納米技術(shù)是以1～100 nm大小的材料為研究對(duì)象,由于其量子尺寸效應(yīng)、表面界面效應(yīng)、量子隧道效應(yīng)等卓越的物理化學(xué)特性,近幾年已廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、工業(yè)、環(huán)保、生物學(xué)、化學(xué)、材料學(xué)等領(lǐng)域。利用納米技術(shù)成功研發(fā)出納米農(nóng)藥,是將農(nóng)藥的各種成分,如有效成分、載體、助劑等,加工成對(duì)環(huán)境友好或更為高效的新產(chǎn)品應(yīng)用于有害生物防治領(lǐng)域,已成為農(nóng)藥的研發(fā)熱點(diǎn)之一。2019年,納米農(nóng)藥被國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)(IUPAC)評(píng)為將改變世界的十大化學(xué)新興技術(shù)之首。

鑒于納米技術(shù)在跨學(xué)科交叉研究中的紐帶作用,為更好地應(yīng)用這一新興技術(shù),本文對(duì)納米農(nóng)藥在有害生物防治領(lǐng)域的研究應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行了綜述。同時(shí),基于有害生物防治瓶頸和綠色發(fā)展創(chuàng)新策略,對(duì)納米農(nóng)藥在有害生物防治上的科學(xué)研究和應(yīng)用進(jìn)行了展望,旨在推動(dòng)有害生物防治快速發(fā)展,以期為持續(xù)利用納米技術(shù)高效、綠色防治有害生物提供參考。 

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納米農(nóng)藥的研發(fā)背景

目前,農(nóng)藥依然是確保糧食與農(nóng)產(chǎn)品安全穩(wěn)定生產(chǎn)、快速降低局部區(qū)域有害生物密度的必要手段。我國(guó)是農(nóng)藥生產(chǎn)與使用大國(guó),乳油、可濕性粉劑等傳統(tǒng)劑型仍占據(jù)主要地位,有機(jī)溶劑用量大,高效、環(huán)保與高值化產(chǎn)品比例不高。由于載藥粒子大、分散性能差,傳統(tǒng)農(nóng)藥劑型在噴施過(guò)程中因藥滴滾落、粉塵飄移、雨水沖刷等因素會(huì)造成大量損失,導(dǎo)致我國(guó)農(nóng)藥平均利用率不到40.0%,伴隨產(chǎn)生農(nóng)藥頻繁使用、農(nóng)產(chǎn)品殘留、環(huán)境污染等問(wèn)題。2015年,原農(nóng)業(yè)部制定并印發(fā)了《到2020年化肥使用量零增長(zhǎng)行動(dòng)方案》和《到2020年農(nóng)藥使用量零增長(zhǎng)行動(dòng)方案》,全力推進(jìn)綠色防控、統(tǒng)防統(tǒng)治。

由于農(nóng)藥新品種的創(chuàng)制周期長(zhǎng)、投入大、風(fēng)險(xiǎn)高,通過(guò)改造劑型方式來(lái)改善傳統(tǒng)有效成分的使用性能目前成為了農(nóng)藥減施增效的有效途經(jīng)。納米農(nóng)藥正是基于民眾的需求和農(nóng)藥的發(fā)展定位,利用納米材料與制備技術(shù),將農(nóng)藥有效成分加工成納米級(jí)產(chǎn)品,進(jìn)一步改善難溶性有效成分的溶解性、穩(wěn)定性、分散性和生物活性,提高農(nóng)藥在作用靶標(biāo)面的滲透性和黏附力,降低農(nóng)藥的損耗,延長(zhǎng)農(nóng)藥的持效期,從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥減量控害的目的。 

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納米農(nóng)藥的分類(lèi)與劑型

目前,關(guān)于納米農(nóng)藥沒(méi)有統(tǒng)一的定義,Kah等廣義地將粒徑＜1,000 nm或具有小尺寸、新特性的農(nóng)藥劑型定義為納米農(nóng)藥。綜合納米技術(shù)在有害生物防治領(lǐng)域的應(yīng)用,可以將納米農(nóng)藥分為3大類(lèi)：納米材料、納米農(nóng)藥劑型和納米載藥系統(tǒng)。

