張晉天，張慧學，馬忠華，劉永紅，蒯 婕，汪 波，周廣生

(華中農(nóng)業(yè)大學 a.理學院， b.植物科學科技學院，中國 武漢 430070)

農(nóng)藥的使用使得農(nóng)作物增產(chǎn)效果顯著，保障了世界人口的糧食供應(yīng)[1,2]，但農(nóng)藥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的有效利用率較低，使用量遠大于作物的需求量[3]。這導(dǎo)致未被利用的農(nóng)藥進入環(huán)境中，造成土壤、水體和大氣等領(lǐng)域的潛在危害[2,3]，大大增加了生態(tài)環(huán)境的負擔，也不利于可持續(xù)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)提升。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中農(nóng)藥的過量、頻繁使用，產(chǎn)生了一系列嚴峻的問題[4-8]，主要包括：第一，環(huán)境中的病菌、害蟲、雜草對相應(yīng)的藥物產(chǎn)生了抗性，增加了作物病蟲草害的防治難度；第二，過量施用的農(nóng)藥會導(dǎo)致土壤中有害物質(zhì)的累積和土壤質(zhì)量下降，造成作物藥害和環(huán)境污染；第三，農(nóng)藥超標導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品受到污染，農(nóng)產(chǎn)品國際競爭力降低，也會導(dǎo)致某些疾病的發(fā)生，影響人類自身健康；第四，農(nóng)藥的過度使用，增加勞動力成本，造成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本偏高、資源浪費。

當前，農(nóng)藥過度使用導(dǎo)致的環(huán)境問題日益受到重視，各國紛紛采取措施降低農(nóng)藥的生態(tài)環(huán)境風險。針對當前不科學、不合理地施用農(nóng)藥所產(chǎn)生的問題，中國已開展農(nóng)業(yè)“兩減一增”工程，要求農(nóng)藥減量、增效。提高農(nóng)藥藥效主要有兩種途徑：一是開發(fā)環(huán)境友好的新型農(nóng)藥，應(yīng)對靶標生物具備良好的靶向性和高毒性，減少農(nóng)藥的使用量和藥害作用；二是開發(fā)農(nóng)藥緩/控釋劑型，采取吸附、包埋等手段延長農(nóng)藥的作用時間，降低農(nóng)藥因分解、淋溶造成的損失，提高農(nóng)藥的使用效率。開發(fā)新型農(nóng)藥的難度較大，需要大量經(jīng)費投入，研究周期也較長，而開發(fā)農(nóng)藥緩/控釋劑型的難度和成本相對較低。因此，農(nóng)藥緩/控釋技術(shù)的應(yīng)用將是解決農(nóng)藥過度使用、實現(xiàn)農(nóng)業(yè)“兩減一增”的有效途徑[9]。采用先進的生產(chǎn)技術(shù)對現(xiàn)有農(nóng)藥劑型進行改進，可以減少農(nóng)藥的環(huán)境危害，提高藥劑有效成分的穩(wěn)定性，延長同劑量藥劑的持效性，節(jié)約資源，提高生物安全性[10,11]。

1 緩/控釋技術(shù)的發(fā)展

緩釋技術(shù)是利用基質(zhì)對活性物質(zhì)進行簡單的物理吸附或者包埋，增加活性組分的傳質(zhì)阻力，達到使活性物質(zhì)緩慢釋放的目的[12,13]。控釋技術(shù)是利用物理或化學方法貯存活性化學物質(zhì)(如農(nóng)藥)，控制其釋放速度從而減少活性化學物質(zhì)使用量和使用次數(shù)，實現(xiàn)活性化學物質(zhì)持續(xù)穩(wěn)定、充分地發(fā)揮作用[14]。為防止活性組分爆發(fā)性釋放，通過對基質(zhì)結(jié)構(gòu)的修飾、改進，利用環(huán)境因素的調(diào)節(jié)作用使“閥門”打開，或者化學鍵斷裂，活性物質(zhì)緩慢釋放[3]。這種智能控釋系統(tǒng)往往具有特異性，對特定的環(huán)境因素產(chǎn)生響應(yīng)而釋放，如環(huán)境pH值改變的酸/堿響應(yīng)、溫度響應(yīng)、光響應(yīng)及酶響應(yīng)等[15-17]。

圖1 數(shù)據(jù)庫Web of Science中關(guān)于緩/控釋農(nóng)藥的文章(源于Web of Science數(shù)據(jù))

