納米農(nóng)藥的發(fā)展現(xiàn)狀和潛在風(fēng)險(xiǎn)防范

徐春光 鄭烽

摘 ? ?要：近年來，納米技術(shù)因其小尺寸、界面效應(yīng)、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(lǐng)域的廣泛關(guān)注，是現(xiàn)階段的研究熱點(diǎn)。農(nóng)業(yè)是一個(gè)國(guó)家的根本，將納米技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，可以大大提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。然而，納米農(nóng)藥的生態(tài)毒理學(xué)研究尚不完善，對(duì)環(huán)境的安全性風(fēng)險(xiǎn)不可控，在納米農(nóng)藥推廣應(yīng)用前，有必要有效防范納米農(nóng)藥的潛在風(fēng)險(xiǎn)。文章主要闡述了當(dāng)前納米技術(shù)在農(nóng)藥領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)與發(fā)展現(xiàn)狀，淺析了納米農(nóng)藥可能存在的安全性風(fēng)險(xiǎn)因素，以期為納米農(nóng)藥的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與合理應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：納米技術(shù)；農(nóng)藥；發(fā)展現(xiàn)狀；風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防

文章編號(hào)：1005-2690（2023）14-0103-03 ? ? ? 中國(guó)圖書分類號(hào)：TQ450；TB383.1 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

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

1 納米農(nóng)藥的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 納米農(nóng)藥分類狀況

常見的納米農(nóng)藥劑型有以下3類。一是利用納米技術(shù)降低農(nóng)藥原藥的粒徑，使其顆粒大小納米化，如已有報(bào)道的納米乳液、納米分散體等。此類納米農(nóng)藥制劑的優(yōu)點(diǎn)是將農(nóng)藥原藥納米化后，能夠有效增加農(nóng)藥制劑的比表面積，提高農(nóng)藥分散性與穩(wěn)定性，減少制劑配制過程中有機(jī)溶劑及助劑的施用量。二是采用納米載體負(fù)載農(nóng)藥的方式提高部分敏感型農(nóng)藥的穩(wěn)定性，降低高毒農(nóng)藥對(duì)非靶標(biāo)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(zhǎng)持效期[5]。三是一些納米級(jí)金屬與農(nóng)藥復(fù)配具有殺菌和光催化功效，能促進(jìn)農(nóng)藥分解，減少農(nóng)藥殘留。

1.2 納米技術(shù)在農(nóng)藥中的應(yīng)用表現(xiàn)亮眼

2019年納米農(nóng)藥被IUPAC評(píng)為“將改變世界的十大化學(xué)新興技術(shù)”之首。相關(guān)研究表明，受雨水沖刷、藥液漂移等因素影響，傳統(tǒng)農(nóng)藥在農(nóng)作物上的有效利用率不足30％[6]。納米技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用是提高農(nóng)藥有效利用率、減量增效的重要手段。利用納米技術(shù)開發(fā)的納米載藥系統(tǒng)、納米級(jí)粒徑農(nóng)藥相比于傳統(tǒng)農(nóng)藥具有分散性和穩(wěn)定性好、持效期長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。具體來說，納米技術(shù)可改善難溶性農(nóng)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(diǎn)，能夠提高農(nóng)藥的葉面黏附性能，耐雨水沖刷，提高有效利用率。納米技術(shù)可用于改變農(nóng)藥對(duì)靶標(biāo)位點(diǎn)的作用方式、蟲體及病原侵入路徑，提高農(nóng)藥的生物活性與毒殺效果。通過納米技術(shù)開發(fā)的納米載藥系統(tǒng)可以做到高載藥、實(shí)現(xiàn)藥物控緩釋、延長(zhǎng)藥物的持效期等。利用納米技術(shù)可以改變農(nóng)藥在目標(biāo)作物中的降解情況，加速難降解農(nóng)藥的降解，提高高毒農(nóng)藥的生物安全性，減少農(nóng)藥殘留。

1.3 納米農(nóng)藥在發(fā)展中存在“偏科”

納米技術(shù)在農(nóng)藥領(lǐng)域的高速發(fā)展使納米農(nóng)藥成為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的前沿學(xué)科，越來越多專家、學(xué)者投入到納米農(nóng)藥的開發(fā)工作中，很大程度上解決了農(nóng)作物病蟲草害問題，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)藥減量增效的目標(biāo)。例如，利用無人機(jī)將納米農(nóng)藥運(yùn)用到飛防領(lǐng)域，提高飛防效果；利用納米材料降低高毒農(nóng)藥對(duì)蜜蜂的毒性等。然而納米農(nóng)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(nóng)藥的開發(fā)以及加強(qiáng)其對(duì)病蟲草害的防治效果方面，忽略了最為重要的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全問題。二是對(duì)納米農(nóng)藥的環(huán)境安全性評(píng)價(jià)方面的探索不足，一些納米農(nóng)藥過于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，大大提高了安全性評(píng)價(jià)的難度。三是對(duì)于納米農(nóng)藥對(duì)模式生物和環(huán)境的影響探究不足。