2.1  納米材料

納米材料是指具有殺蟲(chóng)活性的納米級(jí)顆粒,如納米銀顆粒、納米二氧化硅、納米二氧化鈦等。

2.1.1  納米銀顆粒

納米銀顆粒能夠?qū)Π袠?biāo)害蟲(chóng)卵、幼蟲(chóng)和成蟲(chóng)表現(xiàn)出毒殺作用,也能對(duì)害蟲(chóng)生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生負(fù)面影響。Fouad等測(cè)試發(fā)現(xiàn)基于阿勃勒果肉提取物的納米銀顆粒對(duì)淡色庫(kù)蚊(Culex pipiens pallens)和白紋伊蚊(Aedes albopictus)幼蚊的半數(shù)致死濃度(LC50)分別為1.7和3.6 mg/L,同時(shí)會(huì)導(dǎo)致幼蚊體內(nèi)總蛋白含量、乙酰膽堿酯酶活性、α-羧酸酯酶活性和β-羧酸酯酶活性顯著降低。Kalimuthu等將埃及伊蚊(Ae. aegypti)幼蚊暴露于姜黃粉末合成的納米銀溶液24 h,LC50為72 mg/L,部分試蟲(chóng)出現(xiàn)中腸上皮細(xì)胞溶解、頂側(cè)上皮細(xì)胞空泡樣的癥狀。Nair和Choi研究發(fā)現(xiàn)接觸納米銀顆粒的溪流搖蚊(Chironomus riparius)幼蚊的蛻皮激素基因發(fā)生改變,表明納米銀可能導(dǎo)致環(huán)境污染,對(duì)水生生物的生長(zhǎng)發(fā)育帶來(lái)負(fù)面影響。

2.1.2  納米二氧化硅顆粒

在害蟲(chóng)防治領(lǐng)域,二氧化硅惰性粉可以作為殺蟲(chóng)成分獨(dú)立使用,其顆粒與昆蟲(chóng)表皮摩擦能夠損壞表皮,使其失去保水功能,從而導(dǎo)致害蟲(chóng)死亡,是儲(chǔ)糧害蟲(chóng)防治中常用的物理措施。納米級(jí)的二氧化硅顆粒對(duì)害蟲(chóng)的致病機(jī)制沒(méi)有改變,還可以負(fù)載殺蟲(chóng)有效成分應(yīng)用于有害生物防治,沈殿晶等通過(guò)改良的軟模板法制備出粒徑均一的介孔二氧化硅納米粒子,再通過(guò)溶劑揮發(fā)法制備得到基于介孔二氧化硅的魚(yú)藤酮納米顆粒,其載藥率達(dá)到31.6%,緩釋時(shí)間可達(dá)288 h,同時(shí)提高了魚(yú)藤酮的內(nèi)吸性能和傳導(dǎo)能力。

2.1.3  納米二氧化鈦顆粒

納米二氧化鈦具有廣譜性、耐熱性、不易產(chǎn)生抗藥性等優(yōu)點(diǎn),能夠破壞微生物的細(xì)胞壁、細(xì)菌膜等結(jié)構(gòu),從而抑制甚至殺死微生物。劉倩等測(cè)試了納米二氧化鈦對(duì)黑腹果蠅(Drosophila melanogaster)腸道共生菌的影響,結(jié)果表明,納米二氧化鈦能夠在體外抑制腸道共生菌的生長(zhǎng),抑制性能隨著加入納米材料的增加而增強(qiáng)。

2.2  納米農(nóng)藥劑型

納米農(nóng)藥劑型是指將農(nóng)藥的有效成分直接加工成納米粒子,如微乳劑、納米乳、納米分散體等。

2.2.1  微乳劑

微乳劑是由農(nóng)藥原藥、表面活性劑、增溶劑和水等組分混合形成的粒徑在6～50 nm的穩(wěn)定分散體系。與其他傳統(tǒng)劑型相比,微乳劑作為一種水基性劑型,減少了有機(jī)溶劑的使用,對(duì)環(huán)境相對(duì)友好,已成為殺蟲(chóng)劑的主要?jiǎng)┬椭?。在媒介生物防治?高效氯氰菊酯、四氟苯菊酯、阿維菌素等有效成分可以加工成微乳劑用于蚊、蠅、蜚蠊等媒介害蟲(chóng)的防治,黎祖秋等通過(guò)超低容量空間噴霧和綠籬技術(shù)施用微乳劑能夠快速降低局部區(qū)域白紋伊蚊成蚊密度,有效控制登革熱的傳播。

