浅谈可降解高分子材料在农药中的应用

施雪义

摘    要：农药作为农产品生长过程中必不可少的化学产品，在预防虫害、保证农产品产量方面作出了巨大的贡献。但农药造成的残留物对环境造成了巨大的污染，针对农药污染方面，有人提出了用可降解高分子材料作为农药的合成物之一，能大大降低农药对环境的污染。探讨了可降解高分子材料在农药中的应用，对推动绿色农药在农产品中的可持续发展具有一定的参考价值。

关键词：可降解高分子材料;农药;应用

文章编号： 1005-2690（2021）04-0079-02       中国图书分类号： TQ317       文献标志码： A

1   概述

我国是重要的农业大国，农业发展对我国发展意义重大，而农作物生长离不开农药，其主要用于预防、控制和消灭农林牧业生产中的有害生物，以及调节植物生长和昆虫生命活动规律的化学药品与生物药品[1]。近年来，全球农药滥用明显，据权威调查显示，全球每年因农药中毒的人数超过200万人，由于农药污染造成的间接死亡人数超过20万人，而全球70%的农药又被我国使用。农药利用率一般不到10%，绝大部分挥发到空气中、渗透到地下水或沉聚在土壤中，再通过食物链进入人体，危害人体健康，长此以往造成累积性中毒。一方面，农药是农业发展中的必需品，对农业经济发展有着重要作用;另一方面，由于农药滥用造成的大气、水体和土壤污染对整个农业环境及人居环境造成很大伤害，甚至威胁人类的生命安全。因此急需研究可降解农药，减小其对环境的污染，而农药降解是指化学农药在环境中从复杂结构分解为简单结构，甚至会降低或失去毒性的作用。一般而言，农药大多残留在土壤中，其以微生物的降解作用最为重要。因此本文主要研究可降解高分子农药，旨在保留农药除草、灭虫的基础上较少地对人及环境带来影响。

2   可降解高分子材料的定义及种类

根据生物可降解高分子材料特性，可以分为完全生物降解高分子材料和生物破坏性高分子材料，按照其来源的不同，主要分为高分子材料、微生物合成高分子材料、化学合成高分子材料和掺混型高分子材料4类。本文主要探讨生物可降解高分子材料。

生物可降解高分子材料是指在一定条件下、一定时间内能被一些常见微生物所分泌的酶或者在光照水解條件下发生自然降解的高分子材料，其又可以分为天然和合成两类。天然高分子存在于自然界的各个地方，主要包括蛋白质、甲壳素、淀粉、纤维素等。合成高分子主要是人们根据不同的需求，按照不同条件自己设计配方合成的材料。而生物可降解高分子材料主要应用于3个领域，包括农业领域、工业领域和医药领域，其中农业领域包括化肥、农药、塑料薄膜、地膜及各类农业包装材料等;工业领域包括皮革、纤维制品等;医药领域包括各种缓释材料、药物、手术缝合线等。

生物可降解高分子材料的降解机理一般有3种，即微生物对聚合物作用、生物细胞增长作用和酶的直接作用，而降解过程一般离不开两步，第一步是微生物分泌物与材料表面结合，生成小分子量化合物;第二步是转化成为微生物体物或转化为微生物活动能量，最终转化为水和二氧化碳。生物降解是一个生物、物理和化学协同的作用过程，相互促进而不是单一机理。

3   天然可降解高分子材料在农药中的应用

3.1   蛋白质在农药中的应用

蛋白质是生命的物质基础，其是有机大分子、构成细胞的基本有机物。蛋白质是由氨基酸以脱水缩合的方式组成多肽链，经过盘区折叠形成的具有一定空间结构的物质。

当前，关于蛋白质在农药方面的研究已经有了重大的突破，即世界上首个免疫蛋白质生物农药——阿泰灵[2]。阿泰灵是以诱导植物免疫、提高植物抗性为筛选目标，首次发现极细链格孢菌中存在具有激发植物免疫的蛋白质，并从中分离获得能诱导植物免疫、提高植物抗性的新蛋白Hrip，为蛋白质生物农药筛选提供了新策略和新技术。前人研究主要集中在细菌产生的能引本研究团队首次以引起烟草叶片过敏反应为示踪，利用多种蛋白分离和纯化技术，从真菌极细链格孢代谢物中分离出一种新蛋白激发子。提高蛋白质生产率，降低成本，是目前以蛋白质这类可降解高分子材料制作绿色农药的关键技术之一，但不可否认的是，蛋白质在绿色农药制作方面还有着巨大的技术提升空间。

3.2   淀粉在农药中的应用

淀粉是一种含有吡喃葡萄糖环基的均聚物，优点是资源丰富、获取简单，但是缺点也很明显，如热塑性差、亲水性太强，因此在加工成型后性能较差。所以，常见的做法是将淀粉进行改性后与其他高聚物共混，例如与聚乙烯醇、聚乳酸、聚乙烯-乙烯醇共聚物等共混，就可以形成可生物降解、性能良好的高分子材料。

