植物源農藥納米制劑的最新研究進展與挑戰

筱 禾 編譯

(上海市農藥研究所，上海 200032)

全球農業生產每年均會因病害、蟲害和其他害物發生相當大的損失。這些損失不僅發生在生產過程中，也發生在農產品貯存過程中，即食品變質。幾類化學合成農藥目前已廣泛用于作物和農產品貯存中的害物防治。但農藥的過量使用也對人類健康和環境具有負面影響，同時造成害物抗性進化。

植物源農藥等天然源化合物的應用，已成為化學合成農藥的替代之一。這些化合物在農業管理中的應用越來越受人們重視，已經在開發可應對當前挑戰并使其有效地用于該領域的有效制劑方面取得了一些進展。如表1所示，使用納米技術等創新技術和工具對于農產品生產的可持續增長至關重要。最近，有關納米技術在農藥領域應用的文章和專利數量大幅增加，到2017年，該領域已發表約238篇文章和34項專利。近年來相關文章數量急劇增加，這表明對該學科的興趣日益增加以及向市場引入此類制劑的潛力。此外，這些文章似乎側重于技術的改進，以解決該領域面臨的問題。本文綜述了納米技術和植物源農藥領域的主要進展，并評估了其在可持續農業中的主要優勢和局限性。

1 研究進展

1.1 環境友好制劑

在農業生產中使用植物源農藥而非化學合成農藥通常被認為是一個環境友好的選擇。這主要歸功于植物源物質的固有特性，它們通常會降解，因此對環境和非靶標生物體存在長期負面影響的可能性較低。利用納米結構系統包封這些物質為開發具有潛在增強效應和田間性能的新型制劑提供了進一步的可能。這種系統可以使用化學合成或天然來源并具有生物相容性和生物有效性等理想特性的不同類型基質制備(圖1)。

近年來，人們還努力發展綠色納米技術(即尋求能夠減少能源消耗、廢料生成和溫室氣體排放的工藝)。利用可再生材料生產納米載體系統可進一步促進綠色納米技術的發展和實施。各種天然源基質(如蛋白質、聚合物和膠質)最近得到了重視。許多出版物和專利介紹了將這些物質用于生產植物源農藥納米載體系統的情況(表2)。

最重要的一種物質是玉米的主要貯藏蛋白——玉米醇溶蛋白(zein)，它占植物種子總蛋白質含量的約50%。玉米醇溶蛋白屬于醇溶蛋白類，其中α-玉米醇溶蛋白最豐富。由于該蛋白質具有較低的水溶性，較高的包被率，生物降解性和生物相容性，已對其用于生產納米粒子和植物源農藥的包封系統進行了研究。Veneranda等利用熱、pH誘導的絡合法以玉米醇溶蛋白/酪蛋白酸鈉/果膠包封丁香酚(eugenol)，研究了制備過程中每種成分濃度的影響。所得制劑穩定，具有良好的理化性質和高分散性，并具備在農業和食品行業中應用的潛力。Jhones等制備并表征了含有植物源化合物香葉醇(geraniol)和R-香茅醛的玉米醇溶蛋白納米粒子。這種納米粒子具有良好的理化性質并能保護活性成分免受紫外線降解。該制劑還能有效防治重要農業害蟲二斑葉螨(Tetranychus urticae Koch)。雖然還沒有任何特定化合物登記，但已有許多基于玉米醇溶蛋白系統納米制劑的有效使用的專利申請。例如，專利CA2805581A1介紹了用于包封水溶性和脂溶性生物活性化合物的玉米醇溶蛋白納米粒子的制備和表征。所研究的化合物實現了較高包封效率，該系統被推薦用于農業、食品和制藥領域。