緩/控釋技術(shù)經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展逐漸成熟，在各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[4,11,12,15]。近年來，隨著納米材料的不斷問世，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，納米農(nóng)藥智能緩/控釋技術(shù)也日漸受到重視。采用分子技術(shù)修飾的納米材料組成的控釋體系，其納米尺寸效應(yīng)明顯，在藥物內(nèi)吸、傳送方面體現(xiàn)出更大的優(yōu)勢，具有很好的應(yīng)用前景[18,19]。目前，緩/控釋技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的研究已成為熱點。

2 緩/控釋農(nóng)藥的研究及應(yīng)用進展

農(nóng)藥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重要的物資，隨著緩/控釋研究的不斷深入，緩/控釋農(nóng)藥的研究得到快速發(fā)展。搜索Web of Science數(shù)據(jù)庫2012年至2021年共10年間關(guān)于緩/控釋農(nóng)藥的關(guān)鍵詞“緩/控釋農(nóng)藥”“slow release pesticides”“controlled release pesticides”和“sustainable release pesticides”，得到數(shù)千篇論文，見圖1。由此可見，緩/控釋技術(shù)在農(nóng)藥領(lǐng)域的研究日益受到重視，其發(fā)展勢頭方興未艾。

2.1 緩/控釋農(nóng)藥的種類及其制作方法

根據(jù)農(nóng)藥和載體的結(jié)合方式，緩/控釋農(nóng)藥主要有以下3類[20-27]：

圖2 海藻酸鈣/凹凸棒石/毒死蜱復(fù)合材料的制備示意圖[28]

(1)均質(zhì)型。將農(nóng)藥活性成分均勻分散在高分子聚合物載體中，制成微球或凝膠。農(nóng)藥分子在釋放過程中，由于傳質(zhì)阻力的存在而達到緩釋的效果。例如，Xiang[28]等人利用多巴胺改性的凹凸棒石吸附毒死蜱，后通過海藻酸鈉與氯化鈣的交聯(lián)反應(yīng)將凹凸棒石嵌入海藻酸鈣網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，制備得到海藻酸鈣/凹凸棒石/毒死蜱復(fù)合材料(圖2)。

圖3 咪鮮胺微膠囊的制備示意圖[29]

(2)包埋型。借助高分子膜或化學作用力將農(nóng)藥分子封閉在核殼結(jié)構(gòu)內(nèi)，得到微膠囊。通過孔徑大小、農(nóng)藥分子和球殼之間的范德華力、氫鍵以及其他化學鍵的作用力等調(diào)控農(nóng)藥的釋放速率。Zhang[29]等人以十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)為模板劑、正硅酸四乙酯(TEOS)為硅源，采用原位包覆法合成了二氧化硅咪鮮胺微膠囊。向咪鮮胺的乙酸乙酯溶液與CTAB形成的微乳液中，加入TEOS，TEOS以CTAB為模板沿著兩相界面生長。用(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷(APTES)、海藻酸鈉先后包封載藥的二氧化硅微膠囊后，再利用海藻酸鹽層結(jié)合Cu，Mg，Ca，Zn及Fe等元素，最終制備得到咪鮮胺微膠囊(圖3)。

圖4 蠶沙多孔炭的制備及負載噻蟲嗪示意圖[30]

(3)吸附型。吸附型的基質(zhì)多選取疏松多孔、比表面積大、孔容量高的材料，如二氧化硅、膨潤土、多孔炭等，農(nóng)藥分子通過吸附作用進入基質(zhì)的孔內(nèi)，憑借自身基團和小孔表面的裸露基團通過化學鍵、氫鍵或范德華力相結(jié)合?；|(zhì)孔徑、比表面積和修飾小孔表面基團等因素控制負載農(nóng)藥緩釋的速率[24]。Wei等人[30]以蠶沙為原料，通過高溫與KOH的活化作用制備了含有路易斯酸金屬離子蠶沙多孔炭，該多孔材料能緩釋噻蟲嗪，最長時間可達40天(圖4)。

