納米殺蟲劑及其在農(nóng)業(yè)害蟲防治中的應(yīng)用

張大俠,潘壽賀,白海秀,杜 江,劉 峰,*,侯有明,*

(1.福建農(nóng)林大學(xué)植物保護學(xué)院,閩臺作物有害生物生態(tài)防控國家重點實驗室,福州 350002;2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護學(xué)院,山東省高校農(nóng)藥毒理與應(yīng)用技術(shù)重點實驗室,山東泰安 271018; 3.山東醫(yī)藥技師學(xué)院,山東泰安 271018)

害蟲防治是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)，對保障國家糧食安全具有重要意義，而長期的低農(nóng)藥利用率導(dǎo)致殺蟲劑的使用劑量越來越高，對生態(tài)環(huán)境和人類健康造成嚴(yán)重威脅，迫切需要新技術(shù)來克服這些問題。納米技術(shù)出現(xiàn)后，人們寄希望于新技術(shù)能使殺蟲劑的使用更高效、更安全。

納米技術(shù)在物理學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、化學(xué)和工程學(xué)等學(xué)科已得到廣泛應(yīng)用。近年來，面對食品安全、環(huán)境壓力、糧食短缺等多方面的壓力，各國政府都希望在糧食增產(chǎn)的同時，投入更少的農(nóng)藥，提高環(huán)境和食品的安全性。在新化合物研發(fā)和投產(chǎn)難度不斷加大的形勢下，基于納米技術(shù)開發(fā)的納米農(nóng)藥具有的一系列特點使其在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域受到極大關(guān)注(Gomollón-Bel,2019)。納米農(nóng)藥是將具有殺蟲、殺菌、除草作用的活性成分，通過物理、化學(xué)或物理化學(xué)等手段，使活性成分以納米尺度存在于制劑中的農(nóng)藥形態(tài)。納米農(nóng)藥的制劑形態(tài)主要包括4大類：納米乳液、納米懸浮劑、納米微囊和納米顆粒。載體是決定納米農(nóng)藥性能的主要因素，通常是“軟”納米載體，如聚合物、固體脂質(zhì)體，也有“硬”納米載體，如二氧化硅納米顆粒、碳納米管、石墨烯等；大多數(shù)有效成分是有機物分子，也有一些以金、銀、銅等無機物分子為活性成分。

近幾年，國內(nèi)外學(xué)者在利用納米農(nóng)藥進行有害生物防治方面進行了大量研究，其中大多數(shù)是關(guān)于害蟲的防治，其次是植物病害的防治；大多數(shù)研究集中在生物活性的測定(Liuetal.,2016;Wang AQetal.,2018)，驗證田間藥效的研究較少。本文對納米殺蟲劑的應(yīng)用優(yōu)勢、作用方式和途徑、以及納米殺蟲劑與植物互作增強殺蟲作用等方面的研究進展進行了綜述，并從納米殺蟲劑潛在的環(huán)境風(fēng)險、產(chǎn)業(yè)化面臨的問題及驗證田間應(yīng)用效果的迫切性等角度對納米殺蟲劑的研究方向提出了見解，對納米傳感器在農(nóng)業(yè)害蟲防治中的應(yīng)用潛力做了展望，以期為納米技術(shù)在農(nóng)業(yè)害蟲防治中的發(fā)展提供參考。

1 納米殺蟲劑的應(yīng)用優(yōu)勢

相比于常規(guī)殺蟲劑，納米化殺蟲劑與之有相似或更高的活性(Anjalietal.,2010;Grilloetal.,2014;Sainietal.,2014;de Oliveiraetal.,2015;Liuetal.,2015;Kahetal.,2018;Sabry and Ragaei,2018)?？勺鳛榧{米殺蟲劑活性成分的物質(zhì)包括：有機農(nóng)藥(如阿維菌素、吡蟲啉、氯蟲苯甲酰胺等)，植物源農(nóng)藥(印楝素、香茅醇)，及核酸農(nóng)藥，此外，納米金屬和金屬氧化物(金、銀、銅)也具有殺蟲活性；研究較多的害蟲防治對象，包括鱗翅目害蟲(Forimetal.,2013)、螨類(Pengetal.,2019)、蚊子(Muruganetal.,2015a,2015b)和蜱蟲(Marimuthuetal.,2011)。

目前，納米殺蟲劑被發(fā)掘的優(yōu)勢主要有：

(1)納米殺蟲劑的顆粒小、表面積大，提高了生物利用度。農(nóng)藥的覆蓋程度對藥效影響非常大，因為有害生物的定位或定殖位置存在不確定性，因此，盡可能擴大殺蟲劑在受保護植物上的覆蓋面積，可提高有害生物接觸藥劑的幾率(Luoetal.,2018)。

