为业界研究的热点。

在这种形势下，以农药对靶剂量传递过程为主线，通过对剂量传递过程行为与流失规律的认知，探讨减施增效农药剂型设计与制剂研发策略；尝试提出基于防控场景进行农药适宜剂型设计，并赋予制剂优异的产品性能，保证药液分散体系及雾滴分散体系中农药有效成分的分散形貌及分散度，进而保证其对靶剂量传递的性能，以满足当今国家对农药减施增效的战略需求。

1农药对靶剂量传递过程

目前施用农药广泛采用茎叶喷雾方式，农药脱离喷雾器械后对靶高效传递是一个复杂的剂量传递过程，会受到农药药剂特性、环境气象因素、有害生物为害规律、靶标作物叶面结构等多种因素的影响。首先是从农药制剂稀释成药液，药液再经施用器械雾化成雾滴，该过程受外界因素影响很小，剂量传输效率在95%以上。其次是雾滴或雾化体系分散到靶标作物生态环境中，并向靶标作物冠层或有害生物为害部位运行，该过程中农药完全暴露在开放的生态环境中，受风吹、日晒、雨淋等环境因素影响很大，剂量传输效率一般不足70%。第三是雾滴进入作物冠层并向叶片表面沉积和形成持留，该过程主要基于雾滴性能和叶片表面特性，受到叶片屏蔽和冠层微环境干扰，发生碰撞、弹跳以及聚并、滚落而流失，农药沉积率一般不足40%。最后是沉积到靶标作物叶面或有害生物为害部位的农药，被有害生物摄取进入有害生物体内或渗透到靶标作物内部，并在体内传输和分布，该过程主要受体内传输途径和各种生理生化物质的影响，最终到达作用部位能发挥生物活性作用的剂量大多不足0.1%。

由此可见，农药制剂、药液和雾化分散体系是农药剂量传递的3个载体；而且，从剂量传递过程来讲，这3个分散体系是一种剂量传递的串联过程，任何一个分散体系的性能都会影响到农药对靶剂量传递效率。雾滴在空间运行和界面沉积与持留是农药损失的关键环节，期间农药损失率累计高达约60%。究其原因，主要是雾滴从喷施器械进入空间环境后，其运行行为主要受大气环境条件、作物冠层结构、作物叶面特性等人为不可控因素影响。就农药使用者而言，对于特定地理环境条件下农药的使用，这3个因素都不可改变。只有加强农药雾滴空间运行行为及损失规律的研究和认知，从源头上进行农药减施增效剂型设计，改善制剂兑水稀释形成药液的雾化性能，才能从根本上调控雾滴的对靶剂量传递性能，从而提高农药利用率。

2减施增效农药剂型设计

2013年《科学》杂志刊载的文章，提到既然离不开农药，则可以对农业有害生物进行智能防控（smarter pest control），并且使科学在其中发挥重要作用。如何让有害生物防控更智能？可以从“智”与“能”两个方面来理解。

“智”体现的是剂型设计者对农药剂量传递过程行为与流失规律的理解和对各种主控因素协同作用的掌控能力，同时也体现出对用户产品需求的了解程度。对于选定的农药有效成分，从原药到制剂可以理解为农药对靶剂量传递的第1个过程。到底加工成什么剂型？需要综合考虑农药理化特性等产品化学性质，靶标作物冠层结构、叶面特性，环境因子等生态特性，有害生物发生与为害规律等生物学特性。对于加工成兑水稀释后喷雾使用的剂型，从农药制剂到农药药液可以理解为农药对靶剂量传递的第2个过程。这个过程中，不仅农药制剂分散体系的类型可能发生变化，农药有效成分的分散状态也可能发生变化。这种变化或许并不影响农药分散体系的载药量，但可能会影响农药的对靶沉积性能，进而影响对靶剂量传递效率。对于选定的防治对象，根据其发生与为害规律以及生物学特性，药液中的农药只有达到“生物最佳粒径”才能发挥最佳防控效果，也就是说需要通过选择适宜剂型来保障药液中农药的最佳分散形态及分散度。

“能”体现的是制剂产品对农药有效成分的承载与剂量传递性能。就像汽车，尽管大体结构和驱动形式基本一致，但驾驶员和乘客会在不同品牌和不同型号之间获得不同的体验。对于选定的农药有效成分，可以加工成不同剂型；对于选定的剂型，不同企业可以选择不同的表面活性剂、有机溶剂或者载体等配方组分。从剂型加工角度，制剂体系中使用的表面活性剂、有机溶剂或者载体主要是解决制剂形成与稳定以及使用时的再次分散等技术指标要求，通常将其理解为惰性成分，没有“生物活性”。实际上并非如此，配方组分之间的协同，除了保证有效成分的分散及技术指标合规，还可以对药液及雾滴的性能及运行行为产生影响，并进而影响生物效果。传统的农药制剂配方的选择没有重点考虑农药药液性能和雾滴空间运行过程中的剂量传递性能与效率，如不同生态环境下雾滴的蒸发飘移等对药液性能的要求；也没有重点考虑农药雾滴在不同作物叶面沉积与持留性能与要求，如不同微观结构及亲疏水作物叶面上雾滴弹跳与流失等对药液性能的要求。制剂配方组分的选择一般停留在单一制剂使用时的稳定性上，没有过多考虑实际喷施时多种农药或多种剂型的桶混配伍性能。只要是剂型确定了，生产企业和行业管理对同一剂型的质控要求几乎是一致的，尽管按作物和防治对象登记产品，但在产品配方组分选择及登记资料要求方面没有体现出基于作物和有害生物差异性的配方组分的“功能性”。

