納米農藥的生態(tài)風險評估：界定問題

葉 萱 編譯

(上海市農藥研究所，上海 200032)

納米技術正在被用于開發(fā)新醫(yī)藥和農化產品(納米肥料和納米農藥)。納米材料(大小約為1～100 nm)的物理、化學和生物特性與常規(guī)材料差異大或為常規(guī)材料所沒有，可利用納米材料的這些特性開發(fā)新醫(yī)藥和農化產品。在農業(yè)中，納米技術是開發(fā)更有效、對環(huán)境影響低的肥料和農藥的重要新方法。

用納米技術生產農藥產品有多種方法。傳統(tǒng)農藥制劑中使用的一些助劑可以納米形態(tài)存在，這些納米助劑已被用于一些作物保護產品。例如，納米二氧化鈦用于紫外線阻隔劑和漂白劑，納米硅或黏土為流變改性劑，許多納米聚合物為表面活性劑。市場上也有微乳(溶劑)農藥，其含有的大部分油滴＜100 nm，故可能被認為為納米農藥。在大多數情況下，這些產品具有長的安全使用歷史。人們在應用納米技術開發(fā)植物保護產品方面的興趣不斷增長。Dendrimer技術(樹狀聚合物)正被用于許多活性成分，開發(fā)防效增加的納米農藥，一些產品已處于開發(fā)后期。以納米多聚物為載體傳遞農藥活性成分的一些產品，和納米多聚物載體與肥料一起使用的一些產品已被登記使用，這些產品有土壤應用的AZteroid殺菌劑(嘧菌酯)、土壤應用的Bifender殺蟲劑(聯(lián)苯菊酯)和用于植物的Fenstro殺蟲劑(嘧菌酯+聯(lián)苯菊酯)。預期在接下來5年中申請登記的納米農藥產品數量將不斷增加。

由上可知納米農藥為使用納米材料增加傳統(tǒng)活性成分的功能和實用性和/或改變其風險的產品。

1 納米農藥風險評估框架

對農藥活性成分和制劑產品的生態(tài)風險評估是高度發(fā)展的過程，是農藥管理框架的一個主要部分。經濟合作和發(fā)展組織下的制成納米材料工作組(Organisation for Economic Co-operation and Development (OECD)Working party on Manufactured Nanomaterials)研究了用化學品(chemicals and chemical products)的傳統(tǒng)風險評估方法評價納米材料的生態(tài)風險的相關問題。得出的結論為現有化學品的風險評估方法適用于納米材料。界定問題是化學品生態(tài)風險評估的主要初級階段。此評估階段是意欲通過風險評估確定要解決問題的特性和制劑的風險性。持續(xù)、系統(tǒng)地應用界定問題原則來對納米農藥產品進行風險評估對監(jiān)管機構的風險經理和決策制定者制定完善的提議具有重要作用。它也將有助于確定最相關評估信息，包括危害和暴露數據，和風險評估的早期階段風險降低措施。這些被認為是影響有效風險評估的主要因素。

在本文筆者通過對納米農藥產品的例子研究介紹了界定問題方法。所用方法是意欲說明用傳統(tǒng)農藥產品的生態(tài)風險評估法的原則如何開發(fā)實用評估策略。作為此策略的一部分，即最初計劃階段，在此階段管理者、研究科學家、農化科學家等主要利益相關者代表合作，確定界定問題階段開始前應該考慮的一些主要問題，包括：⑴ 使用納米農藥制劑的農藝環(huán)境；⑵ 制劑中納米材料的特性和應用目標；⑶ 在對納米農藥制劑的風險評估中生態(tài)保護需要優(yōu)先考慮什么？

從利益相關群體收集相關信息后，界定問題階段主要集中于另一系列問題：⑴ 納米農藥與相同活性成分的傳統(tǒng)制劑的環(huán)境行為有何不同？⑵ 在環(huán)境中納米材料如何釋放活性成分？⑶ 納米農藥制劑具有怎樣的新穎特性？⑷ 用何種風險降低措施來管理計劃使用的納米農藥產品可能存在的環(huán)境風險？