2.2.2  納米乳

納米乳是由水、油、表面活性劑等成分混合形成透明或半透明的熱力學(xué)相對(duì)穩(wěn)定的均相分散體系,其粒徑通常在20～200 nm。納米乳能夠提高農(nóng)藥的水溶性和分散性,有效提高生物利用率,Kumar等對(duì)比了氯菊酯納米乳和傳統(tǒng)氯菊酯溶液對(duì)埃及伊蚊幼蚊的殺滅效果,發(fā)現(xiàn)24 h的LC50分別為0.0063和0.0199 mg/L,表明納米乳的殺滅效果明顯較高。Kala等測(cè)試腰果殼液對(duì)庫(kù)態(tài)按蚊(Anopheles culicifacies)3齡幼蟲(chóng)的LC50為18.1 mg/L,將其制備成納米乳劑后增強(qiáng)了殺幼活性,LC50降至1.4 mg/L,在掃描電鏡下能夠明顯觀(guān)察到幼蚊的形態(tài)學(xué)損傷。

2.2.3  納米分散體

納米分散體是利用研磨、微沉淀法、冷凍干燥等技術(shù)將難溶于水的有效成分加工成納米尺度的顆粒,粒徑通常在50～200 nm,能夠分散于水中形成混懸劑。有研究發(fā)現(xiàn),平均粒徑為188 nm的阿維菌素固體納米分散體對(duì)小菜蛾(Plutella xylostella)的殺蟲(chóng)活性超過(guò)水分散粒劑的1.5倍。

2.3  納米載藥系統(tǒng)

納米載藥系統(tǒng)是以納米材料為載體,采用吸附、包裹、鑲嵌等結(jié)合方式負(fù)載有效成分,最終實(shí)現(xiàn)靶向遞藥的目的。常用的納米載體材料有二氧化硅、無(wú)機(jī)碳、高分子聚合物等,可以構(gòu)建納米膠束、納米凝膠和納米纖維等農(nóng)藥劑型,在降低農(nóng)藥使用量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)活性成分的對(duì)靶釋放。

2.3.1  納米膠束

納米膠束具有載藥范圍廣、載藥量高、穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì),可以負(fù)載一些難溶性的有效成分,其粒徑大小取決于共聚物的分子質(zhì)量和制備方法。Balaji等制備了平均粒徑為153.74 nm的N,N-二乙基苯乙酰胺的納米膠束,對(duì)三帶喙庫(kù)蚊(Cx. tritaeniorhynchus)3齡幼蟲(chóng)的LC50值由0.416 mg/L降至0.052 mg/L。

2.3.2  納米凝膠

納米凝膠在溶液中形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),保持高含水量且不溶解,能夠負(fù)載易揮發(fā)的物質(zhì)。Abreu等利用殼聚糖與腰果樹(shù)膠作為載體,制成立比草精油(Lippia sidoides)納米凝膠系統(tǒng),提高了對(duì)埃及伊蚊3齡幼蟲(chóng)的殺滅效果,該系統(tǒng)有效成分的釋放速度與殼聚糖的含量呈負(fù)相關(guān),藥效與精油的含量呈正相關(guān)。

2.3.3  納米纖維

由于靜電紡絲納米纖維具有多孔結(jié)構(gòu)、高比表面積以及較強(qiáng)的物理機(jī)械性能,它可以吸附殺蟲(chóng)活性成分并調(diào)節(jié)釋放速率。Iliou等采用低成本、無(wú)毒、可生物降解的聚合物醋酸纖維酯和聚乙烯吡咯烷酮,通過(guò)靜電紡絲技術(shù)開(kāi)發(fā)了以香茅油為活性成分的微/納米纖維體系,明顯延長(zhǎng)了有效成分的釋放時(shí)間,在實(shí)驗(yàn)室生物測(cè)定中對(duì)白紋伊蚊具有較高的驅(qū)避活性。

除了負(fù)載化學(xué)因子外,納米材料還可以結(jié)合其他殺蟲(chóng)因子實(shí)現(xiàn)殺蟲(chóng)功效。隨著大量關(guān)于害蟲(chóng)生長(zhǎng)發(fā)育、化學(xué)感應(yīng)、生理代謝等生命活動(dòng)相關(guān)的基因不斷被發(fā)現(xiàn),RNA干擾技術(shù)因其高度的序列依賴(lài)性為害蟲(chóng)防控提供新策略,將該技術(shù)與納米技術(shù)相結(jié)合,可以實(shí)現(xiàn)載體遞送dsRNA調(diào)控靶標(biāo)基因表達(dá)。Zhang等利用殼聚糖納米顆粒負(fù)載甲殼素合酶基因AgCHS1后飼喂岡比亞按蚊(An. gambiae)幼蚊,發(fā)現(xiàn)喂養(yǎng)幼蚊的AgCHS1轉(zhuǎn)錄水平和幾丁質(zhì)含量分別降低了62.8%和33.8%。利用陽(yáng)離子型聚氨基酸負(fù)載dsRNA能夠提高對(duì)大豆蚜(Aphis glycines)的滲透能力,同時(shí)對(duì)目標(biāo)基因的沉默效率最高能夠達(dá)到87%。此外,納米載體還可以負(fù)載昆蟲(chóng)病毒DNA,Liu等利用核酸型納米載體攜帶棉鈴蟲(chóng)核型多角體病毒可以引起小地老虎(Agrotis ypsilon)幼蟲(chóng)行動(dòng)遲緩、拒食,飼喂10 d后致死率達(dá)到70.0%以上,且存活的幼蟲(chóng)體長(zhǎng)縮短40.0%。 