另一種有效的天然高分子是海藻酸鹽，它是通過堿水解法從藻類中提取的生物聚合物。由于海藻酸鹽具有生物相容性和膠凝性，已被廣泛用于制備植物源農藥等的多種納米粒子/微粒制劑。有人制備了用于包封墨角蘭(Origanum majorana)精油的海藻酸鹽/黏土納米復合物。該物質具有良好的理化性質，所得制劑能有效地防治微生物，是一種防治病原菌的理想劑型。Kavoosi等人研究了Zataria精油在海藻酸鹽顆粒中的包封。該制劑的平均粒徑為(597±22) nm，多分散性指數為0.42，zeta電位為(－16.3±4.2) mV。包封降低了活性成分的揮發性，提高了其的穩定性，該體系在農業等多個領域具有良好的應用前景。

表1 農藥制劑的理想特性，植物源農藥的優點與局限性及納米技術在彌補局限性中的可能用途

圖1 用于生產納米載體系統的基質示例

表2 生產生物農藥微/納米制劑的天然源基質

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天然樹膠可由樹的分泌物(例如阿拉伯樹膠，來自塞內加爾的阿拉伯樹膠)等多種來源獲取。天然樹膠一般無毒且成本低廉，通常比化學合成材料更受歡迎。因此，它們被認為是可用于制備納米粒子/微粒制劑的理想物質。Khoshakhlagh采用電噴霧法，對從Alyssum homolocarpum種子中提取的樹膠制成的納米粒子進行了研究。該球形粒子的粒徑為35～90 nm，D-檸檬烯的負載量為10%～20%，包封率達87%～93%。

殼聚糖是另一種被廣泛用于生產納米粒子/微粒系統研究的生物聚合物。殼聚糖是由存在于甲殼動物外骨骼中的幾丁質堿法脫乙酰化得到的一種親水性陽離子聚電解質。Ahmadi等人評價了蓍草(Achillea millefolium L.)精油殼聚糖納米粒子對二斑葉螨的殺螨作用。該納米粒子呈球形，平均粒徑85～145 nm。在驅避和觸殺作用試驗中，納米粒子在植物葉部緩釋精油且具有持效性，其效果優于未包封精油。這些發現表明，包封提高了精油在害物防治中的效果。Campos等人制備了β-環糊精功能化殼聚糖包封香芹酚和芳樟醇(linalool)的納米粒子。含有香芹酚和芳樟醇的納米粒子的平均粒徑分別為175.2 nm和245.8 nm，具有較高的包封率(約90%)。對二斑葉螨進行的生物活性測試表明，該納米粒子具有驅蟲、殺螨、抑制產卵等作用，且效果優于未包封的化合物。專利US9480656B123介紹了一種包封迷迭香精油的殼聚糖納米粒子的制備方法。制備的納米粒子平均粒徑為 69～99 nm，包封率較高(＞90%)，有望用于農業生產。

如上所述，最近有許多致力于為可持續農業尋求環境友好制劑的研發工作。重要的一點是，盡管嘗試利用天然來源的物質來生產納米結構系統，但本質上還需要進行毒理學分析和機制研究，以了解這些物質的可能風險。從提高化合物的有效性以及對環境和人類健康的安全的角度來看，植物源農藥的包封是一項引人關注的技術進步。但由于許多因素和工藝會影響環境行為和納米農藥的藥效，這就要求采取一種新穎和精細的方法進行風險評估。

1.2 植物源農藥產品

植物源農藥市場近年來有所增長，這似乎主要是由于人們越來越擔心化學合成農藥殘留對食品的污染所致。這種情況加上更嚴格的監管和進出口管制，使人們的注意力轉向新的“更安全的”替代品。植物源農藥用于害物防治已有多年，有記錄埃及人使用植物提取物來保護儲藏產品和防治引起病害的微生物。植物提取物在作物保護中的傳統用途仍在繼續，其中許多是農民按照世代相傳的傳統配方制備的，通常使用在特定地區豐富的植物種類。雖然前期工作突出了它們的重要性，但由于植物種類的多樣性，很難估算用于這類傳統用途的數量。

