納米技術是以1～100 nm大小的材料為研究對象,由于其量子尺寸效應、表面界面效應、量子隧道效應等卓越的物理化學特性,近幾年已廣泛應用于醫學、工業、環保、生物學、化學、材料學等領域。利用納米技術成功研發出納米農藥,是將農藥的各種成分,如有效成分、載體、助劑等,加工成對環境友好或更為高效的新產品應用于有害生物防治領域,已成為農藥的研發熱點之一。2019年,納米農藥被國際純粹與應用化學聯合會(IUPAC)評為將改變世界的十大化學新興技術之首。

鑒于納米技術在跨學科交叉研究中的紐帶作用,為更好地應用這一新興技術,本文對納米農藥在有害生物防治領域的研究應用進展進行了綜述。同時,基于有害生物防治瓶頸和綠色發展創新策略,對納米農藥在有害生物防治上的科學研究和應用進行了展望,旨在推動有害生物防治快速發展,以期為持續利用納米技術高效、綠色防治有害生物提供參考。 

1

納米農藥的研發背景

目前,農藥依然是確保糧食與農產品安全穩定生產、快速降低局部區域有害生物密度的必要手段。我國是農藥生產與使用大國,乳油、可濕性粉劑等傳統劑型仍占據主要地位,有機溶劑用量大,高效、環保與高值化產品比例不高。由于載藥粒子大、分散性能差,傳統農藥劑型在噴施過程中因藥滴滾落、粉塵飄移、雨水沖刷等因素會造成大量損失,導致我國農藥平均利用率不到40.0%,伴隨產生農藥頻繁使用、農產品殘留、環境污染等問題。2015年,原農業部制定并印發了《到2020年化肥使用量零增長行動方案》和《到2020年農藥使用量零增長行動方案》,全力推進綠色防控、統防統治。

由于農藥新品種的創制周期長、投入大、風險高,通過改造劑型方式來改善傳統有效成分的使用性能目前成為了農藥減施增效的有效途經。納米農藥正是基于民眾的需求和農藥的發展定位,利用納米材料與制備技術,將農藥有效成分加工成納米級產品,進一步改善難溶性有效成分的溶解性、穩定性、分散性和生物活性,提高農藥在作用靶標面的滲透性和黏附力,降低農藥的損耗,延長農藥的持效期,從而實現農藥減量控害的目的。 

2

納米農藥的分類與劑型

目前,關于納米農藥沒有統一的定義,Kah等廣義地將粒徑＜1,000 nm或具有小尺寸、新特性的農藥劑型定義為納米農藥。綜合納米技術在有害生物防治領域的應用,可以將納米農藥分為3大類：納米材料、納米農藥劑型和納米載藥系統。

2.1  納米材料

納米材料是指具有殺蟲活性的納米級顆粒,如納米銀顆粒、納米二氧化硅、納米二氧化鈦等。

2.1.1  納米銀顆粒

納米銀顆粒能夠對靶標害蟲卵、幼蟲和成蟲表現出毒殺作用,也能對害蟲生長發育產生負面影響。Fouad等測試發現基于阿勃勒果肉提取物的納米銀顆粒對淡色庫蚊(Culex pipiens pallens)和白紋伊蚊(Aedes albopictus)幼蚊的半數致死濃度(LC50)分別為1.7和3.6 mg/L,同時會導致幼蚊體內總蛋白含量、乙酰膽堿酯酶活性、α-羧酸酯酶活性和β-羧酸酯酶活性顯著降低。Kalimuthu等將埃及伊蚊(Ae. aegypti)幼蚊暴露于姜黃粉末合成的納米銀溶液24 h,LC50為72 mg/L,部分試蟲出現中腸上皮細胞溶解、頂側上皮細胞空泡樣的癥狀。Nair和Choi研究發現接觸納米銀顆粒的溪流搖蚊(Chironomus riparius)幼蚊的蛻皮激素基因發生改變,表明納米銀可能導致環境污染,對水生生物的生長發育帶來負面影響。