(2)納米載體的負載提高了有效成分的穩(wěn)定性，防止快速降解。如阿維菌素(Wang AQetal.,2018;Wang GDetal.,2018)和高效氯氟氰菊酯(Liuetal.,2016)納米制劑的研制。

(3)可提供響應(yīng)型控釋系統(tǒng)，活性成分可被pH值、氧化還原反應(yīng)、酶、光、溫度等因素觸控釋放。選擇的觸控因素應(yīng)存在于農(nóng)藥應(yīng)用環(huán)境中，且控釋行為利于提高藥效，目前應(yīng)用較多的pH控釋功能，是利用鱗翅目害蟲中腸的堿性環(huán)境來控制釋放(Gaoetal.,2019)；氧化還原反應(yīng)和酶控制釋放的功能也受到了關(guān)注(Kaziemetal.,2017;Guanetal.,2018)。

(4)納米載體的尺度優(yōu)勢和表面結(jié)構(gòu)多樣性促進了植物對活性成分的吸收和轉(zhuǎn)運而提高利用率。如利用糖基或氨基酸修飾的納米載體可運載有機農(nóng)藥、植物源農(nóng)藥和核酸農(nóng)藥進入植物體(劉俊,2005;Jiaetal.,2017;Wang GDetal.,2018)。

(5)納米技術(shù)可提高殺蟲劑在植物葉片上的持效期，納米尺度的顆粒很容易沉積并粘附在葉片的溝槽內(nèi)，提高了殺蟲劑的抗雨水沖刷能力；同時，載體材料的遮光作用也可提高活性成分的抗光解能力。Rao等(2018)利用此優(yōu)勢，以氫氧化鎂納米顆粒為載體將蘇云金芽孢桿菌Bacillusthuringiensis(Bt)活性蛋白在棉花葉片上的粘附性提高了59%，對棉鈴蟲Helicoverpaarmigera的防效提高了75%。

圖1顯示了納米殺蟲劑在田間防治害蟲的多種途徑。納米殺蟲劑不僅可直接作用于害蟲，還可被植物吸收傳導(dǎo)而提高農(nóng)藥利用率，促進藥物的分布，大大增加了害蟲接觸藥劑的幾率。納米技術(shù)還為核酸農(nóng)藥提供了優(yōu)秀的載體，通過調(diào)控寄主植物特定基因的表達，達到保護植物的目的。納米傳感器由于其超靈敏的特點，正在被用于組建害蟲預(yù)警系統(tǒng)，實現(xiàn)精確施藥，將大大減少農(nóng)藥用量。同時，殺蟲劑被納米載體負載后，其環(huán)境安全性和環(huán)境歸趨也發(fā)生改變?？梢?，納米殺蟲劑在農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中可與多個維度的靶標(biāo)互作以發(fā)揮其優(yōu)勢。

圖1 在農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中利用納米技術(shù)治理害蟲的示意圖Fig.1 Schematic diagram of controlling insect pests with nanotechnologies in agricultural system

2 納米殺蟲劑的作用方式和途經(jīng)

胃毒作用和觸殺作用是殺蟲劑引起致毒效應(yīng)的主要方式，納米殺蟲劑同樣依賴于這兩種作用途徑。本文將以這兩種作用方式為主線，概括納米化提高殺蟲劑應(yīng)用效果的機制。

2.1 納米殺蟲劑的載體可對害蟲造成傷害

首先，尺度效應(yīng)和表面電荷效應(yīng)增加了納米顆粒在蟲體表面的粘附性能。粘附在蟲體表面的納米顆粒會損害昆蟲體壁，對此報道最多的是納米二氧化硅，雖然它在自然界中是惰性的，被美國食品和藥物管理局認(rèn)為是一種生物相容的材料，但功能修飾后的二氧化硅納米顆粒會對昆蟲的角質(zhì)層水屏障造成損害，導(dǎo)致昆蟲表皮被破壞而失水干癟死亡(Bariketal.,2008)。此外，二氧化硅可增加食物對害蟲的口器和腸道的磨損，不僅會降低殺蟲劑的適口性，還會降低昆蟲的消化效率，該過程雖未導(dǎo)致害蟲死亡，但會降低害蟲的取食率和取食速度，從而降低危害(Huntetal.,2008)。除物理損傷外，二氧化硅納米顆粒在中腸中還會由于硅氧鍵的斷裂而裂解成自由基粒子如Si,SiO,Si+或SiO-，破壞昆蟲的組織器官(Forkpahetal.,2014)，分別利用聚乙二醇辛基苯基醚(Triton X-100)、溴化十六烷基三甲銨(CTAB)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)對二氧化硅納米顆粒進行表面親水化修飾，均會增加其對昆蟲體內(nèi)的碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、幾丁質(zhì)酶和酚氧化酶的代謝活動的擾亂作用，進而提高二氧化硅的殺蟲活性，降低棉鈴蟲的化蛹率和成蟲羽化率，并導(dǎo)致部分蛹出現(xiàn)畸形(Ayoubetal.,2017)。此外，可用來構(gòu)建納米載體的納米金屬氧化物，如氧化鋅、氧化銅和氧化鈣納米顆粒，當(dāng)其進入蟲體后，會引發(fā)生物體的應(yīng)激反應(yīng)，影響氨基酸、糖類、脂質(zhì)、酚氧化酶等生理代謝，甚至破壞昆蟲的腸道表皮細胞和角質(zhì)層而導(dǎo)致害蟲死亡(Ayoubetal.,2018)。

