缓/控释农药研究及其应用进展

张晋天，张慧学，马忠华，刘永红，蒯 婕，汪 波，周广生

(华中农业大学 a.理学院， b.植物科学科技学院，中国 武汉 430070)

农药的使用使得农作物增产效果显著，保障了世界人口的粮食供应[1,2]，但农药在农业生产中的有效利用率较低，使用量远大于作物的需求量[3]。这导致未被利用的农药进入环境中，造成土壤、水体和大气等领域的潜在危害[2,3]，大大增加了生态环境的负担，也不利于可持续的农业生产和农产品的品质提升。农业生产中农药的过量、频繁使用，产生了一系列严峻的问题[4-8]，主要包括：第一，环境中的病菌、害虫、杂草对相应的药物产生了抗性，增加了作物病虫草害的防治难度；第二，过量施用的农药会导致土壤中有害物质的累积和土壤质量下降，造成作物药害和环境污染；第三，农药超标导致农产品受到污染，农产品国际竞争力降低，也会导致某些疾病的发生，影响人类自身健康；第四，农药的过度使用，增加劳动力成本，造成农业生产成本偏高、资源浪费。

当前，农药过度使用导致的环境问题日益受到重视，各国纷纷采取措施降低农药的生态环境风险。针对当前不科学、不合理地施用农药所产生的问题，中国已开展农业“两减一增”工程，要求农药减量、增效。提高农药药效主要有两种途径：一是开发环境友好的新型农药，应对靶标生物具备良好的靶向性和高毒性，减少农药的使用量和药害作用；二是开发农药缓/控释剂型，采取吸附、包埋等手段延长农药的作用时间，降低农药因分解、淋溶造成的损失，提高农药的使用效率。开发新型农药的难度较大，需要大量经费投入，研究周期也较长，而开发农药缓/控释剂型的难度和成本相对较低。因此，农药缓/控释技术的应用将是解决农药过度使用、实现农业“两减一增”的有效途径[9]。采用先进的生产技术对现有农药剂型进行改进，可以减少农药的环境危害，提高药剂有效成分的稳定性，延长同剂量药剂的持效性，节约资源，提高生物安全性[10,11]。

1 缓/控释技术的发展

缓释技术是利用基质对活性物质进行简单的物理吸附或者包埋，增加活性组分的传质阻力，达到使活性物质缓慢释放的目的[12,13]。控释技术是利用物理或化学方法贮存活性化学物质(如农药)，控制其释放速度从而减少活性化学物质使用量和使用次数，实现活性化学物质持续稳定、充分地发挥作用[14]。为防止活性组分爆发性释放，通过对基质结构的修饰、改进，利用环境因素的调节作用使“阀门”打开，或者化学键断裂，活性物质缓慢释放[3]。这种智能控释系统往往具有特异性，对特定的环境因素产生响应而释放，如环境pH值改变的酸/碱响应、温度响应、光响应及酶响应等[15-17]。

图1 数据库Web of Science中关于缓/控释农药的文章(源于Web of Science数据)

缓/控释技术经过数十年的发展逐渐成熟，在各个领域得到广泛应用[4,11,12,15]。近年来，随着纳米材料的不断问世，在农业领域，纳米农药智能缓/控释技术也日渐受到重视。采用分子技术修饰的纳米材料组成的控释体系，其纳米尺寸效应明显，在药物内吸、传送方面体现出更大的优势，具有很好的应用前景[18,19]。目前，缓/控释技术在农业生产领域的研究已成为热点。

2 缓/控释农药的研究及应用进展

农药是农业生产中重要的物资，随着缓/控释研究的不断深入，缓/控释农药的研究得到快速发展。搜索Web of Science数据库2012年至2021年共10年间关于缓/控释农药的关键词“缓/控释农药”“slow release pesticides”“controlled release pesticides”和“sustainable release pesticides”，得到数千篇论文，见图1。由此可见，缓/控释技术在农药领域的研究日益受到重视，其发展势头方兴未艾。

2.1 缓/控释农药的种类及其制作方法

根据农药和载体的结合方式，缓/控释农药主要有以下3类[20-27]：

图2 海藻酸钙/凹凸棒石/毒死蜱复合材料的制备示意图[28]

