張翼翾 編譯

(上海市農(nóng)藥研究所，上海 200032)

真菌和細菌病原菌、病毒、節(jié)肢動物和雜草等生物給作物和草地的產(chǎn)量和品質(zhì)造成重大損失。進行有效害物管理是對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的一大挑戰(zhàn)，因為管理措施要有效、經(jīng)濟負擔(dān)得起，環(huán)境安全，對非靶標(biāo)生物無害，且要持續(xù)。雖然許多技術(shù)取得了很大進步，但大部分的管理措施仍依靠使用合成化學(xué)農(nóng)藥。然而，使用大量農(nóng)藥對生態(tài)系統(tǒng)或食物鏈有危害而不能滿足管理要求，或因抗性不斷增加所致防效不佳而退出市場。這些化合物沒有有效的替代物，給農(nóng)民管理害物帶來很大的困難。因此，人們對開發(fā)合成農(nóng)藥的替代物有很大興趣。

1 天然農(nóng)化產(chǎn)品的潛力和缺陷

生物相互作用，保護自己免受其他生物的攻擊或攻擊其他生物的防御屏障，或產(chǎn)生大量大部分仍未被開發(fā)的次級代謝物質(zhì)，例如化感化合物、植物抗毒素、抗生素、趨避劑、真菌毒素、拒食劑和殺蟲劑。生物產(chǎn)生的這些化學(xué)物質(zhì)是生物和環(huán)境共同進化的結(jié)果，是具有新穎化學(xué)結(jié)構(gòu)和作用機制，被用于作物保護的新生物活性化合物的來源。在過去，分離和鑒定這些化合物很艱難，但現(xiàn)代儀器(例如高通量系統(tǒng)或先進的分析設(shè)備)和先進的方法(例如“生物組學(xué)”工具)簡化了此過程和降低了費用。雖然已介紹了許多天然化合物，但有許多尚未被發(fā)現(xiàn)。天然產(chǎn)品可被用作除草劑[例如吸水鏈霉菌(Streptomyces higroscopic)產(chǎn)生的雙丙胺膦]、殺蟲劑[例如多殺菌素——放線菌刺糖多胞菌(Saccharopolyspora spinosa)產(chǎn)生的大環(huán)內(nèi)酯類物質(zhì)]和殺菌劑[例如甲氧基丙烯酸酯類，名字來自于木腐真菌嗜球果傘菌(Strobilurus tenacellus)，從此菌分離到此類物質(zhì)的第一個化合物]。

盡管天然代謝物具有作為安全、環(huán)境友好的農(nóng)化產(chǎn)品的潛力，但其一些特點常?？赡芟拗破鋵嶋H應(yīng)用(表1)。例如天然農(nóng)化產(chǎn)品能提供新穎的化學(xué)結(jié)構(gòu)和新的作用機制，但這些化合物結(jié)構(gòu)常常太復(fù)雜，合成費用太高。從活體生物獲得，但在許多情況下獲取量小，或純化費用太高，和/或不是非常環(huán)境友好。天然農(nóng)化產(chǎn)品被認(rèn)為對環(huán)境的影響非常小，但這通常伴隨著不穩(wěn)定或生物降低快而半衰期短的特性，商業(yè)化可能性小。天然農(nóng)化產(chǎn)品專一性強，或作用慢，或許多無法到達活體靶標(biāo)。有時必須以非常高的劑量使用，故使用費用高，或難以應(yīng)用。因此，盡管有前景或認(rèn)為可作為天然農(nóng)化產(chǎn)品的物質(zhì)很多，但它們成功市場化的可能性仍十分有限，與合成農(nóng)化產(chǎn)品相比，競爭性低，滿意度低。

