纳米农药剂型与其减施增效机理研究进展

发展高效、安全的绿色农药对于缓解当前的农药残留与环境污染、促进农药产业的可持续发展具有重要意义。目前，在农药研发工作中，新型农药化合物创制愈发困难，而通过先进的剂型加工方法改善农药的使用性能，充分发挥有效成分的生物活性与效能，已经成为农药减施增效的重要途径。近年来，随着纳米科技的迅猛发展，纳米尺度(1~100nm)的材料因尺寸小、结构特殊而具有许多新的理化特性，如小尺寸效应、大比表面积、高反应活性以及量子效应等。这些特性使得纳米材料越来越多地应用于电子、能源、医学和生命科学等领域。过去20年中在这些领域积累的知识已逐渐转移并应用于农业领域，形成了一个十分活跃的新兴交叉学科。其中，利用纳米材料与技术发展纳米农药新剂型，是应用领域研究热点之一。利用纳米材料与制备技术，将农药原药、载体与助剂等加工成更为高效的新剂型产品，有利于改善难溶性农药的分散性、稳定性与生物活性，促进农药对生物靶标表面的黏附性与渗透性，保护环境敏感型农药，减少流失与分解，控制药物释放速率，延长持效期，降低其在非靶标区域和环境中的投放量与残留污染，从而实现农药的减施增效。2019年，纳米农药被国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)评为将改变世界的十大化学新兴技术之首，美国环保署(EPA)、欧盟以及联合国经济合作与发展组织(OECD)等国际组织和机构已经陆续颁布了关于纳米农药生产、使用及安全性评价等方面的管理规则。鉴于纳米农药发展迅猛，本文拟对纳米农药的主要剂型和增效机理进行归纳，探讨纳米剂型在农药减施增效中的应用前景。纳米农药剂型目前国际上对于纳米农药暂时没有统一的定义。Kah等广义地将粒径小于1000nm，或以“纳米”为前缀，或具有与小尺寸相关的新特性的农药剂型定义为纳米农药。纳米农药主要有以下两种加工方式：1)将农药活性物质直接加工成纳米尺度粒子，如微乳剂、纳米乳、纳米分散体；2)以纳米材料为载体，通过吸附、偶联、包裹、镶嵌等方式负载农药，构建纳米载药系统，常用的纳米载体材料有高分子聚合物、固体脂质体、二氧化硅、层状双氢氧化物、粘土和无机碳等，可构建纳米微囊、纳米微球、纳米胶束、纳米凝胶和纳米纤维等农药剂型。此外，一些金属及金属氧化物的纳米颗粒具有杀菌和催化降解功能，与农药复配使用可提高农药的功效。纳米农药剂型示意图见图1。近10年来，以高分子聚合物为载体的纳米农药制剂逐渐成为研究热点，它们有望在降低农药用量的同时实现活性物质的对靶释放。随着人们环境保护意识的增强，越来越多的天然或合成高分子聚合物被用作纳米农药的载体。这些聚合物通常易于降解，不会造成二次污染，来源广泛且价格低廉。由于高分子聚合物表面功能基团种类繁多，可对其进行修饰改性，从而优化载体的性能。目前常用的天然高分子多聚物载体有壳聚糖、海藻酸钠、淀粉、纤维素和环糊精等多糖类化合物及其衍生物，合成高分子化合物有聚乙二醇(PEG)、聚乳酸(PLA)和聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)、聚ε-己内酯(PCL)和聚-β-羟基丁酸(PHB)等。