(1)均质型。将农药活性成分均匀分散在高分子聚合物载体中，制成微球或凝胶。农药分子在释放过程中，由于传质阻力的存在而达到缓释的效果。例如，Xiang[28]等人利用多巴胺改性的凹凸棒石吸附毒死蜱，后通过海藻酸钠与氯化钙的交联反应将凹凸棒石嵌入海藻酸钙网状结构中，制备得到海藻酸钙/凹凸棒石/毒死蜱复合材料(图2)。

图3 咪鲜胺微胶囊的制备示意图[29]

(2)包埋型。借助高分子膜或化学作用力将农药分子封闭在核壳结构内，得到微胶囊。通过孔径大小、农药分子和球壳之间的范德华力、氢键以及其他化学键的作用力等调控农药的释放速率。Zhang[29]等人以十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为模板剂、正硅酸四乙酯(TEOS)为硅源，采用原位包覆法合成了二氧化硅咪鲜胺微胶囊。向咪鲜胺的乙酸乙酯溶液与CTAB形成的微乳液中，加入TEOS，TEOS以CTAB为模板沿着两相界面生长。用(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷(APTES)、海藻酸钠先后包封载药的二氧化硅微胶囊后，再利用海藻酸盐层结合Cu，Mg，Ca，Zn及Fe等元素，最终制备得到咪鲜胺微胶囊(图3)。

图4 蚕沙多孔炭的制备及负载噻虫嗪示意图[30]

(3)吸附型。吸附型的基质多选取疏松多孔、比表面积大、孔容量高的材料，如二氧化硅、膨润土、多孔炭等，农药分子通过吸附作用进入基质的孔内，凭借自身基团和小孔表面的裸露基团通过化学键、氢键或范德华力相结合。基质孔径、比表面积和修饰小孔表面基团等因素控制负载农药缓释的速率[24]。Wei等人[30]以蚕沙为原料，通过高温与KOH的活化作用制备了含有路易斯酸金属离子蚕沙多孔炭，该多孔材料能缓释噻虫嗪，最长时间可达40天(图4)。

2.2 缓/控释农药的研究与应用

2.2.1 微胶囊缓释农药 微胶囊组分可调可控，形态均匀，其微纳米级颗粒具有良好的载药性能和载药效率，物理化学性质稳定，持续释放性能好。微乳液法或反向微乳液法，以及高分子水凝胶法用于制备核壳型的缓/控释系统。Tang[31]等人合成了多孔卟啉MOFs纳米颗粒，负载戊唑醇后用果胶和壳聚糖进行逐层组装，获得微胶囊，对戊唑醇的负载效率约为30%(质量分数)。该微胶囊具备pH和酶双重响应性，可通过调节pH值和酶的浓度来调节释放速率。在实验中，微胶囊表现出对黄单胞菌、丁香假单胞菌优异的双重活性，它们对植物的安全性也较高。Liu等人[32]制备的氯虫苯甲酰胺微胶囊制剂不仅具有良好的光和热稳定性，还表现出优良的缓释能力，缓释时间、速率可以通过多孔微胶囊的表面孔隙率和尺寸来调节，进一步的生物测定研究表明，多孔微胶囊制剂对小菜蛾的防治效果优于传统工业制剂。

2.2.2 微球缓释农药 活性物质农药与其他高分子和矿物质形成均质微球，活性物质在一定条件下通过传质阻力来达到缓释的效果。 Xiang等人[33]以生物炭、海藻酸钠为原料，龙胆紫为农药模型，开发了生物炭基水凝胶微球。增大环境pH值和离子强度可以增加微球的释药速率，当pH为7时，微球的累计释放率可达95%，具有良好的控释性能。微球在模拟土壤柱中释放的龙胆紫主要分布在表层，可以降低农药的浸出损失与淋溶迁移，从而减小了经济成本和农药对环境的破坏。在生物实验中微球的载体对细胞增殖和斑马鱼胚胎的毒性作用较小，具有良好的生物安全性和潜在应用前景。该材料具备良好的控制农药释放能力，同时能减少农药淋失、提高农药利用效率，且成本低，具有潜在的应用价值。Li等[34]用木质素磺酸钠和十六烷基三甲基溴化铵制备了一种新型的均匀木质素基微球，用于包封光敏性的农药阿维菌素，缓释研究结果显示阿维菌素@十六烷基三甲基溴化铵-木质素磺酸钠微球的封装效率高达70.82%，微球中阿维菌素可释放70 h，累积释放量为50%。