可見，納米殺蟲劑的載體本身可通過物理或化學(xué)作用影響昆蟲的生理和代謝活性，因此有助于提高納米殺蟲劑的殺蟲活性。此外，利用納米顆粒的物理作用達到殺蟲或抑蟲效果，可避免害蟲抗藥性的產(chǎn)生，減少有機農(nóng)藥的使用，該部分內(nèi)容值得進一步研究。

2.2 納米殺蟲劑可實現(xiàn)靶向遞藥而提高利用率

將昆蟲的消化過程與農(nóng)藥靶向遞藥技術(shù)相結(jié)合，通過昆蟲微環(huán)境中的特異因子對環(huán)境響應(yīng)型載體的刺激，在目標(biāo)部位特異性釋放負載的活性分子，有助于提高有效成分的利用率。再者，害蟲的天敵大多數(shù)不是植食性昆蟲，通過昆蟲微環(huán)境響應(yīng)型功能將天敵昆蟲與殺蟲劑進行了有效隔離，可減少殺蟲劑對天敵昆蟲的傷害。

環(huán)境響應(yīng)功能是控釋載體賦予有效成分智能化釋放的基礎(chǔ)，已報道的有pH值、溫度、光、酶、氧化還原反應(yīng)等響應(yīng)型控釋功能。針對鱗翅目害蟲重點關(guān)注昆蟲中腸的堿性環(huán)境，開發(fā)pH值響應(yīng)型控釋系統(tǒng)。具有pH值響應(yīng)功能并可用于構(gòu)建納米控釋載體的材料或基團有羧甲基殼聚糖(Songetal.,2019)、偶氮鍵(Rosenbaueretal.,2010)和琥珀酰亞胺基(Hilletal.,2015)等。以聚檸檬酸為嵌段的聚乙二醇共聚物形成的三嵌段線性樹枝狀結(jié)構(gòu)包封制備了納米吡蟲啉，其在pH 10條件下釋放明顯更快，相對于常規(guī)劑型納米吡蟲啉對桑絹野螟Diaphaniapyloalis的活性提高了約5倍(Memarizadehetal.,2014)。Peng等(2019)以異佛爾酮二異氰酸酯和聚乙二醇為單體制備了pH值響應(yīng)型丁氟螨酯聚氨酯納米微囊，在田間條件下對柑桔全爪螨Panonychuscitri的防效提高了20%～30%。

咀嚼式口器昆蟲的唾液腺和中腸中存在的α-淀粉酶可以分解淀粉中的α-1,4糖苷鍵，從而生物降解淀粉，以此來控制藥物的集中釋放，提高藥物利用率。Kaziem等(2017,2018)將α-環(huán)糊精接枝到空心介孔二氧化硅表面制備了對α-淀粉酶有響應(yīng)特性的納米載體，并分別負載了氯蟲苯甲酰胺和阿維菌素，提高了有效成分的耐光和耐熱性能，持效性試驗證明該控釋體系將有效成分對小菜蛾P(guān)lutellaxylostella的防效提高了30%～40%。此外，氧化還原反應(yīng)響應(yīng)機制是利用生物體內(nèi)存在的谷胱甘肽作為刺激因素，來降解載體骨架內(nèi)的二硫鍵，造成載體裂解而釋放負載的藥物，二硫鍵可結(jié)合到納米二氧化硅和聚氨酯等載體上形成響應(yīng)型載體(Yietal.,2015;Guanetal.,2018)。Liang等(2020)將羧基改造的淀粉橋接到含二硫鍵的二氧化硅納米顆粒上獲得了對氧化還原反應(yīng)和α-淀粉酶雙重響應(yīng)的納米載體，并成功負載了阿維菌素，該納米體系對小菜蛾的防治效果比阿維菌素乳油高約30%。