表1 天然化合物用作農(nóng)化產(chǎn)品的優(yōu)勢和缺陷

2 農(nóng)業(yè)中使用的納米材料

納米技術(shù)是提高天然生物產(chǎn)品的防效，克服限制天然生物產(chǎn)品使用的缺點和其他因素(表 1)的新技術(shù)。納米規(guī)模的傳遞系統(tǒng)所含粒子大小通常為1～100 nm，雖然在藥學(xué)上納米粒子粒徑可高達1 000 nm。納米材料具有不同的定義。在2011年，歐盟委員會對納米材料的定義更科學(xué)，更廣義，為“天然、附帶產(chǎn)生的，或生產(chǎn)的顆粒材料，以游離狀態(tài)存在，或為聚集體或聚結(jié)物，50%或更多的粒子呈數(shù)量粒度分布(number size distribution)，1個或多個外部尺寸為 1～100 nm (https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/HTML/?uri=CELEX:3201 1H0696&from=EN)。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)組織(ISO)，納米物質(zhì)是“1個、2個或3個外部尺寸為納米級的離散材料，大小范圍約1～100 nm。納米粒子為所有外形尺寸為納米級的納米物質(zhì)，其最長和最短的軸的長度沒有顯著的不同。如果有顯著差異，一般在3倍以上，則其他術(shù)語，例如‘納米纖維’(2個外部尺寸為納米級)或‘納米板’(1個外部尺寸為納米級)可能比術(shù)語納米粒子更可取”(https://www.iso.org/standard/ 54440.html)。然而，納米材料的‘一致’的標(biāo)準(zhǔn)定義仍是開放性的問題，肯定會對監(jiān)管發(fā)展和產(chǎn)業(yè)/研究興趣產(chǎn)生強烈的影響。對此，幾年前，歐盟食品安全局(EFSA)委托進行研究來列出納米技術(shù)在農(nóng)業(yè)、飼料和食品部門應(yīng)用的清單。如報道一樣，納米材料具有有機或無機性質(zhì)，或兼有二者。在作物保護中可能主要用途為：⑴ 直接使用無機納米材料為納米農(nóng)藥(NP)，例如貴金屬或硅基材料；⑵ 使用天然/合成納米級傳遞系統(tǒng)，例如天然聚合物來更好地傳遞活性成分(AI)；⑶ 為當(dāng)前的農(nóng)化產(chǎn)品制備納米制劑和納米分散劑。

雖然使用納米材料給農(nóng)業(yè)-食品部門帶來重大的利益，但也必須考慮健康和而安全問題。使用這些技術(shù)的風(fēng)險主要與納米粒子的小尺寸和大的表面積-體積比有關(guān)，顆粒小和表面積-體積比大增加了其反應(yīng)性，易分散，能穿越生物結(jié)構(gòu)障礙，到達動物或人類身體遠側(cè)區(qū)，呈現(xiàn)潛在的毒性。在農(nóng)業(yè)部門，用容易分散到土壤、水或大氣的納米肥料和農(nóng)藥處理可能會增加對使用者的健康風(fēng)險，也可能增加環(huán)境風(fēng)險。因此，設(shè)計低毒、生物降解和生態(tài)友好的納米粒子將是必要的。

2.1 作為納米農(nóng)藥和農(nóng)藥載體的固體納米粒子

許多納米粒子具有農(nóng)藥特性，因此已被考慮作為潛在的農(nóng)藥活性成分(納米農(nóng)藥)和傳遞活性成分的納米載體。

2.1.1 “惰性納米材料”

此類別包括許多天然或合成的材料(非晶態(tài)納米二氧化硅、納米黏土、納米羥基磷灰土)，這些物質(zhì)主要通過物理機制作用，被認(rèn)為是生態(tài)友好型農(nóng)藥，能被表皮脂質(zhì)物理吸收，破壞有保護作用的表皮層。例如已證實不同非晶態(tài)硅納米粒子(SNP)比大塊二氧化硅對水稻米象(Sitophilus oryzae)更有效。表面帶電荷的改性疏水二氧化硅NP被成功用于防治一些農(nóng)業(yè)害蟲和重要牲畜的外寄生蟲。它們被成功地用于在種子上形成薄膜，降低真菌生長，促進谷物發(fā)芽，在葉和莖表面應(yīng)用二氧化硅NP不會改變數(shù)種園藝和作物植物的光合或呼吸作用，也不會改變昆蟲氣管中基因的表達，故有資格被登記為納米生物農(nóng)藥，雖然其毒性有待于了解。還提出用二氧化硅NP的新穎制劑提高殺蟲劑前體溴蟲腈(chlorfenapyr)的防效和緩慢釋放能力。田間試驗表明二氧化硅NP制劑的殺蟲活性至少是溴蟲腈的2倍，殺蟲劑的釋放減緩了，能達到20周以上，長時間局部濃度高。

