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        微囊懸浮劑在植物源農(nóng)藥上的應(yīng)用研究進展

        2023-04-12 00:00:00匡鴻媛羅思荃張濤金晨鐘李靜波
        南方農(nóng)業(yè)·上旬 2023年11期

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        收稿日期:2023-05-03

        基金項目:湖南省教育廳一般項目“安全高效除草精油微囊懸浮劑制備研究與活性測定”(CX20221254);廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)大學校級科研項目“農(nóng)藥微囊懸浮劑研究進展及其在植物源農(nóng)藥上的應(yīng)用”(XKJ2305)。

        作者簡介:匡鴻媛(1998—),女,湖南婁底人,碩士,主要從事植物源除草劑研究。E-mail:761546963@qq.com。

        *為通信作者,E-mail:124295026@qq.com。

        匡鴻媛,羅思荃,張濤,等.微囊懸浮劑在植物源農(nóng)藥上的應(yīng)用研究進展[J].南方農(nóng)業(yè),2023,17(21):112-116.

        摘 要 植物源農(nóng)藥是當前農(nóng)藥的研究熱點。植物源農(nóng)藥的環(huán)保增效劑型研發(fā)是推動植物源農(nóng)藥應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)。介紹了微囊懸浮劑的制備方法和囊壁材料,綜述了微囊懸浮劑在植物源殺蟲劑、植物源殺菌劑、植物源除草劑等方面的研究進展,并對我國植物源農(nóng)藥微囊懸浮劑的長遠發(fā)展做出了展望。

        關(guān)鍵詞 植物源農(nóng)藥;微囊懸浮劑;殺蟲劑;殺菌劑;除草劑

        中圖分類號:S482.1 文獻標志碼:A DOI:10.19415/j.cnki.1673-890x.2023.21.028

        21世紀以來,“綠水青山就是金山銀山”的理念已經(jīng)深入到了各行各業(yè),推動綠色發(fā)展,促進人與自然和諧共生已成為了時代主題。近些年人們對環(huán)境問題越來越重視,天然、無污染的觀念深入到了各個領(lǐng)域,深入推進污染防治已迫在眉睫。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域,建設(shè)美麗中國的需要使得人們更加青睞環(huán)保型農(nóng)藥。中國地大物博,自然資源豐富。其中,植物源農(nóng)藥引起了研究者們的廣泛關(guān)注,并且在植物源資源、活性成分的研究等方面取得了一定的成果[1]。此外,在農(nóng)藥劑型上,研究者也將目光投向了新劑型微囊懸浮劑的合成和改良開發(fā)等方向。微囊懸浮劑是一種高效率的環(huán)保劑型,國內(nèi)外已經(jīng)有大量工作對其進行了相關(guān)的研究,并取得了一定的成果。通過將微囊懸浮劑新劑型運用到植物源農(nóng)藥上,能夠?qū)崿F(xiàn)兩者的協(xié)同,開發(fā)出高效的環(huán)保型新型農(nóng)藥。因此,本文擬對這些年關(guān)于植物源農(nóng)藥微囊懸浮劑的研究進行總結(jié),并對未來的發(fā)展方向提出展望,旨在促進植物源農(nóng)藥微囊懸浮劑的產(chǎn)業(yè)化,推動農(nóng)業(yè)的長足發(fā)展。

        1" 微囊懸浮劑概述

        微囊懸浮劑是一種利用各種高分子材料將農(nóng)藥活性物質(zhì)包裹起來的微小囊狀制劑,用來包裹的成囊材料稱為壁材,而被包裹起來的活性物質(zhì)稱為芯材[2]。相比于國外,中國對于微囊懸浮劑的研究起步較晚。經(jīng)過努力,近年來科研工作者取得了一定的成果,目前在中國農(nóng)藥信息網(wǎng)上登記的微囊懸浮劑產(chǎn)品已超過200種[3]。盡管微囊懸浮劑與其他農(nóng)藥劑型相比,生產(chǎn)成本及生產(chǎn)技術(shù)要求較高,但微囊懸浮劑因具有保護有效成分不分解、提高農(nóng)藥持效期、對環(huán)境污染較小的優(yōu)點而備受研究者青睞。

        1.1" 制備方法

        微囊懸浮劑的制備方法有幾百種,目前在農(nóng)藥領(lǐng)域運用較多的有原位聚合法、復(fù)凝聚法、界面聚合法、噴霧干燥法等[4]。此外,納米技術(shù)這種新的制備方法也得到了迅速的發(fā)展。

