納米農藥的發(fā)展現(xiàn)狀和潛在風險防范

徐春光 鄭烽

摘 ? ?要：近年來，納米技術因其小尺寸、界面效應、智能表面及其藥物傳輸與控釋等方面的優(yōu)異性能引起了各領域的廣泛關注，是現(xiàn)階段的研究熱點。農業(yè)是一個國家的根本，將納米技術應用到農業(yè)生產領域，可以大大提高農業(yè)生產效率。然而，納米農藥的生態(tài)毒理學研究尚不完善，對環(huán)境的安全性風險不可控，在納米農藥推廣應用前，有必要有效防范納米農藥的潛在風險。文章主要闡述了當前納米技術在農藥領域的研究熱點與發(fā)展現(xiàn)狀，淺析了納米農藥可能存在的安全性風險因素，以期為納米農藥的環(huán)境風險評估與合理應用提供參考。

關鍵詞：納米技術；農藥；發(fā)展現(xiàn)狀；風險預防

文章編號：1005-2690（2023）14-0103-03 ? ? ? 中國圖書分類號：TQ450；TB383.1 ? ? ? 文獻標志碼：A

隨著世界人口的增長，人們對糧食作物質量和數量要求越來越嚴格。相關研究顯示，到2050年，世界糧食的需求量將增加70％～100％，而農產品受到病蟲草害的威脅，將會產生高達40％的損失[1]。農藥作為重要的農業(yè)生產資料，在病蟲草害防治中必不可少，但大量施用農藥會出現(xiàn)食品安全、環(huán)境污染及害蟲產生高抗藥性等問題，在這樣的大環(huán)境下，納米農藥在農業(yè)中的應用越來越受到廣泛關注。一方面，納米農藥可以用于改變農藥對靶標位點的作用方式、蟲體以及病原侵入路徑，提高農藥的生物活性與毒殺效果。另一方面，納米農藥加強了對藥物的包埋吸附效果，提高了載藥率，實現(xiàn)了農藥的控緩釋，延長了農藥的持效期[2]。但納米農藥的施用在監(jiān)管方面存在盲點，特別是納米載體對環(huán)境的安全性以及人體健康的影響有待評估[3]，納米農藥檢測手段有待完善[4]。在農業(yè)中規(guī)模化應用納米農藥之前，有必要有效防范納米農藥可能存在的風險。

1 納米農藥的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 納米農藥分類狀況

常見的納米農藥劑型有以下3類。一是利用納米技術降低農藥原藥的粒徑，使其顆粒大小納米化，如已有報道的納米乳液、納米分散體等。此類納米農藥制劑的優(yōu)點是將農藥原藥納米化后，能夠有效增加農藥制劑的比表面積，提高農藥分散性與穩(wěn)定性，減少制劑配制過程中有機溶劑及助劑的施用量。二是采用納米載體負載農藥的方式提高部分敏感型農藥的穩(wěn)定性，降低高毒農藥對非靶標生物的毒性。有研究表明，聚氨酯納米乳液可以有效降低阿維菌素的光降解，延長持效期[5]。三是一些納米級金屬與農藥復配具有殺菌和光催化功效，能促進農藥分解，減少農藥殘留。

1.2 納米技術在農藥中的應用表現(xiàn)亮眼

2019年納米農藥被IUPAC評為“將改變世界的十大化學新興技術”之首。相關研究表明，受雨水沖刷、藥液漂移等因素影響，傳統(tǒng)農藥在農作物上的有效利用率不足30％[6]。納米技術在農業(yè)中的應用是提高農藥有效利用率、減量增效的重要手段。利用納米技術開發(fā)的納米載藥系統(tǒng)、納米級粒徑農藥相比于傳統(tǒng)農藥具有分散性和穩(wěn)定性好、持效期長等優(yōu)點。具體來說，納米技術可改善難溶性農藥的水基化分散特性，提高生物利用度。而納米材料所具備的尺寸小、比表面積大的特點，能夠提高農藥的葉面黏附性能，耐雨水沖刷，提高有效利用率。納米技術可用于改變農藥對靶標位點的作用方式、蟲體及病原侵入路徑，提高農藥的生物活性與毒殺效果。通過納米技術開發(fā)的納米載藥系統(tǒng)可以做到高載藥、實現(xiàn)藥物控緩釋、延長藥物的持效期等。利用納米技術可以改變農藥在目標作物中的降解情況，加速難降解農藥的降解，提高高毒農藥的生物安全性，減少農藥殘留。