孔介性二氧化硅納米粒子(MSN)是合成的粒子，具有被明確定義和可調(diào)節(jié)的孔的大小(2～50 nm)，大的孔體積，易于改進的表型特性的大的表面積，化學(xué)穩(wěn)定，對微生物攻擊有抗性，可量身定做的納米結(jié)構(gòu)，生物相容性和水降解性。此外，MSN保護負載的活性成分(AI)免受酶降解，因為不會因外部刺激(例如pH和溫度)而發(fā)生溶脹或孔隙率變化。

MSN的結(jié)構(gòu)特點可被修飾來增加或降低釋放動態(tài)，故MSN是優(yōu)秀的農(nóng)藥傳遞載體。研究了MSN貯存和控制殺菌劑甲霜靈的情況。用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)法把水溶液中的甲霜靈負載于MSN孔上，在土壤或水中甲霜靈釋放非常慢，超過30 d。其他研究表明一定大小的孔和厚度殼的 MSN是傳遞天然農(nóng)藥阿維菌素的有效載體，能保護有效成分不被紫外光降解，降低釋放速度。

硅藻土(DE)幾乎為純的非晶態(tài)二氧化硅，由浮游植物組成。經(jīng)過研磨，得到細的類滑石粉或粉塵，其很穩(wěn)定，不反應(yīng)，對哺乳動物無毒。用作殺蟲劑，被昆蟲的表皮脂質(zhì)和脂肪酸吸收，導(dǎo)致節(jié)肢動物干燥。最近集中研究 DE和其他殺蟲劑聯(lián)用能夠低劑量防治害蟲，評估了 DE和植物[苦皮藤(Celastrus angulatus)]提取物苦皮藤素(倍半萜類)混合物對谷物害蟲谷蠹(Rhyzopertha dominica)的防效，發(fā)現(xiàn)在150 mg/kg小麥的低劑量下有效。

有人提出納米結(jié)構(gòu)氧化鋁(NSA)可作為有效的殺蟲劑，防治2種谷物害蟲谷蠹和R. dominica。其比硅藻土制品有效。最近對用甘氨酸-硝酸鹽燃燒法合成的 NSA進行研究表明此殺蟲劑的作用機制基于物理作用而不是生化機制。此外，顆粒大小、表面積和形態(tài)學(xué)是決定殺蟲活性的主要因素。改進合成路線可能獲得對靶標(biāo)害物效果更好的產(chǎn)品。

納米黏土是有機硅酸鹽材料的薄片(厚約1 nm，寬70～150 nm)，是由火山灰中常見的蒙脫土制成的。它們尺度被減小，表面被改進形成具有生物相容性和低毒的納米黏土。它們被成功用于植物生長調(diào)節(jié)劑——萘乙酸的載體和控制除草劑 2,4-二氯苯氧乙酸的釋放。肉桂酸酯在土壤中快速降解，高劑量才有效，研究了納米黏土作為天然抗生素肉桂酸酯農(nóng)化產(chǎn)品的載體。肉桂酸酯負載于納米黏土后，被緩慢地釋放，在土壤中可保持較長時間。這表明納米黏土用于緩釋和按計劃傳遞農(nóng)藥和殺菌劑有很好的前景。

2.1.2 金屬納米粒子

不同金屬和金屬氧化物納米粒子(MNP)(銅、銀、氧化鈦)已被作為抗微生物劑。因為具有大的表面積-體積比和晶體結(jié)構(gòu)，MNP比傳統(tǒng)的金屬離子能更有效地啟動生物響應(yīng)。雖然，在一些研究中 MNS比其相對應(yīng)的離子對哺乳動物細胞的毒性更低，作用時間長，對環(huán)境和非靶標(biāo)生物的風(fēng)險低，但要大量地用于農(nóng)業(yè)，仍在爭議中。生產(chǎn)費用和管理障礙也是必須要解決的問題。已改進了MNS合成工藝，其中包括生產(chǎn)中的生物。這個綠色合成方法與其他方法相比具有一些優(yōu)點：費用低，適用于大規(guī)模生產(chǎn)，避免能源浪費和使用有毒有害物質(zhì)。人們對使用不同生物來源的生物活性材料的新策略特別感興趣。真菌、細菌和酵母等不同類微生物和植物提取物正被用于生產(chǎn)NP。用此方法，最近合成了木霉介導(dǎo)的硒納米粒子(SeNP)，并用于防治珍珠粟霜霉病。這些MNP的抗微生物活性好像以以下方式作用：⑴光催化吸收的光子導(dǎo)致超過氧化自由基的釋放，然后氧化重要分子結(jié)構(gòu)，致使細菌、真菌和病毒生物死亡；⑵ 在細胞膜中的積累和消散，導(dǎo)致膜的損傷和細胞內(nèi)含物的釋放；⑶ 細胞吸收金屬離子，DNA的復(fù)制受到干擾。