微乳剂Microemulsion微乳剂是由农药原药、表面活性剂与增溶剂的共混物、助表面活性剂(通常为中链脂肪醇)和水等组分混合后，形成的光学上各向同性、热力学上稳定且经时稳定的透明或半透明的分散体系，其粒径通常在6~50nm之间。传统乳液在制备时需输入大量的能量，但微乳剂只需加水轻微搅拌即可自发形成。农药微乳剂分散度极高，因含有相当量的表面活性剂，用水稀释后喷雾液体的表面张力可得到有效降低，喷雾液滴小，到达植物叶片表面后不易发生反弹，更易附着、润湿、铺展和渗透。微乳剂中以水代替了大量有机溶剂，减少了有机溶剂在农药制剂加工和使用过程中的各种弊端，从而避免和减少了环境污染，其作为一种水基性的新剂型已受到广泛关注。先正达公司已上市多种微乳剂产品，包括植物生长调节剂和杀菌剂等。戴域等采用半叶枯斑法，对毒氟磷微乳剂和30%毒氟磷可湿性粉剂进行的室内生物活性测定结果表明，微乳剂有更好的光解稳定性，并且使用过程中未发现对植株的生长产生不良影响，使用较安全且生物活性较高。刘卫国等研究了阿维菌素乳油、水乳剂以及微乳剂在甘蓝叶片上的润湿展布性能。结果表明，微乳剂在叶片上的润湿铺展程度最好，且持留量最多。但是，目前农药微乳剂存在表面活性剂用量大(通常为20%左右)、可用表面活性剂种类有限、农药有效成分含量低以及控释和靶向传输性能不突出等局限性，有待进一步发展与完善。

纳米乳Nanoemulsion纳米乳是由水、油、表面活性剂和助表面活性剂等形成的粒径在20~200nm之间的透明或半透明的热力学相对稳定的均相分散体系。纳米乳与微乳剂最大的区别在于其处于热力学亚稳定状态，而且比微乳剂具有更低的表面活性剂添加浓度(质量分数为5%~10%)。纳米乳可提高农药的水溶性和分散性，降低有机溶剂的使用量；表面活性剂和助剂的存在可降低液滴的表面张力，从而进一步提高农药在靶标表面的附着、沉积和渗透，有效提高生物利用率。Lim等制备了草甘膦异丙胺盐纳米乳，并以宽叶十万错Asystasiagangetica等杂草为研究对象，研究了其在杂草叶面上的沉积效果。结果表明，农药在杂草叶面的沉积效果明显改善，农药利用率得以提高。SureshKumar等对氯菊酯纳米乳进行的研究结果表明，纳米乳的功效明显高于只含活性成分的乳液，并且对非靶标生物(如土壤细菌和植物等)的影响有所减少，说明纳米乳在提高农药利用率的同时也更加安全。纳米乳的制备方法有高能耗法和低能耗法，高能耗法包括高速剪切、高压均质、超声破碎和微射流等，通常对机械设备有较高的要求；低能耗法是纳米乳制备方法研究的重点之一，包括自乳化法、相反转法和溶剂置换法等。此外，纳米乳的稳定机理以及性能精准可控的制备方法也是主要的研究方向。纳米分散体Nanodipersion/Nanosuspension纳米分散体是将难溶于水的有机农药化合物，利用研磨、熔融乳化法、微沉淀法、溶剂挥发法结合喷雾干燥、冷冻干燥等方法等直接加工成纳米颗粒的粉剂，或分散于水中形成纳米混悬剂，其颗粒粒径通常在50~200nm之间。纳米分散体能够改善难溶性农药在水中的均匀分散度，有助于增强农药在植物叶面的渗透性与黏附性，提高农药的生物利用度，减少农药使用量，降低农药残留造成的污染，同时在运输和储存过程中具有更好的稳定性和安全性。Yang等采用纳米乳液固化法制备了15%的甲氨基阿维菌素苯甲酸盐固体纳米分散体，其平均粒径为96.6nm，具有良好的稳定性，经过对小菜蛾PlutellaxylostellaL.与虫Myzuspersicae(Sulzer)的生物测定发现，其比微乳液与水分散粒剂的杀虫活性高；Cui等采用微沉淀与冻干技术制备了阿维菌素固体纳米分散体，平均粒径为188nm，其在水中的悬浮性优于传统的水分散粒剂，对小菜蛾的杀虫活性是水分散粒剂的1.5倍以上。纳米分散体的制备需要专业化的设备，能耗也相对较高。目前在新材料、新技术和新设备应用开发的基础上，利用微沉淀法、超临界流体法和微射流法等重现性好的工艺制备纳米分散体已逐渐受到重视。

