納米農藥研究進展

唐躍明，田大軍，章超，李俊

(1.中化高性能纖維材料有限公司，江蘇 揚州 225002；2.江蘇揚農化工股份有限公司，江蘇 揚州 225009)

2023 年中央一號文件明確將加快農業投入品減量增效技術推廣應用寫入規劃要求。從目前農藥劑型技術和應用實踐來看，提高有效成分的利用率是減少農藥用量有效的手段之一。納米農藥在農業中的應用越來越受到廣泛關注，其具有提高藥物的生物利用度、霧滴覆蓋效率、藥物沉積量及藥物傳遞效率等優點。國內眾多科研學者圍繞納米農藥及相關制備技術的研發工作做了總結。郭勇飛[1]、曹立冬[2]、謝錦珊[3]等對納米農藥的概念、主要制劑類型、納米載體材料、制備技術和納米農藥在植物病蟲害防治上的應用進行了整理與歸納，為納米農藥深入研究與規模化生產提供了指導意義。

納米農藥已成為農藥劑型研發的前沿領域，本文結合國內外研究進展，分別從農藥分散、空間、界面和體內4 個全生命周期傳遞過程，闡述了納米農藥的增效機理，綜述了直接將有效成分加工成納米農藥和通過載體體系構建納米農藥相關的技術研究進展，對納米農藥未來產業化發展進行了展望，提出加強新型功能助劑的開發應用研究，推動納米農藥的創新發展。

1 納米農藥發展的必要性

國內外政策導向大力支持納米農藥的發展。2019 年納米農藥被國際純粹與應用化學聯合會(IUPAC)評為將改變世界的十大化學新興技術之一[4]。國內近幾年大力推進納米農藥的發展，2017 年2 月，中國農科院發布《“跨越2030”農業科技發展戰略》指出，爭取在納米農藥技術方面取得重大突破。2018 年7 月，農業農村部印發的《農業綠色發展導則(2018—2030)》指出，重點發展納米智能化控釋肥料、綠色環保型納米農藥。2022 年1 月，農業農村部會同國家發展改革委、工業和信息化部等八部門聯合印發的《“十四五”全國農藥產業發展規劃》明確指出，倡導納米技術在農藥劑型上的創新應用，鼓勵企業大力發展納米化制劑。2022 年7 月，農業農村部在對十三屆全國人大五次會議第5084 號建議答復中表示，大力發展推廣應用納米化農藥多元復配技術，推動產業化發展。2023 年6 月5 日，農業農村部發文《農業農村部辦公廳關于推介發布2023 年農業主導品種主推技術的通知》將善思生態公司的“納米農藥預混技術”列為2023 年農業主推技術“植保類”首位。

目前國際社會對納米農藥的定義尚未有統一的標準，根據《納米產品的定義、分類與命名》(GB/T 39855—2021)對納米尺度的定義為：顆粒尺寸為1～100 nm。對納米技術產品的定義為：由納米材料組成或具有納米結構的產品，添加納米材料，或使用納米技術處理后主要性能顯著變化的產品。根據中國農業科學院植物保護研究所、農業農村部農藥檢定所和南京善思生態科技有限公司等單位起草行業標準《農藥納米制劑產品質量標準制訂規范》：對納米農藥的定義為通過納米制備技術，使農藥有效成分在制劑體系或/和使用分散體系中以納米尺度(1～300 nm)分散狀態穩定存在的農藥。

目前，在納米農藥制備、表征及有效性方面已有大量的研究報道，符合農業可持續發展的要求。農藥制劑發展經歷了的4 個階段，每個階段都代表了制劑的不同技術和方法：1.0 階段，主要關注制劑的分散、乳化等基礎性能；2.0 階段，優選制劑的配方和工藝，更加關注制劑的理化性能；3.0 階段，關注不同維度的分散穩定性能、稀釋液的界面性能、制劑的應用效果；而4.0 階段，需要深入研究分散、空間、界面、吸收傳遞效率，使制備的制劑更加安全、精準、智能和高效，這也是對未來農藥制劑的期望和要求，其中納米農藥制劑是4.0 階段科研人員重點關注和努力研究發展、并推向產業化的方向之一[5]。