2.3 納米技術(shù)提高了天敵的捕食率

利用天敵進行生物防治是一種理想的防治措施，而納米殺蟲劑可促進天敵的捕食作用，如：非常低劑量(1～3 mg/L)的金納米顆粒和銀納米顆粒負載的植物源殺蟲劑的處理，會促進魚類、蜻蜓和橈足類等天敵對幾類蚊子(按蚊Anopheles，伊蚊Aedes和庫蚊Culex)幼蟲的捕食(Muruganetal.,2015a,2015b;Benellietal.,2016)。與常規(guī)植物源殺蟲劑相比，香茅醇-金納米粒子、印楝素-銀納米粒子不僅對埃及伊蚊Aedesaegypti幼蟲的毒力提高了約10～30倍，還提高了天敵(翹足類Mesocyclopsaspericornis)對蚊子幼蟲的捕食率約20%(Chandramohanetal.,2015;Muruganetal.,2015a)。

納米殺蟲劑與天敵配合使用的應(yīng)用較少，但應(yīng)注意天敵生物接觸到納米殺蟲劑處理過的害蟲是否會引發(fā)后續(xù)的副作用。農(nóng)藥對非靶標(biāo)生物的影響是評價甚至決定其是否能繼續(xù)使用的重要標(biāo)準(zhǔn)。Murugan等(2016)發(fā)現(xiàn)碳納米顆粒濃度大于25 mg/L就可能對魚的紅細胞造成損傷。Chandramohan等(2015)也發(fā)現(xiàn)印楝素銀納米顆粒會影響魚的紅細胞。但是，藥物粒徑減少并不完全意味著毒性的增強，如：高效氯氟氰菊酯殼聚糖納米微囊納米粒徑的樣品與微米粒徑的樣品對斑馬魚Daniorerio的毒性并沒有差異(Meredithetal.,2016)。提高殺蟲劑對有害生物防效的同時，不降低其對環(huán)境生物的安全性是劑型優(yōu)化和精準(zhǔn)用藥的目標(biāo)。因此，在自然環(huán)境中評價納米顆粒對天敵昆蟲及其他非靶標(biāo)生物的安全性是必要的，這方面的研究還十分缺乏。

2.4 納米技術(shù)與生物技術(shù)結(jié)合調(diào)控基因表達

近年來，利用納米技術(shù)遞送生物分子來控制害蟲成為研究熱點。RNA干擾技術(shù)因其高度的序列依賴性而被認(rèn)為是一種新的、安全的害蟲防治策略(王治文等,2019)，研究證明蚊子的幼蟲取食由殼聚糖納米顆粒負載的dsRNA后，dsRNA可在幼蟲體內(nèi)表達，并特異性地干擾昆蟲的系統(tǒng)發(fā)育(Zhangetal.,2010;Mysoreetal.,2014)。針對dsRNA在植物體外施用不穩(wěn)定及系統(tǒng)性遞送差的問題，納米技術(shù)被采用且表現(xiàn)出應(yīng)用潛力。Yan等(2019)以陽離子型的聚氨基酸為載體構(gòu)建了dsRNA納米遞藥系統(tǒng)并用于防治大豆蚜Aphisglycines，發(fā)現(xiàn)納米載體負載使dsRNA在大豆蚜體壁上的滲透能力提高了3～4倍，對目標(biāo)基因的沉默效率達到58%～87%，點滴和噴霧兩種施藥方法對大豆蚜的防效均在78%以上。

利用納米載體運送DNA有望部分替代轉(zhuǎn)基因作物的功能。碳納米管負載的DNA可穿透植物的細胞壁和細胞膜，并獲得蛋白瞬時表達(Demireretal.,2019;Kwaketal.,2019)。多聚賴氨酸淀粉納米粒子(劉俊,2005)、硫化鋅和二氧化硅納米載體(李魯華,2012)也可實現(xiàn)類似的功能。趙翔(2015)以磁性納米顆粒為載體，將BtΔα-Cpti融合抗蟲基因整合進入棉花基因組，并實現(xiàn)了抗蟲蛋白的高效表達，還發(fā)現(xiàn)該基因在后代植株中可穩(wěn)定遺傳。DNA不僅可作為核酸農(nóng)藥的生物分子，還可被用作載體運送其他生物分子。DNA可構(gòu)建納米結(jié)構(gòu)在動物體內(nèi)遞送藥物(Lietal.,2013;Sunetal.,2015)，還可構(gòu)建10 nm的多種形狀的結(jié)構(gòu)，有效負載dsRNA后穿透植物的細胞壁和細胞膜，防止dsRNA在細胞內(nèi)被降解，并最終沉默植物的靶標(biāo)基因(Zhangetal.,2019)?？梢姡{米技術(shù)和生物技術(shù)結(jié)合在防治農(nóng)業(yè)害蟲方面的應(yīng)用潛力巨大。

3 納米殺蟲劑與植物互作增強殺蟲作用

農(nóng)藥施用后，大部分農(nóng)藥不會直接沉積到蟲體表面，而是害蟲在載藥的植物體上爬行或取食產(chǎn)生致毒作用。因此，農(nóng)藥在植物體上的行為對其應(yīng)用效果影響很大。

