纳米农药制剂的发展和风险评估

余武秀

(上海艾农国际贸易有限公司，上海 200122)

传统农药制剂的一些缺点导致农药使用可能对人类健康和环境造成多种危害，因此农药制剂学家们一直致力于更安全和更环保剂型的研究和开发。将纳米技术应用于农药制剂，能开发出克服传统制剂缺点的新剂型，这是制剂发展中具有突破意义的一步。纳米农药制剂目前还没有权威的定义。参照纳米材料的定义，一般认为，纳米农药制剂是指利用纳米技术生产的至少在一个维度上的物理尺寸为

1～ 100 nm的农药制剂。

研究纳米农药制剂的目的有多种(表1)，其中最重要是为了充分发挥农药有效成分的药效潜能，提高药效，减少环境污染等。只要到达靶标的农药有效成分颗粒为纳米状态，就能实现这些目的。因此，从使用技术的角度讲，能够把农药有效成分以纳米颗粒(包括液体颗粒)状态传送到靶标的农药制剂都是纳米农药，而不需要强调在制剂状态时的农药颗粒也处于纳米状态。

开发纳米农药的初衷是克服现有农药制剂的某些缺点。纳米农药制剂在颗粒尺寸和表面特性方面与现有制剂显著不同，因此在理化性质、毒性和环境行为等各方面和常规农药制剂之间可能存在显著不同。纳米农药制剂比传统制剂有更好的防治效果，并从某些角度大幅提升农药对环境的安全性。但纳米农药制剂也有两面性，一方面，有更高活性以及在某些情形下对环境的污染降低；但另一方面，纳米农药制剂的毒性和环境行为也可能发生重大改变，在某些情形下可能产生不利影响。目前各国农药监管机构也普遍意识到在纳米农药制剂的监管上需要有所突破。

本文简单介绍了纳米农药制剂的基本知识和未来在监管上应考虑的问题。

1 纳米农药制剂的开发

在现有文献中，纳米材料和纳米技术这两个概念使用的比纳米农药更多。如下机构或组织对纳米材料都有定义：⑴ 国家标准化组织 (ISO)；⑵ 经合组织(OECD)；⑶ 欧盟(EU)新兴及新鉴定健康风险科学委员会 (SCENIHR)；⑷ 欧盟联合研究中心(JRC)；⑸ 欧洲委员会 (EC)和欧盟；⑹ 北美洲；⑺ 澳大利亚有关机构。

但是上述机构都没有准确定义纳米农药。其中，澳大利亚农药兽药管理局(APVMA)认为纳米材料是一种新型的化学物质，应归入新物质的范畴进行立法，要求纳米材料生产商和分销商承担安全举证责任。APVMA还建议对现有的纳米材料定义予以改进，即可以将纳米材料定义为在一个或多个维度上尺寸小于100 nm的材料。

纳米农药制剂是利用工程纳米颗粒(ENP)技术生产的农药制剂产品。ENP正用于国防、能源生成和保存、农业和环境修复等方面或在这些领域具有使用潜力。近年ENP在农药制剂开发领域的应用也越来越热。已经提出的配方类型有液体制剂如纳米乳剂、固体制剂如纳米胶囊和纳米颗粒(金属、金属氧化物和纳米黏土)等。

纳米农药制剂的生产需要各种纳米技术。澳大利亚APVMA在其纳米农药管理指导文件中列出了各种纳米生产技术，以下是被广泛应用于农药纳米制剂生产的纳米生产技术。

⑴ 基于聚合物的纳米制剂(polymer-based nanoformulations)

多种聚合物可用于纳米农药制剂的生产。基于聚合物的纳米农药制剂有聚合物球和聚合物囊。可以通过调节聚合物的比例和分子量达到对有效成分的释放速率。如根据聚合物基质的不同，克百威在水中的释放半衰期可在5.5～7.5 d。

⑵ 无机纳米颗粒(inorganic nanoparticles)

大多数研究的无机纳米颗粒是二氧化硅、二氧化钛、银和铜。Yuvakkumar等(2011)的实验室和田间研究数据表明，纳米二氧化硅颗粒提高了种子发芽和水分利用效率。然而，其他研究人员报告称，要达到类似的效果，需要二氧化硅纳米颗粒和硅藻土配方的使用量达到相同水平。

⑶ 多孔中空二氧化硅纳米颗粒(porous hollow silica nanoparticles)