2 納米農藥的增效機理

農藥從制備到田間應用包含4 個過程，即分散傳遞、空間傳遞、界面傳遞和體內傳遞，納米農藥在藥液的不同傳遞階段均發揮出獨特的優勢。

2.1 分散傳遞階段

與傳統的藥物制劑相比，納米農藥制劑顆粒粒徑為納米級，分散度更高，制劑穩定性和藥液穩定性更優；納米農藥制劑顆粒比表面積增大，有效成分在水中溶出度提升，提高藥物在藥液中的溶解濃度，提高在靶標表面的沉積量進而提高藥物生物活性。Cui 等[6]利用微沉淀和凍干技術開發了一種平均粒徑為188 nm 的阿維菌素固體納米分散體，其在水中的懸浮率和潤濕時間分別為99.8%和13 s，優于傳統的水分散顆粒和可濕性粉劑，對小菜蛾的生物活性是常規固體制劑的1.5 倍以上。Pratap 等[7]研究微乳液和增溶體系的表面活性劑最佳用量，得到粒徑為可見光波長的1/4 的毒死蜱微乳液，兌水稀釋液在很長時間內保持穩定。

2.2 空間傳遞階段

雖然大部分研究結果表明，用植保無人機噴施，納米農藥比常規農藥制劑有更好的防效，但藥效結果仍取決于納米制劑更高的分散度、在靶標上的沉積量等。與噴霧過程中霧滴粒徑本身的大小無必然聯系。其空間傳遞階段霧滴粒徑等主要取決于施藥器械、噴霧助劑等對藥液理化性能的影響。

2.3 界面傳遞階段

納米農藥能夠一定程度上提高了藥物沉積量，這可能與載體或助劑種類、特性有關聯。智亨[8]研究發現帶有羧基(-COOH)、羥基(-OH)、醛基(-CHO)的納米載體與植物表面蠟質層中的脂肪酸、醛以及醇等物質產生氫鍵作用，從而提高農藥的沉積量，這些載體還包括單寧酸、多巴胺、殼聚糖等。Yang等[9]以星型多胺(SPc)為載體，構建了一種高效的阿維菌素B1a(AVM)納米遞送體系。AVM 的羥基可以通過氫鍵和范德華力與SPc 的羰基結合，AVM 與SPc 的自組裝形成了納米尺度的AVM/SPc 配合物的近球形顆粒，AVM/SPc 復合物更容易分布和擴散，同時AVM/SPc 復合物也增強了植物體內的系統運輸，擴大了與害蟲的接觸面積，增強了昆蟲角質層的滲透性。因此可根據生物體的特性，設計合成出帶有正電荷的納米載體，使負載上的納米農藥帶上正電荷，提高沉積。如殼聚糖、星型聚合陽離子等。

2.4 體內傳遞階段

納米農藥能一定程度的提高藥物體內傳遞效率。閆碩等[10]綜述了納米農藥的小尺寸、表面可修飾等特性可以促進植物對藥劑的吸收和轉運，進而提升藥劑的植物內滲作用，尤其對于疏水性藥劑而言，可以促進其隨水分吸收并轉運進入到植物體內。

總體來講，隨著粒徑的減小，納米農藥的比表面積會呈現出指數級的增長趨勢。納米農藥的小尺寸效應導致其易于在水介質中分散，形成穩定的藥液，同時能更好的兼容其他藥物，形成穩定的混合液；小粒徑也使得納米農藥能更充分地與靶標接觸，且更深入地滲透到植物的各個部位，能夠顯著提高農藥在靶標上的沉積量。另外，納米懸浮劑粒徑從3μm 降低至300 nm，如果按均勻微球計算比表面積增加100 倍，納米乳劑粒徑降低到30 nm，比表面積增加10 000 倍，比表面積增加可大大增加溶出度，提高傳輸劑量，進而提升生物利用率。

