吳 飛
池州學(xué)院材料與環(huán)境工程學(xué)院,安徽 池州 247000
納米技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用備受關(guān)注。其中,納米農(nóng)藥作為納米技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的代表應(yīng)用之一,具有精確控制和釋放、提高生物活性、多功能性、環(huán)境友好性等優(yōu)勢。2022 年1 月,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部等八部門聯(lián)合印發(fā)《“十四五”全國農(nóng)藥產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》,倡導(dǎo)納米技術(shù)在農(nóng)藥劑型上的創(chuàng)新應(yīng)用,鼓勵企業(yè)充分利用新工藝、新技術(shù),大力發(fā)展水基化、納米化、超低容量、緩釋等制劑,適應(yīng)大中型施藥器械和多元化用藥需求。根據(jù)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃可以看出,未來納米技術(shù)在病蟲害防治中的應(yīng)用將推動納米農(nóng)藥的應(yīng)用和研究,為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供更有效、可持續(xù)和環(huán)保的解決方案。但就目前而言,納米農(nóng)藥產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用較少,且農(nóng)民對納米農(nóng)藥也存在認(rèn)知不足問題。因此,筆者對納米農(nóng)藥的相關(guān)理論、特點(diǎn),以及優(yōu)勢和不足等進(jìn)行總結(jié),就其在病蟲害防治領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行重點(diǎn)分析,同時根據(jù)當(dāng)前發(fā)展現(xiàn)狀對其未來發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)測,以期能為納米農(nóng)藥在病蟲害防治中推廣和應(yīng)用提供理論支持[1]。
納米農(nóng)藥是利用納米技術(shù)制備的農(nóng)藥產(chǎn)品。納米農(nóng)藥的定義主要包括納米尺度和農(nóng)藥性質(zhì)兩個方面。第一,納米農(nóng)藥的關(guān)鍵特征是其顆粒粒徑處于納米級別,通常在1~100 nm。相比傳統(tǒng)農(nóng)藥,納米農(nóng)藥的顆粒粒徑更小,具有更大的比表面積。第二,納米農(nóng)藥可以是納米顆粒形式的農(nóng)藥活性成分,也可以是通過納米技術(shù)改性的傳統(tǒng)農(nóng)藥。納米農(nóng)藥的制備過程通常涉及將農(nóng)藥活性成分包裹或吸附在納米載體上,以增強(qiáng)其穩(wěn)定性、溶解性、滲透性等特性。納米農(nóng)藥的納米級顆粒和特殊的物理化學(xué)性質(zhì)賦予了其較多優(yōu)勢,如較強(qiáng)的吸附性和滲透性、較好的靶向性、控制釋放性能等。
根據(jù)納米農(nóng)藥微粒的形態(tài)結(jié)構(gòu)和粒徑的不同,可將其分為微乳劑、納米乳劑、納米分散劑3 種制劑。此外,通過納米材料吸附、偶聯(lián)、包裹農(nóng)藥,構(gòu)建納米載藥體系,并根據(jù)載體化學(xué)性質(zhì)的不同可將其分為聚合物類制劑、脂質(zhì)體納米制劑、二氧化硅納米制劑等。不同的制備方法和分散體系會影響納米農(nóng)藥顆粒的粒徑,不同納米農(nóng)藥制劑其有效成分微粒的形態(tài)結(jié)構(gòu)及粒徑如圖1所示[2]。
圖1 不同納米農(nóng)藥有效成分微粒的形態(tài)及粒徑
納米農(nóng)藥的發(fā)展歷程可以追溯到20 世紀(jì)90 年代初。進(jìn)入21 世紀(jì)后,美國、日本等國家相繼開始了納米農(nóng)藥的相關(guān)研究,創(chuàng)制了新型農(nóng)藥制劑。我國的納米農(nóng)藥研究起步相對較晚,自2006 年才開始。2014年,納米農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的國家重大科學(xué)研究計劃項(xiàng)目啟動,經(jīng)過十余年的科研攻關(guān),我國逐漸建立了具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的納米農(nóng)藥核心制備技術(shù)體系,同時一些納米農(nóng)藥產(chǎn)品開始進(jìn)入市場,如納米硅藻土、納米氧化鋅等,并在病蟲害防治中展示出一定的效果,引起了農(nóng)業(yè)界和農(nóng)藥行業(yè)的關(guān)注。但總體來說,我國納米農(nóng)藥的研究和應(yīng)用仍處于初級發(fā)展階段,集中在納米載體的制備和應(yīng)用領(lǐng)域的探索。
