纳米农药的生态风险评估：界定问题

叶 萱 编译

(上海市农药研究所，上海 200032)

纳米技术正在被用于开发新医药和农化产品(纳米肥料和纳米农药)。纳米材料(大小约为1～100 nm)的物理、化学和生物特性与常规材料差异大或为常规材料所没有，可利用纳米材料的这些特性开发新医药和农化产品。在农业中，纳米技术是开发更有效、对环境影响低的肥料和农药的重要新方法。

用纳米技术生产农药产品有多种方法。传统农药制剂中使用的一些助剂可以纳米形态存在，这些纳米助剂已被用于一些作物保护产品。例如，纳米二氧化钛用于紫外线阻隔剂和漂白剂，纳米硅或黏土为流变改性剂，许多纳米聚合物为表面活性剂。市场上也有微乳(溶剂)农药，其含有的大部分油滴＜100 nm，故可能被认为为纳米农药。在大多数情况下，这些产品具有长的安全使用历史。人们在应用纳米技术开发植物保护产品方面的兴趣不断增长。Dendrimer技术(树状聚合物)正被用于许多活性成分，开发防效增加的纳米农药，一些产品已处于开发后期。以纳米多聚物为载体传递农药活性成分的一些产品，和纳米多聚物载体与肥料一起使用的一些产品已被登记使用，这些产品有土壤应用的AZteroid杀菌剂(嘧菌酯)、土壤应用的Bifender杀虫剂(联苯菊酯)和用于植物的Fenstro杀虫剂(嘧菌酯+联苯菊酯)。预期在接下来5年中申请登记的纳米农药产品数量将不断增加。

由上可知纳米农药为使用纳米材料增加传统活性成分的功能和实用性和/或改变其风险的产品。

1 纳米农药风险评估框架

对农药活性成分和制剂产品的生态风险评估是高度发展的过程，是农药管理框架的一个主要部分。经济合作和发展组织下的制成纳米材料工作组(Organisation for Economic Co-operation and Development (OECD)Working party on Manufactured Nanomaterials)研究了用化学品(chemicals and chemical products)的传统风险评估方法评价纳米材料的生态风险的相关问题。得出的结论为现有化学品的风险评估方法适用于纳米材料。界定问题是化学品生态风险评估的主要初级阶段。此评估阶段是意欲通过风险评估确定要解决问题的特性和制剂的风险性。持续、系统地应用界定问题原则来对纳米农药产品进行风险评估对监管机构的风险经理和决策制定者制定完善的提议具有重要作用。它也将有助于确定最相关评估信息，包括危害和暴露数据，和风险评估的早期阶段风险降低措施。这些被认为是影响有效风险评估的主要因素。

在本文笔者通过对纳米农药产品的例子研究介绍了界定问题方法。所用方法是意欲说明用传统农药产品的生态风险评估法的原则如何开发实用评估策略。作为此策略的一部分，即最初计划阶段，在此阶段管理者、研究科学家、农化科学家等主要利益相关者代表合作，确定界定问题阶段开始前应该考虑的一些主要问题，包括：⑴ 使用纳米农药制剂的农艺环境；⑵ 制剂中纳米材料的特性和应用目标；⑶ 在对纳米农药制剂的风险评估中生态保护需要优先考虑什么？

从利益相关群体收集相关信息后，界定问题阶段主要集中于另一系列问题：⑴ 纳米农药与相同活性成分的传统制剂的环境行为有何不同？⑵ 在环境中纳米材料如何释放活性成分？⑶ 纳米农药制剂具有怎样的新颖特性？⑷ 用何种风险降低措施来管理计划使用的纳米农药产品可能存在的环境风险？

2 二甲戊乐灵纳米水凝胶：研究范例

2.1 背景信息和农艺环境

二甲戊乐灵[CAS登记号40487-42-1；benzeneamine，N-(1-乙丙基)-3,4-二甲基-2,6-二硝基苯胺或 N-(1-乙丙基)-2,6-二硝基-3,4-二甲基苯胺]是二硝基苯胺除草剂，被植物根和芽吸收。此物质被用于防治一年生禾本科和阔叶杂草，可芽前或芽后喷雾使用。二甲戊乐灵的传统制剂有微囊悬浮剂、颗粒剂、乳油和液体制剂，这些制剂都含有表面活性剂和其他必要成分。干法(颗粒)制剂也通常使用含有饱和活性成分的无机载体。

二甲戊乐灵为亲脂性的中性有机化合物[log辛醇/水分配系数(Kow)=5.2]，微溶于水(20 ℃ 0.33 mg/L)，挥发性低(25 ℃ 0.001 3 Pa)。亨利定律常数(0.087 Pa m3/mol)表明其在水中和湿润的土壤中中度挥发。化合物强烈地吸附于土壤[土壤有机碳/水分配系数(Koe)=6 500～43 863 L/kg]，一般认为二甲戊乐灵在土壤中不迁移。二甲戊乐灵在需氧型土壤中轻微降解，报道的半衰期为3～4个月。

