纳米技术是以1～100 nm大小的材料为研究对象,由于其量子尺寸效应、表面界面效应、量子隧道效应等卓越的物理化学特性,近几年已广泛应用于医学、工业、环保、生物学、化学、材料学等领域。利用纳米技术成功研发出纳米农药,是将农药的各种成分,如有效成分、载体、助剂等,加工成对环境友好或更为高效的新产品应用于有害生物防治领域,已成为农药的研发热点之一。2019年,纳米农药被国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)评为将改变世界的十大化学新兴技术之首。

鉴于纳米技术在跨学科交叉研究中的纽带作用,为更好地应用这一新兴技术,本文对纳米农药在有害生物防治领域的研究应用进展进行了综述。同时,基于有害生物防治瓶颈和绿色发展创新策略,对纳米农药在有害生物防治上的科学研究和应用进行了展望,旨在推动有害生物防治快速发展,以期为持续利用纳米技术高效、绿色防治有害生物提供参考。

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纳米农药的研发背景

目前,农药依然是确保粮食与农产品安全稳定生产、快速降低局部区域有害生物密度的必要手段。我国是农药生产与使用大国,乳油、可湿性粉剂等传统剂型仍占据主要地位,有机溶剂用量大,高效、环保与高值化产品比例不高。由于载药粒子大、分散性能差,传统农药剂型在喷施过程中因药滴滚落、粉尘飘移、雨水冲刷等因素会造成大量损失,导致我国农药平均利用率不到40.0%,伴随产生农药频繁使用、农产品残留、环境污染等问题。2015年,原农业部制定并印发了《到2020年化肥使用量零增长行动方案》和《到2020年农药使用量零增长行动方案》,全力推进绿色防控、统防统治。

由于农药新品种的创制周期长、投入大、风险高,通过改造剂型方式来改善传统有效成分的使用性能目前成为了农药减施增效的有效途经。纳米农药正是基于民众的需求和农药的发展定位,利用纳米材料与制备技术,将农药有效成分加工成纳米级产品,进一步改善难溶性有效成分的溶解性、稳定性、分散性和生物活性,提高农药在作用靶标面的渗透性和黏附力,降低农药的损耗,延长农药的持效期,从而实现农药减量控害的目的。

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纳米农药的分类与剂型

目前,关于纳米农药没有统一的定义,Kah等广义地将粒径＜1,000 nm或具有小尺寸、新特性的农药剂型定义为纳米农药。综合纳米技术在有害生物防治领域的应用,可以将纳米农药分为3大类：纳米材料、纳米农药剂型和纳米载药系统。

2.1 纳米材料

纳米材料是指具有杀虫活性的纳米级颗粒,如纳米银颗粒、纳米二氧化硅、纳米二氧化钛等。

2.1.1 纳米银颗粒

纳米银颗粒能够对靶标害虫卵、幼虫和成虫表现出毒杀作用,也能对害虫生长发育产生负面影响。Fouad等测试发现基于阿勃勒果肉提取物的纳米银颗粒对淡色库蚊(Culex pipiens pallens)和白纹伊蚊(Aedes albopictus)幼蚊的半数致死浓度(LC50)分别为1.7和3.6 mg/L,同时会导致幼蚊体内总蛋白含量、乙酰胆碱酯酶活性、α-羧酸酯酶活性和β-羧酸酯酶活性显著降低。Kalimuthu等将埃及伊蚊(Ae. aegypti)幼蚊暴露于姜黄粉末合成的纳米银溶液24 h,LC50为72 mg/L,部分试虫出现中肠上皮细胞溶解、顶侧上皮细胞空泡样的症状。Nair和Choi研究发现接触纳米银颗粒的溪流摇蚊(Chironomus riparius)幼蚊的蜕皮激素基因发生改变,表明纳米银可能导致环境污染,对水生生物的生长发育带来负面影响。