近年來,我國已先后在19 個省(自治區(qū)、直轄市)170 多個縣(市、區(qū)),針對水稻、小麥、玉米、柑橘等17種作物的20 種防治對象開展了納米農(nóng)藥試驗(yàn)示范應(yīng)可,且河南省、江蘇省、黑龍江省等地的農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣部門均對納米農(nóng)藥相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行了技術(shù)推廣與示范應(yīng)用。以江蘇省為例,當(dāng)?shù)赝茝V示范納米農(nóng)藥減量增效復(fù)配技術(shù),可有效解決傳統(tǒng)農(nóng)藥劑型不穩(wěn)定的問題。納米農(nóng)藥減量增效復(fù)配技術(shù)通過增大農(nóng)藥微粒數(shù)量和表面積,擴(kuò)大與防治靶標(biāo)的接觸面,顯著提高了農(nóng)藥分子的遞送效率與滲透性;通過精準(zhǔn)用藥方案,病蟲害防治所需的多種農(nóng)藥得到了科學(xué)精準(zhǔn)混配,從而達(dá)到提高農(nóng)藥藥效、減量控害的目的。與傳統(tǒng)農(nóng)藥相比,在保證防治效果的情況下,納米農(nóng)藥使用量可有效減少20%[3-4]。
納米農(nóng)藥的應(yīng)用優(yōu)勢主要有增強(qiáng)傳輸效果、提高作用靶向性、增強(qiáng)持效性和降低環(huán)境污染風(fēng)險。第一,納米技術(shù)能夠改善農(nóng)藥在水中的溶解度和分散性,提高農(nóng)藥應(yīng)用效果。第二,通過調(diào)控納米顆粒的特性,可使納米農(nóng)藥更精確地靶向應(yīng)用于目標(biāo)害蟲,減少農(nóng)藥的使用量和對非目標(biāo)生物的影響。第三,用納米顆粒作為載體可有效延長農(nóng)藥釋放時間,減少了農(nóng)藥使用頻次,降低了環(huán)境污染的風(fēng)險。然而,納米農(nóng)藥也存在一些不足。第一,納米農(nóng)藥的安全性和環(huán)境影響尚未完全了解,需要進(jìn)一步開展安全評估和監(jiān)測研究。第二,制備納米農(nóng)藥的過程相對復(fù)雜,并且需要昂貴的設(shè)備,限制了其大規(guī)模應(yīng)用。第三,納米顆粒的穩(wěn)定性和釋放控制面臨挑戰(zhàn),需要解決納米顆粒在環(huán)境中的聚集和沉積問題,以保證農(nóng)藥的作用效果。因此,在納米農(nóng)藥的開發(fā)和應(yīng)用過程中,研發(fā)人員需要綜合考慮其應(yīng)用優(yōu)勢和不足,并遵循安全環(huán)保原則進(jìn)行設(shè)計和監(jiān)管。
納米農(nóng)藥可作為殺蟲劑用于控制各種害蟲。例如,納米硅有尖銳的邊緣和較大的比表面積,能夠刺破害蟲皮膚,導(dǎo)致害蟲脫水死亡。納米氧化鋅可通過與害蟲體內(nèi)的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng),對其產(chǎn)生毒性作用。此外,納米多肽可將生物活性多肽納米化,使其具有更好的穩(wěn)定性和抗性。納米酶可提高酶催化效率和穩(wěn)定性,實(shí)現(xiàn)對害蟲生理代謝的干擾或抑制[5-6]。
納米農(nóng)藥可作為殺菌劑用于控制病原菌的生長和繁殖。例如,納米氧化鋅、納米銀等具有優(yōu)異的抗菌活性,可以破壞病原菌的細(xì)胞結(jié)構(gòu)和代謝功能,從而殺死病原菌。納米農(nóng)藥的小粒徑和高比表面積使其能更好地與病原菌接觸,增強(qiáng)抗菌效果。此外,納米材料可通過釋放活性氧、抑制酶活性等方式抑制病原菌的生長和繁殖[6]。
納米農(nóng)藥還可作為植物生長調(diào)節(jié)劑,對植物的生長和發(fā)育產(chǎn)生影響。納米材料可通過改變植物的新陳代謝、調(diào)節(jié)植物激素平衡等方式,促進(jìn)植物生長和增強(qiáng)抗逆能力。例如,納米二氧化硅可以提高植物的抗逆性,增強(qiáng)植物對病蟲害的抵抗能力。此外,納米材料可通過調(diào)節(jié)植物根系的吸收和利用營養(yǎng)物質(zhì)的能力,提高植物的養(yǎng)分利用效率。
納米材料還可作為傳遞載體,將其他農(nóng)藥或生物農(nóng)藥輸送至目標(biāo)組織或靶標(biāo)生物體內(nèi),實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥的靶向輸送和控制釋放,提高農(nóng)藥的利用效率和效果。例如,納米載體可將微量的農(nóng)藥有效地輸送至植物的根系、葉片等部位,提高農(nóng)藥的吸收和利用率,減少農(nóng)藥的流失和環(huán)境污染。例如,納米微膠囊、納米包被等可將農(nóng)藥包裹在納米膠囊中,實(shí)現(xiàn)對農(nóng)藥的控制釋放,延長其持久性和穩(wěn)定性,提高防治效果。
盡管我國學(xué)者針對納米農(nóng)藥已經(jīng)取得了一定的研究和應(yīng)用進(jìn)展,但在相關(guān)技術(shù)、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用及產(chǎn)學(xué)研結(jié)合層面仍有較大發(fā)展空間[7-9]。
5.1.1 制備技術(shù)的發(fā)展
