納米農(nóng)藥的環(huán)境安全性淺析

陳 朗，姜 輝，周艷明，周欣欣，黃 健

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所，植物病蟲(chóng)害生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193； 2.農(nóng)業(yè)部農(nóng)藥檢定所，北京 100025)

1 引言

納米科學(xué)主要研究三維空間尺寸中至少有一維在1～100nm之間的極小物體，其作為一個(gè)獨(dú)立的研究領(lǐng)域己經(jīng)發(fā)展成為當(dāng)今世界上三大支柱科學(xué)之一，廣泛應(yīng)用于材料與制造、微電子與計(jì)算機(jī)信息技術(shù)、能源與環(huán)境、醫(yī)療與健康等領(lǐng)域。據(jù)預(yù)計(jì)，納米材料(MNPs)的全球年產(chǎn)量將從2010年的21 000噸上升至2020年的58 000噸[1]。然而，隨著納米材料的產(chǎn)業(yè)化，人造納米材料通過(guò)不同途徑進(jìn)入環(huán)境中對(duì)人體健康和生態(tài)環(huán)境造成的負(fù)面效應(yīng)也隨之出現(xiàn)[2-4]。以納米尺度的顆粒態(tài)物質(zhì)為研究對(duì)象的MNPs生態(tài)毒理學(xué)研究逐漸成為生態(tài)毒理學(xué)研究領(lǐng)域一個(gè)新的挑戰(zhàn)，美國(guó)及歐盟國(guó)家的政府或科學(xué)管理部門(mén)近年來(lái)紛紛出臺(tái)科技政策予以支持和推動(dòng)[5-6]，未來(lái)10年生態(tài)毒理學(xué)領(lǐng)域?qū)⑹恰吧鷳B(tài)毒物基因組學(xué)”和“納米生態(tài)毒理學(xué)”的時(shí)代[7]。

近年來(lái)，納米技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用成為一個(gè)新的和迅速發(fā)展的研究領(lǐng)域[8]。利用納米材料與制備技術(shù)，將原藥、載體與助劑等配制成更為高效的新劑型產(chǎn)品，有利于提高農(nóng)藥有效成分在田間環(huán)境下的生物活性與利用率，增強(qiáng)有效成分對(duì)昆蟲(chóng)、病菌、雜草等有害生物的滲透性，促進(jìn)農(nóng)藥有效成分向靶標(biāo)部位的傳輸?shù)萚9-10]。相比常規(guī)農(nóng)藥，納米農(nóng)藥具有以下優(yōu)勢(shì)[11-13]：1)MNPs的添加可增加農(nóng)藥有效成分的穩(wěn)定性(包括貯存期間和施用后)、溶解度等；2)在田間噴施過(guò)程中，MNPs的小尺寸效應(yīng)可以增加農(nóng)藥?kù)F滴的延展性、潤(rùn)濕性、靶標(biāo)吸附性(如葉面粘附性)等；3)MNPs對(duì)有效成分具有可控緩釋與保護(hù)性能等。上述優(yōu)勢(shì)性能。

然而，由于納米農(nóng)藥同時(shí)含有納米材料和農(nóng)藥有效成分，其在增加生物活性的同時(shí)，也可增強(qiáng)有效成分對(duì)環(huán)境中非靶標(biāo)生物的生物有效性和生態(tài)毒性，納米材料和農(nóng)藥有效成分在環(huán)境中還易于發(fā)生相互作用，表現(xiàn)出復(fù)合效應(yīng)。與含有相同有效成分但不含納米材料的常規(guī)農(nóng)藥相比，納米農(nóng)藥在生態(tài)毒性和環(huán)境歸趨方面均有可能發(fā)生較大變化，因此，納米農(nóng)藥登記注冊(cè)和監(jiān)管過(guò)程中的環(huán)境安全性與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法需要在常規(guī)評(píng)價(jià)方法上進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和修訂。本文綜述了納米農(nóng)藥的發(fā)展現(xiàn)狀、納米材料與納米農(nóng)藥的環(huán)境安全性研究結(jié)果與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估現(xiàn)狀，旨在為納米農(nóng)藥的生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供參考。

2 納米農(nóng)藥研發(fā)現(xiàn)狀

目前納米農(nóng)藥新型劑型的研究主要集中在納米微乳劑、納米載藥系統(tǒng)、納米生物農(nóng)藥等領(lǐng)域。納米技術(shù)在農(nóng)藥行業(yè)中的潛在應(yīng)用情況(表1)。