3减施增效农药制剂研发策略

农药剂型选定以后，接下来就是农药制剂研发。剂型设计重在谋略，制剂研发则强调基于应用场景的性能体现。如前所述，农药制剂、药液和雾化分散体系是农药剂量传递串联过程的3个载体；而且，雾滴从喷施器械进入空间环境后，其运行过程便不再受农药施用者控制，由此可知制剂研发的重要性。制剂的研发要基于应用场景进行多种因素的考量。

从农药有效成分分散角度，不仅要考虑制剂体系，还要考虑兑水分散的药液体系，同时也要考虑雾化分散的器械和使用技术。从农药剂量传递效率角度，不仅要考虑制剂、药液、雾化3个载药体系，还要考虑靶标作物和有害生物，同时也要考虑作物生长的环境等。从理论上分析，农药在可溶液剂（含水剂）及其兑水形成的药液中都以分子或离子状态存在，属于最佳分散，可以保证每个雾滴中农药剂量的均匀分布；农药在乳油制剂中以分子状态存在，但在兑水形成的药液中以乳状液液滴状态存在，和水乳剂、油乳剂等属于相同分散类型，农药在雾化形成雾滴中的分散度和均匀性受使用表面活性剂性能的影响；可湿性粉剂、水分散粒剂、悬浮剂、可分散油悬浮剂等剂型，尽管制剂形态不同，但农药在药液中都是以固体颗粒悬浮状态存在，农药在雾化形成雾滴中的均匀性受农药固体颗粒粒径的影响。所以，对于稀释后农药在药液中分散状态发生变化的农药制剂研发，需要在配方组分使用和加工工艺等多方面加强研究，以保证农药有效成分在制剂、药液、雾化3个载药体系中的最佳分散。

从农药高效剂量传递来讲，制剂体系的稳定及技术指标要求只是一个最基本的要求，制剂研发应该从传统的关注制剂体系的形成与稳定，逐渐向解决2次分散或再次分散体系中药剂分散度及分散形貌的变化及对药效的影响方面，更加重视评价制剂兑水形成药液及雾化形成雾滴剂量传递性能的变化。同一种农药对不同种植区域的相同靶标作物的使用效果不同，环境因素的影响是主要原因之一。环境因素首先影响雾滴的传递效率。例如，雾滴在高温干旱环境条件下蒸发更快，雾滴粒径更容易变小，加剧了其运行速度衰减，进而发生飘移，降低了农药沉积效率，最终影响防治效果。制剂的研发还要考虑靶标作物的差异，如叶面沉积与持留性能对农药分散形貌及分散度的要求；关注防治对象的不同，如不同有害生物对防控剂量摄取及利用的需求等。

从农药使用技术方面，目前习惯性地将剂型设计成兑水喷雾剂型，而且是常量喷雾剂型，没有考虑实际喷施时器械不同而出现的喷液量及稀释倍数问题，如常量喷雾剂型就不适合用于植保无人飞机等低容量喷雾使用；喷施器械选择也没有体现出“定点、定时、定量”精准给药的靶向性，没有综合考虑有害生物的为害位置、摄取剂量的途径、防控的最佳时期等，使茎叶喷雾形成的毒力空间与有害生物为害位置等出现了“位差”“时差”及“剂量差”。

4小结

我国实行农药登记和生产许可管理制度，所有的农药产品都需要获得农药登记证和生产许可证之后才能生产和使用。所以，农药制剂的研发首先必须满足我国农药登记和生产许可管理规定的相关要求。从农药登记资料要求中的产品化学来看，基本上还是基于农药产品质量和使用安全方面的考虑，并没有特别强调产品的应用性能；而且，一旦在一个作物和防治对象上获得登记，即可在全国范围内不同生态区域进行使用。作为农药生产和推广应用主体的企业，则需在剂型设计和制剂研发中发挥创新主体的作用，仅仅为获得产品登记而研发是不够的，应该综合考虑农药对靶剂量传递的全过程。基于农药向靶标高效剂量传输的分散需求，基于实际防控场景多因素协同等，结合产品市场定位和企业技术能力进行剂型设计和制剂研发，做好实际应用效果和风险管控，满足国家农药减施增效需求。