纳米农药的发展现状和潜在风险防范

徐春光 郑烽

摘    要：近年来，纳米技术因其小尺寸、界面效应、智能表面及其药物传输与控释等方面的优异性能引起了各领域的广泛关注，是现阶段的研究热点。农业是一个国家的根本，将纳米技术应用到农业生产领域，可以大大提高农业生产效率。然而，纳米农药的生态毒理学研究尚不完善，对环境的安全性风险不可控，在纳米农药推广应用前，有必要有效防范纳米农药的潜在风险。文章主要阐述了当前纳米技术在农药领域的研究热點与发展现状，浅析了纳米农药可能存在的安全性风险因素，以期为纳米农药的环境风险评估与合理应用提供参考。

关键词：纳米技术；农药；发展现状；风险预防

文章编号：1005-2690（2023）14-0103-03       中国图书分类号：TQ450；TB383.1       文献标志码：A

随着世界人口的增长，人们对粮食作物质量和数量要求越来越严格。相关研究显示，到2050年，世界粮食的需求量将增加70％～100％，而农产品受到病虫草害的威胁，将会产生高达40％的损失[1]。农药作为重要的农业生产资料，在病虫草害防治中必不可少，但大量施用农药会出现食品安全、环境污染及害虫产生高抗药性等问题，在这样的大环境下，纳米农药在农业中的应用越来越受到广泛关注。一方面，纳米农药可以用于改变农药对靶标位点的作用方式、虫体以及病原侵入路径，提高农药的生物活性与毒杀效果。另一方面，纳米农药加强了对药物的包埋吸附效果，提高了载药率，实现了农药的控缓释，延长了农药的持效期[2]。但纳米农药的施用在监管方面存在盲点，特别是纳米载体对环境的安全性以及人体健康的影响有待评估[3]，纳米农药检测手段有待完善[4]。在农业中规模化应用纳米农药之前，有必要有效防范纳米农药可能存在的风险。

1 纳米农药的发展现状

1.1 纳米农药分类状况

常见的纳米农药剂型有以下3类。一是利用纳米技术降低农药原药的粒径，使其颗粒大小纳米化，如已有报道的纳米乳液、纳米分散体等。此类纳米农药制剂的优点是将农药原药纳米化后，能够有效增加农药制剂的比表面积，提高农药分散性与稳定性，减少制剂配制过程中有机溶剂及助剂的施用量。二是采用纳米载体负载农药的方式提高部分敏感型农药的稳定性，降低高毒农药对非靶标生物的毒性。有研究表明，聚氨酯纳米乳液可以有效降低阿维菌素的光降解，延长持效期[5]。三是一些纳米级金属与农药复配具有杀菌和光催化功效，能促进农药分解，减少农药残留。

1.2 纳米技术在农药中的应用表现亮眼

2019年纳米农药被IUPAC评为“将改变世界的十大化学新兴技术”之首。相关研究表明，受雨水冲刷、药液漂移等因素影响，传统农药在农作物上的有效利用率不足30％[6]。纳米技术在农业中的应用是提高农药有效利用率、减量增效的重要手段。利用纳米技术开发的纳米载药系统、纳米级粒径农药相比于传统农药具有分散性和稳定性好、持效期长等优点。具体来说，纳米技术可改善难溶性农药的水基化分散特性，提高生物利用度。而纳米材料所具备的尺寸小、比表面积大的特点，能够提高农药的叶面黏附性能，耐雨水冲刷，提高有效利用率。纳米技术可用于改变农药对靶标位点的作用方式、虫体及病原侵入路径，提高农药的生物活性与毒杀效果。通过纳米技术开发的纳米载药系统可以做到高载药、实现药物控缓释、延长药物的持效期等。利用纳米技术可以改变农药在目标作物中的降解情况，加速难降解农药的降解，提高高毒农药的生物安全性，减少农药残留。

1.3 纳米农药在发展中存在“偏科”

纳米技术在农药领域的高速发展使纳米农药成为农业领域的前沿学科，越来越多专家、学者投入到纳米农药的开发工作中，很大程度上解决了农作物病虫草害问题，实现了农药减量增效的目标。例如，利用无人机将纳米农药运用到飞防领域，提高飞防效果；利用纳米材料降低高毒农药对蜜蜂的毒性等。然而纳米农药在高速发展的过程中也暴露出一些问题。一是目前大量的人力、物力主要集中于纳米农药的开发以及加强其对病虫草害的防治效果方面，忽略了最为重要的农产品质量安全问题。二是对纳米农药的环境安全性评价方面的探索不足，一些纳米农药过于复杂的结构，大大提高了安全性评价的难度。三是对于纳米农药对模式生物和环境的影响探究不足。

2 纳米农药潜在的环境安全性风险因素

纳米材料作为传统农药的载体，本身具有一定的生物活性，进入土壤、水体等环境中可对许多非靶标生物产生毒性作用，甚至可能通过生物链进行富集，对农田生态系统造成潜在威胁。

2.1 纳米材料潜在的毒性机制

目前针对纳米材料的毒性机制研究并不完善。如今纳米材料快速发展，针对纳米材料对于生物体毒性机制的研究存在滞后性。已有研究表明，纳米材料的毒性机制主要表现在4个方面。一是某些纳米材料会向环境中释放有毒离子，例如纳米银离子、纳米铜离子等金属离子。二是氧化应激效应。有些纳米材料会产生活性氧，发生氧化应激，造成功能蛋白失活，影响细胞的正常生理机能。三是纳米材料的颗粒效应。纳米材料能够穿透细胞膜，进而影响细胞内的正常生理活动[7]。四是纳米材料可能通过食物链在生物体内不断富集。