纳米微囊Nanocapsule纳米微囊是通过界面聚合法、乳液聚合法、纳米沉淀法、层层组装法或膜乳化法等，将农药包裹在天然或合成高分子聚合物膜内形成的农药纳米载药系统。纳米微囊具有明显的核-壳结构，粒径通常为100~1000nm，制备工艺对其粒径影响较大。纳米微囊能够抑制田间环境因素所造成的农药分解和流失，提高化学稳定性，降低农药接触毒性、吸入毒性等药害，减轻对人畜的刺激性；纳米微囊释放能力可控，可以提高农药利用率，延长农药持效期；纳米微囊载体材料表面基团种类丰富，可针对靶标特性对其进行改性修饰，提高载药系统的对靶沉积效率，从而减少施药量和施药频率，减轻农药环境污染。Liu等以可生物降解的聚乳酸为囊材，通过膜乳化法制备了粒径为680nm的环境友好型高效氟氯氰菊酯控释纳米微囊，其载药量高达40%，与原药和市售微囊相比，此载药系统中的高效氟氯氰菊酯持续释放时间明显延长，对小菜蛾的生物活性显著高于市售微囊。Saini等以海藻酸钠为囊材合成了粒径为138nm的啶虫丙醚纳米微囊，生物测定结果表明，其对棉铃虫Helicoverpaarmigera的胃毒效果分别是原药和市售乳油的2.26倍和6.2倍，触杀效果分别是原药和乳油的1.88倍和3.13倍。已有研究表明，纳米微囊的药物释放速率可随着粒径的减小而增大，然而，提高纳米微囊中药物的负载率是一个技术难点。纳米微囊是纳米农药制剂研究的热点，大部分研究工作着重于开发新材料，构建具有不同特性的纳米微囊，此外纳米微囊的生物活性评价以及环境安全性评价也是未来的研究重点。

纳米微球Nanosphere纳米微球中的农药活性成分均匀分布于纳米载体材料中，没有明显的核-壳结构，其粒径范围较大，通常为50~000nm。以高分子聚合物为载体的纳米微球制备方法通常与纳米微囊相似。固体脂质体、多孔二氧化硅和粘土等材料也常用作纳米微球的载体。纳米微球一方面能储存和保护农药活性成分，提高药物稳定性并延长持效期，从而减少施药剂量和频率；另一方面可有效减少农药活性物质与非靶标生物的接触，避免对环境产生不良影响。纳米微球载体种类丰富，可根据防治靶标的特性选择适合的载体，并进行改性或修饰，实现匹配有害生物发生规律与防控剂量需求的农药长效缓释与可控释放，提高药物的剂量转移效率。Kumar等制备了负载吡虫啉的海藻酸钠纳米微球，并对防治秋葵叶蝉Amrascabiguttulabiguttula进行了田间药效试验，与市售剂型相比，纳米微球的药效更高且持续时间更长；此外，吡虫啉纳米微球对Vero细胞的毒性低于市售制剂。Frederiksen等制备了γ-氟氰菊酯的固体脂质体纳米微球，虽然其杀虫活性与市售乳油剂型相似，但其对鱼类和水蚤的毒性分别比乳油制剂低10和63倍。Wang等以新型多孔二氧化硅纳米颗粒作为纳米载体来负载阿维菌素，通过改变二氧化硅纳米颗粒的多孔结构，改善了阿维菌素的可控释放性、光稳定性和水溶性。纳米微球载药系统制备工艺多种多样，制备方法的改变，即可导致粒径和载药量的变化。因此，发展稳定的生产工艺是未来研究的重点。此外，纳米微球田间应用的缓释性能、药效功能和环境安全性评价方法、模型和规则也需不断完善。

纳米胶束Nanomicelle当两亲性嵌段共聚物在溶液中的浓度高于其临界胶束浓度(cmc)时，便可以自组装成具有核-壳结构的聚集体——胶束。纳米胶束的粒径多在10~100nm，粒径大小主要取决于共聚物的分子质量和制备方法等。纳米胶束多用作难溶性农药载体，提高难溶性药物的分散性。制备胶束的材料种类繁多，可根据农药作用方式和有害生物发生规律，制备环境响应型缓控释载药系统，从而降低农药使用剂量，减少对非靶标生物和环境的影响。Zhang等以两亲嵌段共聚物聚环氧乙烷-b-聚己内酯(PEO-PCL)为载体制备了粒径为97.2nm的蓖麻碱纳米胶束，其热力学稳定性优于Tween-80胶束，纳米胶束对朱砂叶满Tetranychuscinnabarinus(B.)的防治效果优于Tween-80胶束和蓖麻碱水溶液；Balaji等以PEG为载体，通过聚合和转相温度乳化法(PIT)制备了负载难溶性昆虫驱避剂N,N-二乙基苯基乙酰胺(DEPA)纳米胶束，其粒径为153.74nm，其对三带喙库蚊Culextritaeniorhynchus3龄幼虫的驱避效果显著高于原药。文献报道中负载农药的胶束粒径通常大于100nm，这是由于包埋药物使核区增大，胶束形成的自组装过程受非两亲性药物的影响，使得粒径分布变宽。近几年，有关纳米胶束作为农药载体的研究逐渐增多，以生物可降解的环境友好型材料为载体，制备精准释放型纳米胶束载药系统是日后研究的重点方向之一。

