納米農(nóng)藥風(fēng)險評價研究進展

張文博，潘興魯，吳小虎，徐 軍，董豐收，鄭永權(quán)

（1.天津農(nóng)學(xué)院園藝園林學(xué)院，天津 300384；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護研究所，北京 100193）

農(nóng)藥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重要的生產(chǎn)資料，目前依然是控制農(nóng)作物病蟲草害最直接、最有效的手段，在全球糧食生產(chǎn)過程中發(fā)揮著不可替代的作用。據(jù)WHO統(tǒng)計，到21世紀(jì)80年代全球人口將超100億，這要求全球糧食產(chǎn)量在當(dāng)前的基礎(chǔ)上至少增加50%[1]。不斷減少的耕地面積和不斷增加的糧食需求，要求更多的或更有效的植保產(chǎn)品投入使用。但是，為了追求產(chǎn)量，盲目、不科學(xué)地使用農(nóng)藥，會給生態(tài)安全和人類健康安全帶來不可估量的危害。

近年來，納米科技在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域發(fā)展迅速，已經(jīng)在新型農(nóng)藥制劑、肥料、生物傳感器、植物生長調(diào)節(jié)劑、土壤修復(fù)等多個領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[2]。納米農(nóng)藥是指利用納米材料或者納米制備技術(shù)與設(shè)備，將原藥、載體、助劑等配制成納米尺度的新劑型。目前，在納米農(nóng)藥制備、表征及有效性方面已有大量的研究報道。相對于傳統(tǒng)常規(guī)農(nóng)藥，納米農(nóng)藥可增加農(nóng)藥運輸儲藏過程中有效成分的穩(wěn)定性，可提高田間噴施過程中有效成分的延展性、濕潤性和靶標(biāo)吸附性[3]；另外結(jié)合納米材料可實現(xiàn)有效成分的智能控釋。Melanie等[4]系統(tǒng)分析了已經(jīng)報道的78篇關(guān)于納米農(nóng)藥有效性的文章，結(jié)果表明納米農(nóng)藥對靶標(biāo)生物的防治效果相對傳統(tǒng)農(nóng)藥提高了20%～30%。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，納米農(nóng)藥可通過提高藥效和減少流失來提高農(nóng)藥利用率，減少有效成分施用量，符合農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的要求。

任何一項新技術(shù)都有兩面性，納米農(nóng)藥也不例外。雖然納米農(nóng)藥可以通過減少農(nóng)藥有效成分施用量而減少環(huán)境和人群在農(nóng)藥中暴露量，但是納米農(nóng)藥可能通過提高有效成分生物有效性、改變有效成分富集代謝行為或作用機制增加了潛在的環(huán)境風(fēng)險和健康風(fēng)險。另外，納米材料本身以及納米材料與農(nóng)藥有效成分組成的復(fù)合物對環(huán)境安全和人類健康的影響也存在不確定性。目前，我國還未有納米農(nóng)藥取得登記和商業(yè)化，主要是由于目前現(xiàn)有的農(nóng)藥登記風(fēng)險評價方法是否適用于納米農(nóng)藥還有待商榷。本文系統(tǒng)梳理了目前納米農(nóng)藥研發(fā)及其環(huán)境風(fēng)險和健康風(fēng)險研究現(xiàn)狀，旨在為納米農(nóng)藥的科學(xué)使用和準(zhǔn)確評價提供依據(jù)。

1 納米農(nóng)藥研發(fā)現(xiàn)狀

目前研究較為充分的納米農(nóng)藥主要可以根據(jù)制備方法分為2種，第1種是將農(nóng)藥活性成分直接加工成納米尺度的粒子，屬于非載體型納米農(nóng)藥；第2種是利用有機聚合物、脂質(zhì)體和二氧化硅等納米載體，通過吸附、偶聯(lián)、包裹等形式負(fù)載農(nóng)藥有效成分，制備成載體型納米農(nóng)藥。