3.1 納米載體負載可提高殺蟲劑在植物表面的利用率

粒徑是影響農(nóng)藥生物活性的重要參數(shù)，粒徑減小有利于提高藥劑在植物上的分布面積，增加害蟲接觸藥物的概率，提高藥物在植物表面和蟲體上的粘附性能(Luoetal.,2018)。藥物粒子越小，覆蓋面積越大，若將納米顆粒近似成球體，直徑由1 μm縮小為100 nm時，顆粒數(shù)量增加了1 000倍，表面積擴大了100倍。因此，納米化可明顯地提高害蟲接觸藥物的概率，提高藥效。

沉積在植物表面的藥物因雨水和光照等不利因素導(dǎo)致?lián)p耗或分解，因此，藥物在葉面上的抗雨水沖刷和抗光解性能的提升也有利于提高殺蟲劑的利用率。利用納米載體負載提高藥物光穩(wěn)定性的研究比較多，如：Song等(2019)利用羧甲基殼聚糖修飾的納米碳為載體負載了易光解的甲氨基阿維菌素苯甲酸鹽(甲維鹽)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，納米載體負載后甲維鹽在紫外光照下半衰期延長了約200倍，藥后14 d對玉米粘蟲Mythimnaseparata的防效提高了約50%。納米技術(shù)提高藥物在葉片上的粘附性能主要有以下途徑：(1)納米粒徑的藥物容易沉積在葉片表面的溝槽內(nèi)(Zhaoetal.,2019)；(2)納米顆粒所帶電荷促進其被植物體吸附(Bomboetal.,2019)；(3)粘附性材料修飾增加納米顆粒的粘附性(Jiaetal.,2014)。藥劑持留性能的提升對葉部害蟲的防治具有重要意義。

3.2 納米殺蟲劑更容易被植物吸收利用

農(nóng)藥被植物吸收，不僅可促進農(nóng)藥的分布，還可防治隱藏在植物組織內(nèi)部的害蟲，及刺吸式口器等取食植物汁液的害蟲。傳統(tǒng)制劑中藥物被植物吸收主要依賴于藥物本身的分子特性，而納米技術(shù)則可以增強植物對殺蟲劑的吸收和輸導(dǎo)。納米顆?？赏ㄟ^葉片或根系進入植物，借助蒸騰作用攜帶藥物實現(xiàn)轉(zhuǎn)移(Prasadetal.,2017;Bomboetal.,2019)。納米顆粒主要通過氣孔和毛狀體的基部進入葉肉，然后轉(zhuǎn)移到各組織，由于植物細胞壁帶負電荷，所以帶負電荷的納米顆粒容易在葉肉中滲透移動(Eichertetal.,2008;Zhuetal.,2012;Nguyenetal.,2014)；根系會釋放粘液和帶有電荷的氨基酸或有機酸，納米顆粒通過表面性能與根系之間存在粘附性能、靜電吸附和親和作用，導(dǎo)致納米顆粒容易吸附在根系表面(Maetal.,2010;Ricoetal.,2011;Remédiosetal.,2012)。根系吸收納米顆粒通過皮層和中柱鞘到達木質(zhì)部，該過程取決于細胞壁孔徑、納米顆粒大小和納米顆粒的表面性能(Nairetal.,2010;Duetal.,2017)。納米粒子在植物體內(nèi)傳導(dǎo)的研究大多是關(guān)于金屬納米粒子、碳納米粒子的(粒徑一般小于100 nm)，關(guān)于以聚合物為載體的納米殺蟲劑的植物傳導(dǎo)研究相對較少(Tongetal.,2017)，可能是由于此類納米顆粒的粒徑相對較大(一般為100～800 nm)，不易在植物體內(nèi)傳導(dǎo)。

對載體進行功能化修飾有利于提高藥物在植物體內(nèi)的輸導(dǎo)作用。Xie等(2016)以甘氨酸為載體，并使甘氨酸與氟蟲腈發(fā)生共軛，發(fā)現(xiàn)該共軛聚合物可誘導(dǎo)植物體內(nèi)甘氨酸轉(zhuǎn)運蛋白的過表達，因而提高氟蟲腈在蓖麻體內(nèi)的輸導(dǎo)作用。該研究利用了氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白對氨基酸的識別和轉(zhuǎn)運功能。Wang GD等(2018)將該技術(shù)應(yīng)用到納米聚合物載體的構(gòu)建上，通過將阿維菌素包裹在甘氨酸修飾的甲酯聚丁二酰亞胺納米粒內(nèi)，實現(xiàn)了藥物在植物體內(nèi)的傳導(dǎo)，明顯提高了對小菜蛾的防效。