表1 農(nóng)藥納米技術(shù)的潛在應(yīng)用情況

AI：有效成分(active ingredient)

2.1 納米微乳劑 粒徑介于納米尺度范圍內(nèi)的微乳劑屬納米農(nóng)藥范疇。該劑型具有增溶、增滲透作用，在傳遞效率，生物利用率方面具有許多優(yōu)勢(shì)，但表面活性劑用量大、靶向傳輸和控釋性能尚不突出[12]，并未表現(xiàn)出顯著優(yōu)于農(nóng)藥傳統(tǒng)劑型的生物效果與安全性。例如，大量使用了直鏈和支鏈醇、酮類(lèi)等急性毒性與二甲苯相當(dāng)?shù)臉O性溶劑，較易進(jìn)入農(nóng)田和地下水源，可能會(huì)對(duì)環(huán)境和食品安全構(gòu)成新威脅。

2.2 納米顆粒劑 直接以納米顆粒作為農(nóng)藥有效成分，如Ag NPs[28]，納米硅[29-30]，TiO2NPs[31-32]，Cu NPs[33]，納米鋁粉塵[34]等。

2.3 納米載藥系統(tǒng) 載藥納米微粒劑型是指采用人造納米材料以吸附、包裹、偶聯(lián)、鑲嵌等方式負(fù)載農(nóng)藥所構(gòu)建的納米載藥系統(tǒng)[12]。納米載藥系統(tǒng)主要包括2種劑型：將農(nóng)藥包裹于納米微囊中[11，19-22]，或以多孔納米材料作為農(nóng)藥有效成分的載體[23，35]。納米載藥系統(tǒng)可減緩因光、熱、水、土壤、微生物等田間環(huán)境因素所造成的農(nóng)藥的分解和流失，改善農(nóng)藥有效成分的穩(wěn)定性，從而實(shí)現(xiàn)靶向投放[11，19-20]和控制釋放功能[17-18]，從而減少農(nóng)藥流失、延長(zhǎng)農(nóng)藥的持效期、降低施藥劑量和頻次[13]。伴隨著與光、熱、磁等比較活躍的研究領(lǐng)域的結(jié)合，更具靶標(biāo)導(dǎo)向與控釋功能的新型環(huán)境智能響應(yīng)納米載藥系統(tǒng)(Smart Nano-Delivery System)將成為今后納米農(nóng)藥研發(fā)與創(chuàng)制的重點(diǎn)方向[8]。

2.4 我國(guó)納米農(nóng)藥研發(fā)情況 2005年起，國(guó)內(nèi)科研工作者也相繼在納米微乳液、納米微囊等農(nóng)藥新劑型開(kāi)發(fā)方面進(jìn)行了探索。先后有學(xué)者研究報(bào)道了烯酰嗎啉納米載藥顆粒[36]、阿維菌素SiO2納米載藥系統(tǒng)的研制[37]、Ag/TiO2吡蟲(chóng)啉納米微膠囊[38]、聯(lián)苯菊酯[39]納米微乳液等。近年來(lái)，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院崔海信等[40-44]系統(tǒng)地開(kāi)展了納米生物農(nóng)藥創(chuàng)制研究，在利用納米載體改善農(nóng)用抗生素生物活性與持效期等方面取得了較大研究進(jìn)展。

3 納米農(nóng)藥的環(huán)境安全性研究現(xiàn)狀

納米材料本身具有一定的毒性，進(jìn)入環(huán)境水體、土壤、空氣中后可對(duì)許多非靶標(biāo)生物產(chǎn)生毒性作用(從微生物到更復(fù)雜的生物個(gè)體、種群和群落)，甚至可能通過(guò)食物鏈傳遞給生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)潛在威脅。隨著尺寸減小到納米級(jí)范圍以及相應(yīng)的表面積增加，納米材料被賦予新的物質(zhì)特性，也因而更具生物反應(yīng)活性。盡管目前已有許多關(guān)于納米材料生態(tài)毒性效應(yīng)的研究報(bào)道，但其環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面的研究還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于其應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展。