許多從植物中提取、傳統用于農業的產品，現在也作為植物源農藥銷售。隨著研究的深入，已能鑒定和分離特定活性物質，其中一些也被用于生產植物源農藥。例如，印楝油(Azadirachta indica Juss.，印楝科)在印度次大陸廣泛用于農業病蟲害防治，是目前商業規模銷售最廣泛的植物源殺蟲劑之一。這種來源于印楝樹的種子和其他部位的油含有一些生物活性代謝物，包括用于若干植物源病蟲害防治產品的印楝素(AG)。表3例舉了商業化的植物源農藥。

表3 商品化植物源農藥

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如上所述，納米和微結構系統中植物源農藥的包封已成為提高制劑質量、活性成分田間持效性以及穩定性的一個重要工具。因此，企業一直在設法推廣植物源農藥納米制劑。然而，基于這些技術的制劑數量仍然低于使用植物源物質的制劑數量。因此，有必要加強企業、大學和公共研究機構之間的合作，以進一步推動這一領域的發展。表4介紹了一些基于納米和微膠囊技術的植物源農藥產品。盡管還沒有成為化學合成農藥的完全替代品，但以植物源農藥為基礎的產品的商業化銷售已經實現。盡管如此，農業部門已因這些產品的并存獲益，雖然植物源產品的生產規模相對較小。在提高植物源物質/化合物的效果和成本效益方面，納米技術的發展或有助于開發更多有潛力的制劑。可以合理地預期，深入研發到實際應用將增加市售產品的數量。需要考慮的另一個方面是，由于監管和植物檢疫問題，許多化學合成農藥已被禁用，所有新的先導分子的開發也停滯不前。這就更有必要重視植物源農藥的使用。但在植物源農藥能在農藥市場占有足夠大的份額之前，還需要應對一些挑戰。以下各節將進一步探討這些因素。

2 局限性

如前所述，尋找化學合成農藥的新替代品已經成為科學研究的一個重要方向。所取得的進展也有助于在可持續農業的基礎上提高糧食安全。雖然植物源農藥目前不能完全取代化學合成農藥的使用，但它們已為減少因過量使用化學合成農藥引起的問題貢獻良多。納米技術衍生制劑可進一步提高活性成分的生防效果、穩定性，防止因光照、濕度、溫度等外部因素而造成的早期降解。盡管有了這些進展，但還有一些可能會損害或制約植物源農藥廣泛應用的限制因素。

2.1 植物源農藥的成分

防治病蟲害的植物源農藥的藥效與其成分直接相關。這些產品可能包括含有不同濃度活性化合物混合物的植物提取物或離體植物化學物質。限制這些物質/化合物廣泛應用的主要因素有高成本的原材料和提取/純化與配方步驟以及優化活性成分的數量和質量的難度。提取工藝是植物化學物質生物活性的決定性因素， 因為植物可能含有生物堿、萜類化合物、黃酮類等多種化合物的復雜混合物?；钚曰衔锏馁|量和數量受提取技術、所用植物的部位、使用的溶劑以及所用設備的類型的影響。

植物源物質的濃度和使用劑量也是限制其作為農藥應用的因素?；衔锏臐舛仁菦Q定生物效應的關鍵因素。多項研究報道了迷迭香(Rosmarinus officinalis L.)精油對多種害蟲的驅避作用。但Sadeh等最近報道，迷迭香精油對粉虱(Bemisia tabaci)有引誘作用。這種作用似乎取決于植物體內的揮發性化合物的成分和濃度。Jhones等認為，化合物濃度在生物效應中起著關鍵作用，而引誘/驅避作用也可能受到環境和地理變量以及非生物因素引起的脅迫的影響。

