土壤農(nóng)藥污染與新型農(nóng)藥制劑的發(fā)展趨勢

蔡冬清，崔夢佳，葉靜宏，姚 夏，張 靖，李若晗，王冬芳

(1.東華大學(xué) a. 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,b. 環(huán)境保護(hù)部紡織污染控制工程中心, 上海 201620;2.上海污染控制與生態(tài)安全研究院, 上海 200092)

農(nóng)藥包括殺蟲劑、殺菌劑、除草劑和植物生長調(diào)節(jié)劑等。農(nóng)藥在減少農(nóng)作物病蟲害、提高農(nóng)作物產(chǎn)量與品質(zhì)等方面發(fā)揮了重要作用,大大減輕了農(nóng)民的勞動量與勞動強(qiáng)度,成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展中不可或缺的生產(chǎn)資料。然而,農(nóng)藥長期過量施用帶來嚴(yán)重的環(huán)境污染和生態(tài)破壞問題。

世界農(nóng)藥的年產(chǎn)量在20世紀(jì)90年代已超過3000萬t。我國是農(nóng)業(yè)大國,也是農(nóng)藥的生產(chǎn)和使用大國,使用量每年達(dá)50萬～60萬t。據(jù)統(tǒng)計,80%～90%的農(nóng)藥最終都會進(jìn)入土壤表層,并向深層土壤轉(zhuǎn)移[1]。農(nóng)藥的過度使用會影響土壤的質(zhì)量與功能,造成農(nóng)產(chǎn)品中殘留的農(nóng)藥超標(biāo),危害動植物及人體健康。土壤農(nóng)藥污染已成為亟待解決的全球性問題。目前農(nóng)藥污染土壤的修復(fù)問題已越來越受到重視,一系列物理、化學(xué)和生物修復(fù)技術(shù)不斷涌現(xiàn)并得到不同程度的應(yīng)用[2]。

為克服傳統(tǒng)農(nóng)藥制劑低效、高殘留等缺點,新型農(nóng)藥制劑得到極大的發(fā)展。Cai等[3]在傳統(tǒng)農(nóng)藥中添加生物炭制備控釋農(nóng)藥,通過增加其與植物葉片的黏附性控制農(nóng)藥損失,大大降低了農(nóng)藥的污染風(fēng)險。Zhou等[4]以堿木質(zhì)素為原料,通過疏水改性制備苯甲酰木質(zhì)素,用反溶劑法將苯甲酰木質(zhì)素和高效氯氟氰菊酯制成緩釋納米微球農(nóng)藥?？蒯屴r(nóng)藥和緩釋農(nóng)藥雖然可以減少農(nóng)藥損失,提高利用效率,但不能精準(zhǔn)給藥[5]。利用納米技術(shù)研發(fā)的可按需釋放的新型智能農(nóng)藥在提高農(nóng)藥利用效率和靶向性,減少農(nóng)藥殘留方面具有巨大潛力。它是通過將農(nóng)藥負(fù)載到納米材料中,制備出一種能夠根據(jù)特定外部刺激(如光、pH、溫度和酶等)實現(xiàn)農(nóng)藥可控釋放的納米農(nóng)藥系統(tǒng)。其中,pH響應(yīng)農(nóng)藥約占37%,其次是光和熱響應(yīng)農(nóng)藥,分別占27%和17%,酶、氧化還原和其他類型刺激的響應(yīng)農(nóng)藥研究共占19%[6]。這種控釋系統(tǒng)還被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、化妝品、工程、食品等領(lǐng)域[7-9]。

本文針對土壤農(nóng)藥污染問題,綜述土壤農(nóng)藥污染現(xiàn)狀及常用的農(nóng)藥檢測技術(shù)方法,對人類健康及生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行評估,并總結(jié)現(xiàn)有的污染修復(fù)技術(shù)及新型農(nóng)藥制劑的類型、控釋機(jī)理等,以期為今后的土壤農(nóng)藥污染修復(fù)工作提供指導(dǎo),促進(jìn)新型農(nóng)藥制劑的發(fā)展與應(yīng)用。

1 土壤農(nóng)藥污染現(xiàn)狀

農(nóng)藥按其成分主要分為有機(jī)氯、有機(jī)磷、氨基甲酸酯、擬除蟲菊酯、新煙堿、酰胺/苯胺類、苯并咪唑及無機(jī)類農(nóng)藥。其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,大都屬于持久性有機(jī)污染物,能在土壤中長期存在并不斷積累。農(nóng)藥污染是一個全球性問題。92種農(nóng)藥活性成分的風(fēng)險評估結(jié)果表明,全球25億公頃的農(nóng)業(yè)土地面臨被1種以上農(nóng)藥污染的風(fēng)險[10]。農(nóng)藥進(jìn)入土壤的途徑主要有兩種:1)以噴灑等形式直接施于土壤;2)經(jīng)雨水淋洗和灌溉等方式間接進(jìn)入土壤。