多孔中空二氧化硅纳米颗粒可用于很好地控制农药的缓释，特别是对光敏活性成分的缓释。它们的外壳厚度约为15 nm，孔径为4～5 nm，便于提高对农药有效成分的负荷量。多孔中空二氧化硅纳米粒子具有防紫外线性能，可以显著提高包埋在纳米颗粒载体中空核心的阿维菌素的光稳定性。

表1 纳米技术在农药行业的潜在用途

⑷ 纳米乳剂(nanoemulsions)

纳米乳剂是两种互不相溶的液体之间的混合物。纳米乳剂在农药方面的主要用途是提高难溶性活性成分的表观溶解度，同时限制配方中表面活性剂的使用浓度。纳米乳剂的药效与传统的配方相似，或略高于传统的配方。人们认为，纳米乳剂具有更高的药效，因为其可以使环境中不稳定的活性成分更缓慢地释放。

⑸ 固体脂质纳米颗粒(solid lipid nanoparticles)

固体脂质纳米颗粒可用于控制农药的释放以及保护农药不被光解。采用固体脂质纳米颗粒制备的莠去津和西玛津缓释颗粒可以降低两种除草剂的用量，提供更长的持效期和更好的环境安全性。

⑹ 纳米分散剂(nanodispersions)

纳米分散剂也称为纳米悬浮剂(nanosuspensions)，是由纳米晶体(由 100%活性成分组成的晶体或非晶颗粒)在液体介质中分散而形成。此制剂能使活性成分的表面积(相对于体积)最大化，以增加难溶于水的化合物的分散度。纳米分散体的生产成本相对较低，对环境的影响也较小。

⑺ 纳米凝胶(nanogels)

纳米凝胶由交联聚合物网络或水凝胶组成。那些被推荐用于农业的纳米凝胶往往不溶于水，因此不容易随着湿度的变化而膨胀或收缩。它们还具有良好的农药装载和释放能力。如昆虫信息素甲基丁香酚的纳米凝胶制剂用于防治果实害虫。

⑻ 静电纺丝纳米纤维(electrospun nanofibres)

静电纺丝纳米纤维正被用于植物保护方面的研究。这些纤维是通过静电纺丝(利用电荷将纤维从液体中抽出)获得的，其释放曲线优于微球和胶囊的。

⑼ 纳米黏土(nanoclays)

纳米黏土是一种厚为1 nm，宽为70～150 nm的硅酸盐薄片材料。其是来自于火山灰中的蒙脱土，尺寸被缩小，表面被修改，形成生物相容性和低毒的纳米黏土。这些无机材料中最有前途的一类是层状双氢氧化物，即所谓的阴离子黏土，是由阳离子层和可交换的层间阴离子组成的层状固体，已被用于控制释放植物生长调节剂 a-萘乙酸和除草剂 2,4-滴。其他潜在的用途包括缓慢和有针对性地释放农药、植物养分和肥料等。

⑽ 碳纳米管(carbon nanotubes)

碳纳米管对植物生长有明显的积极作用。Khodakovskaya和他的同事(2009)报道了碳纳米管穿透番茄种子提高它们的发芽率和生长速度。在实验室研究中发现，碳纳米管可以改善鹰嘴豆的茎和根的生长。碳纳米管可用于样品中的农药残留物提取和净化，改进农药残留分析技术。

近年来纳米农药制剂研究越来越多，已有很多关于纳米农药制剂的药效、环境归宿和监管要求等方面的研究文章发表，也有很多产品获得了专利保护。但是，目前为止获得登记和商业化应用的产品还很少。根据M.Keh统计，截止到2011年4月，共有3 232个关于纳米农药(NP)的专利，其中65%发布在2007-2011年。中国研究人员在农药纳米制剂方面的研究也很积极。

美国EPA于2011年批准了世界上第1个纳米农药产品(纳米银制剂)的有效期4年的有条件登记。该产品(AGS-20)来自瑞士，被批准用于纺织品。2015年 EPA第 2次批准登记了另一个纳米银制剂(NSPW-L30SS)产品的有条件登记。另一个获得登记的真正用于农业的纳米制剂产品是先正达的基于丙环唑的Banner-MAXX(表1)，用于花卉作物。

2 纳米农药制剂的环境行为

已广泛深入地研究了传统农药制剂在环境中的行为，但是纳米农药制剂在环境中的行为研究还相对缺乏。纳米制剂对农药有效成分环境归宿的影响可能多种多样，除了取决于获得纳米农药制剂的技术之外，还受有效成分本身性质的影响。因此，确定纳米制剂将在多大程度上影响有效成分的传递、迁移或生物利用度等过程，对于可靠的纳米农药制剂环境风险评估至关重要。