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納米農(nóng)藥的作用方式與應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

3.1  納米載體對(duì)害蟲(chóng)造成直接傷害

用來(lái)構(gòu)建納米載藥系統(tǒng)的載體顆粒會(huì)對(duì)害蟲(chóng)造成損傷,報(bào)道比較多的是納米二氧化硅。納米二氧化硅黏附到害蟲(chóng)體壁,會(huì)對(duì)害蟲(chóng)的角質(zhì)層造成損傷,導(dǎo)致體表破損失水、代謝紊亂甚至死亡。此外,害蟲(chóng)取食二氧化硅后,還能造成口器和腸道磨損,降低消化效率,從而降低取食率和取食速度。除了物理?yè)p傷外,二氧化硅納米顆粒還會(huì)因?yàn)楣柩蹑I的斷裂生成自由基離子,擾亂靶標(biāo)昆蟲(chóng)體內(nèi)的蛋白質(zhì)、碳水化合物、酚氧化酶和幾丁質(zhì)酶的代謝活動(dòng)。納米載體本身可以影響靶標(biāo)的生理和代謝活動(dòng),造成昆蟲(chóng)體表破損、代謝紊亂等癥狀,也能夠促進(jìn)殺蟲(chóng)有效成分的吸收和利用,從而提高有效成分的殺蟲(chóng)活性。

3.2  改善農(nóng)藥的物理性能

與傳統(tǒng)劑型相比,納米農(nóng)藥劑型具有較大的比表面積和較小的粒徑,能夠有效改善難溶性有效成分的分散性,從而提高殺蟲(chóng)劑溶液的穩(wěn)定性,還能增強(qiáng)殺蟲(chóng)劑的抗光解性能。Han等制備了阿維菌素納米載藥系統(tǒng),顯著增強(qiáng)了在靶標(biāo)表面的沉積率,提高了有效成分在溶液中的分散性,在水溶液中的穩(wěn)定性超過(guò)200 d。Song等測(cè)試了納米甲維鹽(甲氨基阿維菌素苯甲酸鹽)載藥系統(tǒng)的半衰期,發(fā)現(xiàn)經(jīng)羧甲基殼聚糖修飾的納米碳負(fù)載甲維鹽的半衰期延長(zhǎng)了約200倍,施藥后第14天對(duì)靶標(biāo)害蟲(chóng)的防效提高了約50.0%。

利用納米材料與技術(shù)可以改善殺蟲(chóng)劑對(duì)靶標(biāo)的親和性,主要方式包括：(1)改變藥劑的帶電性質(zhì),增強(qiáng)藥劑與靶標(biāo)的靜電作用,從而提高沉積效率。(2)納米顆粒容易沉積在靶標(biāo)面的溝槽、縫隙內(nèi),提高藥劑在靶標(biāo)面的滯留率。(3)具有黏附性的載體可以提高殺蟲(chóng)劑的黏附力。此外,納米農(nóng)藥因其粒徑小,利于在靶標(biāo)面上分散,增加了害蟲(chóng)接觸藥劑的概率,從而提高了殺蟲(chóng)劑的利用率。

納米技術(shù)還可以構(gòu)建溫度、光照等環(huán)境因子響應(yīng)型精準(zhǔn)釋放載藥系統(tǒng),延長(zhǎng)農(nóng)藥持效期。Greene等將有效成分包覆于溫敏性聚合物微囊中制備的溫度響應(yīng)型載藥系統(tǒng),只有當(dāng)土壤溫度或氣溫達(dá)到病蟲(chóng)草等有害生物最活躍的臨界溫度時(shí),才按可預(yù)測(cè)的速率釋放藥物,有效防止有效成分提前降解。Ye等制備的光響應(yīng)型敵草隆膠束,黑暗條件下不釋放有效成分,當(dāng)陽(yáng)光照射8 h,敵草隆釋放率可達(dá)96.8%。