表4 基于納米/微膠囊技術的商品化植物源農藥

為了實現植物源農藥在農業生產中的大面積應用，植物材料必須有充足的數量，以確保連續供應。因此，與化學合成化學品相比，植物源農藥通常更為昂貴，因為所需質量的材料的種植和產量有限。另一個問題是，植物次生代謝物的數量因地點或季節而異，因此難以使該類農藥的質量標準化。一個可行的解決辦法是鼓勵利用生物反應器中的組織培養等技術合成生物活性化合物的研究。此外，多倍體化和植物快速繁殖等技術也是有助于提高生物活性物質生產的重要工具。

在開發更有效和標準化的產品時，必須研究分離的化合物及其制劑，減少變量，從而更精確地研究特定植物中存在的活性化合物的影響。這種方法還可以開發包含各種在自然界通常不會同時存在的活性物質混合物的新制劑。例如香茅精油含有香葉醇、香茅醛、香茅醇和檸檬烯。而肉桂醛、丁香酚和α-蒎烯是肉桂精油的主要成分。天然來源中沒有香葉醇和肉桂醛的混合物。因此，以活性化合物的混合物為基礎制備的制劑不僅可以提供更好的防治作用，而且由于其作用機制的多樣性，還有助于降低害蟲產生抗藥性的幾率。

2.2 監管壁壘

影響新植物源農藥產品商業化和銷售的主要壁壘之一是監管和缺乏政府支持。農藥由于受到嚴格管制，必須經過冗長且費用昂貴的試驗和手續才能作為新產品進行登記。這在很大程度上是由于消費者對食品中農藥殘留的負面影響認識的提高所致，而且大多數國家對化學合成農藥或生物農藥不作區分。突破監管壁壘的高昂費用是植物源農藥的首要難題，因為這些產品的市場仍然有限，所有利潤都不足以補償遵守監管規定的費用。但植物源農藥顯然不能排除在試驗和監管程序之外，因為它們也可能存在風險，不能假定它們完全安全(如魚藤酮和煙堿)。盡管如此，精油及其主要成分等絕大多數植物源物質對哺乳動物和非靶標生物并不具有明顯毒性——至少與某些化學合成物質不在一個級別。其中一些物質曾一度作為食物和飲料調味料以及烹飪香料使用，在登記時必須加以考慮，并應成為新產品開發中需要考慮的重要問題。

不同管轄區監管框架的差異也構成了貿易壁壘。在許多國家，農業貿易以商品為基礎，這促使對農藥的限制增加，特別是對發達國家的出口。向歐盟和美國等市場出口的國家必須遵守日益嚴格的監管，只有經批準的農藥才能用于出口的農產品。因此，即使各國有豐富的植物源物質可用于開發植物源農藥，它們也可能僅限于使用其他化合物，包括國內市場。

從上述討論中可以看出，納米農藥提高了藥效，對環境保護與人類健康做出了貢獻，是一項重大的技術進步。就監管而言，必須考慮到影響納米農藥環境行為和毒性作用的因素和工藝可能不同于適用于傳統農藥的因素和工藝。因此，必須開發新的或更精細的風險評估技術。與傳統的(化學合成)農藥不同，納米農藥的特性(如毒性、吸收、生物利用度)取決于許多變量，包括包封材料的化學成分、粒徑分布、納米粒子濃度、zeta電位等。因此，有必要對這些系統的特性進行方法論改進或附加技術。目前用于納米農藥的風險評估，如在歐盟實施的風險評估，提供了一個有用的框架，但(如上文所示)為了更清楚地了解可能引發安全問題的實際因素，有必要進行改進。此領域的新工具和新技術的開發等技術進步，必將有助于提高人們對這些物質的作用的認識。

3 結 論

就更有效和穩定的制劑而言，納米技術有望大大促進植物源農藥行業的發展。與某些合成農藥相比，植物源農藥的低藥效一直是其面臨的主要問題之一。如上所述，在利用納米技術開發新制劑方面取得了許多進展，也解決了一些局限性，可能有助于擴大這種系統在可持續農業中的應用。