2 納米農(nóng)藥潛在的環(huán)境安全性風(fēng)險(xiǎn)因素

納米材料作為傳統(tǒng)農(nóng)藥的載體，本身具有一定的生物活性，進(jìn)入土壤、水體等環(huán)境中可對(duì)許多非靶標(biāo)生物產(chǎn)生毒性作用，甚至可能通過生物鏈進(jìn)行富集，對(duì)農(nóng)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(jī)制

目前針對(duì)納米材料的毒性機(jī)制研究并不完善。如今納米材料快速發(fā)展，針對(duì)納米材料對(duì)于生物體毒性機(jī)制的研究存在滯后性。已有研究表明，納米材料的毒性機(jī)制主要表現(xiàn)在4個(gè)方面。一是某些納米材料會(huì)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(yīng)激效應(yīng)。有些納米材料會(huì)產(chǎn)生活性氧，發(fā)生氧化應(yīng)激，造成功能蛋白失活，影響細(xì)胞的正常生理機(jī)能。三是納米材料的顆粒效應(yīng)。納米材料能夠穿透細(xì)胞膜，進(jìn)而影響細(xì)胞內(nèi)的正常生理活動(dòng)[7]。四是納米材料可能通過食物鏈在生物體內(nèi)不斷富集。

2.2 納米農(nóng)藥的生態(tài)毒理學(xué)風(fēng)險(xiǎn)

與傳統(tǒng)的化學(xué)農(nóng)藥相比，納米農(nóng)藥對(duì)環(huán)境生物的毒性效應(yīng)與納米材料息息相關(guān)，例如其納米材料的物理化學(xué)性質(zhì)、環(huán)境行為等方面[8]。雖然有研究表明大部分納米農(nóng)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(nóng)藥的殘留風(fēng)險(xiǎn)更高，原因有以下方面。一是納米農(nóng)藥增強(qiáng)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(shù)納米農(nóng)藥具有緩釋效果，延長(zhǎng)了農(nóng)藥的半衰期，加劇了農(nóng)藥殘留的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 環(huán)境影響納米農(nóng)藥有效性風(fēng)險(xiǎn)

復(fù)雜的環(huán)境因素對(duì)納米農(nóng)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(nóng)藥表面的電荷穩(wěn)定，造成納米農(nóng)藥聚集和沉降。沉降的納米農(nóng)藥及納米農(nóng)藥中包裹的化學(xué)農(nóng)藥對(duì)土壤微生物和水體底層棲生物產(chǎn)生潛在威脅。此外，部分納米材料具有與農(nóng)藥本身和環(huán)境污染物發(fā)生反應(yīng)的潛在能力，而對(duì)于這一方面的研究由于其具有復(fù)雜性、多樣性而基本處于空白狀態(tài)。

2.4 納米農(nóng)藥的安全性評(píng)價(jià)風(fēng)險(xiǎn)

目前對(duì)納米農(nóng)藥的安全性評(píng)價(jià)存在難點(diǎn)，傳統(tǒng)農(nóng)藥的安全性評(píng)價(jià)并不適用于全部種類的納米材料[10]。利用納米載體負(fù)載農(nóng)藥或者利用一些金屬或無機(jī)材料制成納米級(jí)微粒后與農(nóng)藥復(fù)配施用等情況，有必要慎重考慮納米載體、金屬和無機(jī)材料具有的潛在安全性風(fēng)險(xiǎn)。例如，納米載體負(fù)載農(nóng)藥后，往往會(huì)改變農(nóng)藥在環(huán)境中的暴露狀態(tài)，當(dāng)納米材料對(duì)農(nóng)藥形成包裹后，農(nóng)藥的檢測(cè)結(jié)果并不能代表其真實(shí)的狀態(tài)。此外，對(duì)納米農(nóng)藥的安全性評(píng)價(jià)不應(yīng)局限于環(huán)境因素，應(yīng)更全面和科學(xué)地考慮非靶標(biāo)生物的安全性。例如，納米農(nóng)藥對(duì)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(nóng)藥風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防