1.1 非載體型納米農(nóng)藥

非載體型納米農(nóng)藥是通過機械破碎的手段將農(nóng)藥有效成分研磨加工成納米級的粒子，主要包括微乳劑、納米乳和納粉散體等納米制劑。微乳劑研發(fā)于20世紀(jì)70年代，粒徑最低可達(dá)30 nm，由于具有較好的分散性，藥效一般優(yōu)于其他傳統(tǒng)劑型。李蕓藝等[5]研究發(fā)現(xiàn)5%己唑醇微乳劑對水稻紋枯病的防效顯著高于商業(yè)化的10%己唑醇乳油。納米乳與微乳劑組成成分相同，但納米乳是熱力學(xué)不穩(wěn)定的膠體分散體系，粒徑通常在20～200 nm之間。Feng等[6]采用低能乳化法制備了2%阿維菌素納米乳制劑，與阿維菌素傳統(tǒng)劑型乳油和微乳劑相比，納米乳劑表現(xiàn)出更好的潤濕性和擴展性，并顯著提高了對小菜蛾（Plutella xylostella）的殺蟲活性。Lim等[7]制備了草甘膦異丙胺鹽納米乳劑，能夠顯著增強草甘膦在雜草葉片的穿透性，提高除草活性。納米分散體是農(nóng)藥有效成分以納米級尺度分散于水中形成的納米混懸劑，粒徑通常為50～200 nm。Cui等[8]采用微沉淀與凍干技術(shù)制備了阿維菌素納米分散體，相對微乳劑來說，納米制劑的抗光解性能提高2倍，對小菜蛾的生物活性提高1.5倍以上。

某些納米金屬及其氧化物本身具有殺蟲抑菌活性，被視為一種特殊的非載體型納米農(nóng)藥開發(fā)使用。Kumari等[9]研究發(fā)現(xiàn)銀納米顆粒處理后的番茄早疫病菌（Alternaria solani）孢子數(shù)、脂質(zhì)過氧化、脯氨酸含量和超氧化物歧化酶含量分別比未處理的感病番茄植株降低了48.57%、30%、39.59%和28.57%，主要是由于銀納米顆粒能夠直接殺死病原體、提高光合效率、提高植物抗性、降低脅迫參數(shù)和脅迫酶活性；Guilger-Casagrande等[10]研究發(fā)現(xiàn)生物合成納米銀顆?？梢燥@著抑制核盤菌（Sclerotinia sclerotiorum）的菌絲體生長；Cruz等[11]發(fā)現(xiàn)0.75 mg/mL納米銅對小圓胸小蠹-真菌共生體的生長抑制率高達(dá)60%，小圓胸小蠹后代繁殖率與納米銅的濃度線性相關(guān)，納米銅被認(rèn)為是控制小圓胸小蠹-真菌共生體的潛在有效防治方法。

1.2 載體型納米農(nóng)藥

載體型納米農(nóng)藥主要利用納米載體通過吸附、偶聯(lián)、包裹等方式裝載農(nóng)藥，制備納米微囊、納米微球、納米膠束、納米凝膠等農(nóng)藥劑型。納米微球是農(nóng)藥活性成分均勻地分布在納米載體材料中，而納米微囊則是農(nóng)藥有效成分被納米材料組成的外殼包裹其中；納米膠束是過量表面活性劑在水中自組裝形成的膠體溶液，納米凝膠是具有三維結(jié)構(gòu)的交聯(lián)聚合物納米顆粒[12]。載體型納米農(nóng)藥最突出的特點就是利用納米材料特殊的物理化學(xué)性質(zhì)改變農(nóng)藥有效成分本身的行為特征，實現(xiàn)靶向運輸和可控制釋放。Xiang等[13]以多孔碳酸鈣為載體制備了撲草凈納米微球，與傳統(tǒng)劑型相比，納米微球載藥體系減少了有效成分的淋溶，提高了農(nóng)藥的有效利用率；Xu等[14]利用羧甲基殼聚糖制備了嘧菌酯納米微囊，實現(xiàn)了基于環(huán)境pH控制釋放，在酸性環(huán)境下釋放速率最慢，對番茄晚疫病菌（Phytophthora infestans）的抑制活性顯著優(yōu)于有效成分本身；Zhang等[15]利用兩親性嵌段共聚物-(環(huán)氧乙烷)-b-聚(己內(nèi)酯)(PEO-PCL)作為膠束載體，制備了一種植物源農(nóng)藥蓖麻堿納米制劑，其能減小與朱砂葉螨（Tetranychus cinnabarinus）的接觸角，從而表現(xiàn)出優(yōu)異的殺螨活性。

2 納米農(nóng)藥環(huán)境風(fēng)險

農(nóng)藥登記使用之前，都要經(jīng)過嚴(yán)格的環(huán)境風(fēng)險評價，包括環(huán)境歸趨，對非靶標(biāo)生物影響，對水生生物、鳥類、蜜蜂、家蠶和節(jié)肢動物等非靶標(biāo)生物進行急性毒性、短期毒性、慢性毒性、生殖毒性、種群豐度和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性等系統(tǒng)性的評價。相對于常規(guī)農(nóng)藥劑型，納米農(nóng)藥對環(huán)境的毒性效應(yīng)可能會受到納米材料本身的毒性及理化性質(zhì)、暴露途徑和環(huán)境行為等因素的影響而發(fā)生改變。目前還沒有建立納米農(nóng)藥環(huán)境風(fēng)險評價方法和程序，但國內(nèi)外關(guān)于納米農(nóng)藥毒性效應(yīng)的研究逐漸受到重視。