汪霞娟等[11]指出,2019年我國農(nóng)藥污染土壤達(dá)1600萬公頃,主要農(nóng)產(chǎn)品的農(nóng)藥殘留超標(biāo)率高達(dá)16%～18%。我國大多數(shù)地區(qū)農(nóng)業(yè)土壤中六六六和滴滴涕等有機(jī)氯農(nóng)藥(organochlorine pesticides,OCPs)的殘留量較高,污染程度比較嚴(yán)重。程鋮等[12]于2019年11月對會仙濕地表層土壤中OCPs的殘留現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查研究,結(jié)果顯示,會仙濕地表層土壤中24種OCPs的檢出率均高于80%,滴滴涕和甲氧滴滴涕是其中的主要污染物,并且農(nóng)業(yè)用地中OCPs含量高于荒地和居住用地。有機(jī)磷農(nóng)藥中用量最大的是草甘膦和毒死蜱,其在我國東北、北部和中部地區(qū)的土壤中的殘留量(9.9～303.0 ng/g)較高,平均達(dá)66.6 ng/g[13]。

2 常用土壤農(nóng)藥檢測方法

農(nóng)藥檢測主要是對環(huán)境介質(zhì)以及農(nóng)產(chǎn)品等食品中殘留的農(nóng)藥進(jìn)行檢測。常用的土壤農(nóng)藥檢測方法包括色譜法、光譜法、色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)、電化學(xué)法、酶抑制法、拉曼光譜法、生物傳感器等[14-16]。其中作為金標(biāo)準(zhǔn)方法的氣相和高效液相色譜及其與質(zhì)譜聯(lián)用的技術(shù),在農(nóng)藥檢測方面的應(yīng)用已十分成熟,應(yīng)用范圍廣泛[17]。但同時該方法也存在樣品前處理復(fù)雜,檢測速度慢,價格昂貴等缺點,無法滿足當(dāng)前快速檢測的需求。

Tao等[18]采用液相色譜-氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù),對全國6個農(nóng)藥生產(chǎn)基地土壤中的農(nóng)藥及其轉(zhuǎn)化產(chǎn)物進(jìn)行篩選,結(jié)果表明:該方法在209種質(zhì)量濃度為50 ng/g的農(nóng)藥中,可正確識別75%的農(nóng)藥;共鑒定出212種農(nóng)藥,其中檢出濃度在200 ng/g以上的占23.1%,最高濃度為1.5×105ng/g;20%的農(nóng)藥的風(fēng)險熵值大于1,其中吡蟲啉的最大風(fēng)險熵值達(dá)6.3×104;較新采樣點的殺蟲劑種類較多,而較早采樣點的殺蟲劑以有機(jī)氯殺蟲劑為主。Zhao等[19]利用固相微萃取和氣相色譜法成功測定了土壤樣品中的OCPs殘留量,并且考察并優(yōu)化了提取時間、NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)、水體積、提取溫度和解吸時間等提取條件。該方法的檢出限為0.1～0.5 ng/g,大多數(shù)有機(jī)氯農(nóng)藥的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于10%。

表面增強(qiáng)拉曼光譜法是一種先進(jìn)的拉曼技術(shù),其通過將目標(biāo)物放置在活性襯底上,可使拉曼信號增強(qiáng)104～105,其中貴金屬Ag和Au的納米顆粒是最常用的襯底[20-21];其通過簡單的提取前處理來提高分析物的濃度,從而在無損檢測中提供分子的特征振動指紋,用于分析識別信息;可直接檢測液體樣品或固體樣品表面的痕量農(nóng)藥,是一種很有前途的技術(shù)[21]。Nie等[22]采用金納米粒子表面增強(qiáng)拉曼光譜對紅壤提取物中的噻苯咪唑殘留量進(jìn)行定量測定,結(jié)果表明,拉曼峰強(qiáng)度與土壤中噻苯咪唑濃度呈線性關(guān)系,檢出限可達(dá)0.1 mg/L,相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.4%～8.0%,回收率為95.9%～116.7%。

酶抑制法是基于乙酰膽堿酯酶的水解活性在有機(jī)磷和氨基甲酸酯類農(nóng)藥存在時會受到抑制的生物學(xué)原理而開發(fā)的[23]。樣品中所含的兩種農(nóng)藥的濃度與乙酰膽堿酯酶的抑制率呈正相關(guān),因此乙酰膽堿濃度或者酶的抑制率即可推測樣品中農(nóng)藥的濃度。酶活性測定的常用方法包括光學(xué)比色法、熒光檢測法以及電化學(xué)生物傳感器[15]。生物傳感器由生物傳感元件(如酶、抗體、分子印跡聚合物、DNA)和傳感器(如光學(xué)、電化學(xué)質(zhì)感器)兩部分組成,并根據(jù)組成器件的不同進(jìn)行分類[24]。當(dāng)目標(biāo)分析物與生物傳感元件相互作用時,傳感器產(chǎn)生與分析物濃度相關(guān)的信號,同時使用信號處理器放大并顯示該信號。電化學(xué)生物傳感器根據(jù)生物識別反應(yīng)前后體系電流、電勢或電導(dǎo)等電化學(xué)信號的變化來測定農(nóng)藥含量,具有檢測準(zhǔn)確高效、靈敏度高、結(jié)果穩(wěn)定等優(yōu)點,在環(huán)境污染物和疾病檢測等領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用[25]。