3.1 納米材料的毒性作用機(jī)制 目前納米材料對(duì)生物體毒性作用機(jī)制尚不十分清楚，己有研究表明納米材料的致毒因素主要包括以下四方面。一是納米材料的顆粒效應(yīng)，易于穿透細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，影響細(xì)胞內(nèi)的正常生理活動(dòng)[47]、易于形成團(tuán)聚體包埋藻細(xì)胞產(chǎn)生遮光效應(yīng)進(jìn)而抑制光合作用[45-46]。二是有些納米材料本身能夠釋放出有毒離子，例如，納米銀離子[48]、納米Cu和納米Zn離子[49]。三是氧化損傷，納米材料反應(yīng)性強(qiáng)、易產(chǎn)生活性氧(ROS)，可破壞線(xiàn)粒體內(nèi)抗氧化防御體系，產(chǎn)生氧化應(yīng)激，造成功能蛋白失活，直至引起細(xì)胞凋亡，影響正常生理機(jī)能[47，50-53]。四是生物放大效應(yīng)。納米材料可能通過(guò)食物鏈傳遞并在高營(yíng)養(yǎng)層級(jí)的生物體內(nèi)積累，產(chǎn)生生物放大效應(yīng)[54-56]。

3.2 納米農(nóng)藥的生態(tài)毒理學(xué)研究 納米農(nóng)藥作為納米材料一個(gè)新興的應(yīng)用領(lǐng)域，相比其它應(yīng)用方式在環(huán)境中殘留的概率更高，風(fēng)險(xiǎn)也可能更大，這是由于：一、農(nóng)藥使用量大而有效利用率不高，除小部分真正達(dá)到目標(biāo)靶點(diǎn)外，其余絕大部分(60%以上[57])在施藥過(guò)程中釋放到了環(huán)境中；二、納米農(nóng)藥在易進(jìn)入生物機(jī)體有害生物的同時(shí)，也更易穿過(guò)人體和非靶標(biāo)環(huán)境生物的組織和質(zhì)膜，進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)或細(xì)胞核內(nèi)，對(duì)機(jī)體產(chǎn)生難以預(yù)料的后果。此外，農(nóng)藥有效成分和納米材料之間還可能會(huì)產(chǎn)生聯(lián)合毒性作用。不過(guò)，也有報(bào)道表明，某些納米農(nóng)藥比常規(guī)制劑對(duì)植物[58]和其他非靶標(biāo)生物[14]的毒性更小，表現(xiàn)出增加病蟲(chóng)害防治效果、同時(shí)減少藥害和環(huán)境危害的優(yōu)越性。

相比常規(guī)農(nóng)藥，納米農(nóng)藥對(duì)環(huán)境生物的毒性效應(yīng)可能會(huì)受納米材料的物理化學(xué)性質(zhì)、暴露途徑、環(huán)境行為，以及環(huán)境因素等方面的影響。因此，納米農(nóng)藥的環(huán)境安全性相對(duì)于單一納米材料、常規(guī)農(nóng)藥制劑的評(píng)估要復(fù)雜得多。

3.2.1 納米材料對(duì)納米農(nóng)藥生態(tài)毒理效應(yīng)的影響 納米農(nóng)藥的生態(tài)毒性效應(yīng)與納米材料的物理化學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)。納米材料的理化性質(zhì)是影響納米農(nóng)藥進(jìn)入生物體并產(chǎn)生毒性效應(yīng)的關(guān)鍵因素之一[60]。例如，納米材料的尺度大小決定了納米農(nóng)藥在生物體內(nèi)的濃度高低與組織分布，納米材料的形狀決定了納米農(nóng)藥在水體中的流動(dòng)性、沉降與吸附行為，進(jìn)而影響納米農(nóng)藥的生物有效性、在不同環(huán)境介質(zhì)中的暴露濃度與持久性、蓄積性等。此外，納米農(nóng)藥的生態(tài)毒性效應(yīng)還與納米材料的化學(xué)組成及其生態(tài)毒性有關(guān)。例如，納米TiO2對(duì)有益菌的抑制作用可能會(huì)導(dǎo)致含納米TiO2顆粒的農(nóng)藥在殺死有害菌的同時(shí)也將有益菌類(lèi)殺死[61]。

3.2.2 環(huán)境因素對(duì)納米農(nóng)藥生物有效性的影響環(huán)境因素在決定納米材料的環(huán)境歸趨以及生物有效性中起著重要作用[62]。例如，水體pH可決定納米材料的表面電荷，改變其懸浮狀態(tài)，影響其可到達(dá)非靶標(biāo)生物體內(nèi)的有效濃度；鹽度和離子強(qiáng)度的增加會(huì)造成納米材料表層雙電子層的壓縮，以及凝聚的增加[63]，聚集和沉降到海底沉積物中的納米材料會(huì)對(duì)底棲生物產(chǎn)生潛在威脅[64]。此外，納米材料在環(huán)境中還易與本身所含有效成分、環(huán)境中其他污染物相互作用，表現(xiàn)出復(fù)合效應(yīng)。目前，有關(guān)上述非生物因素等影響納米材料的生物有效性的研究尚未系統(tǒng)開(kāi)展，環(huán)境因素對(duì)納米農(nóng)藥生態(tài)毒理學(xué)效應(yīng)的影響研究基本處于空白狀態(tài)。