銀納米粒子(AgNP)已被研究了相當(dāng)長一段時間。它們是活性最高的MNP，對細菌和真菌都有效。例如在實驗室條件下測定了它們對橡樹枯萎病病原菌Raffelea sp和許多其他植物病原菌的活性。然而，這些 MNP的潛在副作用和對環(huán)境的影響還沒有測定。許多微生物，例如促進植物生長的根瘤菌(PGPR)也被用于生物合成 AgNP。例如從農(nóng)業(yè)土壤中分離到的1個細菌沙雷氏菌屬的菌株有潛力合成對小麥斑枯病病原菌麥根腐離蠕孢(Bipolaris sorokiniana)有強的抗真菌活性的AgNPs。評估了光催化納米二氧化鈦(TiO2)單獨或和其他金屬一起對馬鈴薯細菌性斑點病病原菌葉斑病菌(Xanthomonas perforans)的抗細菌潛力。二氧化鈦吸收光子產(chǎn)生與水分子相互作用的自由電子，近而產(chǎn)生高化學(xué)反應(yīng)性的羥基和超氧自由基。微生物殺滅的程度隨靶標(biāo)生物、光照強度、光催化效率和暴露持續(xù)時間而變化。報道施用量的TiO2和Zn比正常使用的銅殺細菌劑的生態(tài)和毒性風(fēng)險低。TiO2天然存在于土壤中和高純度存在于過去幾十年中許多商業(yè)化的產(chǎn)品中，被分類為無毒物。

在其他研究中，銅納米粒子被高度生物相容的明膠包裹并穩(wěn)定，這樣有利于顆粒與細胞膜相互作用以及隨后進入細胞質(zhì)中。這些 NP對革蘭氏陽性和陰性菌的活性要高于等量的Cucl2。最近，同一作者報道 NP對大腸桿菌的作用是由于多種有毒影響所致，例如產(chǎn)生活性氧、脂質(zhì)過氧化、蛋白氧化和DNA降解。銅NP與銅殺菌劑合用對一些真菌植物病原體有離體增效作用。然而，應(yīng)測定其環(huán)境歸屬和在田間條件下對非靶標(biāo)生物可能的副作用。

2.2 納米乳劑和納米分散劑

使用合成或天然農(nóng)藥的主要限制之一為它們一般在水中溶解性小或不容，因此，必須分散在液相中應(yīng)用，所以必須使用大量的有機溶劑來溶解它們。解決此問題，制備商業(yè)制劑的方法為應(yīng)用表面活性劑，增加活性物質(zhì)的溶解性來獲得適宜的防效和在田間均勻施用度。液體農(nóng)藥一般被制成乳油，而固體農(nóng)藥被制備為可濕性粉劑。一般，這些制劑的顆粒大小為微米級(直徑1～20 μm)。然而，此方法存在一些缺點，如費用、對環(huán)境的污染、對使用者的風(fēng)險增加。納米技術(shù)是更環(huán)境友好和可持續(xù)替代方法，例如把有效成分以納米大小的微滴或固體顆粒的膠體分散在液體中，加入表面活性劑以穩(wěn)定。納米乳劑可能是水包油(O/W)或油包水(W/O)形式，這取決于是否油以微滴分散于水中，反之亦然。固體脂質(zhì)納米粒子(SLN)是另一有發(fā)展前景的載體系統(tǒng)，可用于運輸非極性物質(zhì)，其流動性受與脂質(zhì)的相互作用限制。雖然主要目標(biāo)是提高水溶性，但最近研究表明能提高農(nóng)藥的其他重要特性，例如⑴ 增加生物利用度，因為有更大的表面積暴露和滲入靶標(biāo)的性能增加；⑵ 穩(wěn)定性增加，即保護免受紫外光照射或水解；⑶ 控制釋放，降低釋放速度，導(dǎo)致更持續(xù)的暴露和更長時間的作用。有許多綜述比較了活性成分的納米乳劑和納米分散劑與相對應(yīng)的傳統(tǒng)商業(yè)化微生物制劑，也有許多介紹了它們的技術(shù)特點或制備方法。也有許多研究應(yīng)用這些方法來提高天然農(nóng)化產(chǎn)品的防效。這是1個巨大的研究領(lǐng)域。