纳米凝胶Nanogel纳米凝胶是由水溶性高分子经过交联后形成的，交联网络结构能在水中膨胀但不会分散，能够保持含水量高但并不溶解的状态。纳米凝胶在环境中的稳定性高，因此可负载易挥发物质。Abreu等以壳聚糖和腰果树胶为高分子载体，通过两种材料的静电交联作用，制备了负载立比草Lippiasidoides精油的纳米凝胶，凝胶载药系统的释药速率随壳聚糖含量的增高而降低，其对埃及伊蚊Stegomyiaaegypti3龄幼虫的杀虫效果优于纯精油，且与载药系统中的精油含量呈正相关。Bhagat等以一种低分子凝胶剂制备了信息素甲基丁香酚纳米凝胶，该载药系统能有效减缓信息素的挥发速度，田间防治桔小实蝇Bactroceradorsalis的试验结果表明，纳米凝胶可将信息素的持效期由7d延长至30d。目前，纳米凝胶的研究主要集中在负载植物精油提取物和昆虫信息素等易挥发物质上。基于在靶向药物研究中的基础，纳米凝胶在制备环境响应型的农药载药系统也应有良好的前景。此外，生物可降解型纳米凝胶亦可为实现土壤药肥一体化提供新思路。

静电纺丝纳米纤维Electrospunnanofiber近年来，静电纺丝纳米纤维作为农药载体的研究逐渐受到关注。静电纺丝主要是指将带电荷的聚合物溶液或者熔体在高压电场力的驱使下产生变形，当液滴表面受到的电场力大于其表面张力时形成喷射流，再经过拉伸和溶剂挥发，固化形成直径为几十至几百纳米纤维的过程。静电纺丝纳米纤维具有高比表面积、多孔结构及增强的物理-机械性能等特点，能够提高活性成分的溶解度和稳定性，负载的活性物质可随纤维载体材料的降解而逐步释放出来，有效调控活性成分的释放速率及有效期。Hellmanna等以聚酰胺和醋酸纤维素为载体制备了直径为150~600nm的静电纺丝纳米纤维，并以此负载了信息素(Z)-9-十二碳烯乙酸酯。缓释试验结果表明，载药系统可在55d内线性均匀地释放信息素。Kikionis等制备了橄榄果实蝇Bactroceraoleae和橄榄巢蛾Praysoleae两种果蝇的性信息素静电纺丝纳米纤维，在橄榄果蝇的防控上取得了显著效果，释放时间至少可达112d(16周)。纳米纤维的制备需要专业化的设备，某种程度上限制了其在农药领域的研究和应用。目前，静电纺丝纳米纤维载药系统的研究仍处于初期阶段，研究工作主要集中于负载信息素类物质及其缓释性能，未来可以逐渐探索利用静电纺丝纳米纤维负载其他类型的农药，并对其缓释性能和生物活性进行评价。