2.2.3 均质复合物缓释农药 除了微球，其它形态的均质复合物也具有一定的缓释功能，这类缓/控释农药是利用多孔材料作为载体负载农药形成复合物，该复合物在一定条件下可以释放农药。He等人[35]用海藻酸钠、蒙脱石和聚丙烯酰胺制备了复合凝胶。利用蒙脱石的吸附能力和凝胶的特性，不仅提高了对农药的负载能力，还提高了水凝胶的缓释性能。当蒙脱石添加量为5.0%时，体系的啶虫脒负载率可以达到13.3%，最小农药释放率为76.1%。Wilpiszewska等人[36]利用蒙脱石与新型羧甲基淀粉的混合物制备缓释颗粒，Al3+为交联剂，对除草剂异丙隆包封率为75%，缓释时长700 h，累计释放率约为95%，异丙隆原药在24 h内释放量为95%。复合缓释颗粒不仅能在水中降低异丙隆的释放率，还能降低土壤环境中异丙隆的流失，经过8次淋溶后异丙隆释放量不超过10%。该复合体系可以减少除草剂的潜在淋溶风险。

2.2.4 纳米农药 与其他材料相比较，纳米材料具有巨大的比表面积，使得其具有较大的吸附能力。Sun等[37]以叠氮基苯甲醛和羧甲基壳聚糖为原料合成两亲共聚物，制备壳交联灭多威纳米胶囊，实验室的杀虫活性试验表明，灭多威纳米胶囊对粘虫幼虫的防治效果明显优于原始幼虫，相对控制效力在7天内仍保持100%。Patel等[38]采用海藻酸钙纳米载体负载氯氰菊酯，研究表明，氯氰菊酯在藻酸钙纳米载体中的包封率约为95%，氯氰菊酯负载达到78%，材料未发生化学变形且具有较好的缓释作用。而Wang等[39]利用海藻酸钠、聚丙烯酰胺和蒙脱石的疏水衍生物构建了几种可拉伸的双网络纳米复合水凝胶，并研究了负载1-氯氰菊酯后的缓释特性。结果表明，添加海藻酸钠和蒙脱石可显著提高水凝胶的拉伸性能、农药负载效率和持续释放性能；当蒙脱石含量为5%时，复合材料在87 h内最低的累积释放量为6.68%。

2.2.5 环境响应的控释农药 活性物质被载体负载后，当“环境开关”(如环境pH、温度、光热、活性酶等)被外界的变化启动时，活性物质随之释放，这种农药称为控释农药。Dong等[40]用模板法合成了多孔炭纳米粒子并在超声波下用浓H2SO4和HNO3进行氧化得到羧化改性的多孔炭，用得到的羧基化多孔炭纳米粒子吸附除草剂百草枯，然后用壳聚糖包封，制备了一种pH与温度协同响应的百草枯控释制剂。羧基化的多孔炭具有富电子作用，与缺电子的百草枯分子间存在很强的π-π作用，可以抑制酸性环境下百草枯的释放，而壳聚糖作为外层包覆可以阻止百草枯碱性条件下的释放。π-π作用在高温下才会减弱，在田间通过太阳光照百草枯才会开始释放。这种pH与温度协同响应的百草枯控释制剂，很好地解决了人体摄入剧毒的百草枯后被胃肠道吸收的问题，有效降低了百草枯的田间暴露风险。Ye等[41]合成了对光不稳定的2-硝基苄基侧基的两亲性羧甲基壳聚糖共轭物(NBS-CMCS)，在没有光的情况下无法检测到包封中敌草隆的释放；当有太阳能照射时，在pH7.0缓冲液下敌草隆在8 h内的释放量高达96.8%。Xiao等[42]以纳米原纤化纤维素、异佛尔酮二异氰酸酯、正十六烷为原料，通过界面聚合法制备了负载毒死蜱的微胶囊控释系统。该复合物不仅具有较高的负载率(33.1%)及叶面附着力，还具有良好的温度响应性。体系中正十六烷在高温下熔化并流动，会破坏共聚物结构，加快毒死蜱释放速率。毒死蜱的释放速率与温度呈正相关，在15 ℃和35 ℃下的24 h释放率分别为36.4%和85.2%，高温下24 h累计释放率增加1.3倍。该体系有防治小菜蛾这一类低温下生长缓慢，高温下快速繁殖的害虫的巨大潜力。Chen等人[43]以多孔炭、凹凸棒土为载体，氨基硅油为涂层，开发了一种光响应控释除草剂颗粒。草甘膦、偶氮苯被包覆在复合载体中，自然光的照射会使偶氮苯分子在顺式、反式异构体之间转化，此过程中产生的动力促使草甘膦通过纳米孔向外部释放。除了优良的光响应性能，氨基硅油涂层的黏性也提高了复合材料在叶片上的附着能力，有利于延长药物作用的时间。