2.3 多聚物納米農(nóng)藥

多聚物納米粒子和納米膠囊由天然或合成的多聚物材料組成，其中一些具有優(yōu)良特性：生物降解。可用于合成這些納米材料的物質(zhì)有淀粉、多肽、白蛋白、褐藻酸鈉、幾丁質(zhì)、 明膠和纖維素(圖 1)。在約 50多年前德國工作組進行了此領(lǐng)域的首要工作，來尋找藥物應(yīng)用。

圖1 用于合成納米載體的一些重要天然聚合物和其來源

殼聚糖是用堿(堿性物質(zhì))處理蝦和其他甲殼類動物中的幾丁質(zhì)而獲得的多聚物，能產(chǎn)生聚合葡聚糖。它被公認(rèn)為是植物防御反應(yīng)的引發(fā)劑，并且具有抗真菌特性，使其在植物保護中的應(yīng)用非常有吸引力。但當(dāng)以納米粒子合成時，單獨或與其他聚合物組合時，可用作農(nóng)藥載體。殼聚糖來源于漁業(yè)廢物副產(chǎn)品，既可作為載體又為活性物質(zhì)，是用于制取天然化合物納米制劑的有發(fā)展前景的材料。

褐藻酸鈉是從褐藻分離得到的線性相連的多糖。可用數(shù)種方法處理生成水凝膠、微球、納米粒子和納米膠囊，可和殼聚糖等其他多聚物組合成為農(nóng)化產(chǎn)品納米制劑的多功能系統(tǒng)。在田間條件下，對殺蟲劑(吡蟲啉)的試驗表明減少活性成分的劑量的情況下，處理的防效沒有降低，甚至隨著時間的增加而提高。

繼碳水化合物聚合物之后，環(huán)糊精是由6至 8個葡萄糖亞基組成的環(huán)寡糖(分別為α、β和γ環(huán)糊精)，具有疏水核和親水殼，并且可以在水溶液中與其他組分自組裝形成納米粒子和聚結(jié)體。此外，環(huán)糊精可與其他納米材料發(fā)生共軛作用，增加作為納米載體的特性。已成功用于負載殺菌劑，并在田間處理真菌植物病害，已與殺真菌天然化合物香葉醇等結(jié)合使用。

植物以淀粉的形式儲存能量，淀粉是自然界最豐富的生物量材料之一，在工業(yè)中有多種用途。已開發(fā)了納米結(jié)構(gòu)的淀粉，根據(jù)所用的方法的不同得到不同的產(chǎn)品，但主要為納米晶體和非晶態(tài)納米粒子。已被用于在植物細胞中傳遞核酸，通過納米材料緩慢釋放殺蟲劑和肥料。此保護和緩慢釋放活性成分的作用使淀粉納米材料與天然化合物合并很具吸引力。

木質(zhì)素是組成植物細胞壁的酚類化合物交聯(lián)的聚合物。對木質(zhì)素進行納米沉淀可產(chǎn)生納米粒子，可保護被覆蓋材料免受腐蝕劑危害和紫外線和氧化劑的降解。它們能增加除草劑的防效，可能是保護天然化合物免受外來物降解的方法。此外，真菌等許多植物病原菌產(chǎn)生特異性酶降解細胞壁成分(例如木質(zhì)素)，因此，這些納米載體可作為真菌病原菌的靶標(biāo)，在真菌所在位置特異性降解，釋放活性物質(zhì)。