2.1 納米農(nóng)藥對土壤生物的影響

納米農(nóng)藥對土壤生物的影響主要與納米制劑在土壤中的遷移性、生物有效性、降解能力、納米材料和有效成分本身的毒性相關(guān)。當(dāng)納米農(nóng)藥進入土壤后，納米農(nóng)藥在土壤中的遷移性主要取決于其表面的電荷、陽離子種類以及土壤類型，另外土壤對農(nóng)藥的吸附能力也會發(fā)生改變，這可能會影響農(nóng)藥對土壤生物的毒性。Jacques等[16]以秀麗隱桿線蟲（Caenorhabditis elegans）為模式生物，評價了由固體脂質(zhì)納米顆粒、聚合物納米顆粒和殼聚糖/三聚磷酸鹽等3種材料制備的莠去津納米微囊的環(huán)境風(fēng)險，結(jié)果發(fā)現(xiàn)3種納米制劑對秀麗隱桿線蟲的發(fā)育毒性是由納米顆粒本身引起的，與是否負(fù)載農(nóng)藥無關(guān)，固體脂質(zhì)納米顆粒毒性最大，殼聚糖/三聚磷酸鹽毒性最小，可能是由于殼聚糖的生物相容性最好導(dǎo)致的。另一項研究證明，由蛋白基納米材料制備的苦楝油納米制劑對秀麗隱桿線蟲的毒性顯著小于常規(guī)制劑[17]；Gomes等[18]通過長期和短期暴露研究發(fā)現(xiàn)莠去津微囊所導(dǎo)致的陸棲線蚓的回避行為和發(fā)育毒性顯著高于傳統(tǒng)制劑，可能與納米制劑在其體內(nèi)的高富集能力有關(guān)；Firdaus等[19]發(fā)現(xiàn)聯(lián)苯菊酯微囊在赤子愛勝蚓（Eisenia fetida）和普通蚯蚓（Lumbricus terrestris）的富集量均比常規(guī)劑型高50%；Neves等[20]研究證明納米Cu(OH)2對土壤中白符桃（Folsomia candida）的毒性顯著高于常規(guī)商業(yè)化制劑，主要是由于納米Cu(OH)2能夠釋放更多的活性銅離子。

2.2 納米農(nóng)藥對水生生物的影響

納米農(nóng)藥進入水體后，其釋放的有效成分的量理論上不會超過同等劑量的常規(guī)農(nóng)藥制劑。同時，大多數(shù)對魚類毒性的研究證明，與傳統(tǒng)制劑相比，使用納米制劑可以顯著降低有效成分的水生毒性。Blewett等[21]系統(tǒng)評價了聯(lián)苯菊酯納米微囊對虹鱒魚（Oncorhynchus mykiss）的毒性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)聯(lián)苯菊酯原藥對虹鱒魚的急性毒性比納米微囊高2倍，原藥處理的虹鱒魚H+-ATP酶活是對照和納米制劑處理組的2.2倍，表明納米制劑是一種減少有效成分對水生生物毒性的潛在途徑；Mishra等[22]采用擬除蟲菊酯類農(nóng)藥納米乳液防治蚊蟲，在推薦劑量下使用對斑馬魚無毒性效應(yīng)；Andrade等[23]評估了莠去津納米微囊對斑馬魚的毒性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)納米化后可以顯著降低莠去津?qū)Π唏R魚氧化應(yīng)激和碳酸酐酶的影響，從而降低對斑馬魚的急性毒性，但是嘧菌酯納米微囊對斑馬魚胚胎的毒性顯著高于嘧菌酯原藥[24]。納米農(nóng)藥對水生藻類的毒性與魚類相似，擬除蟲菊酯納米乳在防治蚊蟲用量下對水藻無毒性，而關(guān)于金屬基納米制劑的研究結(jié)果與其他類型納米農(nóng)藥不同，表現(xiàn)出明顯的增毒效應(yīng)，CuO納米制劑可以通過改變小球藻脂肪酸氧化水平從而抑制小球藻的光合作用產(chǎn)生毒性，Cu納米顆?？梢耘c魚鰓結(jié)合，通過降低擴散電導(dǎo)、鰓上皮透明膜增生和退化，降低血氧水平，導(dǎo)致全身缺氧[25]。