對環境污染和土壤及水資源退化的日益關注是增加對環境友好替代品需求的關鍵因素。植物源農藥是化學合成農藥更好的替代品。當納米技術被用于生產新產品時，還需要考慮其可能對環境產生的潛在影響。因此，隨著在減少溶劑和能源使用的高效生產工藝中，利用基于天然聚合物(生物可降解和生物相容性)的基質生產植物源農藥制劑，人們對綠色納米技術的發展越來越感興趣。綠色納米技術的發展必須與不斷改進的毒理分析技術相結合，以確保新制劑的安全性。值得注意的是，很少有探討和專門針對植物源農藥的環境歸宿的研究。在此背景下，這種方法對于了解這些化合物在環境中的真正影響極為重要。最近劉等人研究了在熱帶氣候條件下，百里香酚農業應用后在土壤和水中的環境歸宿。研究發現，所研究的3種類型熱帶土壤對百里香酚均出現了吸附，其吸附量增加順序依次為：砂質土壤＜壤質土壤＜黏粒土，土壤對百里香酚的吸附量呈增加趨勢。但發現該化合物在 2種基質(土壤和水)中的降解速度都很快。光照條件下，28 h內在水中發生光解(50%)。在土壤中，降解同樣數量的百里香酚需8.4 d。因此認為，百里香酚在作物生產中應用的環境風險較低。

關于納米農藥，最近Kah等人對這些納米材料的影響進行了嚴格的評估。此文認為納米農藥的藥效比常規化合物/制劑平均提高30%。此外，還說明了這種技術的應用可推動農藥環境歸宿以及環境效應的變化。他們還指出，文獻中的許多論文在研究納米農藥與環境間的相互作用時都很含糊。另一點是，目前文獻中沒有對這些納米農藥在大田條件下的藥效和環境效應進行評估的系統研究。在此背景下，對植物源農藥納米級制劑的環境歸宿進行研究極為重要，表明這是該領域有待填補的一個重大空白。

植物源農藥市場的增長與消費者選擇對環境和人類健康影響小、更安全的技術的趨勢直接相關。要使這些產品在更廣泛的全球范圍內具有商業競爭力，仍有許多步驟和壁壘需要克服。

目前，植物源農藥產品的生產和銷售主要是在科研院所和小農戶與生產商合作伙伴關系間進行。這是因為大公司主要致力于他們的專利化學合成產品，認為因現行的監管要求增加了不確定性的植物源替代品是不太了解和非標準的產品。顯而易見，植物源農藥在短期內不能完全取代化學合成化學品的使用。但它們將繼續為旨在實現可持續農業以及降低人們對健康和環境安全的關注度的管理措施做貢獻。農業部門擁有大量可輔助對作物進行更可持續管理的工具和產品，如使用植物源農藥、生物防治、大棚種植和精準農業。同時，必須提高生產商和農民對這種選擇的認識。這可能有助于植物源產品等新的低風險產品對傳統農藥的中長期替代。

大學、研究中心、企業和政府機構間的密切合作對促進這些產品的開發、生產和采用將具有至關重要的影響。通過大規模生產和標準化，植物源農藥的生產商將會解決監管問題。每年都有許多研究報道具有農藥活性的新植物源物質，但在絕大多數情況下，研究結果并沒有轉化為新產品。盡管目前存在著缺陷和挑戰，但利用納米技術生產更有效的植物源農藥制劑等新進展已是真正的機遇。正如本研究所證明的那樣，納米技術與植物源農藥的融合具有提高這些天然化合物的藥效等許多優點。但值得一提的是，該部門仍然面臨一些問題和挑戰。可擴展性連同生產基于納米技術系統的成本是主要障礙之一。此外，這些物質的毒性研究還需要進一步開展。由于它們的納米特性，這些物質可以引起不同程度的毒性。因此，研究這些物質與不同生物基質之間的相互作用是該領域進展的一個關鍵點。要強調的是，應繼續進行研究，主要參與者間進行協作，以便將這一機會轉變為可持續的商業現實。