纳米农药的环境安全性浅析

2018-08-24周艳明周欣欣

农药科学与管理 2018年5期

陈朗，姜辉，周艳明，周欣欣，黄健

(1.中国农业科学院植物保护研究所，植物病虫害生物学国家重点实验室，北京 100193； 2.农业部农药检定所，北京 100025)

1 引言

纳米科学主要研究三维空间尺寸中至少有一维在1～100nm之间的极小物体，其作为一个独立的研究领域己经发展成为当今世界上三大支柱科学之一，广泛应用于材料与制造、微电子与计算机信息技术、能源与环境、医疗与健康等领域。据预计，纳米材料(MNPs)的全球年产量将从2010年的21 000吨上升至2020年的58 000吨[1]。然而，随着纳米材料的产业化，人造纳米材料通过不同途径进入环境中对人体健康和生态环境造成的负面效应也随之出现[2-4]。以纳米尺度的颗粒态物质为研究对象的MNPs生态毒理学研究逐渐成为生态毒理学研究领域一个新的挑战，美国及欧盟国家的政府或科学管理部门近年来纷纷出台科技政策予以支持和推动[5-6]，未来10年生态毒理学领域将是“生态毒物基因组学”和“纳米生态毒理学”的时代[7]。

近年来，纳米技术在农业中的应用成为一个新的和迅速发展的研究领域[8]。利用纳米材料与制备技术，将原药、载体与助剂等配制成更为高效的新剂型产品，有利于提高农药有效成分在田间环境下的生物活性与利用率，增强有效成分对昆虫、病菌、杂草等有害生物的渗透性，促进农药有效成分向靶标部位的传输等[9-10]。相比常规农药，纳米农药具有以下优势[11-13]：1)MNPs的添加可增加农药有效成分的稳定性(包括贮存期间和施用后)、溶解度等；2)在田间喷施过程中，MNPs的小尺寸效应可以增加农药雾滴的延展性、润湿性、靶标吸附性(如叶面粘附性)等；3)MNPs对有效成分具有可控缓释与保护性能等。上述优势性能。

然而，由于纳米农药同时含有纳米材料和农药有效成分，其在增加生物活性的同时，也可增强有效成分对环境中非靶标生物的生物有效性和生态毒性，纳米材料和农药有效成分在环境中还易于发生相互作用，表现出复合效应。与含有相同有效成分但不含纳米材料的常规农药相比，纳米农药在生态毒性和环境归趋方面均有可能发生较大变化，因此，纳米农药登记注册和监管过程中的环境安全性与风险评估方法需要在常规评价方法上进行重新设计和修订。本文综述了纳米农药的发展现状、纳米材料与纳米农药的环境安全性研究结果与风险评估现状，旨在为纳米农药的生态效应评价、环境风险评估提供参考。

2 纳米农药研发现状

目前纳米农药新型剂型的研究主要集中在纳米微乳剂、纳米载药系统、纳米生物农药等领域。纳米技术在农药行业中的潜在应用情况(表1)。

表1 农药纳米技术的潜在应用情况

AI：有效成分(active ingredient)

2.1 纳米微乳剂粒径介于纳米尺度范围内的微乳剂属纳米农药范畴。该剂型具有增溶、增渗透作用，在传递效率，生物利用率方面具有许多优势，但表面活性剂用量大、靶向传输和控释性能尚不突出[12]，并未表现出显著优于农药传统剂型的生物效果与安全性。例如，大量使用了直链和支链醇、酮类等急性毒性与二甲苯相当的极性溶剂，较易进入农田和地下水源，可能会对环境和食品安全构成新威胁。

2.2 纳米颗粒剂直接以纳米颗粒作为农药有效成分，如Ag NPs[28]，纳米硅[29-30]，TiO2NPs[31-32]，Cu NPs[33]，纳米铝粉尘[34]等。

2.3 纳米载药系统载药纳米微粒剂型是指采用人造纳米材料以吸附、包裹、偶联、镶嵌等方式负载农药所构建的纳米载药系统[12]。纳米载药系统主要包括2种剂型：将农药包裹于纳米微囊中[11，19-22]，或以多孔纳米材料作为农药有效成分的载体[23，35]。纳米载药系统可减缓因光、热、水、土壤、微生物等田间环境因素所造成的农药的分解和流失，改善农药有效成分的稳定性，从而实现靶向投放[11，19-20]和控制释放功能[17-18]，从而减少农药流失、延长农药的持效期、降低施药剂量和频次[13]。伴随着与光、热、磁等比较活跃的研究领域的结合，更具靶标导向与控释功能的新型环境智能响应纳米载药系统(Smart Nano-Delivery System)将成为今后纳米农药研发与创制的重点方向[8]。

2.4 我国纳米农药研发情况 2005年起，国内科研工作者也相继在纳米微乳液、纳米微囊等农药新剂型开发方面进行了探索。先后有学者研究报道了烯酰吗啉纳米载药颗粒[36]、阿维菌素SiO2纳米载药系统的研制[37]、Ag/TiO2吡虫啉纳米微胶囊[38]、联苯菊酯[39]纳米微乳液等。近年来，中国农业科学院崔海信等[40-44]系统地开展了纳米生物农药创制研究，在利用纳米载体改善农用抗生素生物活性与持效期等方面取得了较大研究进展。