2.3 納米農(nóng)藥對陸生昆蟲的影響

目前關(guān)于納米農(nóng)藥對飛行蚊蟲有效性研究較多，但是對蜜蜂、節(jié)肢動物等非靶標(biāo)生物研究較少，僅有一項研究評估了溴氰菊酯納米農(nóng)藥對蜜蜂的潛在影響。Oliveira等[26]研究發(fā)現(xiàn)空負(fù)載固體脂質(zhì)納米材料、亞致死劑量溴氰菊酯以及負(fù)載的納米制劑均使蜜蜂消化道細(xì)胞發(fā)生改變，但暴露于負(fù)載溴氰菊酯的納米制劑對蜜蜂消化道細(xì)胞影響小于其他2個處理，可能是由于納米材料本身具有引起毒性反應(yīng)的活性位點，但負(fù)載后的納米制劑的反應(yīng)活性位點被溴氰菊酯覆蓋導(dǎo)致毒性降低。另外，溴氰菊酯暴露可以顯著縮短蜜蜂的壽命，但通過納米材料負(fù)載后其對蜜蜂壽命的影響與對照組無顯著差異，表明溴氰菊酯納米微囊可以降低其對蜜蜂的毒性。

3 納米農(nóng)藥健康風(fēng)險

農(nóng)藥在登記過程需要進行嚴(yán)格的健康風(fēng)險評估，主要包括職業(yè)健康暴露風(fēng)險和膳食暴露風(fēng)險。職業(yè)健康暴露風(fēng)險主要是指在農(nóng)藥生產(chǎn)過程中和使用過程中對生產(chǎn)工人及農(nóng)事操作人員的暴露風(fēng)險。納米農(nóng)藥由于其小尺度效應(yīng)，在穿透靶標(biāo)的同時，容易通過皮膚、呼吸等方式穿透人體組織和質(zhì)膜，對人體產(chǎn)生不可估量的毒性。目前關(guān)于納米農(nóng)藥對人體健康暴露風(fēng)險研究較少，但是關(guān)于納米材料毒性效應(yīng)的研究有很多報道。TiO2納米顆?？梢酝ㄟ^皮膚、呼吸和消化系統(tǒng)進入大鼠體內(nèi)，并通過血液循環(huán)進入卵巢和睪丸，導(dǎo)致生殖系統(tǒng)損傷[27]；納米材料進入生物體內(nèi)還容易引起細(xì)胞氧化應(yīng)激反應(yīng)，造成機體損傷[28]。農(nóng)藥膳食風(fēng)險是指殘留在農(nóng)產(chǎn)品中的農(nóng)藥通過飲食進入人體導(dǎo)致的風(fēng)險，納米材料具有較強的穿透性，容易在可食部分引起農(nóng)藥有效成分富集從而增加膳食風(fēng)險，但納米材料本身具有催化功能，也可能在植物體內(nèi)催化農(nóng)藥有效成分降解從而減少膳食暴露。Zhao等[29]研究發(fā)現(xiàn)由非內(nèi)吸性的殺菌劑咪鮮胺制備二氧化硅載藥顆粒，可以通過蒸騰作用在整個植物組織內(nèi)傳遞，相對傳統(tǒng)農(nóng)藥咪鮮胺在可食部分的殘留量有所增加，但仍小于其最大殘留限量標(biāo)準(zhǔn)；Yan等[30]利用性狀聚合物納米材料制備蛇床子素納米農(nóng)藥用于防治草莓蚜蟲和葉螨，結(jié)果發(fā)現(xiàn)施用納米制劑3 d和5 d后，蛇床子素納米制劑的殘留量分別是施用常規(guī)制劑的79.41%和70.59%，性狀聚合物納米材料加速了蛇床子素的降解，減少了其在草莓上的膳食風(fēng)險。

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，其中納米農(nóng)藥在提高藥效、智能控釋和農(nóng)藥減量等方面優(yōu)勢顯著，納米農(nóng)藥的商業(yè)化推廣勢在必行，但是現(xiàn)有的農(nóng)藥登記風(fēng)險評價體系可能不適用于納米農(nóng)藥，導(dǎo)致納米農(nóng)藥缺乏全面系統(tǒng)性的風(fēng)險評估。另外，上述的納米農(nóng)藥環(huán)境風(fēng)險和健康風(fēng)險的研究結(jié)果也并不一致，存在相反的結(jié)論。因此，未來的研究需要構(gòu)建一套完善的納米農(nóng)藥風(fēng)險評估技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)程序，并加強對環(huán)境友好性、生物相容性納米材料開發(fā)，建立完善的監(jiān)管體系，保障公眾的健康和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。