金属及金属氧化物纳米粒子Metalandmetaloxidenanoparticles一些金属或金属氧化物材料制成纳米级颗粒后具有杀菌和光催化等功效，与农药复配使用能提高农药的药效，并在防治病虫害后能促进农药分解，降低农药残留。Ihegwuagu等研究了以木薯淀粉和纳米银为载体负载敌敌畏和毒死蜱，并对其控释性能进行了研究。制备的淀粉-银纳米载药系统粒径为28~34nm，具有较大的比表面积，从而使得农药的包封率提高到95%~98%，即使在施用21d后，负载敌敌畏的纳米载药系统仍可表现出对目标害虫的稳定释放特性。周文祥等用硬脂酸对纳米Ag/TiO2颗粒表面进行亲脂性改性，将溴虫腈原药、改性后的Ag/TiO2和适量的添加剂经高速剪切机加工制得颗粒大小均一、平均粒径为100nm的农药纳米制剂，并对其进行了光降解试验。结果表明，其具有较高的光降解活性，在紫外光的照射下，溴虫腈纳米制剂的降解速率是溴虫腈悬浮剂的7.9倍，显著加速了农药的降解。金属及金属氧化物纳米粒子的安全性及其在环境中的累积一直是纳米毒理学研究的重点，因而金属纳米粒子的应用也已逐渐从研发农药纳米制剂向检测农药残留的纳米传感器转变。

纳米农药增效机制

小尺寸与大比表面效应难溶性农药的分散性差是制约提高农药有效利用率的重要因素之一。乳油和可湿性粉剂等传统农药剂型存在大量使用有机溶剂、粉尘飘移及农药利用率低等局限性。与传统剂型相比，纳米农药制剂具有粒径小、比表面积大等特性，可以改善难溶性农药的分散性，增大农药在植物叶面或有害生物表面的覆盖率。良好的分散性和叶面沉积性能可确保纳米农药在田间施用过程中能均匀地沉积在靶标上，避免因药物粒子过大而发生脱落和漂移等现象，促进农药对靶沉积和剂量转移，从而提高农药利用率。Cui等采用微沉淀和冻干技术制备了阿维菌素固体纳米分散体，其在水中的悬浮率和润湿时间分别为99.8%和3s，优于常规水分散粒剂和可湿性粉剂。Han等以4-丁二醇(BDO)、2-甲基琥珀酸(MSA)和PEG为原料，合成了温敏型可生物降解嵌段共聚物聚(2-甲基丁二酸丁二酯)-聚乙二醇(PBMS-PEG)，随着PEG比例的增加，其粒径可从74.3nm增加至138.3nm。该载药系统显著增加了阿维菌素在水中的分散性，在水溶液中稳定200d以上不产生沉淀，且其在亲水性和疏水性叶片上的沉积率均高于市售乳油剂型。此外，适当的粒径范围可确保纳米农药速效性和持效性的平衡，进而减少农药施用剂量和次数，提高农药利用率。Wang等以乳化溶剂挥发法制备了聚乳酸阿维菌素纳米微球，通过改变表面活性剂的比例，可制备出粒径为344~827nm的纳米微球。研究表明，随着载药系统粒径的减小，药物释放速率以及对蚜虫的杀虫活性逐渐提高。Tong等以mPEG-PLA为载体，制备了疏水性农药异丙甲草胺纳米颗粒，其平均粒径为90nm，不含有机溶剂和表面活性剂，可显著提高异丙甲草胺在水中的分散性，在较低药物浓度下，对水稻Oryzasativ和马唐Digitariasanguinalis的抑制作用随粒径的增大而降低。

界面亲和效应作物叶面因存在蜡质层、气孔、绒毛和表皮细胞等结构而具有一定程度的疏水性，使得喷施的农药难以附着在叶面上，从而导致农药的大量流失。利用纳米材料与技术可以改善药物对靶标的亲和性，减少农药的流失，提高农药利用率。主要方式为：1)纳米载体材料表面基团种类繁多，针对靶标生物表面的理化特性，对纳米载体进行亲和性修饰改性，增大载药系统对靶标生物的附着力；2)基于植物叶片表面微观结构形貌，制备具有特殊结构的纳米载体，通过提高微观结构的匹配性，提高农药在叶面上的滞留率；3)作物和有害生物表面通常带有负电荷，通过改变纳米农药的带电性质，增加农药制剂与靶标之间的静电作用力，从而提高农药的对靶沉积效率。Yu等以生物黏附性天然分子单宁酸为原料，通过化学修饰，制备了对叶片具有较强黏附性的阿维菌素纳米杀虫剂和嘧菌酯纳米杀菌剂，试验结果表明，与传统农药相比，其在黄瓜叶片上的滞留率可显著提高50%以上。Tong等以氧化石墨烯和聚多巴胺为原料制备了具有黏性的纳米复合材料，其对噁霉灵的负载能力高(每mg氧化石墨烯可负载1.6mg噁霉灵)，模拟雨水冲刷试验结果表明，纳米复合材料负载的噁霉灵在植物叶片上的滞留性明显优于噁霉灵溶液，其对尖孢镰刀菌Fusariumoxysporumf.sp.cucumebriumOwen的抑制作用与噁霉灵溶液相当。Zhao等基于植物叶片表面的微纳结构，构建了具有“挂钩-帽子”结构的Janus微粒，制备了纳米级的杀虫剂载药体系，通过尺寸匹配的拓扑诱导效应，提高了农药药液在靶标表面的沉积持留，从而实现精准施药。Zhao等通过相反转法和添加离子液体制备了带正电荷的高效氯氟氰菊酯纳米乳，在室温条件下其粒径可在90d内保持不变，纳米乳和靶标表面的静电作用增加了纳米乳的润湿性和稳定性，并减小了药液在小麦上的接触角。