2 二甲戊樂靈納米水凝膠：研究范例

2.1 背景信息和農藝環(huán)境

二甲戊樂靈[CAS登記號40487-42-1；benzeneamine，N-(1-乙丙基)-3,4-二甲基-2,6-二硝基苯胺或 N-(1-乙丙基)-2,6-二硝基-3,4-二甲基苯胺]是二硝基苯胺除草劑，被植物根和芽吸收。此物質被用于防治一年生禾本科和闊葉雜草，可芽前或芽后噴霧使用。二甲戊樂靈的傳統(tǒng)制劑有微囊懸浮劑、顆粒劑、乳油和液體制劑，這些制劑都含有表面活性劑和其他必要成分。干法(顆粒)制劑也通常使用含有飽和活性成分的無機載體。

二甲戊樂靈為親脂性的中性有機化合物[log辛醇/水分配系數(Kow)=5.2]，微溶于水(20 ℃ 0.33 mg/L)，揮發(fā)性低(25 ℃ 0.001 3 Pa)。亨利定律常數(0.087 Pa m3/mol)表明其在水中和濕潤的土壤中中度揮發(fā)?；衔飶娏业匚接谕寥繹土壤有機碳/水分配系數(Koe)=6 500～43 863 L/kg]，一般認為二甲戊樂靈在土壤中不遷移。二甲戊樂靈在需氧型土壤中輕微降解，報道的半衰期為3～4個月。

二甲戊樂靈對魚類、無脊椎動物、水藻和水生植物等水生生物的急性毒性高，對水生生物有中到高等的慢性毒性，根據測量的魚體內的生物濃度(BCF=5 100)，對水生生物有生物積累危險。對非靶標陸地生物有低到中等毒性。

2.2 二甲戊樂靈納米制劑和計劃用途

選擇真實的納米制劑，通過“試驗”來描述界定問題的過程。此范例研究中，為了試驗方便以及保護Vive Crop Protection的機密信息，選擇不受專利保護的、具有親水和疏水單體的水分散水凝膠聚丙烯酸酯為活性成分的納米載體，利用 Vive Crop Protection的技術開發(fā)了二甲戊樂靈懸浮劑簡化產品，此產品含有20%(重量比)活性成分和5%輕度交聯(lián)聚丙烯酸酯聚合物顆粒。聚丙烯酸酯納米載體的平均大小為5～20 nm。

聚丙烯酸酯納米載體為水凝膠，已研究過其傳遞許多溶解性低的生物活性藥物和具有農化活性分子的性能。水凝膠能夠吸收大量水或其他液體，膨脹(在合成過程中形成的交聯(lián)所致)。此懸浮劑中的聚丙烯酸酯水凝膠的作用是幫助活性成分在水介質(如噴霧桶中的水)中分散和提高活性成分在土壤的遷移性。

二甲戊樂靈負載于水凝膠納米載體基質上形成復合結構(復合體)。此復合體為不穩(wěn)定結構，在土壤中能夠釋放活性成分以供植物吸收。復合體總的特性由水凝膠復合物、交聯(lián)方法和程度、活性成分的負載和環(huán)境特性(干燥、液體、pH等)決定。此復合物的形成具有實際效果，納米載體的外部特性決定著只要活性成分保持在水凝膠顆粒中就一直與環(huán)境相互作用。為此，筆者考慮采用這樣的復合體，其中的水凝膠有助于二甲戊樂靈滲入土壤，增加活性成分到達雜草的量。

此產品被用作芽前除草劑，最大用量為有效成分4 kg/hm2。產品能夠滲透表土進入土壤中，需要中等降雨或灌溉以對靶標產生活性。在中到大雨或灌溉條件下，預期活性成分能滲入到2.5～10 cm深度的土壤中，只有不到1%的活性成分滲入10 cm以下的土壤中。制劑的優(yōu)勢相似于土壤調理劑或促進滲透的表面活性劑等增加土壤滲透性的現有技術。