二甲戊乐灵对鱼类、无脊椎动物、水藻和水生植物等水生生物的急性毒性高，对水生生物有中到高等的慢性毒性，根据测量的鱼体内的生物浓度(BCF=5 100)，对水生生物有生物积累危险。对非靶标陆地生物有低到中等毒性。

2.2 二甲戊乐灵纳米制剂和计划用途

选择真实的纳米制剂，通过“试验”来描述界定问题的过程。此范例研究中，为了试验方便以及保护Vive Crop Protection的机密信息，选择不受专利保护的、具有亲水和疏水单体的水分散水凝胶聚丙烯酸酯为活性成分的纳米载体，利用 Vive Crop Protection的技术开发了二甲戊乐灵悬浮剂简化产品，此产品含有20%(重量比)活性成分和5%轻度交联聚丙烯酸酯聚合物颗粒。聚丙烯酸酯纳米载体的平均大小为5～20 nm。

聚丙烯酸酯纳米载体为水凝胶，已研究过其传递许多溶解性低的生物活性药物和具有农化活性分子的性能。水凝胶能够吸收大量水或其他液体，膨胀(在合成过程中形成的交联所致)。此悬浮剂中的聚丙烯酸酯水凝胶的作用是帮助活性成分在水介质(如喷雾桶中的水)中分散和提高活性成分在土壤的迁移性。

二甲戊乐灵负载于水凝胶纳米载体基质上形成复合结构(复合体)。此复合体为不稳定结构，在土壤中能够释放活性成分以供植物吸收。复合体总的特性由水凝胶复合物、交联方法和程度、活性成分的负载和环境特性(干燥、液体、pH等)决定。此复合物的形成具有实际效果，纳米载体的外部特性决定着只要活性成分保持在水凝胶颗粒中就一直与环境相互作用。为此，笔者考虑采用这样的复合体，其中的水凝胶有助于二甲戊乐灵渗入土壤，增加活性成分到达杂草的量。

此产品被用作芽前除草剂，最大用量为有效成分4 kg/hm2。产品能够渗透表土进入土壤中，需要中等降雨或灌溉以对靶标产生活性。在中到大雨或灌溉条件下，预期活性成分能渗入到2.5～10 cm深度的土壤中，只有不到1%的活性成分渗入10 cm以下的土壤中。制剂的优势相似于土壤调理剂或促进渗透的表面活性剂等增加土壤渗透性的现有技术。

因此，以地面喷雾应用产品，喷雾漂移所致的农药脱靶移动降到最低水平。

2.3 生态保护

文中的纳米二甲戊乐灵悬浮剂产品计划以有效成分约4 kg/hm2地面喷雾用于多种农作物，控制一年生禾本科植物和杂草。二甲戊乐灵对水生生物高毒，在鱼体内生物富集，其纳米产品与传统二甲戊乐灵除草剂产品相似，活性成分脱靶移动对水生环境有潜在的风险。因此需要对纳米产品进行生态风险评估，以确保推荐使用方式和剂量不会导致水生生态系统中二甲戊乐灵的水平超出局部使用水质指导值。

3 界定问题

二甲戊乐灵对水生生物高毒，在水生生态系统中也具有生物积累的危险。作为芽前除草剂应用后，其活性成分的脱靶移动导致水生生态系统的污染，可能会对天然环境带来负面影响。因此，需要评估二甲戊乐灵纳米悬浮剂产品计划用途的生态风险，确定活性成分或聚丙烯酸酯纳米载体等助剂对水生生态系统是否有负面影响。

3.1 对二甲戊乐灵纳米制剂和传统制剂的比较

传统制剂中应用的传统表面活性剂和纳米水凝胶载体间1个主要差别为复合体在多样环境中的持效性不同。表面活性剂系统对表面相互作用、pH和浓度等暴露条件敏感，这可能表明活性成分-表面活性剂复合体只在相对较窄的应用条件下稳定。水凝胶中的交联作用能使纳米载体复合体保持三级结构，使其在较大的条件范围内保持稳定。

与以前的研究结果相似，本文中的纳米载体复合体会使在水中溶解度小的二甲戊乐灵在不使用有机溶剂的情况下在水中分散，也会降低应用后活性成分的挥发。这2个特性具有增加防治杂草活性成分的量和降低活性成分由于大气流动导致的脱靶损失的潜力。复合体也会使活性成分无需耕地等外界力量而渗入下层土。