缓控释效应传统农药剂型通常会以较高的剂量施用至田间，但由于漂移、淋溶、流失或降解等作用使其浓度会迅速降至有效浓度以下，在作物生长期内需要反复施用才能达到预期防治效果。利用纳米技术对载体材料结构与功能进行调控，可构建长效缓释纳米载药系统，使农药释放特性与有害生物发生规律相匹配，延长持效期，降低农药施用剂量和施药频率，从而提高农药利用率。此外，可根据有害生物发生时间、危害周期及其生态环境和不同种植体系特征，构建酶、pH值、温度和光等环境因子响应型精准释放纳米载药系统，最大限度地实现农药释放特性与有害生物防控剂量需求的协同性。Ding等以二氧化硅负载3-氨丙基三乙氧基硅烷改性的春雷霉素制备出的纳米微球，能有效防止春雷霉素光解，并能很好地对细菌侵害产生的酰胺酶产生响应而释放出春雷霉素。Xiang等以具有纳米网状结构的聚多巴胺改性硅藻土吸附毒死蜱，再与海藻酸钙交联制备出pH值响应型多孔水凝胶球，该控释剂在碱性条件下释放毒死蜱，并能有防治毒死蜱在紫外光下的降解。Ye等以羧甲基壳聚糖与2-硝基苄基侧基键合，在水溶液中通过自组装制备了光响应性壳交联敌草隆胶束，其平均粒径140nm，包封率达91.9%，黑暗条件下不释放农药，太阳光照射下8h敌草隆释放率可达96.8%。

高效传输效应农药种类繁多，作用方式复杂，但它们在传输途径上存在的共同特征是：首先需要沉积在作物表面上，然后经由叶面，通过扩散、内吸与转运等剂量转移过程，最终传输到植物体内外的有害生物侵袭或危害部位，通过主动或被动接触而使其中毒或死亡。纳米载药系统可改善农药的穿透性，从而提高农药在作物体内的分布，促进农药有效成分向靶标部位的定向转移。疏水性农药加工为纳米尺度的载药系统后，可随作物对水分的吸收和转运进入到植物体内，从而提高作物对药物的利用率。Tong等的荧光示踪研究表明，粒径小于90nm的mPEG-PLA纳米载体可以从水稻根部进入植物体内。Zhao等采用介孔二氧化硅为载体，制备了负载螺虫乙酯的纳米颗粒，与传统剂型相比，纳米颗粒改善了药物在黄瓜植株中的沉积、吸收和转运性能，并有效防止药物在植物体内的降解；残留和代谢产物研究表明，叶面施用纳米颗粒对黄瓜的可食用部位风险较低。问题与展望发展环境友好型农药，提高农药利用率，减施增效，促进农业可持续发展，是农药工业发展的重点。目前，关于纳米农药的研究仍处于初期阶段。目前针对纳米农药的文献主要分为两类：一是对于新型纳米农药制备和性能研究；二是对于已有纳米农药剂型进行药效功能评价。虽然一些农药公司申报了大量的纳米农药的专利，但市场上除了微乳剂外，其他纳米农药种类仍然非常少。

纳米材料的特殊性能引发了人们对纳米农药安全性的广