因此，以地面噴霧應用產品，噴霧漂移所致的農藥脫靶移動降到最低水平。

2.3 生態(tài)保護

文中的納米二甲戊樂靈懸浮劑產品計劃以有效成分約4 kg/hm2地面噴霧用于多種農作物，控制一年生禾本科植物和雜草。二甲戊樂靈對水生生物高毒，在魚體內生物富集，其納米產品與傳統(tǒng)二甲戊樂靈除草劑產品相似，活性成分脫靶移動對水生環(huán)境有潛在的風險。因此需要對納米產品進行生態(tài)風險評估，以確保推薦使用方式和劑量不會導致水生生態(tài)系統(tǒng)中二甲戊樂靈的水平超出局部使用水質指導值。

3 界定問題

二甲戊樂靈對水生生物高毒，在水生生態(tài)系統(tǒng)中也具有生物積累的危險。作為芽前除草劑應用后，其活性成分的脫靶移動導致水生生態(tài)系統(tǒng)的污染，可能會對天然環(huán)境帶來負面影響。因此，需要評估二甲戊樂靈納米懸浮劑產品計劃用途的生態(tài)風險，確定活性成分或聚丙烯酸酯納米載體等助劑對水生生態(tài)系統(tǒng)是否有負面影響。

3.1 對二甲戊樂靈納米制劑和傳統(tǒng)制劑的比較

傳統(tǒng)制劑中應用的傳統(tǒng)表面活性劑和納米水凝膠載體間1個主要差別為復合體在多樣環(huán)境中的持效性不同。表面活性劑系統(tǒng)對表面相互作用、pH和濃度等暴露條件敏感，這可能表明活性成分-表面活性劑復合體只在相對較窄的應用條件下穩(wěn)定。水凝膠中的交聯(lián)作用能使納米載體復合體保持三級結構，使其在較大的條件范圍內保持穩(wěn)定。

與以前的研究結果相似，本文中的納米載體復合體會使在水中溶解度小的二甲戊樂靈在不使用有機溶劑的情況下在水中分散，也會降低應用后活性成分的揮發(fā)。這2個特性具有增加防治雜草活性成分的量和降低活性成分由于大氣流動導致的脫靶損失的潛力。復合體也會使活性成分無需耕地等外界力量而滲入下層土。

納米載體被計劃用于增加二甲戊樂靈對土壤的滲透能力。因此，與傳統(tǒng)制劑的主要差異可能為此制劑中的二甲戊樂靈能滲入下層土壤水柱中， 生物和化學降解減少，持效性增加，活性成分由于揮發(fā)和表面徑流等其他過程的脫靶遷移減少。

3.2 納米農藥制劑在土壤中的歸屬

納米農藥在環(huán)境中的歸屬和行為可能決定于載體的功能特性和活性成分-載體復合體的持久性。與傳統(tǒng)農藥制劑相比納米制劑暴露于非靶標生物的空間和時間特性可能發(fā)生顯著變化，因此在對納米農藥制劑的界定問題中應該考慮這兩個特性。

持久性是指農藥-納米載體復合體在田間應用后能保持多長時間的完整性。農藥-納米載體復合體的持久性可被分為三大類，如圖1。

圖1 具有核心-殼結構的納米農藥的持久性

持久性可能取決于暴露條件。例如納米農藥在土壤中可能以不同速率釋放活性成分，這決定于土壤濕度或 pH等因素。這些是進行風險評估時要重點考慮的地方。

圖2所示為概念模型，此模型有助于確定農藥制劑相對于純的活性成分的歸屬變化情況，制劑的歸屬取決于制劑中納米載體和活性成分的特性。圖形提供了納米載體和活性成分特性不同組合的總的情況，這些與對活性成分的環(huán)境暴露評估最相關(本文假設使用完的納米載體危險性低，但在某些情況需驗證此假設)。

最敏感的歸屬描述符預期為(1)納米載體的移動性(圖2中A和B)；(2)活性成分的遷移性和持效性(圖2中x和z軸)；(3)活性成分從納米載體中釋放率(圖2中 y軸)。需要確定對歸屬影響最小的(圖 2中“OK”旗)納米載體和活性成分組合，特別要注意不同納米載體和活性成分組合對活性成分遷移性(圖 2中“M”旗)和/或持效性(圖2中“P”旗)的影響。