2.2 緩/控釋農(nóng)藥的研究與應(yīng)用

2.2.1 微膠囊緩釋農(nóng)藥 微膠囊組分可調(diào)可控，形態(tài)均勻，其微納米級顆粒具有良好的載藥性能和載藥效率，物理化學性質(zhì)穩(wěn)定，持續(xù)釋放性能好。微乳液法或反向微乳液法，以及高分子水凝膠法用于制備核殼型的緩/控釋系統(tǒng)。Tang[31]等人合成了多孔卟啉MOFs納米顆粒，負載戊唑醇后用果膠和殼聚糖進行逐層組裝，獲得微膠囊，對戊唑醇的負載效率約為30%(質(zhì)量分數(shù))。該微膠囊具備pH和酶雙重響應(yīng)性，可通過調(diào)節(jié)pH值和酶的濃度來調(diào)節(jié)釋放速率。在實驗中，微膠囊表現(xiàn)出對黃單胞菌、丁香假單胞菌優(yōu)異的雙重活性，它們對植物的安全性也較高。Liu等人[32]制備的氯蟲苯甲酰胺微膠囊制劑不僅具有良好的光和熱穩(wěn)定性，還表現(xiàn)出優(yōu)良的緩釋能力，緩釋時間、速率可以通過多孔微膠囊的表面孔隙率和尺寸來調(diào)節(jié)，進一步的生物測定研究表明，多孔微膠囊制劑對小菜蛾的防治效果優(yōu)于傳統(tǒng)工業(yè)制劑。

2.2.2 微球緩釋農(nóng)藥 活性物質(zhì)農(nóng)藥與其他高分子和礦物質(zhì)形成均質(zhì)微球，活性物質(zhì)在一定條件下通過傳質(zhì)阻力來達到緩釋的效果。 Xiang等人[33]以生物炭、海藻酸鈉為原料，龍膽紫為農(nóng)藥模型，開發(fā)了生物炭基水凝膠微球。增大環(huán)境pH值和離子強度可以增加微球的釋藥速率，當pH為7時，微球的累計釋放率可達95%，具有良好的控釋性能。微球在模擬土壤柱中釋放的龍膽紫主要分布在表層，可以降低農(nóng)藥的浸出損失與淋溶遷移，從而減小了經(jīng)濟成本和農(nóng)藥對環(huán)境的破壞。在生物實驗中微球的載體對細胞增殖和斑馬魚胚胎的毒性作用較小，具有良好的生物安全性和潛在應(yīng)用前景。該材料具備良好的控制農(nóng)藥釋放能力，同時能減少農(nóng)藥淋失、提高農(nóng)藥利用效率，且成本低，具有潛在的應(yīng)用價值。Li等[34]用木質(zhì)素磺酸鈉和十六烷基三甲基溴化銨制備了一種新型的均勻木質(zhì)素基微球，用于包封光敏性的農(nóng)藥阿維菌素，緩釋研究結(jié)果顯示阿維菌素@十六烷基三甲基溴化銨-木質(zhì)素磺酸鈉微球的封裝效率高達70.82%，微球中阿維菌素可釋放70 h，累積釋放量為50%。

2.2.3 均質(zhì)復(fù)合物緩釋農(nóng)藥 除了微球，其它形態(tài)的均質(zhì)復(fù)合物也具有一定的緩釋功能，這類緩/控釋農(nóng)藥是利用多孔材料作為載體負載農(nóng)藥形成復(fù)合物，該復(fù)合物在一定條件下可以釋放農(nóng)藥。He等人[35]用海藻酸鈉、蒙脫石和聚丙烯酰胺制備了復(fù)合凝膠。利用蒙脫石的吸附能力和凝膠的特性，不僅提高了對農(nóng)藥的負載能力，還提高了水凝膠的緩釋性能。當蒙脫石添加量為5.0%時，體系的啶蟲脒負載率可以達到13.3%，最小農(nóng)藥釋放率為76.1%。Wilpiszewska等人[36]利用蒙脫石與新型羧甲基淀粉的混合物制備緩釋顆粒，Al3+為交聯(lián)劑，對除草劑異丙隆包封率為75%，緩釋時長700 h，累計釋放率約為95%，異丙隆原藥在24 h內(nèi)釋放量為95%。復(fù)合緩釋顆粒不僅能在水中降低異丙隆的釋放率，還能降低土壤環(huán)境中異丙隆的流失，經(jīng)過8次淋溶后異丙隆釋放量不超過10%。該復(fù)合體系可以減少除草劑的潛在淋溶風險。