充分利用植物對納米殺蟲劑的輸導(dǎo)作用，促進藥物在植株體內(nèi)均勻分布，對防治隱蔽性和移動性較強的害蟲，如對防治薊馬、跳甲、粉虱等害蟲的應(yīng)用潛力很大，這方面的應(yīng)用研究還有待加強。同時也應(yīng)注意作為外源物質(zhì)的納米顆粒進入植物體內(nèi)可能促進或抑制植物的生長，這種影響與納米顆粒和植物種類都有關(guān)系，如：甘氨酸-甲酯聚丁二酰亞胺納米顆粒可促進水稻植株的生長(Wang GDetal.,2018)，而氧化銅納米顆粒會減弱水稻的根長、長勢和光合作用(da Costa and Sharma,2016)，毒性依賴于植物的種類、生長條件、暴露時間以及粒子的大小和濃度(Karlssonetal.,2009)；氧化銅納米顆粒抑制轉(zhuǎn)Bt基因作物生長的同時也會促進抗蟲蛋白的表達(Vanetal.,2016;Katsumitietal.,2018)。因此，選擇載體時應(yīng)綜合考慮應(yīng)用效果及對作物的安全性。

4 小結(jié)與展望

4.1 納米殺蟲劑在植物體內(nèi)的傳導(dǎo)性能應(yīng)被合理利用

納米殺蟲劑可被植物的根、葉吸收，并在體內(nèi)累積和傳導(dǎo)，這一特點有利于提高農(nóng)藥的利用率，特別是有利于農(nóng)藥進入植株體內(nèi)，有效控制刺吸式害蟲和植物病害。根系吸收是納米顆粒進入植物體的主要途徑，被吸收的納米顆粒，可能會借助蒸騰作用向上傳導(dǎo)到地上部分(Linetal.,2009;Nairetal.,2010)，這一途徑可改變某些農(nóng)藥的使用方式，即通過地下施藥防治地上害蟲。關(guān)于葉片吸收納米農(nóng)藥的研究較少，納米農(nóng)藥可通過葉片上的氣孔和毛狀體的基部進入，這些顆粒可在胞間連絲中移動也可能進入葉肉細胞，主要由顆粒的粒徑?jīng)Q定，一般來說，小于20 nm的納米顆粒才能穿過細胞壁進入植物細胞(Navarroetal.,2008;Bomboetal.,2019)。目前還未見到由地上部分向根部運輸納米顆粒的報道。

這一特點是否會導(dǎo)致納米殺蟲劑的殘留甚至在植物中遺傳(Linetal.,2009;倪洪濤等,2019)應(yīng)引起足夠的重視。因此，在掌握納米載體性能的基礎(chǔ)上，選擇適合的載體類型以對應(yīng)作物和應(yīng)用場所非常關(guān)鍵。

4.2 評價納米殺蟲劑的環(huán)境風(fēng)險非常必要

納米制劑可緩慢釋放移動性太強或不穩(wěn)定的有效成分，通常釋放速度會減慢4倍左右，也有特殊情況，如：聚乙二醇類聚合物負載吡蟲啉得到的納米體系在水中的釋放速度減慢了上百倍(Adaketal.,2012)。對于具有控釋功能的納米藥物，需在較長的期限內(nèi)評價其性能。但室內(nèi)的釋放試驗一般是在有機溶劑或有機溶劑與水的混合物中進行，此條件無法替代田間的釋放。由于田間條件的復(fù)雜性和不可重復(fù)性，評價藥物在自然環(huán)境下的釋放特性是非常困難的，只能通過光解作用、生物活性的變化、土壤降解等試驗(Zhangetal.,2016)，來間接地研究納米制劑的釋放規(guī)律。

載體的環(huán)境安全性也應(yīng)受到重視。納米殺蟲劑常用載體如納米二氧化硅、納米碳以及金屬納米顆粒在自然環(huán)境中的降解、轉(zhuǎn)移、富集等行為，都可能對環(huán)境生物的生存造成威脅(Jiangetal.,2015;Muruganetal.,2016)。已有研究表明，碳納米管、納米銀、納米氧化鋅都會對魚類產(chǎn)生急性毒性或富集在魚體的內(nèi)臟，甚至影響魚類的生殖，對藻類、大型溞等水生生物也存在負面影響(Smithetal.,2007;Usenkoetal.,2008;Jangetal.,2014)。金屬納米顆?？赡芙档图毎さ耐ㄍ感?，導(dǎo)致細胞功能喪失和細胞死亡；Rai等(2009)認(rèn)為可能是由于納米銀與細胞內(nèi)的蛋白質(zhì)中的硫或DNA中的磷結(jié)合，導(dǎo)致細胞器和酶的快速變性；Amro等(2000)則認(rèn)為可能是由于銀離子影響了細胞膜上的多糖和蛋白質(zhì)的功能。因此，在選擇納米載體時應(yīng)考慮載體的生態(tài)安全性及環(huán)境歸趨。值得注意的是，上述納米粒子對生物的毒性影響都存在劑量-效應(yīng)關(guān)系，而且納米材料與實際環(huán)境中的其他物質(zhì)相互作用表現(xiàn)出來的環(huán)境效應(yīng)才是更應(yīng)受到關(guān)注的問題。