Dong等[26]提出一種電化學(xué)還原Ellmann試劑(DTNB)與乙酰膽堿酯酶抑制相結(jié)合的土壤農(nóng)藥超痕量檢測方法,將乙酰膽堿酯酶固定在多壁碳納米管/殼聚糖納米復(fù)合材料修飾的玻璃碳電極上制備安培型生物傳感器,在最佳條件下,根據(jù)甲基對硫磷對乙酰膽堿酯酶活性的抑制作用以及DTNB的電化學(xué)還原反應(yīng)檢測甲基對硫磷。在1.0×10-12～5.0×10-7mol/L內(nèi),還原電流與農(nóng)藥濃度緊密相關(guān),檢出限為7.5×10-13mol/L。Zhang等[27]提出一種雙模式生物傳感器,用于對乙酰氨基脒(acetaminamidine,ACE)的超快、超痕量檢測。在硫酸軟骨素(chondroitin sulfate,CS)的引導(dǎo)下,采用電化學(xué)方法制備聚吡咯納米線(polypyrrole nanowires,PPyNWs),該納米線具有較大的電活性表面積、優(yōu)良的導(dǎo)電性和較高的穩(wěn)定性;將ACE適配體固定在CS/PPyNWs上可制得生物傳感器。基于該雙模式生物傳感器,用計時電量法和計時電流法可分別在0.5和2.0 s內(nèi)測出ACE的濃度。該生物傳感器已成功應(yīng)用于土壤樣品中ACE的檢測。

3 人類健康及生態(tài)風(fēng)險評估

農(nóng)藥具有三致作用(致癌、致突變、致畸)和免疫毒性,在生產(chǎn)和使用過程中,通過揮發(fā)、淋溶等方式進(jìn)入大氣、土壤和水環(huán)境中,然后通過吞食、吸入、皮膚滲入等方式進(jìn)入人體,對人類健康及生態(tài)環(huán)境構(gòu)成威脅。研究[28]發(fā)現(xiàn),人體在接觸有機(jī)磷農(nóng)藥后可能引發(fā)急慢性疾病。這會導(dǎo)致兒童體重指數(shù)降低、神經(jīng)行為受損,引發(fā)接觸性皮炎和蕁麻疹等一系列皮膚疾病,并會對生殖系統(tǒng)造成影響,增加白血病等重大疾病的發(fā)病率。

草甘膦曾被認(rèn)為是一種廣譜高效、安全的除草劑,對非靶標(biāo)生物沒有損害作用,特別是抗草甘膦轉(zhuǎn)基因作物的成功培育,使其在全球范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。但隨著草甘膦使用量的增多,其安全性問題也遭受嚴(yán)重質(zhì)疑,并在2015年被國際癌癥研究機(jī)構(gòu)列為2A級致癌物質(zhì)。德國已出臺自2024年起完全禁用草甘膦的法律草案。林志蓉等[29]在存在低濃度草甘膦的條件下進(jìn)行的多甲藻和微囊藻培養(yǎng)試驗表明,草甘膦可作為藻類的磷源,這導(dǎo)致了水體中藍(lán)藻水華現(xiàn)象的發(fā)生。同時,除草劑濃度超過田間推薦用量時,會抑制土壤微生物的生長并降低其活性,影響土壤養(yǎng)分的循環(huán)[30]。研究[31]發(fā)現(xiàn),草甘膦主要影響魚類及哺乳動物的免疫系統(tǒng),對包括人類在內(nèi)的哺乳動物具有細(xì)胞毒性和基因毒性作用,會引起炎癥,影響淋巴細(xì)胞功能。但目前草甘膦的毒性問題仍存在一定爭議。一項關(guān)于長期接觸草甘膦的職業(yè)人群中某些腫瘤標(biāo)志物濃度水平的研究發(fā)現(xiàn),在草甘膦原料藥廠長期單一職業(yè)接觸草甘膦只會使部分指標(biāo)的濃度水平出現(xiàn)差異,并未證明草甘膦對人類有明顯的致癌作用[32]。

Gunstone等[33]發(fā)現(xiàn)394篇綜述研究中2 003個測試參數(shù)表明農(nóng)藥污染會對土壤無脊椎動物產(chǎn)生負(fù)面影響,即農(nóng)藥對其繁殖、死亡率、生長、多樣性和生物量具有明顯的影響,并且殺蟲劑通常比除草劑和殺菌劑的負(fù)面影響更大。農(nóng)藥在土壤環(huán)境中的累積會對微生物的群落數(shù)量及活性造成影響,進(jìn)而影響有機(jī)質(zhì)的礦化,降低土壤肥力。因此,科學(xué)使用農(nóng)藥能有效降低其對生態(tài)環(huán)境和人類健康的危害,保障食品安全。王金圣[34]對農(nóng)藥的科學(xué)使用問題進(jìn)行了詳細(xì)論述。此外,改變噴灑時間,在傍晚而不是清晨噴灑農(nóng)藥也可以降低農(nóng)藥的揮發(fā),減輕空氣污染,減少對農(nóng)村人群身體健康的危害[35]。

4 土壤農(nóng)藥污染修復(fù)技術(shù)

目前農(nóng)藥污染土壤的修復(fù)技術(shù)主要包括物理及化學(xué)修復(fù)、生物修復(fù)以及聯(lián)合修復(fù)技術(shù)。

4.1 物理及化學(xué)修復(fù)技術(shù)