2.2.4 納米農(nóng)藥 與其他材料相比較，納米材料具有巨大的比表面積，使得其具有較大的吸附能力。Sun等[37]以疊氮基苯甲醛和羧甲基殼聚糖為原料合成兩親共聚物，制備殼交聯(lián)滅多威納米膠囊，實驗室的殺蟲活性試驗表明，滅多威納米膠囊對粘蟲幼蟲的防治效果明顯優(yōu)于原始幼蟲，相對控制效力在7天內(nèi)仍保持100%。Patel等[38]采用海藻酸鈣納米載體負載氯氰菊酯，研究表明，氯氰菊酯在藻酸鈣納米載體中的包封率約為95%，氯氰菊酯負載達到78%，材料未發(fā)生化學變形且具有較好的緩釋作用。而Wang等[39]利用海藻酸鈉、聚丙烯酰胺和蒙脫石的疏水衍生物構(gòu)建了幾種可拉伸的雙網(wǎng)絡(luò)納米復(fù)合水凝膠，并研究了負載1-氯氰菊酯后的緩釋特性。結(jié)果表明，添加海藻酸鈉和蒙脫石可顯著提高水凝膠的拉伸性能、農(nóng)藥負載效率和持續(xù)釋放性能；當蒙脫石含量為5%時，復(fù)合材料在87 h內(nèi)最低的累積釋放量為6.68%。

2.2.5 環(huán)境響應(yīng)的控釋農(nóng)藥 活性物質(zhì)被載體負載后，當“環(huán)境開關(guān)”(如環(huán)境pH、溫度、光熱、活性酶等)被外界的變化啟動時，活性物質(zhì)隨之釋放，這種農(nóng)藥稱為控釋農(nóng)藥。Dong等[40]用模板法合成了多孔炭納米粒子并在超聲波下用濃H2SO4和HNO3進行氧化得到羧化改性的多孔炭，用得到的羧基化多孔炭納米粒子吸附除草劑百草枯，然后用殼聚糖包封，制備了一種pH與溫度協(xié)同響應(yīng)的百草枯控釋制劑。羧基化的多孔炭具有富電子作用，與缺電子的百草枯分子間存在很強的π-π作用，可以抑制酸性環(huán)境下百草枯的釋放，而殼聚糖作為外層包覆可以阻止百草枯堿性條件下的釋放。π-π作用在高溫下才會減弱，在田間通過太陽光照百草枯才會開始釋放。這種pH與溫度協(xié)同響應(yīng)的百草枯控釋制劑，很好地解決了人體攝入劇毒的百草枯后被胃腸道吸收的問題，有效降低了百草枯的田間暴露風險。Ye等[41]合成了對光不穩(wěn)定的2-硝基芐基側(cè)基的兩親性羧甲基殼聚糖共軛物(NBS-CMCS)，在沒有光的情況下無法檢測到包封中敵草隆的釋放；當有太陽能照射時，在pH7.0緩沖液下敵草隆在8 h內(nèi)的釋放量高達96.8%。Xiao等[42]以納米原纖化纖維素、異佛爾酮二異氰酸酯、正十六烷為原料，通過界面聚合法制備了負載毒死蜱的微膠囊控釋系統(tǒng)。該復(fù)合物不僅具有較高的負載率(33.1%)及葉面附著力，還具有良好的溫度響應(yīng)性。體系中正十六烷在高溫下熔化并流動，會破壞共聚物結(jié)構(gòu)，加快毒死蜱釋放速率。毒死蜱的釋放速率與溫度呈正相關(guān)，在15 ℃和35 ℃下的24 h釋放率分別為36.4%和85.2%，高溫下24 h累計釋放率增加1.3倍。該體系有防治小菜蛾這一類低溫下生長緩慢，高溫下快速繁殖的害蟲的巨大潛力。Chen等人[43]以多孔炭、凹凸棒土為載體，氨基硅油為涂層，開發(fā)了一種光響應(yīng)控釋除草劑顆粒。草甘膦、偶氮苯被包覆在復(fù)合載體中，自然光的照射會使偶氮苯分子在順式、反式異構(gòu)體之間轉(zhuǎn)化，此過程中產(chǎn)生的動力促使草甘膦通過納米孔向外部釋放。除了優(yōu)良的光響應(yīng)性能，氨基硅油涂層的黏性也提高了復(fù)合材料在葉片上的附著能力，有利于延長藥物作用的時間。