此外，通過修飾載體或助劑，納米農藥的作用力可以得到進一步提高。例如，通過引入具有特定性質的載體或助劑，納米農藥可以與靶標之間產生氫鍵作用或靜電作用等，進一步加強與靶標的結合力。

3 納米農藥種類及制備技術研究進展

納米農藥主要類型有微乳劑、納米乳、納米分散體、納米囊、納米球、納米膠束、納米凝膠、靜電紡絲納米纖維、金屬及氧化物納米粒子等[11]。其加工工藝總體上分為2 類：⑴將農藥活性物質直接加工成納米尺度的粒子，如微乳劑、納米乳液、納米懸浮劑等；⑵以納米材料為載體，通過吸附、偶聯、包裹等方式負載農藥，構建尺度為100～1000 nm的納米載藥體系，如納米球、納米籠、納米孔等。

3.1 將有效成分直接加工成納米農藥

將有效成分直接加工成的納米農藥，其典型代表有納米懸浮劑，也稱為納米分散體，是將晶體或無定型的農藥有效成分經過濕磨制備成納米晶粒或無定型顆粒并將其分散在水中，粒子尺寸目前國際上仍沒有統一的標準，中國農業科學院植物保護研究所牽頭制定的《農藥納米制劑產品質量標準制訂規范》中對納米懸浮劑的尺寸規定為Z-均粒徑＜300 nm，D50＜300 nm，D90＜600 nm。張小兵等[12]采用兩級濕法研磨技術，使用MiniZeat 03E 型實驗室砂磨機與Mini Cer 型實驗室砂磨機分級研磨，篩選助劑配方得到粒徑D90＜200 nm 的螺蟲乙酯納米懸浮劑，和常規尺寸螺蟲乙酯懸浮劑相比，對煙粉虱若蟲的防效顯著提升，納米顆粒有助于減少農藥用量。譚葵等[13]研究發明了一種含有吡唑醚菌酯和代森聯的納米干懸浮劑及其制備方法，制備的納米干懸浮劑粒徑小、粒徑穩定性好、懸浮率高。目前對納米懸浮劑的報導更多仍集中于傳統助劑和棒銷式納米砂磨機，D90＜1μm，粒徑易長大、磨效低(8～10 遍)。因此，新型納米分散劑的開發調控納米懸浮劑的粒徑、生產納米砂磨機等設備的優化對推動其產業化非常重要。

納米乳劑也可直接通過乳化劑、增溶助劑的增溶作用來實現。增溶共聚物表現出更高的裝載效率和裝載能力，能有效防止納米顆粒聚集，穩定存在溶液中。關文勛等[14]利用阿維菌素具有的2 個活性羥基，連續與丙烯酰氯、四乙烯五胺和琥珀酸酐反應，制備了帶有酯鍵并對藥物親和的乳化劑前體，該乳化劑前體經中和后，可以與阿維菌素在水中自發形成穩定的納米農藥乳液，其粒徑可以通過改變乳液載藥量或乳化劑中和程度來調節。該納米乳液顯示出一系列優良性能，包括高載藥量、高穩定性、耐光解、低表面張力和高的葉面親和性。在酯酶存在或強堿性條件下，乳化劑的酯鍵發生水解，致使乳化劑親水部分與親油部分分離，從而促進阿維菌素從顆粒中的釋放，故該納米農藥具有比市售阿維菌素乳油更好的殺蟲效果。Zhang 等[15]以兩親性嵌段共聚物聚環氧乙烷-b-聚己內酯(PEO-PCL)為膠束載體，制備了水不溶性植物源農藥蓖麻堿的制劑。與由小分子表面活性劑制成的制劑(例如吐溫-80)相比，聚合物制劑對朱砂葉螨[Tetranychus cinnabarinus(B.)]螨體被膜和豇豆[Vigna unguiculata(L.)Walp]葉面具有更低的接觸角。