当前，淀粉在农药方面的研究报道也非常多，而且都证明了淀粉在农药方面的作用非常好。例如，用直链淀粉作为原材料制作纳米农药，这种制备的纳米农药粒径小、分散度高、黏附性好、生物活性强，最终做成的产物可降解。还有用淀粉作为农药的释放降解基材，使得农药降解时污染降到了最低，甚至还可以根据自己的需求对淀粉进行改性处理以满足条件。总的来说，淀粉在绿色农药方面的发展潜力可观，未来提升的空间巨大[3]。

3.3   纤维素在农药中的应用

纤维素是由葡萄糖组成的大分子多糖，不溶于水及一般有机溶剂。纤维素是自然界中分布最广、含量最多的一种多糖，其含量占了植物界碳含量的50%以上。纤维素的柔顺性差，呈刚性。其分子间有极性，分子链之间相互作用力很强，而且纤维素分子内和分子间都能形成氢键。所以要用纤维素作为农药的降解基材，必须先将纤维素进行改性。纤维素改性后其衍生物很多，所以也被应用于其他多个领域。

当前，纤维素在商品方面的应用和研究已经十分成熟，但是在农药方面的研究却非常少。生物农药较传统农药具有污染性小、性能效果好等特点，但是容易在紫外线下分解，降低农药的作用，以纤维素为主体研究的抗紫外线膜就非常应景。其主要是给农药上添加一层纤维素膜，然后添加抗紫外线性能，保证农药的性能在不受紫外线干扰的情况下同时达到控制释放农药的效果。以目前的情况来看，纤维素在农药方面的研究太过匮乏，需要更多的人才进行研发及研究。

3.4   甲壳素在农药方面的应用

甲壳素又称几丁质、甲壳质，是一种从海洋甲壳类动物的壳中提取出来的多糖物质。通常是浅米黄色至白色，甲壳素的脱乙酰基衍生物（Chitosan derivatives）壳聚糖（chitosan）不溶于水，可溶于部分稀酸。甲壳素早在20世纪就被人类所发现并应用，而将其应用在农业方面却是在近几年才慢慢被重视起来。

甲壳素在农业方面的应用并不是主体，反而甲壳素的脱乙酰基产物——壳聚糖却被大量使用。壳聚糖作为甲壳素的脱乙酰基产物，溶解性能大大提高，拥有极强的杀菌作用。因此，科学家发现了壳聚糖在农业农药方面的巨大前景，于是壳聚糖在农药方面的研发也愈来愈多。壳聚糖对植物病原菌的孢子萌发和菌丝生长均有阻碍作用，并且对植物病原菌感染的防护机能有诱导作用。同时，壳聚糖还具有抑菌活性的作用。研究发现，壳聚糖具有抗植物病毒、类病毒的能力，在多种植株（豆类、烟草等）叶片上喷洒或注射，可保护植株不受病毒的侵染。据研究发现，壳聚糖还可激发种子提早萌芽，促进作物生长，提高产量和品质。

3.5   其他

除了以上由于特征或优势特殊的常用于农药中的高分子材料外，还有海藻胶、明胶和魔芋胶等也偶尔用于农药中。海藻胶可作为一种包裹材料，作为农药包装封用时，可以有效控制化学药剂和生物释放速度，因此对于防治田间杂草具有很好的价值。明胶可与乙醇按照一定比例，加入柠檬酸钠调节pH值并用去离子水调整浓度，对去除植物农药残留具有良好作用。魔芋胶用作食品行业较多，如冰激凌和啤酒（稳定剂）、果汁（澄清剂）、微胶囊（成膜性）。此外，由于其具有很好的稳定性，还可用于各种水剂和农药悬浮剂。

4   存在问题及未来展望

生物可降解高分子材料虽能大大降低农药对环境的污染，但是由于其价格偏高，其实际使用价值受限。并且高分子聚合物本身的降解速度、降解产物的毒性及体内的积聚等都是主要问题，在降解机理方面还不够深入，提高可降解高分子材料稳定性和提升其适用范围、不造成二次污染是未来研究重点。

目前，我国在农药方面的研发和应用较少，但农业是我国的根本，发展农业必不可少的是农药，其就像催化剂能够推动农业的发展一样。而且全球环保问题也能提上日程，必须加大对农药的研究与研发。农药的制备工程工序也不是很完善，应该研究出更加完善、更加成熟的生產方案，再降低成本，使其大众化、平民化。可降解高分子材料作为农药的成分已不可缺少，其污染小、性能效果更好、毒性更小等特点是传统农药比不上的，深入对可降解高分子农药的研究，有利于国家的发展，可减少全球污染。

参考文献：

[ 1 ] 陈学思.生物可降解高分子材料[J].科学观察，2018，13（4）：35-38.

[ 2 ] 邱德文.植物免疫诱导剂——蛋白质生物农药“阿泰灵”的创制与利用[C]//中国植物保护学会.植保科技创新与农业精准扶贫——中国植物保护学会2016年学术年会论文集.北京：中国农业科学技术出版社，2016：25-28.

[ 3 ] 黄云霄.基于直链淀粉为壁材的纳米农药的制备[D].贵阳：贵州大学，2019.

（编辑：李俊慧）