2.2 纳米农药的生态毒理学风险

与传统的化学农药相比，纳米农药对环境生物的毒性效应与纳米材料息息相关，例如其纳米材料的物理化学性质、环境行为等方面[8]。虽然有研究表明大部分纳米农药相比于常规剂型表现出更小的毒性，病虫害防治效果更好[9]。然而，部分纳米农药的残留风险更高，原因有以下方面。一是纳米农药增强了叶面附着能力，但在施药过程中也存在飘移，不可避免地被释放到环境中。二是部分纳米载体本身具有一定的毒性，且黏附性较好，易残留在作物表面，例如高聚物。三是绝大多数纳米农药具有缓释效果，延长了农药的半衰期，加剧了农药残留的风险。

2.3 环境影响纳米农药有效性风险

复杂的环境因素对纳米农药的有效性造成挑战，例如土壤、水体的pH值可以影响纳米农药表面的电荷稳定，造成纳米农药聚集和沉降。沉降的纳米农药及纳米农药中包裹的化学农药对土壤微生物和水体底层栖生物产生潜在威胁。此外，部分纳米材料具有与农药本身和环境污染物发生反应的潜在能力，而对于这一方面的研究由于其具有复杂性、多样性而基本处于空白状态。

2.4 纳米农药的安全性评价风险

目前对纳米农药的安全性評价存在难点，传统农药的安全性评价并不适用于全部种类的纳米材料[10]。利用纳米载体负载农药或者利用一些金属或无机材料制成纳米级微粒后与农药复配施用等情况，有必要慎重考虑纳米载体、金属和无机材料具有的潜在安全性风险。例如，纳米载体负载农药后，往往会改变农药在环境中的暴露状态，当纳米材料对农药形成包裹后，农药的检测结果并不能代表其真实的状态。此外，对纳米农药的安全性评价不应局限于环境因素，应更全面和科学地考虑非靶标生物的安全性。例如，纳米农药对模式生物的安全性以及在模式生物中的生物富集和放大作用。

3 纳米农药风险预防

纳米材料在农业中有很好的应用前景，在提高农药分散性、稳定性、利用率和延长持效期、降低残留量方面具有潜在应用价值，有望通过纳米技术加速淘汰污染严重的普通化学农药。然而，规范使用纳米材料才能有效避免纳米农药所存在的潜在环境安全性问题。

3.1 建立完善的纳米材料分类体系

针对纳米材料潜在的毒性机制，需建立完善的纳米材料分类体系。目前已知的纳米农药有3个类型，分别是纳米化后的农药剂型、纳米载体负载农药后的纳米农药、金属和无机材料与农药复配后形成的纳米农药。有必要进一步细分纳米材料，例如纳米载体的种类包括碳材料、有机高分子材料、天然壳聚糖等。不同种类的纳米载体具有不同的理化性质，表面的带电状态不同。纳米材料本身具有不同的毒性，应对纳米载体进行细分，例如有机高分子材料具有极强的黏附性，不宜用于可直接食用的蔬菜水果。表面带正电荷的纳米载体不宜用于碱性环境，易造成纳米农药的聚集沉淀。建立完善的纳米材料分类体系，有助于规避纳米农药产生毒性的路径。

3.2 建立纳米载体环境安全性评估方法

与传统的化学农药相比，纳米农药的环境安全性评估应当更加严谨。目前所研究的纳米农药对环境安全性都有一定考虑，例如降低对非靶标昆虫的毒性等。然而系统性地分析纳米农药对模式生物的安全性的研究较少，不同种类纳米载体对人体健康的影响以及纳米载体在作物体中的富集现象暂不明确。有必要在纳米农药大规模应用前，根据纳米农药的分类建立不同的纳米载体环境安全性评估方法，例如明确不同类型纳米农药所用纳米材料的降解时间、模式生物LD50等。只有被充分证实的对环境安全友好的纳米农药，才能被允许用于农业生产中。

3.3 建立纳米农药有效性跟踪监测机制

复杂的环境因素对纳米农药的有效性提出了挑战，一些环境因素会造成纳米载体的沉降、金属纳米离子的聚沉现象。有必要在纳米农药大规模施用前进行室内研究，明确不同环境下纳米材料的状态、纳米农药的缓控释情况以及在水体、土壤中的残留降解情况。在纳米农药施用后，跟踪监测纳米农药的有效性，对农田水体、土壤、植株上有可能存在的纳米农药残留进行分析，确保纳米农药在复杂环境中的有效性。

3.4 建立纳米农药使用安全预警体系

纳米农药的安全性评价风险是值得注意的问题。纳米农药普遍具有较长的半衰期，以减少农药施用次数。目前，农药的安全间隔期不一定适合全部的纳米农药。一些纳米载体对农药的释放存在先快速释放，随后缓慢释放的情况，部分药物长时间滞留在载体内，对农药的检测造成了困难。对纳米农药的检测不仅是对农药进行充分提取检测，还要关注纳米材料在果蔬上的残留。根据纳米农药的分类体系，应分别建立农药和载体的检测标准，完善的检测标准能够保证农产品的质量安全。由于纳米材料的颗粒效应，纳米材料易于穿透细胞膜进入细胞内，在提高纳米农药活性的同时，应谨防纳米材料在非靶标生物中随着食物链不断富集，同时纳米农药施用后害虫的抗药情况也需要进行长时间监测。建立纳米农药施用安全预警体系有利于更好地研究纳米农药的生态毒理学，有利于纳米农药更好地应用于农业生产，为纳米农药的研究与应用提供导向。

4 结论与展望

近年来，纳米科技在农业领域发展迅速，纳米农药的大规模应用势在必行，因此亟须制订评价纳米农药安全性的技术路线，建立规范纳米农药生产与应用的配套规章制度，以期让纳米农药更好、更安全地应用于农业生产，推动农业绿色发展。

参考文献：

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