1.3 納米農藥在發(fā)展中存在“偏科”

納米技術在農藥領域的高速發(fā)展使納米農藥成為農業(yè)領域的前沿學科，越來越多專家、學者投入到納米農藥的開發(fā)工作中，很大程度上解決了農作物病蟲草害問題，實現(xiàn)了農藥減量增效的目標。例如，利用無人機將納米農藥運用到飛防領域，提高飛防效果；利用納米材料降低高毒農藥對蜜蜂的毒性等。然而納米農藥在高速發(fā)展的過程中也暴露出一些問題。一是目前大量的人力、物力主要集中于納米農藥的開發(fā)以及加強其對病蟲草害的防治效果方面，忽略了最為重要的農產品質量安全問題。二是對納米農藥的環(huán)境安全性評價方面的探索不足，一些納米農藥過于復雜的結構，大大提高了安全性評價的難度。三是對于納米農藥對模式生物和環(huán)境的影響探究不足。

2 納米農藥潛在的環(huán)境安全性風險因素

納米材料作為傳統(tǒng)農藥的載體，本身具有一定的生物活性，進入土壤、水體等環(huán)境中可對許多非靶標生物產生毒性作用，甚至可能通過生物鏈進行富集，對農田生態(tài)系統(tǒng)造成潛在威脅。

2.1 納米材料潛在的毒性機制

目前針對納米材料的毒性機制研究并不完善。如今納米材料快速發(fā)展，針對納米材料對于生物體毒性機制的研究存在滯后性。已有研究表明，納米材料的毒性機制主要表現(xiàn)在4個方面。一是某些納米材料會向環(huán)境中釋放有毒離子，例如納米銀離子、納米銅離子等金屬離子。二是氧化應激效應。有些納米材料會產生活性氧，發(fā)生氧化應激，造成功能蛋白失活，影響細胞的正常生理機能。三是納米材料的顆粒效應。納米材料能夠穿透細胞膜，進而影響細胞內的正常生理活動[7]。四是納米材料可能通過食物鏈在生物體內不斷富集。

2.2 納米農藥的生態(tài)毒理學風險

與傳統(tǒng)的化學農藥相比，納米農藥對環(huán)境生物的毒性效應與納米材料息息相關，例如其納米材料的物理化學性質、環(huán)境行為等方面[8]。雖然有研究表明大部分納米農藥相比于常規(guī)劑型表現(xiàn)出更小的毒性，病蟲害防治效果更好[9]。然而，部分納米農藥的殘留風險更高，原因有以下方面。一是納米農藥增強了葉面附著能力，但在施藥過程中也存在飄移，不可避免地被釋放到環(huán)境中。二是部分納米載體本身具有一定的毒性，且黏附性較好，易殘留在作物表面，例如高聚物。三是絕大多數納米農藥具有緩釋效果，延長了農藥的半衰期，加劇了農藥殘留的風險。

2.3 環(huán)境影響納米農藥有效性風險

復雜的環(huán)境因素對納米農藥的有效性造成挑戰(zhàn)，例如土壤、水體的pH值可以影響納米農藥表面的電荷穩(wěn)定，造成納米農藥聚集和沉降。沉降的納米農藥及納米農藥中包裹的化學農藥對土壤微生物和水體底層棲生物產生潛在威脅。此外，部分納米材料具有與農藥本身和環(huán)境污染物發(fā)生反應的潛在能力，而對于這一方面的研究由于其具有復雜性、多樣性而基本處于空白狀態(tài)。

2.4 納米農藥的安全性評價風險

目前對納米農藥的安全性評價存在難點，傳統(tǒng)農藥的安全性評價并不適用于全部種類的納米材料[10]。利用納米載體負載農藥或者利用一些金屬或無機材料制成納米級微粒后與農藥復配施用等情況，有必要慎重考慮納米載體、金屬和無機材料具有的潛在安全性風險。例如，納米載體負載農藥后，往往會改變農藥在環(huán)境中的暴露狀態(tài)，當納米材料對農藥形成包裹后，農藥的檢測結果并不能代表其真實的狀態(tài)。此外，對納米農藥的安全性評價不應局限于環(huán)境因素，應更全面和科學地考慮非靶標生物的安全性。例如，納米農藥對模式生物的安全性以及在模式生物中的生物富集和放大作用。