物理及化學(xué)修復(fù)技術(shù)是治理土壤農(nóng)藥污染的有效手段,包括吸附法、熱解吸技術(shù)和高級氧化技術(shù)等。吸附法利用黏土、活性炭、沸石、生物炭等吸附材料與農(nóng)藥分子中官能團(tuán)之間的物理、化學(xué)作用去除土壤中農(nóng)藥[36],具有簡單、無毒、成本低、效果好等優(yōu)點,但其吸附?jīng)]有選擇性,且吸附效果受pH影響較為嚴(yán)重,通常在酸性條件下才能達(dá)到較好的吸附效果,而酸堿度也是影響土壤功能的重要因素,因此吸附法在土壤農(nóng)藥污染修復(fù)中的應(yīng)用受到限制。

熱解吸技術(shù)[37]是通過調(diào)整加熱溫度,使污染物受熱后從污染土壤中揮發(fā)或分離出來的一項物理修復(fù)技術(shù),可實現(xiàn)原位修復(fù),污染物去除效率高,并能改善土壤性質(zhì),有利于修復(fù)土壤的再利用。Han等[38]利用熱解吸技術(shù)對廢棄農(nóng)化工廠中的有機(jī)磷農(nóng)藥進(jìn)行去除,研究發(fā)現(xiàn),100 ℃時土壤中有機(jī)磷農(nóng)藥的去除率僅為44.5%～67.9%,而300 ℃時30 min內(nèi)通過熱解吸技術(shù)可去除污染土壤中96%的有機(jī)磷農(nóng)藥。該研究表明熱解吸技術(shù)在修復(fù)有機(jī)磷農(nóng)藥污染土壤中具有顯著的效果。

高級氧化技術(shù)是利用臭氧、光催化、超聲波、Fenton試劑和電化學(xué)等方法及相應(yīng)的聯(lián)合技術(shù),降解農(nóng)藥等有機(jī)污染物,使其轉(zhuǎn)化為毒性小或無毒的物質(zhì),甚至礦化為CO2、H2O和無機(jī)鹽[39]。Veerakumar等[40]通過微波-水熱法將貴金屬納米顆粒Ag和Pd與氧化鋅納米星偶聯(lián),制得Ag@ZnONSt和Pd@ZnONSt。Ag和Pd摻雜的復(fù)合材料可在空間上分離電子和空穴,產(chǎn)生不同的活性氧和羥基自由基,因此在可見光照射下對農(nóng)藥的光降解表現(xiàn)出良好的光催化活性,極大地促進(jìn)了農(nóng)藥的降解。Zheng等[41]利用合成的納米復(fù)合材料Ag@AgCl/ZnAl-LD(AACMO)光催化過氧單硫酸酯(peroxymonosulfate,PMS),分析該復(fù)合材料對烯啶蟲胺的降解。研究發(fā)現(xiàn),在AACMO/PMS/Vis體系中,于可見光(780 nm>λ>420 nm)及質(zhì)量濃度0.8 g/L的光催化劑和0.2 g/L的PMS作用下,45 min內(nèi)可去除50 mL質(zhì)量濃度為40 mg/L的烯啶蟲胺。Balawejder等[42]利用以羥基自由基和臭氧反應(yīng)為基礎(chǔ)的高級氧化技術(shù)修復(fù)滴滴涕污染土壤,在改進(jìn)流化床反應(yīng)器中,臭氧和水蒸氣產(chǎn)生的羥基自由基使滴滴涕殘留量降低了90%以上,為滴滴涕污染土壤的修復(fù)提供一種有效的方法。

各種高級氧化技術(shù)的聯(lián)合使用能進(jìn)一步提高農(nóng)藥的降解能力。Zhang等[43]通過吸附法將有機(jī)磷水解酶(organophosphorus hydrolase,OPH)固定在中空結(jié)構(gòu)Au-TiO2上,構(gòu)建了可見光輔助酶催化劑(OPH@H-Au-TiO2),其可通過OPH先將甲基對硫磷降解為有毒的硝基苯酚(p-nitrophenol,p-NP),再通過H-Au-TiO2在可見光下將p-NP降解為低毒的對苯二酚。在反應(yīng)2.5 h后,甲基對硫磷完全降解,而生成的p-NP中約82.6%進(jìn)一步降解為對苯二酚,并且重復(fù)使用4次后,OPH@H-Au-TiO2依然保留80%以上的初始降解活性。Mosleh等[44]采用聲光催化技術(shù),利用可見光驅(qū)動光催化劑Cu2(OH)PO4-HKUST-1 MOF對阿維菌素農(nóng)藥進(jìn)行降解,降解率最高可達(dá)99.9%;同時對超聲與光催化聯(lián)合降解阿維菌素的協(xié)同性進(jìn)行評價,發(fā)現(xiàn)其協(xié)同指數(shù)為2.19,表明超聲與光催化聯(lián)合降解阿維菌素的效率高于單獨降解的總和。