2.1.2 纳米二氧化硅颗粒

在害虫防治领域,二氧化硅惰性粉可以作为杀虫成分独立使用,其颗粒与昆虫表皮摩擦能够损坏表皮,使其失去保水功能,从而导致害虫死亡,是储粮害虫防治中常用的物理措施。纳米级的二氧化硅颗粒对害虫的致病机制没有改变,还可以负载杀虫有效成分应用于有害生物防治,沈殿晶等通过改良的软模板法制备出粒径均一的介孔二氧化硅纳米粒子,再通过溶剂挥发法制备得到基于介孔二氧化硅的鱼藤酮纳米颗粒,其载药率达到31.6%,缓释时间可达288 h,同时提高了鱼藤酮的内吸性能和传导能力。

2.1.3 纳米二氧化钛颗粒

纳米二氧化钛具有广谱性、耐热性、不易产生抗药性等优点,能够破坏微生物的细胞壁、细菌膜等结构,从而抑制甚至杀死微生物。刘倩等测试了纳米二氧化钛对黑腹果蝇(Drosophila melanogaster)肠道共生菌的影响,结果表明,纳米二氧化钛能够在体外抑制肠道共生菌的生长,抑制性能随着加入纳米材料的增加而增强。

2.2 纳米农药剂型

纳米农药剂型是指将农药的有效成分直接加工成纳米粒子,如微乳剂、纳米乳、纳米分散体等。

2.2.1 微乳剂

微乳剂是由农药原药、表面活性剂、增溶剂和水等组分混合形成的粒径在6～50 nm的稳定分散体系。与其他传统剂型相比,微乳剂作为一种水基性剂型,减少了有机溶剂的使用,对环境相对友好,已成为杀虫剂的主要剂型之一。在媒介生物防治中,高效氯氰菊酯、四氟苯菊酯、阿维菌素等有效成分可以加工成微乳剂用于蚊、蝇、蜚蠊等媒介害虫的防治,黎祖秋等通过超低容量空间喷雾和绿篱技术施用微乳剂能够快速降低局部区域白纹伊蚊成蚊密度,有效控制登革热的传播。

2.2.2 纳米乳

纳米乳是由水、油、表面活性剂等成分混合形成透明或半透明的热力学相对稳定的均相分散体系,其粒径通常在20～200 nm。纳米乳能够提高农药的水溶性和分散性,有效提高生物利用率,Kumar等对比了氯菊酯纳米乳和传统氯菊酯溶液对埃及伊蚊幼蚊的杀灭效果,发现24 h的LC50分别为0.0063和0.0199 mg/L,表明纳米乳的杀灭效果明显较高。Kala等测试腰果壳液对库态按蚊(Anopheles culicifacies)3龄幼虫的LC50为18.1 mg/L,将其制备成纳米乳剂后增强了杀幼活性,LC50降至1.4 mg/L,在扫描电镜下能够明显观察到幼蚊的形态学损伤。

2.2.3 纳米分散体

纳米分散体是利用研磨、微沉淀法、冷冻干燥等技术将难溶于水的有效成分加工成纳米尺度的颗粒,粒径通常在50～200 nm,能够分散于水中形成混悬剂。有研究发现,平均粒径为188 nm的阿维菌素固体纳米分散体对小菜蛾(Plutella xylostella)的杀虫活性超过水分散粒剂的1.5倍。

2.3 纳米载药系统

纳米载药系统是以纳米材料为载体,采用吸附、包裹、镶嵌等结合方式负载有效成分,最终实现靶向递药的目的。常用的纳米载体材料有二氧化硅、无机碳、高分子聚合物等,可以构建纳米胶束、纳米凝胶和纳米纤维等农药剂型,在降低农药使用量的同时实现活性成分的对靶释放。

2.3.1 纳米胶束

纳米胶束具有载药范围广、载药量高、稳定性好等优势,可以负载一些难溶性的有效成分,其粒径大小取决于共聚物的分子质量和制备方法。Balaji等制备了平均粒径为153.74 nm的N,N-二乙基苯乙酰胺的纳米胶束,对三带喙库蚊(Cx. tritaeniorhynchus)3龄幼虫的LC50值由0.416 mg/L降至0.052 mg/L。