3.2 通過納米載藥體系構建納米農藥

3.2.1 納米緩釋載藥體系

納米農藥體系中，納米載體的裝載方式有很多：將活性物質封裝在納米顆粒聚合物殼內；活性物質吸附于納米顆粒表面；藥物通過偶聯的方式，通過配體附著在納米顆粒核心上；藥物通過鑲嵌的方式，截留(包埋)在聚合物基質中。納米載體材料也是多種多樣的，無機納米載體材料有氧化石墨烯、多孔碳酸鈣、磁性硅藻土、凹凸棒土、介孔二氧化硅等；天然納米載體材料有乳糖、木質素、羧甲基纖維素、殼聚糖、聚乳酸等；有機合成的納米載體材料有脂質體、樹脂、超分子聚合物、高分子聚合物、納米膠束/凝膠等。上述納米載體材料可有效防止所載農藥發生降解(光解、水解、氧化、揮發、酸堿、溫度等)，提高溶解度、生物活性、靶向性，控制釋放(高毒性、長期持效性)，安全環保等。

3.2.2 智能響應納米載藥體系

響應性能夠減少農藥在環境中的擴散、消解和流失，是一種環境友好型的農藥制劑。崔海信等[16]利用N-異丙基丙烯酰胺NIPAM，N,N-亞甲基雙丙烯酰胺BIS，十二烷基硫酸鈉SDS 和甲基丙烯酸丁酯BMA 制備出溫度響應型的納米凝膠載體(NIPAM-co-BMA)，該納米載體載藥量高、釋控性能好。何濤等[17]將疏水性農藥載入具有微酸響應的兩親性聚合物膠束中，其粒徑為10～500 nm，該微酸響應負載農藥的聚合物膠束緩釋制劑具有良好的水溶性和在酸性環境中的緩釋效果，實現在微酸環境下緩慢釋放，并在中性或堿性環境中保持良好的穩定性。該農藥緩釋制劑能夠提高農藥的穩定性，減少農藥的用量，且表現出的微酸目前文獻所報道的高分子載體，大多是對光、熱、pH、電、壓力響應的納米載體。

控制釋放型納米載體農藥系統也是研究的熱點。Xu 等[18]通過多巴胺化學作用螯合銅離子(Cu2+)的介孔二氧化硅納米顆粒(MSNs)(AZOX@MSNs-PDACu)，用于控制嘧菌酯(AZOX)的釋放。銅離子與AZOX 之間的配位鍵相互作用減緩了AZOX 向周圍環境的釋放。此外，由于質子與多巴胺(PDA)層或氫氧根離子與Cu2+之間的競爭性配位會破壞“PDA-Cu2+-AZOX”的配位鍵結構，銅螯合作用可使遞送分子具有pH 響應的釋放特性。在活性成分劑量相同的情況下，AZOX@MSNs-PDA-Cu 對稻瘟病的殺菌活性優于單獨的AZOX。動態接觸角測量表明，PDA 涂層可提高對作物葉片的附著能力和沉積效率。Chen 等[19]采用原子轉移自由基聚合(ATRP)和后聚合法合成了一種熒光氨基聚甲基丙烯酸縮水甘油酯(PGOHMA)，得到的納米載體的內部空腔結構和高密度官能團結構有利于農藥分子的裝載，形成穩定復合體，氨基功能化提高所載物質與昆蟲表皮和細胞膜的親和力，促進植物源農藥分子穿透昆蟲表皮屏障，進入體腔和各個器官組織的細胞內，實現高效殺蟲。與廣泛使用的商業和先前報道的基因載體相比，PGOHMA 表現出更低的細胞毒性和更高的遞送效率。目前對控制釋放型納米載藥體系的研究多集中于介孔材料、樹枝狀聚合物或大分子，吸附或封裝農藥形成控制釋放型納米農藥。