相比其他高級氧化技術(shù),電化學(xué)氧化是一項更為高效、清潔的處理技術(shù),其通過陽極的氧化反應(yīng)實現(xiàn)農(nóng)藥的降解,甚至完全礦化[45-46]。Sheydaei等[47]將電泳沉積法合成的Ag和N-TiO2納米粒子同時固定在鈦柵板上制備了納米催化劑N-TiO2/Ag/Ti,以其為電極設(shè)置了可見光光電催化(photoelectrocatalytic,PE)和反滲透(reverse osmosis,RO)連續(xù)流混合反應(yīng)器,用于去除二嗪類農(nóng)藥。首先,采用PE工藝在可見光下考察催化劑的性能以及操作變量對二嗪農(nóng)降解效果的影響,發(fā)現(xiàn)在pH為7.5、Ag與N-TiO2含量的百分比值為10%、N-TiO2/Ag/Ti電極個數(shù)為3、可見光強(qiáng)度為21 mW/cm2、支撐電解質(zhì)為Na2SO4、偏置電位為0.9 V的條件下,二嗪農(nóng)降解效率最高;然后,將N-TiO2/Ag/Ti電極應(yīng)用于連續(xù)流PE/RO反應(yīng)器中,進(jìn)一步降解二嗪農(nóng),礦化率為87.5%。

4.2 生物修復(fù)技術(shù)

4.2.1 微生物修復(fù)

微生物去除土壤中農(nóng)藥的方法具有低成本、安全、可靠的優(yōu)點。細(xì)菌和真菌等微生物可將這些有機(jī)污染物作為氮、碳和磷的來源,通過不同的降解途徑使其轉(zhuǎn)化為新的化合物。研究[36]發(fā)現(xiàn),能降解除草劑草甘膦的微生物主要包括細(xì)菌、真菌、放線菌等,其中最常見的細(xì)菌是以草甘膦為磷源的假單胞菌,一些真菌屬如曲霉屬、青霉菌屬也具有降解草甘膦的能力。同時,藻類在降解農(nóng)藥方面也具有巨大潛力,目前已發(fā)現(xiàn)一種能夠降解草甘膦農(nóng)藥的藻類[48]。

Wang等[49]研究根瘤菌sp. DNS7和不動桿菌sp. DNS32對除草劑阿特拉津污染土壤的修復(fù)作用,結(jié)果表明,兩個菌株在土壤和培養(yǎng)基中均具有較好的阿特拉津降解能力,并且混合菌株對阿特拉津的礦化作用優(yōu)于單獨的菌株。Wahla等[50]將甲三嗪降解菌群(metribuzin degrading bacterial consortium,MB3R)固定在生物炭上研究其對種植馬鈴薯后土壤的生物修復(fù)能力,研究發(fā)現(xiàn),在單獨添加MB3R和經(jīng)生物炭固定的MB3R的馬鈴薯種植土壤中,甲三嗪農(nóng)藥的降解率分別為82%和96%,而在未添加MB3R的土壤中降解率僅為29.3%。由此可見,微生物對農(nóng)藥具有較高的降解能力,并且混合菌株或?qū)甑母男钥擅黠@提高農(nóng)藥的降解效果。

4.2.2 植物修復(fù)

農(nóng)藥污染土壤的植物修復(fù)技術(shù)是一種利用植物的吸收、降解、揮發(fā)以及根系分泌物和根際微生物的聯(lián)合作用來實現(xiàn)農(nóng)藥去除及污染土壤的修復(fù)的有效技術(shù)[51]。植物修復(fù)能夠去除化學(xué)或物理方法無法去除的低濃度污染物,但耗時長,對環(huán)境條件的要求較高,可利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)和納米技術(shù)提高植物修復(fù)的效率和效果[52]。Chu等[53]研究了合成細(xì)菌乙草胺脫甲基酶系統(tǒng)加氧酶組分CndA的轉(zhuǎn)基因擬南芥對乙草胺的降解能力和耐受性。他們構(gòu)建了2個轉(zhuǎn)基因植株:一為細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)化株,其中CndA位于細(xì)胞質(zhì)中;二為葉綠體轉(zhuǎn)化株,其中CndA位于葉綠體中。研究發(fā)現(xiàn):細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)化株對乙草胺的降解活性較弱,對乙草胺的耐受能力較弱;葉綠體轉(zhuǎn)化株降解效率高,對乙草胺的耐受性強(qiáng),能在48 h內(nèi)轉(zhuǎn)化水中20 μmol/L乙草胺的94.3%,在30 d內(nèi)消除土壤中5 mg/kg乙草胺的80.2%,同時乙草胺的反應(yīng)代謝物可通過葉綠體轉(zhuǎn)化株釋放到細(xì)胞外,并被土壤中的本土微生物進(jìn)一步降解。

4.3 聯(lián)合修復(fù)技術(shù)

僅靠單一的技術(shù)修復(fù)受農(nóng)藥污染的土壤,往往達(dá)不到預(yù)期的效果,并且成本高、所需的時間長。通常采用聯(lián)合修復(fù)技術(shù)提高修復(fù)效果。常用的聯(lián)合修復(fù)技術(shù)包括植物-微生物、動物-微生物、化學(xué)-微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)。

植物-微生物和動物-微生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)在土壤農(nóng)藥污染修復(fù)過程中發(fā)揮著重要作用。采用吸附法固定白腐菌建立植物-微生物修復(fù)體系,在30 d后,玉米-微生物聯(lián)合修復(fù)系統(tǒng)和黑麥草-微生物聯(lián)合修復(fù)系統(tǒng)的毒死蜱降解率相比單一植物修復(fù)系統(tǒng)分別提高18%和23%[54]。研究表明,添加蚯蚓可顯著緩解異丙甲草胺對土壤微生物的脅迫作用,在很大程度上恢復(fù)土壤微生物對農(nóng)藥的降解作用。添加異丙甲草胺和蚯蚓后,土壤理化性質(zhì)、酶活性和微生物群落均會發(fā)生較大變化[55]。