納米材料在農(nóng)業(yè)中有很好的應(yīng)用前景，在提高農(nóng)藥分散性、穩(wěn)定性、利用率和延長(zhǎng)持效期、降低殘留量方面具有潛在應(yīng)用價(jià)值，有望通過納米技術(shù)加速淘汰污染嚴(yán)重的普通化學(xué)農(nóng)藥。然而，規(guī)范使用納米材料才能有效避免納米農(nóng)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(duì)納米材料潛在的毒性機(jī)制，需建立完善的納米材料分類體系。目前已知的納米農(nóng)藥有3個(gè)類型，分別是納米化后的農(nóng)藥劑型、納米載體負(fù)載農(nóng)藥后的納米農(nóng)藥、金屬和無機(jī)材料與農(nóng)藥復(fù)配后形成的納米農(nóng)藥。有必要進(jìn)一步細(xì)分納米材料，例如納米載體的種類包括碳材料、有機(jī)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(zhì)，表面的帶電狀態(tài)不同。納米材料本身具有不同的毒性，應(yīng)對(duì)納米載體進(jìn)行細(xì)分，例如有機(jī)高分子材料具有極強(qiáng)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(nóng)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(nóng)藥產(chǎn)生毒性的路徑。

3.2 建立納米載體環(huán)境安全性評(píng)估方法

與傳統(tǒng)的化學(xué)農(nóng)藥相比，納米農(nóng)藥的環(huán)境安全性評(píng)估應(yīng)當(dāng)更加嚴(yán)謹(jǐn)。目前所研究的納米農(nóng)藥對(duì)環(huán)境安全性都有一定考慮，例如降低對(duì)非靶標(biāo)昆蟲的毒性等。然而系統(tǒng)性地分析納米農(nóng)藥對(duì)模式生物的安全性的研究較少，不同種類納米載體對(duì)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(nóng)藥大規(guī)模應(yīng)用前，根據(jù)納米農(nóng)藥的分類建立不同的納米載體環(huán)境安全性評(píng)估方法，例如明確不同類型納米農(nóng)藥所用納米材料的降解時(shí)間、模式生物L(fēng)D50等。只有被充分證實(shí)的對(duì)環(huán)境安全友好的納米農(nóng)藥，才能被允許用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。

3.3 建立納米農(nóng)藥有效性跟蹤監(jiān)測(cè)機(jī)制

復(fù)雜的環(huán)境因素對(duì)納米農(nóng)藥的有效性提出了挑戰(zhàn)，一些環(huán)境因素會(huì)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(nóng)藥大規(guī)模施用前進(jìn)行室內(nèi)研究，明確不同環(huán)境下納米材料的狀態(tài)、納米農(nóng)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(nóng)藥施用后，跟蹤監(jiān)測(cè)納米農(nóng)藥的有效性，對(duì)農(nóng)田水體、土壤、植株上有可能存在的納米農(nóng)藥殘留進(jìn)行分析，確保納米農(nóng)藥在復(fù)雜環(huán)境中的有效性。

3.4 建立納米農(nóng)藥使用安全預(yù)警體系

納米農(nóng)藥的安全性評(píng)價(jià)風(fēng)險(xiǎn)是值得注意的問題。納米農(nóng)藥普遍具有較長(zhǎng)的半衰期，以減少農(nóng)藥施用次數(shù)。目前，農(nóng)藥的安全間隔期不一定適合全部的納米農(nóng)藥。一些納米載體對(duì)農(nóng)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(zhǎng)時(shí)間滯留在載體內(nèi)，對(duì)農(nóng)藥的檢測(cè)造成了困難。對(duì)納米農(nóng)藥的檢測(cè)不僅是對(duì)農(nóng)藥進(jìn)行充分提取檢測(cè)，還要關(guān)注納米材料在果蔬上的殘留。根據(jù)納米農(nóng)藥的分類體系，應(yīng)分別建立農(nóng)藥和載體的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，完善的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)能夠保證農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全。由于納米材料的顆粒效應(yīng)，納米材料易于穿透細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，在提高納米農(nóng)藥活性的同時(shí)，應(yīng)謹(jǐn)防納米材料在非靶標(biāo)生物中隨著食物鏈不斷富集，同時(shí)納米農(nóng)藥施用后害蟲的抗藥情況也需要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)。建立納米農(nóng)藥施用安全預(yù)警體系有利于更好地研究納米農(nóng)藥的生態(tài)毒理學(xué)，有利于納米農(nóng)藥更好地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，為納米農(nóng)藥的研究與應(yīng)用提供導(dǎo)向。

4 結(jié)論與展望

近年來，納米科技在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域發(fā)展迅速，納米農(nóng)藥的大規(guī)模應(yīng)用勢(shì)在必行，因此亟須制訂評(píng)價(jià)納米農(nóng)藥安全性的技術(shù)路線，建立規(guī)范納米農(nóng)藥生產(chǎn)與應(yīng)用的配套規(guī)章制度，以期讓納米農(nóng)藥更好、更安全地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，推動(dòng)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展。

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