纳米载体被计划用于增加二甲戊乐灵对土壤的渗透能力。因此，与传统制剂的主要差异可能为此制剂中的二甲戊乐灵能渗入下层土壤水柱中， 生物和化学降解减少，持效性增加，活性成分由于挥发和表面径流等其他过程的脱靶迁移减少。

3.2 纳米农药制剂在土壤中的归属

纳米农药在环境中的归属和行为可能决定于载体的功能特性和活性成分-载体复合体的持久性。与传统农药制剂相比纳米制剂暴露于非靶标生物的空间和时间特性可能发生显著变化，因此在对纳米农药制剂的界定问题中应该考虑这两个特性。

持久性是指农药-纳米载体复合体在田间应用后能保持多长时间的完整性。农药-纳米载体复合体的持久性可被分为三大类，如图1。

图1 具有核心-壳结构的纳米农药的持久性

持久性可能取决于暴露条件。例如纳米农药在土壤中可能以不同速率释放活性成分，这决定于土壤湿度或 pH等因素。这些是进行风险评估时要重点考虑的地方。

图2所示为概念模型，此模型有助于确定农药制剂相对于纯的活性成分的归属变化情况，制剂的归属取决于制剂中纳米载体和活性成分的特性。图形提供了纳米载体和活性成分特性不同组合的总的情况，这些与对活性成分的环境暴露评估最相关(本文假设使用完的纳米载体危险性低，但在某些情况需验证此假设)。

最敏感的归属描述符预期为(1)纳米载体的移动性(图2中A和B)；(2)活性成分的迁移性和持效性(图2中x和z轴)；(3)活性成分从纳米载体中释放率(图2中 y轴)。需要确定对归属影响最小的(图 2中“OK”旗)纳米载体和活性成分组合，特别要注意不同纳米载体和活性成分组合对活性成分迁移性(图 2中“M”旗)和/或持效性(图2中“P”旗)的影响。

在与一定条件(例如在桶混稀释后或在田间应用完全释放)下的释放时间相比，活性成分从载体释放非常快的情况下，预期与纯活性成分相比纳米活性成分制剂的行为不会发生改变。因此，仅以纯活性成分的数据为基础的暴露评估应该足以(图 2中“OK”旗)。

反之，当纳米载体增加活性成分的释放时间时，预期几乎在所有情况下，制剂对活性成分归属都有影响。例如对于持效期不是特别长的活性成分，纳米载体可能增加活性成分的持效期(图2中P旗)，因为活性成分从载体释放前，被降低量可能减少了。在这种情况下制剂对活性成分运输的影响取决于纳米载体相对于活性成分的移动性。相对不移动的纳米载体降低相对移动活性成分的迁移性(图2B中－M旗)，而移动的载体可能增加相对不移动活性成分的迁移性(图2A中+M旗)，这可能会导致活性成分在表土中以较大浓度暴露较长时间。在本文中所例举的范例研究中，水凝胶为移动性纳米载体(Vive Crop Protection)。图2A是这个制剂相关方案。制剂被设计为活性成分在移动的纳米载体中保持足够长时间的微囊化而能够进入土壤。因此此制剂被认为持效期至少中等，图2中上面部分为相关图。二甲戊乐灵是一个相对不移动的物质，具有中等的持效期。因此，此产品的最终情况如图2A x轴中表示具有低的移动性，z轴中表示有中等的持效期。因此，根据此概念框架，+M/P是最相关旗，表明纳米二甲戊乐灵制剂与纯活性成分相比移动性和持效期可能增加。

然而，二甲戊乐灵在需氧土壤中的半衰期为3～4个月。活性成分-纳米载体复合体的持效期被认为以天计，因此预期二甲戊乐灵持效期不会明显增加。而在活性成分-纳米载体复合体的持效期与活性成分相当或长于后者的情况下，因为纳米载体能够渗入微生物的活性较低的较深土壤中，故活性成分的持效期可能显著增加。

3.3 主要结果

二甲戊乐灵具有许多水生毒性数据，可用于描述其对水生生态系统的生态风险，可确定活性成分暴露的幅度和频率。相似地，传统除草剂产品中此活性成分的环境归属和行为也被很好地研究，已有数据足以用于建模进行环境暴露评估。然而，二甲戊乐灵的纳米制剂的概念模型已经确定活性成分的归属和行为具有一些潜在的重要变化。在评估的风险分析和风险特性描述阶段需要考虑纳米制剂的这些特定特性的重要性。