生物電化學(xué)法是一項將生物法與電化學(xué)方法相結(jié)合的技術(shù)。其中微生物如電活性細(xì)菌作為陽極,將農(nóng)藥等污染物轉(zhuǎn)化為低污染或無污染的物質(zhì),所產(chǎn)生的電子通過外部電路轉(zhuǎn)移到陰極[56]。在無氧化劑和還原劑等外加化學(xué)物質(zhì)的條件下,即可實現(xiàn)農(nóng)藥的降解,避免對周圍土壤的二次污染。相比傳統(tǒng)的微生物修復(fù)技術(shù),生物電化學(xué)法可提供大量的電子供體和受體,促進(jìn)微生物的氧化還原反應(yīng),加快農(nóng)藥的降解速率。目前,微生物燃料電池已用于異丙甲草胺、阿特拉津和六氯苯等多種農(nóng)藥的降解,在修復(fù)農(nóng)藥污染土壤方面有廣闊的應(yīng)用前景[56]。Cao等[57]以沙質(zhì)土壤為基礎(chǔ)構(gòu)建土壤微生物燃料電池(microbial fuel cells,MFCs),用以去除表層土壤中難降解的有機(jī)農(nóng)藥六氯苯(hexachlorobenzene,HCB)。通過設(shè)置空氣陰極、活性炭陽極,接種污泥,添加共基質(zhì)構(gòu)建無膜單室土壤MFC,研究結(jié)果表明,在HCB質(zhì)量濃度為40、80和200 mg/kg的污染土壤中,HCB的去除率分別為71.1%、62.2%和50.1%,相比對照組(HCB質(zhì)量濃度分別為40、80和200 mg/kg,但陰陽極未連接)分別提高18.7%、18.5%和19.2%。

5 新型農(nóng)藥制劑的發(fā)展

傳統(tǒng)農(nóng)藥制劑的利用效率低,會造成農(nóng)藥的過度使用。近年來,研究者們通過將農(nóng)藥負(fù)載到納米材料中,制備能夠根據(jù)特定外部刺激(如光、pH、溫度和酶等)實現(xiàn)活性物質(zhì)穩(wěn)定、持續(xù)、可控釋放的納米農(nóng)藥系統(tǒng)。利用納米技術(shù)研發(fā)的新型智能農(nóng)藥,在提高農(nóng)藥利用效率和靶向性、減少環(huán)境中的農(nóng)藥殘留方面具有巨大潛力。溫度、光、酶、pH等外部刺激的控釋納米農(nóng)藥系統(tǒng)的控釋機(jī)理[58]如圖1所示。

圖1 幾種常見刺激響應(yīng)型控釋納米農(nóng)藥系統(tǒng)[58]Fig.1 Several common types of stimulus response controlled release nano pesticide systems[58]

5.1 溫度響應(yīng)型控釋納米農(nóng)藥

由于溫敏載體材料的物理化學(xué)性質(zhì)隨溫度的變化而變化,因此可以通過調(diào)節(jié)溫度使農(nóng)藥從對溫度敏感的納米載體體系中釋放。農(nóng)藥的藥效通常與環(huán)境溫度有關(guān),如有機(jī)磷、氨基甲酸酯和新煙堿類殺蟲劑的藥效與環(huán)境溫度成正相關(guān),擬除蟲菊酯的藥效與溫度成負(fù)相關(guān)[59]。因此溫度響應(yīng)型控釋納米農(nóng)藥在實際應(yīng)用中具有重要的意義和可行性,受到研究者的廣泛關(guān)注。

Wang等[59]將高效氯氟氰菊酯負(fù)載到聚(N-異丙基丙烯酰胺)改性的氧化石墨烯納米載體中,制備了一種溫度響應(yīng)型控釋農(nóng)藥制劑。由于聚(N-異丙基丙烯酰胺)大分子鏈上存在親水酰氨基和疏水異丙基,并且氧化石墨烯納米復(fù)合載體在30～40 ℃時會經(jīng)歷一個相變過程,發(fā)生由親水到疏水的結(jié)構(gòu)變化,因此在發(fā)生相變前,材料具有親水結(jié)構(gòu),在達(dá)到較低的臨界溶液溫度后,溫度敏感材料的結(jié)構(gòu)收縮,促使高效氯氟氰菊酯釋放。通過誘導(dǎo)這種結(jié)構(gòu)變化,氧化石墨烯納米復(fù)合載體可以響應(yīng)溫度變化,控制高效氯氟氰菊酯的釋放。

Gao等[60]以空心介孔二氧化硅為核,熱響應(yīng)共聚物聚(N-異丙基丙烯酰胺-甲基丙烯酸)為外殼,選用噻蟲嗪農(nóng)藥,采用種子沉淀聚合法制備了一種溫度響應(yīng)型控釋農(nóng)藥。研究發(fā)現(xiàn),將該農(nóng)藥放在28、31、34 ℃的甲醇-水混合溶液中14 d后,農(nóng)藥的累積釋放量分別為25.0%、39.8%和50.4%,表明農(nóng)藥的釋放具有很強(qiáng)的溫度依賴性。這是因為低溫下共聚物殼腫脹而厚實,導(dǎo)致釋放速率緩慢,而在高溫下,共聚物殼層被破壞,使得農(nóng)藥的釋放速率顯著增加。