2.3.2 纳米凝胶

纳米凝胶在溶液中形成交联网络结构,保持高含水量且不溶解,能够负载易挥发的物质。Abreu等利用壳聚糖与腰果树胶作为载体,制成立比草精油(Lippia sidoides)纳米凝胶系统,提高了对埃及伊蚊3龄幼虫的杀灭效果,该系统有效成分的释放速度与壳聚糖的含量呈负相关,药效与精油的含量呈正相关。

2.3.3 纳米纤维

由于静电纺丝纳米纤维具有多孔结构、高比表面积以及较强的物理机械性能,它可以吸附杀虫活性成分并调节释放速率。Iliou等采用低成本、无毒、可生物降解的聚合物醋酸纤维酯和聚乙烯吡咯烷酮,通过静电纺丝技术开发了以香茅油为活性成分的微/纳米纤维体系,明显延长了有效成分的释放时间,在实验室生物测定中对白纹伊蚊具有较高的驱避活性。

除了负载化学因子外,纳米材料还可以结合其他杀虫因子实现杀虫功效。随着大量关于害虫生长发育、化学感应、生理代谢等生命活动相关的基因不断被发现,RNA干扰技术因其高度的序列依赖性为害虫防控提供新策略,将该技术与纳米技术相结合,可以实现载体递送dsRNA调控靶标基因表达。Zhang等利用壳聚糖纳米颗粒负载甲壳素合酶基因AgCHS1后饲喂冈比亚按蚊(An. gambiae)幼蚊,发现喂养幼蚊的AgCHS1转录水平和几丁质含量分别降低了62.8%和33.8%。利用阳离子型聚氨基酸负载dsRNA能够提高对大豆蚜(Aphis glycines)的渗透能力,同时对目标基因的沉默效率最高能够达到87%。此外,纳米载体还可以负载昆虫病毒DNA,Liu等利用核酸型纳米载体携带棉铃虫核型多角体病毒可以引起小地老虎(Agrotis ypsilon)幼虫行动迟缓、拒食,饲喂10 d后致死率达到70.0%以上,且存活的幼虫体长缩短40.0%。

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纳米农药的作用方式与应用优势

3.1 纳米载体对害虫造成直接伤害

用来构建纳米载药系统的载体颗粒会对害虫造成损伤,报道比较多的是纳米二氧化硅。纳米二氧化硅黏附到害虫体壁,会对害虫的角质层造成损伤,导致体表破损失水、代谢紊乱甚至死亡。此外,害虫取食二氧化硅后,还能造成口器和肠道磨损,降低消化效率,从而降低取食率和取食速度。除了物理损伤外,二氧化硅纳米颗粒还会因为硅氧键的断裂生成自由基离子,扰乱靶标昆虫体内的蛋白质、碳水化合物、酚氧化酶和几丁质酶的代谢活动。纳米载体本身可以影响靶标的生理和代谢活动,造成昆虫体表破损、代谢紊乱等症状,也能够促进杀虫有效成分的吸收和利用,从而提高有效成分的杀虫活性。

3.2 改善农药的物理性能

与传统剂型相比,纳米农药剂型具有较大的比表面积和较小的粒径,能够有效改善难溶性有效成分的分散性,从而提高杀虫剂溶液的稳定性,还能增强杀虫剂的抗光解性能。Han等制备了阿维菌素纳米载药系统,显著增强了在靶标表面的沉积率,提高了有效成分在溶液中的分散性,在水溶液中的稳定性超过200 d。Song等测试了纳米甲维盐(甲氨基阿维菌素苯甲酸盐)载药系统的半衰期,发现经羧甲基壳聚糖修饰的纳米碳负载甲维盐的半衰期延长了约200倍,施药后第14天对靶标害虫的防效提高了约50.0%。