2.1.2  納米二氧化硅顆粒

在害蟲防治領域,二氧化硅惰性粉可以作為殺蟲成分獨立使用,其顆粒與昆蟲表皮摩擦能夠損壞表皮,使其失去保水功能,從而導致害蟲死亡,是儲糧害蟲防治中常用的物理措施。納米級的二氧化硅顆粒對害蟲的致病機制沒有改變,還可以負載殺蟲有效成分應用于有害生物防治,沈殿晶等通過改良的軟模板法制備出粒徑均一的介孔二氧化硅納米粒子,再通過溶劑揮發法制備得到基于介孔二氧化硅的魚藤酮納米顆粒,其載藥率達到31.6%,緩釋時間可達288 h,同時提高了魚藤酮的內吸性能和傳導能力。

2.1.3  納米二氧化鈦顆粒

納米二氧化鈦具有廣譜性、耐熱性、不易產生抗藥性等優點,能夠破壞微生物的細胞壁、細菌膜等結構,從而抑制甚至殺死微生物。劉倩等測試了納米二氧化鈦對黑腹果蠅(Drosophila melanogaster)腸道共生菌的影響,結果表明,納米二氧化鈦能夠在體外抑制腸道共生菌的生長,抑制性能隨著加入納米材料的增加而增強。

2.2  納米農藥劑型

納米農藥劑型是指將農藥的有效成分直接加工成納米粒子,如微乳劑、納米乳、納米分散體等。

2.2.1  微乳劑

微乳劑是由農藥原藥、表面活性劑、增溶劑和水等組分混合形成的粒徑在6～50 nm的穩定分散體系。與其他傳統劑型相比,微乳劑作為一種水基性劑型,減少了有機溶劑的使用,對環境相對友好,已成為殺蟲劑的主要劑型之一。在媒介生物防治中,高效氯氰菊酯、四氟苯菊酯、阿維菌素等有效成分可以加工成微乳劑用于蚊、蠅、蜚蠊等媒介害蟲的防治,黎祖秋等通過超低容量空間噴霧和綠籬技術施用微乳劑能夠快速降低局部區域白紋伊蚊成蚊密度,有效控制登革熱的傳播。

2.2.2  納米乳

納米乳是由水、油、表面活性劑等成分混合形成透明或半透明的熱力學相對穩定的均相分散體系,其粒徑通常在20～200 nm。納米乳能夠提高農藥的水溶性和分散性,有效提高生物利用率,Kumar等對比了氯菊酯納米乳和傳統氯菊酯溶液對埃及伊蚊幼蚊的殺滅效果,發現24 h的LC50分別為0.0063和0.0199 mg/L,表明納米乳的殺滅效果明顯較高。Kala等測試腰果殼液對庫態按蚊(Anopheles culicifacies)3齡幼蟲的LC50為18.1 mg/L,將其制備成納米乳劑后增強了殺幼活性,LC50降至1.4 mg/L,在掃描電鏡下能夠明顯觀察到幼蚊的形態學損傷。

2.2.3  納米分散體

納米分散體是利用研磨、微沉淀法、冷凍干燥等技術將難溶于水的有效成分加工成納米尺度的顆粒,粒徑通常在50～200 nm,能夠分散于水中形成混懸劑。有研究發現,平均粒徑為188 nm的阿維菌素固體納米分散體對小菜蛾(Plutella xylostella)的殺蟲活性超過水分散粒劑的1.5倍。

2.3  納米載藥系統

納米載藥系統是以納米材料為載體,采用吸附、包裹、鑲嵌等結合方式負載有效成分,最終實現靶向遞藥的目的。常用的納米載體材料有二氧化硅、無機碳、高分子聚合物等,可以構建納米膠束、納米凝膠和納米纖維等農藥劑型,在降低農藥使用量的同時實現活性成分的對靶釋放。

2.3.1  納米膠束

納米膠束具有載藥范圍廣、載藥量高、穩定性好等優勢,可以負載一些難溶性的有效成分,其粒徑大小取決于共聚物的分子質量和制備方法。Balaji等制備了平均粒徑為153.74 nm的N,N-二乙基苯乙酰胺的納米膠束,對三帶喙庫蚊(Cx. tritaeniorhynchus)3齡幼蟲的LC50值由0.416 mg/L降至0.052 mg/L。