在與一定條件(例如在桶混稀釋后或在田間應用完全釋放)下的釋放時間相比，活性成分從載體釋放非?？斓那闆r下，預期與純活性成分相比納米活性成分制劑的行為不會發(fā)生改變。因此，僅以純活性成分的數據為基礎的暴露評估應該足以(圖 2中“OK”旗)。

反之，當納米載體增加活性成分的釋放時間時，預期幾乎在所有情況下，制劑對活性成分歸屬都有影響。例如對于持效期不是特別長的活性成分，納米載體可能增加活性成分的持效期(圖2中P旗)，因為活性成分從載體釋放前，被降低量可能減少了。在這種情況下制劑對活性成分運輸的影響取決于納米載體相對于活性成分的移動性。相對不移動的納米載體降低相對移動活性成分的遷移性(圖2B中－M旗)，而移動的載體可能增加相對不移動活性成分的遷移性(圖2A中+M旗)，這可能會導致活性成分在表土中以較大濃度暴露較長時間。在本文中所例舉的范例研究中，水凝膠為移動性納米載體(Vive Crop Protection)。圖2A是這個制劑相關方案。制劑被設計為活性成分在移動的納米載體中保持足夠長時間的微囊化而能夠進入土壤。因此此制劑被認為持效期至少中等，圖2中上面部分為相關圖。二甲戊樂靈是一個相對不移動的物質，具有中等的持效期。因此，此產品的最終情況如圖2A x軸中表示具有低的移動性，z軸中表示有中等的持效期。因此，根據此概念框架，+M/P是最相關旗，表明納米二甲戊樂靈制劑與純活性成分相比移動性和持效期可能增加。

然而，二甲戊樂靈在需氧土壤中的半衰期為3～4個月?；钚猿煞?納米載體復合體的持效期被認為以天計，因此預期二甲戊樂靈持效期不會明顯增加。而在活性成分-納米載體復合體的持效期與活性成分相當或長于后者的情況下，因為納米載體能夠滲入微生物的活性較低的較深土壤中，故活性成分的持效期可能顯著增加。

3.3 主要結果

二甲戊樂靈具有許多水生毒性數據，可用于描述其對水生生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)風險，可確定活性成分暴露的幅度和頻率。相似地，傳統(tǒng)除草劑產品中此活性成分的環(huán)境歸屬和行為也被很好地研究，已有數據足以用于建模進行環(huán)境暴露評估。然而，二甲戊樂靈的納米制劑的概念模型已經確定活性成分的歸屬和行為具有一些潛在的重要變化。在評估的風險分析和風險特性描述階段需要考慮納米制劑的這些特定特性的重要性。

圖2 納米載體[在環(huán)境中(A)移動或(B)不移動]和農藥活性成分(在環(huán)境中有不同程度的移動性和持效性)之間的相關性

通過概念模型確定的納米制劑2個最重要環(huán)境歸屬特性為活性成分-納米載體復合體滲入土壤柱的深度和活性成分從納米載體釋放速率。預期這個特定制劑的滲透深度是其獨有的，因為通過選擇特定的聚丙烯酸酯納米顆粒為載體，滲透深度已被工程化為功能性特性。因為活性成分-聚丙烯酸酯復合體的行為由納米載體的特性所決定，所以以相似粒徑分布、化學結構和表面特性的聚丙烯酸酯納米顆粒對一般土壤滲透行為的代表信息來表示復合體對土壤的滲透行為是可能的。然而，如果沒有參考數據或復合體的特性不同于納米載體，可能就需要對復合體對土壤的滲透深度進行特定評估。

活性成分從復合體的釋放速率也已被確定為制劑的重要環(huán)境歸屬特性，在風險分析階段需要考慮。如果活性成分從載體的釋放速率比滲漏或表面水徑流運輸等主要運輸過程慢，那么可能不能以已有生態(tài)數據很好地表示水環(huán)境暴露于二甲戊樂靈的情況。把遷移性和中等持久性的活性成分-載體復合體用于水生生態(tài)系統(tǒng)，活性成分從載體緩慢釋放，水生生命可能暴露于較低濃度的活性成分中較長時間。反之，與這些運輸過程相比活性成分從載體釋放速率快，活性成分的環(huán)境歸屬和影響可能與傳統(tǒng)制劑無差別。由于此，在相關環(huán)境條件下，優(yōu)先考慮較早地測量納米載體復合體的持久性。