表2 用于解決天然農(nóng)化產(chǎn)品缺點的納米技術(shù)的一些可能的優(yōu)勢

病毒作為一種害物防治手段已很長時間，但最近被開發(fā)為自動組裝、傳遞不同物質(zhì)(從藥物到核酸)的多價納米膠囊。具體而言，植物病毒顆粒在這方面正變得越來越重要，并且已經(jīng)開發(fā)并測試了一些制劑來遞送農(nóng)藥和天然化合物來防治寄生線蟲。

許多其他可生物可降的聚合物納米載體在開發(fā)中。這些物質(zhì)顯示了用于農(nóng)藥或天然化合物納米制劑的發(fā)展前景，例如玉米蛋白、纖維素、脂質(zhì)/蛋白質(zhì)納米盤(protein nanodisk)或合成聚合物(例如聚己內(nèi)酯)。此外，特別感興趣的是研究特定環(huán)境或生物條件下的納米聚合物。

3 毒性和環(huán)境影響

必須詳細說明在農(nóng)業(yè)田間應(yīng)用納米材料的概念，以免解決了原有的問題而又產(chǎn)生了新的問題。為此，在登記前測定納米材料的毒性和潛在的負面環(huán)境影響是必要的。解決此問題的最好方法之一是應(yīng)用被證實人類食用后無害、安全的納米材料。然而，這并不總能保證田間大量應(yīng)用已用于食品工業(yè)的產(chǎn)品會對環(huán)境沒有負面影響，例如銀納米粒子。在納米材料應(yīng)用于農(nóng)業(yè)前，毒性是要測定的相關(guān)因素。納米粒子的直接毒性作用一般與決定其生物反應(yīng)活性的化學(xué)組成和高比表面積(高反應(yīng)性)有關(guān)。然而，重要的是要區(qū)分產(chǎn)生細胞毒性的化合物和對整個生物體有毒(急性或慢性)的化合物。因為高的反應(yīng)活性，一些納米材料可能偶然有細胞毒性，對單個細胞有致死毒性，但對整個生物的影響可忽略和無害。

納米材料可能對植物和其他生物有損害作用，或可能影響環(huán)境。對于植物和藻類，帶來的負面影響可能是由于減少光的可用性和氣體交換等數(shù)種因素，改變光合作用或直接使植物光合系統(tǒng)失活，導(dǎo)致固定的二氧化碳減少，和影響電子運輸鏈。此外，植物生長和生理機能受到不利影響，報道DNA受到損害(基因毒性)。陸生和水生動物暴露于高濃度的納米粒子后，會被嚴(yán)重影響。具有重要有益作用的菌根真菌和細菌等土壤微生物對其周圍出現(xiàn)的一些納米材料有負面響應(yīng)。這可能導(dǎo)致它們在土壤中的一些特性改變，例如微生物呼吸，液體和/或氣體的運輸，不能建立共生關(guān)系。最后，納米材料可能直接影響環(huán)境，例如，納米材料可能直接影響環(huán)境過程，例如，通過充當(dāng)雨滴的核來改變降水，通過與污染物相互作用，從而改變其毒性作用，破壞營養(yǎng)循環(huán)，或水的凈化有不利影響。

對納米材料需要重點考慮的是試驗設(shè)計。開發(fā)一套能提供現(xiàn)實條件下可靠信息的生測試驗不易。確保正確的劑量、正確的施用方式、足夠的暴露時間以及影響納米材料在不同介質(zhì)中的性能的參數(shù)是可能影響結(jié)果的關(guān)鍵因素。

一般來說，用于農(nóng)業(yè)的理想的納米材料應(yīng)該具有以下特性：⑴ 無毒，對環(huán)境安全，不會引起進一步的污染問題；⑵ 合成和生產(chǎn)必須易規(guī)?；虎?應(yīng)用成本低的材料，故新的納米制劑產(chǎn)品的成本不會超出當(dāng)前的農(nóng)化產(chǎn)品，農(nóng)民負擔(dān)得起。