除了單一的控釋因素外，有些控釋農(nóng)藥受多種外界因素影響。Chen等[44]通過共縮合法制備水楊醛改性的中孔二氧化硅(SA-MCM-41)，通過銅離子的橋接效應(yīng)，毒死蜱被負載在銅席夫堿介孔二氧化硅(Cu-MCM-41)上，形成高效的農(nóng)藥緩釋系統(tǒng)(CH-Cu-MCM-41)，實驗結(jié)果表明，銅離子濃度越大，Cu-MCM-41對毒死蜱的吸附容量越大，釋放速率越小；在pH≤7的條件下，毒死蜱的釋放速率隨pH值的升高而降低，而弱堿條件下的釋放速率略高于弱酸條件下的釋放速率。

2.3 不同類型緩/控釋農(nóng)藥的特點

緩/控釋農(nóng)藥的制備方法種類繁多，源自于其載體和藥劑本身的特點，表1總結(jié)了均質(zhì)型、包埋型、吸附型等不同類型緩/控釋農(nóng)藥的特點?？梢园l(fā)現(xiàn)，不同類型的緩/控釋農(nóng)藥載體載藥量不同，但是它們之間沒有規(guī)律可循，這主要跟載體和農(nóng)藥本身的性質(zhì)有關(guān)。緩/控釋農(nóng)藥的釋放時長除了與載體及農(nóng)藥的本性有關(guān)外，還與緩釋介質(zhì)的環(huán)境因素有關(guān)，如酸堿性、光的性質(zhì)等，尤其是酸響應(yīng)、光響應(yīng)的緩/控釋農(nóng)藥。

表1 不同類型緩/控釋材料的載藥量和緩釋效果[28-44]

因此，在創(chuàng)制具有緩/控釋性能的農(nóng)藥時，需要根據(jù)農(nóng)藥、載體的性質(zhì)、藥物持續(xù)作用時間以及病蟲害等發(fā)病條件選擇合適的類型進行創(chuàng)制，以期達到良好的預(yù)期防控效果。

3 問題與展望

緩/控釋技術(shù)最早出現(xiàn)在醫(yī)藥領(lǐng)域并被商業(yè)化應(yīng)用，其制備技術(shù)和工藝較為成熟。由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的特殊性，與醫(yī)藥領(lǐng)域的研究與應(yīng)用相比，緩/控釋技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用還存在一些亟待解決的瓶頸問題：產(chǎn)品開發(fā)成本高、推廣難、易產(chǎn)生二次污染、實際環(huán)境影響因素多。

與當前廣泛使用的傳統(tǒng)農(nóng)藥相比，緩/控釋農(nóng)藥的制備成本更高，增加了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者的成本負擔，導(dǎo)致其在農(nóng)業(yè)上的推廣和市場化嚴重受阻。當前需要尋找廉價、高性能的載體材料，以降低緩控/釋農(nóng)藥的成本。在降低成本的同時，也要考慮載體材料的二次污染。有的緩/控釋農(nóng)藥使用生物炭做載體，生物炭在土壤中產(chǎn)生多環(huán)芳烴是不可避免的[45]，農(nóng)作物吸收上述物質(zhì)會導(dǎo)致食用者致癌風險大大增加。包埋法制備緩/控釋材料通常采用有機高分子材料作為外層包膜，大量高分子材料殘留在土壤中短時間內(nèi)難降解，會導(dǎo)致“白色污染”。因此，需要開發(fā)無毒或低毒、可降解的低成本載體材料。

目前，緩/控釋農(nóng)藥的研究和試驗大都在實驗室條件下模擬完成，而在實際應(yīng)用中，土壤的溫度、濕度、pH值、土壤微生物和植物的種植等因素均能影響緩/控釋材料的功效。因此，未來在研制緩/控釋載體材料時，應(yīng)設(shè)計更加智能的、具有環(huán)境響應(yīng)性的緩/控釋農(nóng)藥，能夠針對不同的環(huán)境，自發(fā)調(diào)整釋放性能。

根據(jù)當前文獻資料報道，真正能夠從實驗室轉(zhuǎn)化為商業(yè)化產(chǎn)品的緩/控釋農(nóng)藥很少，其原因是基于上述實際應(yīng)用中的問題，導(dǎo)致產(chǎn)品成本高昂，無法為分散的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者接受。隨著人們生活水平的逐漸提高，以及我國集約化、機械化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的擴大，緩/控釋農(nóng)藥的市場和需求會逐步擴大，前景更加廣闊，可為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)帶來顯著的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。