3.4 風險降低和風險管理措施

在評估的界定問題階段，通過考慮風險降低措施和其作用來說明風險評估的焦點。好的農業(yè)措施將限制農藥應用后脫靶運動。此外，納米產品將僅以減少噴霧漂移的技術進行地面噴霧使用，因此水生環(huán)境直接暴露于活性成分-納米載體復合物的潛在風險低。由此需要考慮在較長時間內從納米載體緩慢釋放的活性成對水生環(huán)境的風險需求降低了，需要額外的水生生態(tài)毒性數據來確定活性成分-納米載體復合體毒性的可能性減少了。反之，如果應用方式拓寬，其中包括飛機噴施，那么評估范圍要包括納米制劑噴霧漂移距離和減少對水生生態(tài)系統(tǒng)影響的非噴霧緩沖帶的作用等因素。

3.5 分析計劃

本文研究范例中的納米二甲戊樂靈懸浮劑產品中活性成分和/或活性成分-載體復合體的脫靶運動對水生環(huán)境具有潛在的風險?；钚猿煞?納米載體復合體在土壤中的歸屬和行為的概念模型已確定此制劑與二甲戊樂靈的傳統(tǒng)制劑相比活性成分的持效期有增加的潛力。此模型也顯示由于移動性更大的聚丙烯酸酯納米顆粒載體的運輸，活性成分滲入土壤的深度增加。因此，與傳統(tǒng)制劑相比，納米制劑中的二甲戊樂靈到達地下水的量增加。

評估的風險分析階段的首要任務為確定活性成分-納米載體復合體在土壤中的持久性。這樣就可以進一步做出有關暴露評估和危險性評估的策略。因此，對產品的生態(tài)風險最初分析將集中評估活性成分-納米載體復合體在土壤中的持久性的數據。如果此數據缺少，且沒有有用的參考數據，可能有必要評估復合體在土壤中的持久性。一旦評估了此重要特性，界定問題可能需要改進。例如，如果復合體被測定為在應用后不具有持久性，風險分析可能就可縮減，因為認為納米產品的風險與二甲戊樂靈的傳統(tǒng)制劑沒有顯著差異。反之，如果最初評估表明活性成分-納米載體復合體在土壤的持久性中等，在土壤和水中遷移顯著，那么風險分析階段可能需要考慮納米制劑的特定環(huán)境歸屬和影響數據。

4 界定問題是一個迭代過程

界定問題提供了重要的機會來正確地確定風險評估的范圍和統(tǒng)一風險評估經理和決策制定者的需求，這些人最后確定化學產品如何和何時安全引入市場。上面提及的方法是基于一系列能引導過程的一般問題。重要一步是確定描述納米農藥制劑新穎特性的必要信息。制劑中使用納米材料(例如納米載體)能夠顯著改變活性成分在土壤中的歸屬，筆者介紹了簡單的框架，此框架有助于風險技術顧問在已知活性成分的持效期和移動性和納米農藥的持久性的基礎上確定制劑可能如何影響活性成分的移動性和持效期。

界定問題受被評估產品和應用環(huán)境特性的引導。風險評估的界定問題階段的1個重要特點是重復性。對于傳統(tǒng)化學品，重復循環(huán)過程可以縮減，因為有大量可用于界定最初風險評估假設的相關經驗。已很好地掌握了影響最主要類別化學物質的環(huán)境歸屬和作用的主要因素，在幾十年的實踐中已確定了影響生態(tài)風險的最主要因素。然而，對于非傳統(tǒng)化學物和/或新穎暴露情況，經常需要修正在界定問題階段作出的最初風險評估假設，并修正風險分析計劃。這個重復方法也可能對監(jiān)管評估納米農藥重要，因為截至目前為止，很少有納米農化產品登記。