除了单一的控释因素外，有些控释农药受多种外界因素影响。Chen等[44]通过共缩合法制备水杨醛改性的中孔二氧化硅(SA-MCM-41)，通过铜离子的桥接效应，毒死蜱被负载在铜席夫碱介孔二氧化硅(Cu-MCM-41)上，形成高效的农药缓释系统(CH-Cu-MCM-41)，实验结果表明，铜离子浓度越大，Cu-MCM-41对毒死蜱的吸附容量越大，释放速率越小；在pH≤7的条件下，毒死蜱的释放速率随pH值的升高而降低，而弱碱条件下的释放速率略高于弱酸条件下的释放速率。

2.3 不同类型缓/控释农药的特点

缓/控释农药的制备方法种类繁多，源自于其载体和药剂本身的特点，表1总结了均质型、包埋型、吸附型等不同类型缓/控释农药的特点。可以发现，不同类型的缓/控释农药载体载药量不同，但是它们之间没有规律可循，这主要跟载体和农药本身的性质有关。缓/控释农药的释放时长除了与载体及农药的本性有关外，还与缓释介质的环境因素有关，如酸碱性、光的性质等，尤其是酸响应、光响应的缓/控释农药。

表1 不同类型缓/控释材料的载药量和缓释效果[28-44]

因此，在创制具有缓/控释性能的农药时，需要根据农药、载体的性质、药物持续作用时间以及病虫害等发病条件选择合适的类型进行创制，以期达到良好的预期防控效果。

3 问题与展望

缓/控释技术最早出现在医药领域并被商业化应用，其制备技术和工艺较为成熟。由于农业生产的特殊性，与医药领域的研究与应用相比，缓/控释技术在农业领域的应用还存在一些亟待解决的瓶颈问题：产品开发成本高、推广难、易产生二次污染、实际环境影响因素多。

与当前广泛使用的传统农药相比，缓/控释农药的制备成本更高，增加了农业生产者的成本负担，导致其在农业上的推广和市场化严重受阻。当前需要寻找廉价、高性能的载体材料，以降低缓控/释农药的成本。在降低成本的同时，也要考虑载体材料的二次污染。有的缓/控释农药使用生物炭做载体，生物炭在土壤中产生多环芳烃是不可避免的[45]，农作物吸收上述物质会导致食用者致癌风险大大增加。包埋法制备缓/控释材料通常采用有机高分子材料作为外层包膜，大量高分子材料残留在土壤中短时间内难降解，会导致“白色污染”。因此，需要开发无毒或低毒、可降解的低成本载体材料。

目前，缓/控释农药的研究和试验大都在实验室条件下模拟完成，而在实际应用中，土壤的温度、湿度、pH值、土壤微生物和植物的种植等因素均能影响缓/控释材料的功效。因此，未来在研制缓/控释载体材料时，应设计更加智能的、具有环境响应性的缓/控释农药，能够针对不同的环境，自发调整释放性能。

根据当前文献资料报道，真正能够从实验室转化为商业化产品的缓/控释农药很少，其原因是基于上述实际应用中的问题，导致产品成本高昂，无法为分散的农业生产者接受。随着人们生活水平的逐渐提高，以及我国集约化、机械化农业生产的扩大，缓/控释农药的市场和需求会逐步扩大，前景更加广阔，可为现代农业带来显著的经济效益和环境效益。