Gao等[61]通過簡單的物理吸附將擬除蟲菊酯殺蟲劑負(fù)載到氧化石墨烯納米片上,制備出氧化石墨烯納米農(nóng)藥,并對其在室內(nèi)和野外對蜘蛛螨的生物活性進(jìn)行評估。結(jié)果表明,該納米農(nóng)藥具有較好的溫度響應(yīng)性和貯存穩(wěn)定性,可高度均勻地分散并吸附在蕁麻角質(zhì)層和豆葉表面,并且生物活性比單獨擬除蟲菊酯高出許多倍。Xiao等[62]通過界面聚合反應(yīng)將毒死蜱包覆在正十六烷/水乳液的纖維素基微膠囊中,制備一種溫度響應(yīng)型控釋微膠囊,結(jié)果表明,微膠囊的載藥率為33.1%,在植物葉面表現(xiàn)出較高的附著力,并能有效防止毒死蜱的光降解,同時對小菜蛾的控制效果與溫度呈正相關(guān)。

5.2 光響應(yīng)型控釋納米農(nóng)藥

光響應(yīng)型控釋納米農(nóng)藥通常選用紫外光和紅外光,因其簡便易得、經(jīng)濟(jì),并且紅外光具有光熱轉(zhuǎn)換效應(yīng),被認(rèn)為是一種理想的外部刺激條件。Liu等[63]利用聚乙二醇和環(huán)糊精凝膠表面修飾的空心碳微球負(fù)載吡蟲啉,制備一種紅外光響應(yīng)的控釋農(nóng)藥。其機(jī)理為紅外光照射引起聚乙二醇/環(huán)糊精凝膠發(fā)生相轉(zhuǎn)化,使凝膠厚度變薄,從而促進(jìn)吡蟲啉的釋放。Xu等[64]將螺四甲基烯醇與光敏香豆素共價結(jié)合研發(fā)出一種光響應(yīng)籠狀殺蟲劑,該光觸發(fā)系統(tǒng)在藍(lán)光或陽光的照射下會發(fā)生裂解,從而釋放出游離的螺四甲基烯醇。該農(nóng)藥在黑暗條件下對蚜蟲無明顯的殺蟲活性,但在光照條件下農(nóng)藥殺蟲活性被激活,釋放殺蟲成分,據(jù)此可實現(xiàn)對殺蟲劑投放的精確控制。

5.3 酶響應(yīng)型控釋納米農(nóng)藥

利用遭到外部侵害時植物會釋放酶的特性控制農(nóng)藥釋放,能更精確有效地實現(xiàn)農(nóng)藥按需釋放,顯著提高農(nóng)藥利用效率。由于植物在受到或?qū)⒁艿胶οx侵害時,會出現(xiàn)pH值降低和纖維素酶水平增加兩種生理反應(yīng),Guo等[65]采用環(huán)氧氯丙烷改性的羧甲基纖維素交聯(lián)二氧化硅制備了一種酶響應(yīng)的甲維菌素苯甲酸酯微膠囊,研究發(fā)現(xiàn),該微膠囊具有良好的甲維菌素苯甲酸酯負(fù)載能力(約35%)和纖維素酶響應(yīng)特性,并且對桃蚜有持續(xù)的殺蟲效果。Liang等[66]將功能化淀粉與介孔二氧化硅納米顆粒通過可生物降解的二硫鍵橋聯(lián)結(jié)合,建立一種氧化還原和α-淀粉酶雙刺激響應(yīng)的農(nóng)藥傳遞系統(tǒng)。當(dāng)納米粒子在昆蟲體內(nèi)被谷胱甘肽和α-淀粉酶代謝時,其包膜淀粉和二硫橋連結(jié)構(gòu)可被分解,從而按需釋放農(nóng)藥。

5.4 pH響應(yīng)型控釋納米農(nóng)藥

結(jié)構(gòu)上含酸性或堿性基團(tuán)的材料是對pH敏感的理想載體材料,其可通過大分子的膨脹或收縮來改變尺寸,實現(xiàn)農(nóng)藥的控釋[6]。Chen等[67]利用改性殼寡糖、阿維菌素和1,4-鄰苯二醛研發(fā)一種具有pH響應(yīng)控釋特性且在紫外光下有良好的光熱穩(wěn)定性的阿維菌素納米膠囊,由于該納米膠囊與作物葉片具有較強(qiáng)的氫鍵黏附性,延長了納米膠囊在作物葉片上的滯留時間,從而提高了農(nóng)藥的利用效率和害蟲的防治效果。納米膠囊可在酸性介質(zhì)中快速釋放阿維菌素,而在中性和弱堿性介質(zhì)中釋放速率緩慢。這是因為低聚殼聚糖與1,4-鄰苯二醛反應(yīng)生成的席夫堿交聯(lián)物在酸性條件下易被破壞,導(dǎo)致氨基被質(zhì)子化,進(jìn)而納米膠囊膨脹、尺寸增大,促進(jìn)阿維菌素的釋放。