图2 纳米载体[在环境中(A)移动或(B)不移动]和农药活性成分(在环境中有不同程度的移动性和持效性)之间的相关性

通过概念模型确定的纳米制剂2个最重要环境归属特性为活性成分-纳米载体复合体渗入土壤柱的深度和活性成分从纳米载体释放速率。预期这个特定制剂的渗透深度是其独有的，因为通过选择特定的聚丙烯酸酯纳米颗粒为载体，渗透深度已被工程化为功能性特性。因为活性成分-聚丙烯酸酯复合体的行为由纳米载体的特性所决定，所以以相似粒径分布、化学结构和表面特性的聚丙烯酸酯纳米颗粒对一般土壤渗透行为的代表信息来表示复合体对土壤的渗透行为是可能的。然而，如果没有参考数据或复合体的特性不同于纳米载体，可能就需要对复合体对土壤的渗透深度进行特定评估。

活性成分从复合体的释放速率也已被确定为制剂的重要环境归属特性，在风险分析阶段需要考虑。如果活性成分从载体的释放速率比渗漏或表面水径流运输等主要运输过程慢，那么可能不能以已有生态数据很好地表示水环境暴露于二甲戊乐灵的情况。把迁移性和中等持久性的活性成分-载体复合体用于水生生态系统，活性成分从载体缓慢释放，水生生命可能暴露于较低浓度的活性成分中较长时间。反之，与这些运输过程相比活性成分从载体释放速率快，活性成分的环境归属和影响可能与传统制剂无差别。由于此，在相关环境条件下，优先考虑较早地测量纳米载体复合体的持久性。

3.4 风险降低和风险管理措施

在评估的界定问题阶段，通过考虑风险降低措施和其作用来说明风险评估的焦点。好的农业措施将限制农药应用后脱靶运动。此外，纳米产品将仅以减少喷雾漂移的技术进行地面喷雾使用，因此水生环境直接暴露于活性成分-纳米载体复合物的潜在风险低。由此需要考虑在较长时间内从纳米载体缓慢释放的活性成对水生环境的风险需求降低了，需要额外的水生生态毒性数据来确定活性成分-纳米载体复合体毒性的可能性减少了。反之，如果应用方式拓宽，其中包括飞机喷施，那么评估范围要包括纳米制剂喷雾漂移距离和减少对水生生态系统影响的非喷雾缓冲带的作用等因素。

3.5 分析计划

本文研究范例中的纳米二甲戊乐灵悬浮剂产品中活性成分和/或活性成分-载体复合体的脱靶运动对水生环境具有潜在的风险。活性成分-纳米载体复合体在土壤中的归属和行为的概念模型已确定此制剂与二甲戊乐灵的传统制剂相比活性成分的持效期有增加的潜力。此模型也显示由于移动性更大的聚丙烯酸酯纳米颗粒载体的运输，活性成分渗入土壤的深度增加。因此，与传统制剂相比，纳米制剂中的二甲戊乐灵到达地下水的量增加。

评估的风险分析阶段的首要任务为确定活性成分-纳米载体复合体在土壤中的持久性。这样就可以进一步做出有关暴露评估和危险性评估的策略。因此，对产品的生态风险最初分析将集中评估活性成分-纳米载体复合体在土壤中的持久性的数据。如果此数据缺少，且没有有用的参考数据，可能有必要评估复合体在土壤中的持久性。一旦评估了此重要特性，界定问题可能需要改进。例如，如果复合体被测定为在应用后不具有持久性，风险分析可能就可缩减，因为认为纳米产品的风险与二甲戊乐灵的传统制剂没有显著差异。反之，如果最初评估表明活性成分-纳米载体复合体在土壤的持久性中等，在土壤和水中迁移显著，那么风险分析阶段可能需要考虑纳米制剂的特定环境归属和影响数据。

4 界定问题是一个迭代过程

界定问题提供了重要的机会来正确地确定风险评估的范围和统一风险评估经理和决策制定者的需求，这些人最后确定化学产品如何和何时安全引入市场。上面提及的方法是基于一系列能引导过程的一般问题。重要一步是确定描述纳米农药制剂新颖特性的必要信息。制剂中使用纳米材料(例如纳米载体)能够显著改变活性成分在土壤中的归属，笔者介绍了简单的框架，此框架有助于风险技术顾问在已知活性成分的持效期和移动性和纳米农药的持久性的基础上确定制剂可能如何影响活性成分的移动性和持效期。

界定问题受被评估产品和应用环境特性的引导。风险评估的界定问题阶段的1个重要特点是重复性。对于传统化学品，重复循环过程可以缩减，因为有大量可用于界定最初风险评估假设的相关经验。已很好地掌握了影响最主要类别化学物质的环境归属和作用的主要因素，在几十年的实践中已确定了影响生态风险的最主要因素。然而，对于非传统化学物和/或新颖暴露情况，经常需要修正在界定问题阶段作出的最初风险评估假设，并修正风险分析计划。这个重复方法也可能对监管评估纳米农药重要，因为截至目前为止，很少有纳米农化产品登记。