為了明確需求和統(tǒng)一程序，歐盟食品安全局最近制定了人類和動物食品和飼料鏈中納米科學(xué)、納米物質(zhì)和納米技術(shù)應(yīng)用的風(fēng)險評估指導(dǎo)意見。該文件提供了對納米材料的理化性質(zhì)，暴露評估和危害特性的見解，提出了確定材料是否為納米材料的方法，并確定了要測量的關(guān)鍵參數(shù)以及表征納米材料的技術(shù)。

4 開發(fā)新一代農(nóng)化產(chǎn)品的納米和生物技術(shù)方法

在過去20年中，RNA干擾技術(shù)是工程化抗害物作物的強有力工具，打開了新農(nóng)化產(chǎn)品設(shè)計的新大門。應(yīng)用RNAi技術(shù)是基于雙鏈RNA(dsRNA)的傳遞或進行基因沉默的小干擾RNA(siRNA)。因此，RNAi可能被認(rèn)為是進行高度特異性害物防治的天然基因技術(shù)。已廣泛研究了在不同生物中用 RNAi進行害物管理，這些研究表明此技術(shù)在基礎(chǔ)和應(yīng)用科學(xué)中的潛在用途。例如，在小麥中轉(zhuǎn)基因表達產(chǎn)生以編碼 MAP-激酶和親環(huán)蛋白的真菌基因為靶標(biāo)的dsRNA會導(dǎo)致小麥葉銹菌(Puccinia triticina)侵染下降。發(fā)現(xiàn)以真菌甾體-14-去甲基酶(CYP51)基因為靶標(biāo)的轉(zhuǎn)基因大麥對禾谷鐮刀菌(Fusarium graminearum)有免疫性。此外，當(dāng)用此RNAi技術(shù)來沉默對害蟲存活重要的基因時，發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)基因植物的抗性。開發(fā)了基于 RNAi技術(shù)的新轉(zhuǎn)基因工程玉米，也已經(jīng)被美國環(huán)保局批準(zhǔn)。不久將進入市場，幫助美國農(nóng)民防治玉米根蟲(CRW)。最后，此RNAi技術(shù)也已被用于防治病毒、細菌和線蟲。然而，由于政治、管理或技術(shù)難題，轉(zhuǎn)基因作物并非總是可行的解決方案。因此，局部應(yīng)用dsRNA防治害物正成為轉(zhuǎn)基因作物具有吸引力的替代方法。Hunter等人進行了大規(guī)模的田間研究來測試局部應(yīng)用dsRNA產(chǎn)品來保護蜜蜂免受以色列急性麻痹病毒(IAPV)的侵染的能力。此產(chǎn)品被用作越冬蜂的食品添加劑，對蜜蜂的死亡和總體健康有很大影響。報道局部噴霧 dsRNA于植物，能成功地作用于取食植物的害蟲。土壤應(yīng)用后被植物跟吸收或枝干注射也能沉默基因，這表明植物根能吸收dsRNA，枝干注射后通過木質(zhì)部和韌皮部傳遞dsRNA。

裸露的 dsRNA迅速降解是實際應(yīng)用中的一大挑戰(zhàn)。一般dsRNA比單鏈RNA更穩(wěn)定，但在細胞內(nèi)一定被迅速地吸收，消化為 siRNA。因此，納米材料用為載體，減少dsRNA的降解，增加被細胞吸收的完整dsRNA的量。最近，Mitter等人研究表明dsRNA能負載于無毒、降解的已知為“生物黏土”的層狀雙氫氧化物(LDH)黏土納米片上。一旦負載于LDH上，dsRNA就不會被清洗掉，能持續(xù)釋放，在應(yīng)用后30 d在噴霧的葉子上檢測到。此外，此研究證實dsRNA能遷移到植物未被處理的部分，即使噴霧一次也能保護不被病毒侵害。另一類無毒和易生物降解的納米載體為聚合物殼聚糖。Zhang等人用殼聚糖/dsRNA納米粒子飼喂岡比亞按蚊(Anopheles gambiae)，蚊子取食后，在體內(nèi)產(chǎn)生RNAi。此外，陽離子型核殼熒光納米粒子(FNP)已被成功用作有效的 dsRNA載體來敲除主要發(fā)育基因和殺死害蟲。已用于保護dsRNA的其他類型材料有脂質(zhì)體、鳥苷酸聚合物、碳量子點和二氧化硅納米粒子。