與常規(guī)尺度殺蟲劑不同，納米殺蟲劑的性能(如毒性、吸收、生物利用度)取決于包括化學(xué)成分在內(nèi)的許多變量，如載體材料、粒徑分布、納米顆粒濃度、電位電勢等。納米殺蟲劑可能由于減少農(nóng)藥用量而降低對環(huán)境的危害，另一方面，納米殺蟲劑在田間大量應(yīng)用，也可能導(dǎo)致新的水體和土壤污染，目前還沒有一項綜合研究來評估納米殺蟲劑的環(huán)境行為。考慮到納米殺蟲劑的環(huán)境行為和致毒過程可能不同于傳統(tǒng)殺蟲劑，有必要對納米殺蟲劑開展新的或更精細的風(fēng)險評估。

4.3 納米殺蟲劑的產(chǎn)業(yè)化難度大

納米殺蟲劑的應(yīng)用難度主要體現(xiàn)在以下幾方面：

(1)工業(yè)化生產(chǎn)難度大。目前研究和利用最多的是納米二氧化硅載體，盡管在合成、修飾、活性研究等方面取得了重大進展，但大多數(shù)制備過程過于精細，導(dǎo)致很難實現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)(Ayoubetal.,2017)，其他制備納米農(nóng)藥的工藝大都存在同樣的問題。因此，亟需開發(fā)適合工業(yè)化的生產(chǎn)工藝。近年來，病毒顆粒作為納米農(nóng)藥的載體表現(xiàn)出一定的應(yīng)用潛力。研究者利用植物病毒紅三葉草壞死花葉病毒(red clover necrotic mosaic virus,RCNMV),煙草輕型綠花葉病毒(tobacco mild green mosaic virus,TMGMV),豇豆花葉病毒(cowpea mosaic virus,CPMV) 和酸漿花葉病毒(physalis mosaic virus,PhMV)負載了阿維菌素、結(jié)晶紫和熒光染料Cyanine 5，以此來提高有機物在土壤中的移動能力(Caoetal.,2015;Chariou and Steinmetz,2017;Chariouetal.,2019)。其中，TMGMV已獲得美國國家環(huán)境保護局(United States Environmental Protection Agency,USEPA)批準(zhǔn)由BioProdex工業(yè)化生產(chǎn)，并在佛羅里達州作為一種除草劑商品(Solvinix)使用(Charudattan and Hiebert,2007;Charudattanetal.,2009)，在311個物種的435種植物上進行了Solvinix的安全性測試，其中只有8%的植物被殺死(Charudattan and Hiebert,2007)?？梢?，一方面植物病毒存在危害農(nóng)作物的危險，但同時也發(fā)現(xiàn)該病毒載體可用于更多的植物，通過驗證病毒和宿主之間的選擇性，證明了病毒顆粒作為載體在農(nóng)業(yè)上應(yīng)用的可行性。

(2)企業(yè)推廣納米殺蟲劑的動力小。目前，納米殺蟲劑在設(shè)備投入、生產(chǎn)成本及藥效方面和常規(guī)劑型綜合比較，優(yōu)勢不明顯。

(3)獲得正式登記還存在一些困難。如：沒有正式的劑型名稱，缺少專門的環(huán)境評價準(zhǔn)則等。

(4)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)還不健全。納米材料是指在三維空間中至少有一個維度上小于100 nm的顆粒，而歐盟定義納米農(nóng)藥制劑中50%的顆粒必須小于100 nm，才屬于納米農(nóng)藥的范疇。因此，需要根據(jù)我國的國情，針對納米農(nóng)藥的尺寸等參數(shù)制定適合的標(biāo)準(zhǔn)。

4.4 需開展更多的田間驗證試驗

在納米殺蟲劑的配方開發(fā)研究中，將納米殺蟲劑與相同有效成分的傳統(tǒng)劑型進行藥效比較，對評價新制劑的應(yīng)用性能和推廣價值至關(guān)重要。對于具有控制有效成分釋放性能的產(chǎn)品，則需在更長的期限內(nèi)對藥劑進行評估(Aoetal.,2013;Wibowoetal.,2014)。目前，納米農(nóng)藥的研究大多數(shù)都集中在配方篩選、實驗室制備及室內(nèi)測試，進行田間試驗應(yīng)用得較少；納米殺蟲劑的防治對象大多是鱗翅目害蟲、蚊子，對其他害蟲的應(yīng)用潛力還有待開發(fā)。因此，迫切需要在農(nóng)田環(huán)境中評價納米制劑的性能及其對環(huán)境生態(tài)的影響。