2.3.2  納米凝膠

納米凝膠在溶液中形成交聯網絡結構,保持高含水量且不溶解,能夠負載易揮發的物質。Abreu等利用殼聚糖與腰果樹膠作為載體,制成立比草精油(Lippia sidoides)納米凝膠系統,提高了對埃及伊蚊3齡幼蟲的殺滅效果,該系統有效成分的釋放速度與殼聚糖的含量呈負相關,藥效與精油的含量呈正相關。

2.3.3  納米纖維

由于靜電紡絲納米纖維具有多孔結構、高比表面積以及較強的物理機械性能,它可以吸附殺蟲活性成分并調節釋放速率。Iliou等采用低成本、無毒、可生物降解的聚合物醋酸纖維酯和聚乙烯吡咯烷酮,通過靜電紡絲技術開發了以香茅油為活性成分的微/納米纖維體系,明顯延長了有效成分的釋放時間,在實驗室生物測定中對白紋伊蚊具有較高的驅避活性。

除了負載化學因子外,納米材料還可以結合其他殺蟲因子實現殺蟲功效。隨著大量關于害蟲生長發育、化學感應、生理代謝等生命活動相關的基因不斷被發現,RNA干擾技術因其高度的序列依賴性為害蟲防控提供新策略,將該技術與納米技術相結合,可以實現載體遞送dsRNA調控靶標基因表達。Zhang等利用殼聚糖納米顆粒負載甲殼素合酶基因AgCHS1后飼喂岡比亞按蚊(An. gambiae)幼蚊,發現喂養幼蚊的AgCHS1轉錄水平和幾丁質含量分別降低了62.8%和33.8%。利用陽離子型聚氨基酸負載dsRNA能夠提高對大豆蚜(Aphis glycines)的滲透能力,同時對目標基因的沉默效率最高能夠達到87%。此外,納米載體還可以負載昆蟲病毒DNA,Liu等利用核酸型納米載體攜帶棉鈴蟲核型多角體病毒可以引起小地老虎(Agrotis ypsilon)幼蟲行動遲緩、拒食,飼喂10 d后致死率達到70.0%以上,且存活的幼蟲體長縮短40.0%。 

3

納米農藥的作用方式與應用優勢

3.1  納米載體對害蟲造成直接傷害

用來構建納米載藥系統的載體顆粒會對害蟲造成損傷,報道比較多的是納米二氧化硅。納米二氧化硅黏附到害蟲體壁,會對害蟲的角質層造成損傷,導致體表破損失水、代謝紊亂甚至死亡。此外,害蟲取食二氧化硅后,還能造成口器和腸道磨損,降低消化效率,從而降低取食率和取食速度。除了物理損傷外,二氧化硅納米顆粒還會因為硅氧鍵的斷裂生成自由基離子,擾亂靶標昆蟲體內的蛋白質、碳水化合物、酚氧化酶和幾丁質酶的代謝活動。納米載體本身可以影響靶標的生理和代謝活動,造成昆蟲體表破損、代謝紊亂等癥狀,也能夠促進殺蟲有效成分的吸收和利用,從而提高有效成分的殺蟲活性。

3.2  改善農藥的物理性能

與傳統劑型相比,納米農藥劑型具有較大的比表面積和較小的粒徑,能夠有效改善難溶性有效成分的分散性,從而提高殺蟲劑溶液的穩定性,還能增強殺蟲劑的抗光解性能。Han等制備了阿維菌素納米載藥系統,顯著增強了在靶標表面的沉積率,提高了有效成分在溶液中的分散性,在水溶液中的穩定性超過200 d。Song等測試了納米甲維鹽(甲氨基阿維菌素苯甲酸鹽)載藥系統的半衰期,發現經羧甲基殼聚糖修飾的納米碳負載甲維鹽的半衰期延長了約200倍,施藥后第14天對靶標害蟲的防效提高了約50.0%。