3 纳米农药的环境安全性研究现状

纳米材料本身具有一定的毒性，进入环境水体、土壤、空气中后可对许多非靶标生物产生毒性作用(从微生物到更复杂的生物个体、种群和群落)，甚至可能通过食物链传递给生态系统带来潜在威胁。随着尺寸减小到纳米级范围以及相应的表面积增加，纳米材料被赋予新的物质特性，也因而更具生物反应活性。尽管目前已有许多关于纳米材料生态毒性效应的研究报道，但其环境风险评估方面的研究还是远远落后于其应用技术的发展。

3.1 纳米材料的毒性作用机制目前纳米材料对生物体毒性作用机制尚不十分清楚，己有研究表明纳米材料的致毒因素主要包括以下四方面。一是纳米材料的颗粒效应，易于穿透细胞膜进入细胞内，影响细胞内的正常生理活动[47]、易于形成团聚体包埋藻细胞产生遮光效应进而抑制光合作用[45-46]。二是有些纳米材料本身能够释放出有毒离子，例如，纳米银离子[48]、纳米Cu和纳米Zn离子[49]。三是氧化损伤，纳米材料反应性强、易产生活性氧(ROS)，可破坏线粒体内抗氧化防御体系，产生氧化应激，造成功能蛋白失活，直至引起细胞凋亡，影响正常生理机能[47，50-53]。四是生物放大效应。纳米材料可能通过食物链传递并在高营养层级的生物体内积累，产生生物放大效应[54-56]。

3.2 纳米农药的生态毒理学研究纳米农药作为纳米材料一个新兴的应用领域，相比其它应用方式在环境中残留的概率更高，风险也可能更大，这是由于：一、农药使用量大而有效利用率不高，除小部分真正达到目标靶点外，其余绝大部分(60%以上[57])在施药过程中释放到了环境中；二、纳米农药在易进入生物机体有害生物的同时，也更易穿过人体和非靶标环境生物的组织和质膜，进入细胞质或细胞核内，对机体产生难以预料的后果。此外，农药有效成分和纳米材料之间还可能会产生联合毒性作用。不过，也有报道表明，某些纳米农药比常规制剂对植物[58]和其他非靶标生物[14]的毒性更小，表现出增加病虫害防治效果、同时减少药害和环境危害的优越性。

相比常规农药，纳米农药对环境生物的毒性效应可能会受纳米材料的物理化学性质、暴露途径、环境行为，以及环境因素等方面的影响。因此，纳米农药的环境安全性相对于单一纳米材料、常规农药制剂的评估要复杂得多。

3.2.1 纳米材料对纳米农药生态毒理效应的影响纳米农药的生态毒性效应与纳米材料的物理化学性质密切相关。纳米材料的理化性质是影响纳米农药进入生物体并产生毒性效应的关键因素之一[60]。例如，纳米材料的尺度大小决定了纳米农药在生物体内的浓度高低与组织分布，纳米材料的形状决定了纳米农药在水体中的流动性、沉降与吸附行为，进而影响纳米农药的生物有效性、在不同环境介质中的暴露浓度与持久性、蓄积性等。此外，纳米农药的生态毒性效应还与纳米材料的化学组成及其生态毒性有关。例如，纳米TiO2对有益菌的抑制作用可能会导致含纳米TiO2颗粒的农药在杀死有害菌的同时也将有益菌类杀死[61]。

3.2.2 环境因素对纳米农药生物有效性的影响环境因素在决定纳米材料的环境归趋以及生物有效性中起着重要作用[62]。例如，水体pH可决定纳米材料的表面电荷，改变其悬浮状态，影响其可到达非靶标生物体内的有效浓度；盐度和离子强度的增加会造成纳米材料表层双电子层的压缩，以及凝聚的增加[63]，聚集和沉降到海底沉积物中的纳米材料会对底栖生物产生潜在威胁[64]。此外，纳米材料在环境中还易与本身所含有效成分、环境中其他污染物相互作用，表现出复合效应。目前，有关上述非生物因素等影响纳米材料的生物有效性的研究尚未系统开展，环境因素对纳米农药生态毒理学效应的影响研究基本处于空白状态。

3.2.3 纳米材料与农药的复合生态毒性效应相对于普通农药，纳米农药具有独特的理化性质，因而对传统的生态毒理学测试方法提出了挑战[65]。首先，目前农药生态毒理学试验前准备试验药液时，往往采用溶剂助溶、震荡、离心、超声以及过滤等方式使试验药液均匀分散，但所有这些处理过程均有可能改变纳米农药的性质，不同于其排放到环境中时的真实暴露状态，因而所获得的试验结果往往不能代表真实的生态毒性。其次，纳米农药对环境生物的毒性效应大小除农药有效成分的固有毒性外，很大程度上取决于纳米材料的理化性质，而在生态毒理学测试中，如何将纳米材料的相关属性与毒性效应进行关联、判断和表征等尚有待解决。此外，纳米农药生态毒性试验设计中应考虑环境因子的影响，以使试验结果更接近于真实的环境条件。最后，纳米农药的生态毒理学研究还应考虑生物因素的影响，在代表性物种选择方面需作更为全面、科学的考虑。例如，沉积物中纳米农药对底栖生物的毒性效应及其通过食物链在鱼体内的生物富集与放大作用目前常常被忽略。