Xiang等[68]將草甘膦和高效氯氰菊酯分別裝入采用原位沉積法制備的磁性納米載體硅藻土/Fe3O4的納米孔中,并用殼聚糖將其包覆,構(gòu)建了一種具有磁性回收性能的pH響應(yīng)型控釋納米農(nóng)藥體系。由于殼聚糖在酸性條件下會被溶解,因此達(dá)到了農(nóng)藥的pH控釋效果,同時Fe3O4的磁性使該農(nóng)藥體系具有良好的磁性收集性能,農(nóng)藥釋放后可方便將其從水和土壤中分離出來。研究表明,該納米農(nóng)藥系統(tǒng)對雜草表面和害蟲表皮具有較高的黏附能力,同時具有顯著的控釋性能和較高的利用效率,對雜草和害蟲的防治效果較好,具有較大的應(yīng)用價值。Xu等[69]以二價錳離子為交聯(lián)劑,制備負(fù)載丙硫菌唑殺菌劑的羧甲基殼聚糖水凝膠,實現(xiàn)了殺菌劑丙硫菌唑的可控釋放,負(fù)載量和包覆率分別為22.2%和68.4%。研究發(fā)現(xiàn),丙硫菌唑在中性和微堿性溶液中的釋放速度比在酸性條件下更快,所制備的水凝膠對小麥全蝕病菌具有較強(qiáng)的殺菌能力。

5.5 磁響應(yīng)型控釋納米農(nóng)藥

關(guān)于pH、光和溫度響應(yīng)型納米農(nóng)藥制劑的研究較多,但這些農(nóng)藥存在的缺陷也限制了其在實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。例如:溫度響應(yīng)型控釋納米農(nóng)藥所需的昂貴熱敏材料及其對儲存條件的嚴(yán)格要求會增加其生產(chǎn)成本;pH的變化也會造成土壤酸化、土壤鹽堿化及微生物群落結(jié)構(gòu)的變化。磁響應(yīng)型控釋農(nóng)藥技術(shù)通過改變磁場控制農(nóng)藥以低濃度緩慢釋放,并且磁場的變化不會對作物生長及土壤環(huán)境造成影響,因而受到研究者們的廣泛關(guān)注[70]。

Chi等[70]利用坡縷石、Fe3O4、草甘膦和氨基硅油組成的納米復(fù)合材料,研發(fā)一種磁響應(yīng)控釋除草劑。其機(jī)理是通過磁場驅(qū)動Fe3O4顆粒運動,從而實現(xiàn)草甘膦的可控釋放。根據(jù)Xiang等[68]的研究,添加Fe3O4會使控釋納米農(nóng)藥體系具有磁性,這使其具有良好的磁回收性能。隨著納米技術(shù)的發(fā)展及對不同條件下納米材料物理、化學(xué)性質(zhì)變化的深入研究,更多種類的控釋納米農(nóng)藥將被制備出來[71]。

5.6 新型農(nóng)藥制劑的潛在危害

相比傳統(tǒng)農(nóng)藥,新型農(nóng)藥具有更好的除草、殺蟲或殺菌效果,農(nóng)藥利用效率高,環(huán)境殘留量少。但新型農(nóng)藥潛在的生態(tài)風(fēng)險限制了它的規(guī)?；瘧?yīng)用。新型農(nóng)藥的使用會引入大量納米材料,其在土壤中的遷移行為缺乏研究,并具有潛在的動植物毒性,會對土壤生物群落及人體健康構(gòu)成潛在危害。新型農(nóng)藥在實際環(huán)境中的適用性還未知,其應(yīng)用目前仍處于初級階段。

6 結(jié)論與展望

傳統(tǒng)農(nóng)藥易通過揮發(fā)、淋溶等方式進(jìn)入大氣、土壤和水環(huán)境中,引發(fā)嚴(yán)重的環(huán)境污染問題,同時造成農(nóng)作物中殘留的農(nóng)藥超標(biāo)。農(nóng)藥會通過食物鏈進(jìn)入人體,造成農(nóng)藥在體內(nèi)的積累,從而干擾人體免疫系統(tǒng),并增加患癌風(fēng)險。因此應(yīng)積極引導(dǎo)科學(xué)使用農(nóng)藥,減輕農(nóng)藥對環(huán)境和人體的危害。

目前我國的土壤農(nóng)藥污染問題突出,以六六六和滴滴涕等OCPs和有機(jī)磷農(nóng)藥污染為主,現(xiàn)主要通過吸附、高級氧化等物理化學(xué)技術(shù),微生物和植物修復(fù)等生物修復(fù)技術(shù)以及生物電化學(xué)系統(tǒng)等聯(lián)合技術(shù)對農(nóng)藥污染土壤進(jìn)行修復(fù)?；诩{米技術(shù)的控釋納米農(nóng)藥的研發(fā)受到廣泛關(guān)注,其能夠根據(jù)溫度、光照、酶、pH、磁場和氧化還原等外部環(huán)境刺激,實現(xiàn)農(nóng)藥的可控釋放。通過納米材料如改性天然聚合物、二氧化硅等包覆農(nóng)藥從而降低農(nóng)藥降解率和揮發(fā)損失,提高農(nóng)藥的靶向性和利用效率,減少對非靶標(biāo)生物如人類的影響,這對現(xiàn)代綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展有著重要意義,具有廣闊的應(yīng)用前景。高毒性農(nóng)藥的禁用及新型農(nóng)藥制劑的快速發(fā)展將會降低土壤中農(nóng)藥的殘留率,促進(jìn)我國土壤農(nóng)藥狀況的改善。