利用納米材料與技術可以改善殺蟲劑對靶標的親和性,主要方式包括：(1)改變藥劑的帶電性質,增強藥劑與靶標的靜電作用,從而提高沉積效率。(2)納米顆粒容易沉積在靶標面的溝槽、縫隙內,提高藥劑在靶標面的滯留率。(3)具有黏附性的載體可以提高殺蟲劑的黏附力。此外,納米農藥因其粒徑小,利于在靶標面上分散,增加了害蟲接觸藥劑的概率,從而提高了殺蟲劑的利用率。

納米技術還可以構建溫度、光照等環境因子響應型精準釋放載藥系統,延長農藥持效期。Greene等將有效成分包覆于溫敏性聚合物微囊中制備的溫度響應型載藥系統,只有當土壤溫度或氣溫達到病蟲草等有害生物最活躍的臨界溫度時,才按可預測的速率釋放藥物,有效防止有效成分提前降解。Ye等制備的光響應型敵草隆膠束,黑暗條件下不釋放有效成分,當陽光照射8 h,敵草隆釋放率可達96.8%。

3.3  實現靶向遞藥而提高藥效

實現靶向遞藥是環境響應型載體受到微環境中特異因子的刺激,在靶標昆蟲特定部位釋放殺蟲活性成分,從而達到殺蟲目的。楊君等利用膽固醇和硬脂胺組裝形成非磷脂類納米脂質體作為載體,負載噻蟲嗪后制備的納米載藥系統對堿性環境敏感,當pH值為10.0時有效成分釋放速率顯著提高,有助于噻蟲嗪在鱗翅目幼蟲獨特的堿性中腸環境中進行響應性釋放和積累。Kaziem等制備了對α-淀粉酶具有響應特性的納米載體,負載氯蟲苯甲酰胺和阿維菌素,利用咀嚼式口器昆蟲中腸存在α-淀粉酶的特性,當小菜蛾幼蟲取食后,中腸α-淀粉酶可以降解載體釋放有效成分,實現定向釋放,對小菜蛾的防效提高了30%～40%。此外,還有載體受到生物體內谷胱甘肽刺激后,造成載體骨架二硫鍵斷裂從而釋放有效成分。

3.4  提高天敵捕食率

目前,納米農藥與天敵配合使用的應用較少,但也有研究證明納米農藥在提高對靶標生物毒力的同時還能夠提高天敵的捕食率。與常規殺蟲劑相比,金納米顆粒和銀納米顆粒負載的植物源殺蟲劑不僅對埃及伊蚊幼蚊的毒力提高10～30倍,還使翹足類天敵對幼蚊的捕食率提高了約20%。 

4

基于納米技術的監測策略

有害生物的治理策略是以防為主,在危害發生初期采取控制措施以減少作物損失、避免媒介生物性疾病的暴發,這就對有害生物生態學監測提出更高的要求,及早、準確地發現害蟲,在時間和空間上精準施藥非常關鍵。納米傳感器靈敏度高、速度快,結合昆蟲的生物學特征識別特異性昆蟲具有一定的可行性。Steffens等利用聚苯胺納米纖維結構作為受體能夠檢測到微量的蜜蜂信息素2-庚酮,但如何轉化為電磁信號進而研發成監測系統還有待于進一步研究。 

5

 展  望 

納米農藥在有害生物防治領域表現出巨大的應用潛力,能夠提高農藥利用率,達到減施增效、精準施藥的目的,是實現農藥綠色發展、有害生物可持續治理的重要途徑。目前,納米農藥在有害生物防治中的研究應用主要集中在納米農藥的制備和性能研究以及納米劑型的藥效功能評價兩方面,雖然能夠查詢到許多關于納米農藥的專利,但登記用于現場防治的納米農藥種類卻非常少,實現推廣應用還需加強以下幾方面的研究：一是加強納米載體和納米制劑的風險評價,加大田間藥效試驗,系統地闡明對非靶標生物、環境微生物以及農作物等的負面影響；二是發展大規模制備納米農藥的生產技術,解決工業化生產的困難；三是完善納米農藥的檢測技術和評價方法,健全評估、登記等相關標準體系。