3.3  實(shí)現(xiàn)靶向遞藥而提高藥效

實(shí)現(xiàn)靶向遞藥是環(huán)境響應(yīng)型載體受到微環(huán)境中特異因子的刺激,在靶標(biāo)昆蟲(chóng)特定部位釋放殺蟲(chóng)活性成分,從而達(dá)到殺蟲(chóng)目的。楊君等利用膽固醇和硬脂胺組裝形成非磷脂類(lèi)納米脂質(zhì)體作為載體,負(fù)載噻蟲(chóng)嗪后制備的納米載藥系統(tǒng)對(duì)堿性環(huán)境敏感,當(dāng)pH值為10.0時(shí)有效成分釋放速率顯著提高,有助于噻蟲(chóng)嗪在鱗翅目幼蟲(chóng)獨(dú)特的堿性中腸環(huán)境中進(jìn)行響應(yīng)性釋放和積累。Kaziem等制備了對(duì)α-淀粉酶具有響應(yīng)特性的納米載體,負(fù)載氯蟲(chóng)苯甲酰胺和阿維菌素,利用咀嚼式口器昆蟲(chóng)中腸存在α-淀粉酶的特性,當(dāng)小菜蛾幼蟲(chóng)取食后,中腸α-淀粉酶可以降解載體釋放有效成分,實(shí)現(xiàn)定向釋放,對(duì)小菜蛾的防效提高了30%～40%。此外,還有載體受到生物體內(nèi)谷胱甘肽刺激后,造成載體骨架二硫鍵斷裂從而釋放有效成分。

3.4  提高天敵捕食率

目前,納米農(nóng)藥與天敵配合使用的應(yīng)用較少,但也有研究證明納米農(nóng)藥在提高對(duì)靶標(biāo)生物毒力的同時(shí)還能夠提高天敵的捕食率。與常規(guī)殺蟲(chóng)劑相比,金納米顆粒和銀納米顆粒負(fù)載的植物源殺蟲(chóng)劑不僅對(duì)埃及伊蚊幼蚊的毒力提高10～30倍,還使翹足類(lèi)天敵對(duì)幼蚊的捕食率提高了約20%。 

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基于納米技術(shù)的監(jiān)測(cè)策略

有害生物的治理策略是以防為主,在危害發(fā)生初期采取控制措施以減少作物損失、避免媒介生物性疾病的暴發(fā),這就對(duì)有害生物生態(tài)學(xué)監(jiān)測(cè)提出更高的要求,及早、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)害蟲(chóng),在時(shí)間和空間上精準(zhǔn)施藥非常關(guān)鍵。納米傳感器靈敏度高、速度快,結(jié)合昆蟲(chóng)的生物學(xué)特征識(shí)別特異性昆蟲(chóng)具有一定的可行性。Steffens等利用聚苯胺納米纖維結(jié)構(gòu)作為受體能夠檢測(cè)到微量的蜜蜂信息素2-庚酮,但如何轉(zhuǎn)化為電磁信號(hào)進(jìn)而研發(fā)成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還有待于進(jìn)一步研究。 

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 展  望 

納米農(nóng)藥在有害生物防治領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力,能夠提高農(nóng)藥利用率,達(dá)到減施增效、精準(zhǔn)施藥的目的,是實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥綠色發(fā)展、有害生物可持續(xù)治理的重要途徑。目前,納米農(nóng)藥在有害生物防治中的研究應(yīng)用主要集中在納米農(nóng)藥的制備和性能研究以及納米劑型的藥效功能評(píng)價(jià)兩方面,雖然能夠查詢(xún)到許多關(guān)于納米農(nóng)藥的專(zhuān)利,但登記用于現(xiàn)場(chǎng)防治的納米農(nóng)藥種類(lèi)卻非常少,實(shí)現(xiàn)推廣應(yīng)用還需加強(qiáng)以下幾方面的研究：一是加強(qiáng)納米載體和納米制劑的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),加大田間藥效試驗(yàn),系統(tǒng)地闡明對(duì)非靶標(biāo)生物、環(huán)境微生物以及農(nóng)作物等的負(fù)面影響；二是發(fā)展大規(guī)模制備納米農(nóng)藥的生產(chǎn)技術(shù),解決工業(yè)化生產(chǎn)的困難；三是完善納米農(nóng)藥的檢測(cè)技術(shù)和評(píng)價(jià)方法,健全評(píng)估、登記等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系。