3 納米農藥風險預防

納米材料在農業(yè)中有很好的應用前景，在提高農藥分散性、穩(wěn)定性、利用率和延長持效期、降低殘留量方面具有潛在應用價值，有望通過納米技術加速淘汰污染嚴重的普通化學農藥。然而，規(guī)范使用納米材料才能有效避免納米農藥所存在的潛在環(huán)境安全性問題。

3.1 建立完善的納米材料分類體系

針對納米材料潛在的毒性機制，需建立完善的納米材料分類體系。目前已知的納米農藥有3個類型，分別是納米化后的農藥劑型、納米載體負載農藥后的納米農藥、金屬和無機材料與農藥復配后形成的納米農藥。有必要進一步細分納米材料，例如納米載體的種類包括碳材料、有機高分子材料、天然殼聚糖等。不同種類的納米載體具有不同的理化性質，表面的帶電狀態(tài)不同。納米材料本身具有不同的毒性，應對納米載體進行細分，例如有機高分子材料具有極強的黏附性，不宜用于可直接食用的蔬菜水果。表面帶正電荷的納米載體不宜用于堿性環(huán)境，易造成納米農藥的聚集沉淀。建立完善的納米材料分類體系，有助于規(guī)避納米農藥產生毒性的路徑。

3.2 建立納米載體環(huán)境安全性評估方法

與傳統(tǒng)的化學農藥相比，納米農藥的環(huán)境安全性評估應當更加嚴謹。目前所研究的納米農藥對環(huán)境安全性都有一定考慮，例如降低對非靶標昆蟲的毒性等。然而系統(tǒng)性地分析納米農藥對模式生物的安全性的研究較少，不同種類納米載體對人體健康的影響以及納米載體在作物體中的富集現(xiàn)象暫不明確。有必要在納米農藥大規(guī)模應用前，根據納米農藥的分類建立不同的納米載體環(huán)境安全性評估方法，例如明確不同類型納米農藥所用納米材料的降解時間、模式生物LD50等。只有被充分證實的對環(huán)境安全友好的納米農藥，才能被允許用于農業(yè)生產中。

3.3 建立納米農藥有效性跟蹤監(jiān)測機制

復雜的環(huán)境因素對納米農藥的有效性提出了挑戰(zhàn)，一些環(huán)境因素會造成納米載體的沉降、金屬納米離子的聚沉現(xiàn)象。有必要在納米農藥大規(guī)模施用前進行室內研究，明確不同環(huán)境下納米材料的狀態(tài)、納米農藥的緩控釋情況以及在水體、土壤中的殘留降解情況。在納米農藥施用后，跟蹤監(jiān)測納米農藥的有效性，對農田水體、土壤、植株上有可能存在的納米農藥殘留進行分析，確保納米農藥在復雜環(huán)境中的有效性。

3.4 建立納米農藥使用安全預警體系

納米農藥的安全性評價風險是值得注意的問題。納米農藥普遍具有較長的半衰期，以減少農藥施用次數。目前，農藥的安全間隔期不一定適合全部的納米農藥。一些納米載體對農藥的釋放存在先快速釋放，隨后緩慢釋放的情況，部分藥物長時間滯留在載體內，對農藥的檢測造成了困難。對納米農藥的檢測不僅是對農藥進行充分提取檢測，還要關注納米材料在果蔬上的殘留。根據納米農藥的分類體系，應分別建立農藥和載體的檢測標準，完善的檢測標準能夠保證農產品的質量安全。由于納米材料的顆粒效應，納米材料易于穿透細胞膜進入細胞內，在提高納米農藥活性的同時，應謹防納米材料在非靶標生物中隨著食物鏈不斷富集，同時納米農藥施用后害蟲的抗藥情況也需要進行長時間監(jiān)測。建立納米農藥施用安全預警體系有利于更好地研究納米農藥的生態(tài)毒理學，有利于納米農藥更好地應用于農業(yè)生產，為納米農藥的研究與應用提供導向。

4 結論與展望

近年來，納米科技在農業(yè)領域發(fā)展迅速，納米農藥的大規(guī)模應用勢在必行，因此亟須制訂評價納米農藥安全性的技術路線，建立規(guī)范納米農藥生產與應用的配套規(guī)章制度，以期讓納米農藥更好、更安全地應用于農業(yè)生產，推動農業(yè)綠色發(fā)展。

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