4.5 納米傳感器在農(nóng)業(yè)害蟲的監(jiān)測中具有應(yīng)用潛力

蟲害的防治策略是以防為主，在蟲害發(fā)生初期采取措施非常關(guān)鍵，應(yīng)盡早準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)害蟲，在時間和空間上進行精確施藥。尤其昆蟲是病毒的重要傳播媒介，盡早防治非常關(guān)鍵。然而，這一點很難做到，因為氣候等因素，農(nóng)民很難把握蟲害的發(fā)生規(guī)律，當(dāng)看出危害時，蟲情已經(jīng)嚴(yán)重了。

納米傳感器用于農(nóng)業(yè)害蟲的監(jiān)測有希望成為一種新的農(nóng)業(yè)管理手段。在農(nóng)田遍布傳感器，對作物正在遭受的危害進行預(yù)警，可幫助農(nóng)民精確掌握農(nóng)田每個部分的作物生長情況，遠程監(jiān)測農(nóng)作物害蟲或其他不利因素的影響，納米傳感器將連接到北斗系統(tǒng)或GPS系統(tǒng)進行實時觀測，從而幫助農(nóng)民做出最佳決策(Chen and Yada,2011;Bakeretal.,2017)，該體系有助于實現(xiàn)“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)”和“智能農(nóng)業(yè)”。該技術(shù)被提出后受到廣泛關(guān)注，但到目前為止仍未有系統(tǒng)的研究或成熟的產(chǎn)品問世。

該技術(shù)主要由昆蟲識別系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)和遙感設(shè)備組成，而該技術(shù)最大的難點在于昆蟲的準(zhǔn)確識別，需考慮到傳感器的特異性、靈敏度和穩(wěn)定性。納米傳感器靈敏度高、速度快，已被用于檢測不健康和健康狀態(tài)下的差異蛋白產(chǎn)量，來監(jiān)測谷物霉變產(chǎn)生的化學(xué)物質(zhì)(Mousavi and Rezaei,2011)。將昆蟲的生物學(xué)特征結(jié)合到納米傳感器中，將有助于增加傳感器的敏感性和特異性。昆蟲信息素影響著昆蟲的飛行、定位、交配等行為，且具有一定的特異性，針對昆蟲信息素進行監(jiān)測，具有一定的可行性。Steffens等(2014)利用昆蟲觸角傳感器技術(shù)，以聚苯胺納米纖維結(jié)構(gòu)作為受體可檢測到空氣中微量的蜜蜂信息素2-庚酮，并證明了該系統(tǒng)對其他揮發(fā)物具有特異性，作者認(rèn)為該傳感技術(shù)可用于農(nóng)田害蟲的監(jiān)測和治理。如何把對底物和昆蟲信息素的結(jié)合轉(zhuǎn)換成電磁信號，進而組建完整的農(nóng)業(yè)傳感器系統(tǒng)，還需進一步研究。

該技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)田系統(tǒng)，將通過及早控制減少病蟲害發(fā)生，相比于傳統(tǒng)施藥方式大大減少農(nóng)藥用量(Ghormadeetal.,2011)。基于納米技術(shù)的農(nóng)業(yè)傳感器系統(tǒng)仍處于基礎(chǔ)研究階段，雖未完全實現(xiàn)，但納米技術(shù)支持的微型傳感器和監(jiān)測系統(tǒng)將對未來的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)生重大影響。

納米技術(shù)在農(nóng)業(yè)害蟲防治領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，其在提高殺蟲劑的活性和利用率方面優(yōu)勢明顯，特別是納米殺蟲劑在作物表面的持留行為和易被植物吸收的性能有助于提高其對農(nóng)業(yè)害蟲的防治效果；近年來，與生物技術(shù)相結(jié)合的納米遞藥系統(tǒng)在防治農(nóng)業(yè)害蟲中的表現(xiàn)令人矚目。納米技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用仍處于起步階段，大部分研究僅在實驗室階段，由于生產(chǎn)成本、工藝、設(shè)備等因素的限制，距大規(guī)模應(yīng)用還有一定距離。評價納米材料的環(huán)境安全性是非常重要的，材料種類、粒徑大小和應(yīng)用環(huán)境差異，都會影響其性能。因此，選擇無毒、生物相容性好、易降解的材料作為納米農(nóng)藥的載體非常必要。納米技術(shù)有潛力降低農(nóng)藥對環(huán)境和人類健康的影響，為糧食安全做出貢獻，使未來農(nóng)業(yè)更具可持續(xù)性。