用納米材料改進傳遞系統(tǒng)在未來將會不斷增加，因此，預(yù)期可用于傳遞dsRNA的材料范圍會顯著增加。這種創(chuàng)新的 RNAi傳遞方法最初是為治療人類疾病開發(fā)的，現(xiàn)在納米技術(shù)已為作物保護的可持續(xù)的有害生物管理策略，減少對環(huán)境的影響，并減少化學(xué)農(nóng)藥的使用。

5 總 結(jié)

納米農(nóng)化產(chǎn)品的登記和引入市場的法規(guī)仍缺失。需要確定納米農(nóng)用化學(xué)品的定義和制定全球統(tǒng)一的風(fēng)險評估規(guī)則。如果制定的規(guī)則僅基于粒子的大小(如對乳油的建議)，許多最近被稱為的納米制劑就會被排除在外；而在市場上存在幾十年的許多產(chǎn)品(例如微乳劑、黏土和聚合物等助劑)“一下”變?yōu)榧{米材料。此外，對制劑的管理應(yīng)該不僅僅要針對單獨成分，還要針對制劑在環(huán)境中的行為方式來對新的風(fēng)險和益處進行科學(xué)的評估。的確，此產(chǎn)品有潛力更好地管理農(nóng)業(yè)輸入物，減少它們對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的負面影響。此外，應(yīng)該應(yīng)用適宜的量身定做的生命周期來評估接觸納米材料的潛在風(fēng)險。這意味著要考慮所有可能接觸納米制劑的情況，包括田間應(yīng)用，食品供應(yīng)鏈中潛在的殘留和產(chǎn)品的處理和再利用，以及可能影響納米材料的危害特點和風(fēng)險特性的特殊農(nóng)業(yè)系統(tǒng)條件的可能影響。例如，提高納米農(nóng)藥的生物利用度可能影響其環(huán)境歸屬，以及一旦被生物吸收的毒性或作用。因此應(yīng)該對納米農(nóng)藥(傳統(tǒng)活性成分的納米制劑或具有農(nóng)藥活性的納米材料)的使用潛在風(fēng)險進行很好的毒性評估?？茖W(xué)界可以影響大眾對納米農(nóng)化產(chǎn)品形成正面或負面看法，這取決于他們是否為其提供了正面的形象(綠色、智能和安全技術(shù))，或者是強調(diào)了潛在的風(fēng)險。實現(xiàn)可持續(xù)農(nóng)業(yè)的目標(biāo)與開發(fā)“綠色納米技術(shù)”的需求有共同點，“綠色納米技術(shù)”是指平衡納米產(chǎn)品在解決環(huán)境挑戰(zhàn)方面所具有的益處，管理和評估納米級材料可能帶來的環(huán)境、健康和安全風(fēng)險。然而，要實現(xiàn)可持續(xù)性，不僅應(yīng)該考慮最終產(chǎn)品的安全和風(fēng)險，而且要考慮整個生產(chǎn)過程，例如，成本、環(huán)境影響和用于合成和生產(chǎn)的所有材料的可再生性。最近對文獻的分析發(fā)現(xiàn)對納米農(nóng)化產(chǎn)品和傳統(tǒng)農(nóng)化產(chǎn)品進行比較是不足以評估納米產(chǎn)品給農(nóng)化產(chǎn)品帶來的真正提高。比較納米制劑和活性成分也能解釋對活性成分性能的改變。有必要與傳統(tǒng)制劑比較來顯示其提高的性能和競爭性。因此，強烈推薦在以后的研究中進行3種比較(納米制劑與傳統(tǒng)制劑產(chǎn)品和活性成分)。納米農(nóng)化產(chǎn)品的未來可能是2種情況：⑴ 納米農(nóng)化產(chǎn)品可能被視為新興污染物，技術(shù)的發(fā)展有限；⑵ 建立高度合作和跨學(xué)科研究可能會提供合理的風(fēng)險和優(yōu)勢評估，能夠更好地開發(fā)納米農(nóng)化產(chǎn)品的潛力。集中研究安全的納米技術(shù)來改進天然農(nóng)化產(chǎn)品的效率可能是具有吸引力的綠色策略。