3.2.3 納米材料與農(nóng)藥的復(fù)合生態(tài)毒性效應(yīng) 相對(duì)于普通農(nóng)藥，納米農(nóng)藥具有獨(dú)特的理化性質(zhì)，因而對(duì)傳統(tǒng)的生態(tài)毒理學(xué)測(cè)試方法提出了挑戰(zhàn)[65]。首先，目前農(nóng)藥生態(tài)毒理學(xué)試驗(yàn)前準(zhǔn)備試驗(yàn)藥液時(shí)，往往采用溶劑助溶、震蕩、離心、超聲以及過(guò)濾等方式使試驗(yàn)藥液均勻分散，但所有這些處理過(guò)程均有可能改變納米農(nóng)藥的性質(zhì)，不同于其排放到環(huán)境中時(shí)的真實(shí)暴露狀態(tài)，因而所獲得的試驗(yàn)結(jié)果往往不能代表真實(shí)的生態(tài)毒性。其次，納米農(nóng)藥對(duì)環(huán)境生物的毒性效應(yīng)大小除農(nóng)藥有效成分的固有毒性外，很大程度上取決于納米材料的理化性質(zhì)，而在生態(tài)毒理學(xué)測(cè)試中，如何將納米材料的相關(guān)屬性與毒性效應(yīng)進(jìn)行關(guān)聯(lián)、判斷和表征等尚有待解決。此外，納米農(nóng)藥生態(tài)毒性試驗(yàn)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮環(huán)境因子的影響，以使試驗(yàn)結(jié)果更接近于真實(shí)的環(huán)境條件。最后，納米農(nóng)藥的生態(tài)毒理學(xué)研究還應(yīng)考慮生物因素的影響，在代表性物種選擇方面需作更為全面、科學(xué)的考慮。例如，沉積物中納米農(nóng)藥對(duì)底棲生物的毒性效應(yīng)及其通過(guò)食物鏈在魚(yú)體內(nèi)的生物富集與放大作用目前常常被忽略。

4 問(wèn)題與展望

總體而言，目前對(duì)納米材料及納米農(nóng)藥的生態(tài)毒理學(xué)與環(huán)境歸趨研究還十分有限，嚴(yán)重制約了對(duì)納米農(nóng)藥進(jìn)行定量化環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

大多數(shù)生態(tài)毒理學(xué)測(cè)試注重不同大小納米材料之間或納米材料和它們?nèi)芙鉅顟B(tài)之間的毒性比較，很少有研究直接比較納米農(nóng)藥、納米農(nóng)藥中所含有效成分與納米材料之間的毒性差異。目前國(guó)內(nèi)外均缺少適合于納米農(nóng)藥的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估程序，以及與之相適應(yīng)的生態(tài)毒性與環(huán)境歸趨標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法。

納米農(nóng)藥在水中很可能發(fā)生沉降并殘留于沉積物中對(duì)底棲生物產(chǎn)生毒性效應(yīng)，并經(jīng)由魚(yú)類(lèi)攝食在魚(yú)體內(nèi)富集，進(jìn)而通過(guò)食物鏈傳遞影響人類(lèi)健康。而目前國(guó)內(nèi)對(duì)底棲生物的生態(tài)毒性鮮有關(guān)注，缺乏底棲生物生態(tài)毒性測(cè)試相關(guān)試驗(yàn)準(zhǔn)則，無(wú)法對(duì)納米農(nóng)藥與沉積物混合暴露途徑開(kāi)展標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)試研究。

納米技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、農(nóng)藥領(lǐng)域具有許多潛在優(yōu)勢(shì)，但其在高效防治病蟲(chóng)害的同時(shí)也伴隨著大量納米材料的釋放以及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的增加。因此，建議相關(guān)部門(mén)提前構(gòu)思納米農(nóng)藥環(huán)境監(jiān)管框架體系，形成納米農(nóng)藥環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別技術(shù)與評(píng)估程序，促進(jìn)環(huán)境友好型“綠色納米農(nóng)藥”的發(fā)展。