3.2.3 對靶沉積型納米載體農藥系統

根據靶標特性設計不同的載體結構實現納米農藥有效成分在靶標上的沉積。Chen 等[19]開發出具有pH 響應性控制釋放特性的高葉面黏附性阿維菌素納米囊(Av-pH-cat@CS)。活性成分顆粒表面鄰苯二酚基團或單寧酸的存在有效的改善了葉面的潤濕性，2 種黏附型納米囊因具有表面鄰苯二酚基團，易與植物葉面極性基團產生氫鍵作用，展示出了較好的黏附性能，有效提高藥物在靶標葉面的滯留量。由于強氫鍵作用，Av-pH-cat@CS 納米囊對作物葉片具有較高的黏附性，延長了持留時間，提高了防治效果和利用效率。Zhao 等[20]通過一步酯化反應將含鄰苯二酚的黏合劑聚合物接枝到帽形載體(HSCs)表面，成功制備了一系列具有高負載能力的農藥負載鄰苯二酚功能化帽形載體(農藥負載Cat-HSCs)。在噴灑到水稻和小麥葉片上時，這些功能化載體在“衣帽”拓撲效應和非共價相互作用的驅動下，能同時靶向葉片上的微小植體和納米植體，從而大大提高了葉片親和性、農藥持留率和抗沖擊性。此外，農藥負載Cat-HSCs 具有15 d 的持續釋放特性，對小麥白粉病具有令人滿意的防治效果。對于沉積型納米載體農藥系統的研究多集中于含酚羥基、陽離子等，與葉面形成氫鍵、靜電等作用，提升納米藥物在靶標表面的沉積量。

4 納米農藥產業化展望

納米農藥作為一種新型農藥制劑，具有許多潛在的優勢，如提高藥效、降低對環境的污染等。然而，要實現納米農藥的產業化，還需要解決許多技術和成本方面的問題。納米農藥的制備工藝是首要問題，目前其制備工藝相對復雜，成本較高，限制了大規模生產和應用。因此，需要研究和開發更為簡單、高效和低成本的制備工藝，以提高納米農藥的生產效率。其次，需要加強納米農藥的藥效和環境影響研究。盡管納米農藥具有許多潛在的優勢，但其藥效和環境影響還不完全清楚。因此，需要進行更為深入的研究，以了解納米農藥的作用機制和環境影響，為其大規模應用提供科學依據。此外，需要推動相關技術的進步和產業的發展。納米農藥的產業化涉及到多個領域的技術和產業，如化學、生物學、材料科學等。因此，需要加強跨學科的合作和研究，推動相關技術的進步和產業的發展，以支持納米農藥的產業化。最后，需要加強政策和標準的制定。作為一種新型農藥制劑，納米農藥需要符合相關的法規和標準。因此，需要加強政策和標準的制定，建立完善的監管體系，以確保納米農藥的安全性和有效性。總之，納米農藥的產業化需要解決多個方面的問題和挑戰，需要加強研究、合作和技術創新。只有這樣，才能實現納米農藥的大規模生產和應用，為農業的發展和環境保護做出更大的貢獻。

農藥的利用率往往受到多種因素的影響，如藥液的穩定性、霧滴的傳遞行為等。近年來，助劑調控霧滴傳遞行為成為研究的熱點，旨在提高農藥的利用率和防治效果。助劑調控霧滴傳遞行為在農業中的研究仍面臨諸多挑戰。未來研究應進一步關注以下幾個方面：首先，加強新型助劑的開發和應用研究，以提高藥液的穩定性和改善霧滴的傳遞性能；其次，深入探究環境因素對霧滴傳遞的影響機制，為實現精準施藥提供科學依據；最后，加強跨學科合作，將化學、物理學、生物學等多學科的理論和技術應用于農藥霧滴傳遞的研究中，推動該領域的創新發展。