由于纳米农药生产技术和所用材料多样性，不同的纳米农药制剂可能具有不同的环境行为模式，因此研究纳米农药制剂的环境行为与研究传统农药制剂的环境行为不同，其技术和方法应作相应调整。

在过去的10年中，人们对无机(主要是金属)工程纳米颗粒进行了大量的研究，并且定期评估其归宿和风险。但是到目前为止，有机纳米载体特有的问题还没有引起重视。

下面简单介绍纳米农药制剂在环境中的行为过程。

⑴ 传递

农药被施用后，吸附是影响有效成分传递的主要因素。目前进行的唯一的土壤吸附试验是针对百草枯的纳米制剂，其在水中的释放时间为8 h。在极少量土壤(0.01-0.05 g)上进行了为期 3 h的批量试验。即使增加了有机质含量和/或土壤量，纳米百草枯的吸附量仍然低于纯活性成分。研究人员由此得出结论：纳米制剂可以显著改善除草剂在使用中的可利用度，因为其吸附和降解都降低了。实践中，评估纳米农药制剂应用后的传递情况时，第一步应该确定在田间条件下可能的释放情况，还需要评估进入地表水和地下水的潜力。迄今为止，对纳米农药制剂传递过程的研究还远远不够。

⑵ 生物利用度

聚合物制剂已广泛应用于药物，能够增加活性成分的生物利用度。许多纳米农药制剂已被证明比纯活性成分或常规的商业化制剂更有效(表2)。这可能是由于负载于纳米载体的活性成分比纯活性成分具有更高的生物利用度和更高的吸收能力。

负载于纳米载体的活性成分的生物利用度取决于载体的性质和所研究的有机体。不能认为负载于纳米载体上的农药活性成分是完全可被生物利用，因为可能有更微妙的过程会影响有效成分的利用度。

纳米壳聚糖是一种具有优良理化性能和生物活性的天然材质，被认为是一类极具应用前景的药物控效载体。然而，对于壳聚糖与手性农药对映体相互作用，由此引起的对手性农药生物可利度性的影响和机制还缺乏必要的了解。文岳中等的研究表明壳聚糖分子(CS)存在时，2,4-滴丙酸(DCPP)在藻液中的降解存在手性差异，其降解速率大小依次为：(R)-DCPP-CS＞(S)-DCPP-CS。这与 2,4-滴丙酸手性对映体本身在藻液中的降解速度大小顺序相反，除草剂本身的降解率大小为(R)-DCPP＜(S)-DCPP。

⑶ 释放曲线

无论是在科学上还是在管理上，对纳米载体耐久性的表征和分析对于评估纳米农药制剂在环境中的归宿都至关重要。

表2 文献报道的纳米农药制剂的药效(Kah和Haffman，2014)

对于易于溶胀和溶解的聚合物基质(如亲水型的聚合物)，其凝胶层的厚度会影响扩散途径，从而改变释放行为。因此，聚合物的降解过程将极大地影响释放曲线。有时，由于聚合物基质大量降解，剩余的活性成分也会释放。此外，如果活性成分在聚合物基质中的分布不均匀，表面的快速脱附和扩散可能会导致活性成分的突然释放。有许多纳米农药制剂被报道存在这种不良的作用，这也推动了后续替代物如纳米凝胶或纳米纤维的开发。

3 纳米农药制剂的风险评估

3.1 纳米农药制剂的毒性评价

已有很多文章报道了纳米技术在消费品和工业产品中的潜在好处，越来越多的纳米材料有望用于消费品，人类在日常生活中对纳米材料的接触将会越来越多。然而，纳米材料在毒理学上是一类“新”的复合物，因为它可能以一种我们现在只能部分理解的方式与生物系统相互作用。

纳米材料对人类和环境的影响是一个日益受到科学关注的领域。诸多文章表明在环境中发现的纳米材料可能具有毒性作用。如已知吸入某些纳米颗粒可能导致局部肺部炎症、过敏反应或对基因产生有害影响；某些特定类型的纳米纤维可能引起类似石棉的反应，包括慢性炎症；还有一些问题与内部暴露有关，因为一些颗粒可能会进入血液，并在肝脏和脾脏等器官中积累。纳米物质能够进入细胞，从而可能导致直接和间接的基因毒性效应。