隨著納米技術(shù)的不斷發(fā)展,納米農(nóng)藥的制備技術(shù)將不斷改進(jìn)。新的材料合成方法、納米粒子整形和修飾技術(shù)等將被應(yīng)用于納米農(nóng)藥的制備中,以提高農(nóng)藥的效果和性能。例如,近年來,無機(jī)納米材料和有機(jī)納米載體的合成和改進(jìn)使得納米農(nóng)藥的穩(wěn)定性、溶解度和生物利用度得到大幅提高。
5.1.2 共生技術(shù)的發(fā)展
共生技術(shù)是將不同功能的納米粒子組裝在一起,形成具有多重功能的納米材料。未來的納米農(nóng)藥將擁有多種功能,如殺蟲、殺菌、促進(jìn)生長等,通過特定的制備方法和控制釋放機(jī)制實(shí)現(xiàn)某種功能的激活。如此,納米農(nóng)藥可提供更全面的病蟲害防治效果,減少農(nóng)藥的使用量和頻次。
5.1.3 智能釋放技術(shù)的發(fā)展
智能釋放技術(shù)是指通過控制納米農(nóng)藥的釋放速率和釋放方式,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的病蟲害控制。深入研究和應(yīng)用納米農(nóng)藥的智能釋放技術(shù),可提升病蟲害防治效果和減少農(nóng)藥的使用量。例如,通過調(diào)節(jié)pH值、溫度、濕度等環(huán)境因子,可實(shí)現(xiàn)納米農(nóng)藥自適應(yīng)釋放,達(dá)到更好的控制效果。同時,科技工作者未來將致力于提高納米農(nóng)藥對特定病害或害蟲的識別和吸附能力,實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的防治效果,減小對非目標(biāo)生物的影響。
隨著全球人口的增加和對食品安全的關(guān)注度提高,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨更大的壓力,納米農(nóng)藥作為一種高效、環(huán)保的農(nóng)藥形式,有望得到廣泛應(yīng)用。未來,納米農(nóng)藥市場的發(fā)展不僅限于單一國家或地區(qū),而是具有全球性的潛力。綜合考慮技術(shù)和管理政策要素,集成低成本、可復(fù)制、可推廣的示范推廣模式是不同國家和地區(qū)的農(nóng)業(yè)都將面臨的挑戰(zhàn),其對納米農(nóng)藥的需求相對一致。因此,納米農(nóng)藥企業(yè)有機(jī)會在國際市場上擴(kuò)大業(yè)務(wù)。由于納米農(nóng)藥屬于新興領(lǐng)域,因此政策引導(dǎo)和標(biāo)準(zhǔn)制定起到重要的作用。相關(guān)機(jī)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行政策引導(dǎo),制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī),以確保納米農(nóng)藥的安全性、環(huán)境友好性及市場準(zhǔn)入要求。
未來,產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?;a(chǎn)將成為納米農(nóng)藥研發(fā)和應(yīng)用的重要趨勢。尤其是隨著生產(chǎn)技術(shù)的成熟和經(jīng)驗(yàn)的積累,納米農(nóng)藥的功能將更加穩(wěn)定和高效,從而滿足市場的需求。此外,將會有更多的產(chǎn)學(xué)研合作項(xiàng)目,以共同攻克納米農(nóng)藥在制備、應(yīng)用和安全性等方面的挑戰(zhàn),并不斷探索新的應(yīng)用領(lǐng)域。除了傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域外,納米農(nóng)藥還有可能在農(nóng)田灌溉、種子處理和食品包裝等領(lǐng)域發(fā)揮作用,為納米農(nóng)藥的市場開拓提供新的機(jī)遇。值得一提的是,納米農(nóng)藥的安全性和環(huán)境友好性是產(chǎn)學(xué)研合作中的重要議題。未來,人們將會更加重視納米農(nóng)藥的安全性評估和環(huán)境風(fēng)險評估,以確保納米農(nóng)藥的可持續(xù)和安全應(yīng)用。
納米農(nóng)藥在病原微生物和害蟲防治方面具有很大的應(yīng)用潛力,可以提高防治效果、減少農(nóng)藥使用量、改善環(huán)境友好性,并提高農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量和安全性。在未來的發(fā)展中,有望實(shí)現(xiàn)制備技術(shù)的改進(jìn)、多功能納米農(nóng)藥的研發(fā)、智能釋放技術(shù)的應(yīng)用和生物傳感與監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展。同時,產(chǎn)學(xué)研合作將在納米農(nóng)藥的研發(fā)和推廣中發(fā)揮重要作用。通過政策引導(dǎo)、標(biāo)準(zhǔn)制定和深度合作,納米農(nóng)藥有望在產(chǎn)業(yè)化與規(guī)?;a(chǎn)、探索新的應(yīng)用領(lǐng)域及安全性與環(huán)境友好性的研究與評估方面取得更大的突破。