利用纳米材料与技术可以改善杀虫剂对靶标的亲和性,主要方式包括：(1)改变药剂的带电性质,增强药剂与靶标的静电作用,从而提高沉积效率。(2)纳米颗粒容易沉积在靶标面的沟槽、缝隙内,提高药剂在靶标面的滞留率。(3)具有黏附性的载体可以提高杀虫剂的黏附力。此外,纳米农药因其粒径小,利于在靶标面上分散,增加了害虫接触药剂的概率,从而提高了杀虫剂的利用率。

纳米技术还可以构建温度、光照等环境因子响应型精准释放载药系统,延长农药持效期。Greene等将有效成分包覆于温敏性聚合物微囊中制备的温度响应型载药系统,只有当土壤温度或气温达到病虫草等有害生物最活跃的临界温度时,才按可预测的速率释放药物,有效防止有效成分提前降解。Ye等制备的光响应型敌草隆胶束,黑暗条件下不释放有效成分,当阳光照射8 h,敌草隆释放率可达96.8%。

3.3 实现靶向递药而提高药效

实现靶向递药是环境响应型载体受到微环境中特异因子的刺激,在靶标昆虫特定部位释放杀虫活性成分,从而达到杀虫目的。杨君等利用胆固醇和硬脂胺组装形成非磷脂类纳米脂质体作为载体,负载噻虫嗪后制备的纳米载药系统对碱性环境敏感,当pH值为10.0时有效成分释放速率显著提高,有助于噻虫嗪在鳞翅目幼虫独特的碱性中肠环境中进行响应性释放和积累。Kaziem等制备了对α-淀粉酶具有响应特性的纳米载体,负载氯虫苯甲酰胺和阿维菌素,利用咀嚼式口器昆虫中肠存在α-淀粉酶的特性,当小菜蛾幼虫取食后,中肠α-淀粉酶可以降解载体释放有效成分,实现定向释放,对小菜蛾的防效提高了30%～40%。此外,还有载体受到生物体内谷胱甘肽刺激后,造成载体骨架二硫键断裂从而释放有效成分。

3.4 提高天敌捕食率

目前,纳米农药与天敌配合使用的应用较少,但也有研究证明纳米农药在提高对靶标生物毒力的同时还能够提高天敌的捕食率。与常规杀虫剂相比,金纳米颗粒和银纳米颗粒负载的植物源杀虫剂不仅对埃及伊蚊幼蚊的毒力提高10～30倍,还使翘足类天敌对幼蚊的捕食率提高了约20%。

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基于纳米技术的监测策略

有害生物的治理策略是以防为主,在危害发生初期采取控制措施以减少作物损失、避免媒介生物性疾病的暴发,这就对有害生物生态学监测提出更高的要求,及早、准确地发现害虫,在时间和空间上精准施药非常关键。纳米传感器灵敏度高、速度快,结合昆虫的生物学特征识别特异性昆虫具有一定的可行性。Steffens等利用聚苯胺纳米纤维结构作为受体能够检测到微量的蜜蜂信息素2-庚酮,但如何转化为电磁信号进而研发成监测系统还有待于进一步研究。

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展 望

纳米农药在有害生物防治领域表现出巨大的应用潜力,能够提高农药利用率,达到减施增效、精准施药的目的,是实现农药绿色发展、有害生物可持续治理的重要途径。目前,纳米农药在有害生物防治中的研究应用主要集中在纳米农药的制备和性能研究以及纳米剂型的药效功能评价两方面,虽然能够查询到许多关于纳米农药的专利,但登记用于现场防治的纳米农药种类却非常少,实现推广应用还需加强以下几方面的研究：一是加强纳米载体和纳米制剂的风险评价,加大田间药效试验,系统地阐明对非靶标生物、环境微生物以及农作物等的负面影响；二是发展大规模制备纳米农药的生产技术,解决工业化生产的困难；三是完善纳米农药的检测技术和评价方法,健全评估、登记等相关标准体系。