然而，这些纷繁多样的毒理效应的试验数据并不具有可比性，很难被理解和解读。因为这些研究使用了不同的离体和活体试验模型、不同的纳米材料来源、不同的纳米材料表征方法以及不同的试验条件等。

纳米农药制剂能够控制农药有效成分的释放，从而降低农药急性毒性，但另一方面也可能对人和其他有益生物的毒性增强。

到目前为止，关于纳米农药制剂的哺乳动物毒性研究还很少，尚未有标准化的评价方法。因此，

未来还有很多工作要做，如需要对纳米材料的特性、毒性和健康影响进行更多的研究；对测试方法进行验证；确定毒性试验的阴、阳性对照物；毒性数据需要进行协调。对于某些可能存在于消费产品中或将来可能进入市场的纳米材料，目前还没有可用的一般信息来进行风险评估。对于纳米材料的毒性评价，必须采用标准化的验证方法。

3.2 纳米农药制剂的环境风险评价

由于影响因素较多，很难笼统地对特定纳米材料的环境风险做出结论。

对于纳米农药制剂而言，由于各种原因，如涉及的物质众多、田间使用混剂、暴露剂量的差异，以及使用农药地区的地理和气象差异等，致使其环境风险评估并不容易。纳米农药制剂的特定风险评估是一个要求很高的项目，因为用于分析常规化学品风险的假设，以及测试其环境行为和人类可能摄入的测试方法和模型，可能不适用于纳米产品(表3)。由于进入农业生态系统的纳米材料不断增加，造成了环境归宿和环境运输问题，这些问题需要解决。

更重要的是，在农业实践中可能使用的大量纳米制剂与各种环境因素的相互作用还不清楚，如自然产生的超细颗粒(ultrafine particles)对纳米农药制剂归宿有未知影响，可能影响纳米材料的物理化学特性，改变它们的毒理特性，从而改变职业风险。因此，评估纳米材料用于农业领域的危害的方法应不同于传统化学品的评估方法，也不同于不同环境下同一纳米材料危险特性的评估方法。此外，对纳米材料衍生的生物固体知之甚少，这些固体可能进入食物链或对植物、微生物、土壤生物有直接或间接的毒性，进而影响农业生态系统，也可能影响纳米材料的环境行为和药效。含有纳米材料的农药和不含纳米材料的农药对人类和环境造成的风险可能不同，通常用于研究非纳米农药制剂的模型可能不适用于研究纳米材料(表3)。

此外，纳米制剂可能包括各种形式的有机或无机成分，由于在环境中发生的物理、化学和生物过程，这些成分在储存期间或使用期间或使用后也可能随时间而变化。分析技术应该要能够检测这些变化，其可能影响纳米制剂在非平衡环境中的溶解度、吸附、降解和可用性等行为。

4 总 结

开发纳米农药制剂的目的多种多样，可能成为降低农药对人类和环境生物的毒性的重要解决方 案。但是纳米农药制剂也摆脱不了纳米材料的缺点。

表3 常规农药使用的环境归宿参数及其与纳米农药制剂的相关性

为了提高纳米材料和纳米农药制剂对预定目标的有效性，需要对当前的施用方法进行评价。由于缺乏关于纳米农药制剂药效的知识，很多的药效情况尚属未知，需要在推广之前进行进一步的研究。

利用目前的知识似乎不足以对纳米农药制剂的益处和风险作出可靠的评估。

研究农业纳米化学品的有害特性时，应考虑纳米化学品与农业生态系统中多种胁迫因素之间可能存在的相互作用，这些胁迫因素可能导致拮抗、协同和加合效应，或对环境和健康造成不利影响。

由于现有的环境风险测试方法和评价程序不可能完全适用于对纳米农药制剂的评价。对于纳米农药制剂来说，还需要解决诸如分析和表征、环境归宿和暴露评估、生物群落吸收等方面的问题，以及在水生和陆地生态系统中的生态毒性和风险评估等。贯穿始终的焦点是评估纳米农药制剂的存在是否引入了与传统化学活性成分可能不同的环境风险。这方面的问题已经引起欧美等发达国家监管部门的关注。他们正在致力于开发纳米农药制剂的监管方法和监管框架。经合组织有一个庞大的工作计划，正在考虑如何修改测试指南以适合评估纳米颗粒环境危害的需要。目前，澳大利亚和印度农药主管部门已经制定了纳米农药监管指导。