        原位聚合法屬于化學法,是指兩種及以上的水溶性物質(zhì)通過聚合反應(yīng)生成不溶于水的高分子壁材。它要求壁材能溶于水,而反應(yīng)后的產(chǎn)物不得溶于水中。常洋輝等利用原位聚合法以十四烷為芯材,脲醛樹脂為壁材,促進了相變材料微膠囊的成核結(jié)晶,從而提高了壁材的熱穩(wěn)定性[5]。同樣的,劉歡歡通過原位聚合法以蜜胺樹脂為壁材,以異丙草胺為囊心,實現(xiàn)了微囊懸浮劑的高熱穩(wěn)定性,有效延長了異丙草胺的持效性,減少了農(nóng)藥的施藥次數(shù)[6]。此外,李靜采用此法以脲醛樹脂為囊壁材料制備了阿維菌素微囊懸浮劑,該農(nóng)藥產(chǎn)品的包封率達到了90%以上[7]。趙燕杰制備的1.2%印楝素微囊懸浮劑也表明脲醛樹脂的高效包覆性能具有普適性[8]。

        復(fù)凝聚法屬于物理化學法,是指以兩種及以上帶正負電荷的高分子材料作為復(fù)合囊壁材料,在與芯材混合后,通過調(diào)節(jié)pH值,使囊壁材料相互交聯(lián),從而將芯材包裹進去。此方法使用的壁材大部分屬于天然高分子材料。例如,韓保國以阿維菌素為芯材,設(shè)計出了具有安全、綠色環(huán)保性的微囊懸浮劑,降低了對環(huán)境的污染[9]。涂錫茂則利用復(fù)凝聚法以明膠和阿拉伯膠作為囊壁材料,甲基嘧啶磷為芯材,制備了具有高效率的甲基嘧啶磷微膠囊懸浮劑[10]。同樣的,楊一也以明膠和阿拉伯膠作為復(fù)合囊壁材料,使用薄荷油為芯材,成功合成了薄荷油微膠囊懸浮劑,實現(xiàn)了高效的緩釋性能[11]。

        界面聚合法是一種比較新穎的化學法,操作簡單、方便。囊壁成膜反應(yīng)發(fā)生在互不相溶的兩個分散系兩相界面上,在常溫條件下就可以發(fā)生,但囊壁材料易老化,可能導致有效成分不夠穩(wěn)定。羅波等利用此法,以天然除蟲素為芯材,聚脲、聚酯等作為壁材,制備了微囊懸浮劑,延長了藥物的持效期,解決了天然除蟲菊素遇光的不穩(wěn)定性問題[12]。焦永康等將芯材與壁材比例設(shè)置為5∶1,以玉米油為懸浮介質(zhì),成功制備出了可明顯延長對棉蚜的高效防治效果的微囊懸浮劑[13]。王仁飛等也通過聚脲為囊壁合成了9%吡唑醚菌酯微囊懸浮劑,在最優(yōu)參數(shù)下,所得到的微囊表面光滑,形態(tài)飽滿,包封率達到了90%以上[14]。魯陳琳等采用界面聚合法制備了嘧菌酯微囊懸浮劑,研究了囊芯溶劑、乳化劑等對微囊的影響,并且實驗發(fā)現(xiàn)微囊懸浮劑對水稻紋枯病的持效性高于懸浮劑和水分散粒劑,速效性則相當,展現(xiàn)了微囊懸浮劑型的優(yōu)越性[15]。

        噴霧干燥法是把芯材在囊壁材料的溶液中分散,制備成乳濁液,接著放入噴霧干燥機中進行霧化,在高溫氣流的作用下使壁材固化,最終形成微囊懸浮劑。王雨等利用此法,減少了蝦青素的降解速度,提高了蝦青素的穩(wěn)定性[16]。孫曉明等采用噴霧干燥法,以阿拉伯膠、麥芽糊精和大豆分離蛋白作為壁材,成功合成了生姜精油微囊懸浮劑[17]。但由于噴霧溫度高,芯材損耗比較高,從而包埋率相對較低。

        納米技術(shù)是一種新的制備技術(shù),目前還處于大力開發(fā)研究中,納米微膠囊與普通的微囊懸浮劑相比,具有粒徑小、穩(wěn)定性強等優(yōu)點,其核心是保持壁材與芯材之間的穩(wěn)定,在特定情況下能達到有效的釋放效果。利用納米顆粒的表面效應(yīng),可以為農(nóng)藥進入植物內(nèi)部提供新路徑。程小苗等制備了氯氰菊酯納米膠囊,微乳液穩(wěn)定,納米粒徑較小,包裹較為均勻[18]。陶晶等以苦參堿納米制劑、苦參堿原劑對蚜蟲進行試驗,結(jié)果表明,苦參堿納米制劑對害蟲的防治效果高達89%,遠高于苦參堿原劑[19]。Campos等制備了以殼聚糖為壁材,香芹酚和芳樟醇為芯材的納米微膠囊[20],包封率高達90%,對農(nóng)業(yè)害蟲二斑葉螨進行了試驗,結(jié)果表明,該納米微膠囊的驅(qū)蟲、抑制產(chǎn)卵效果優(yōu)于未包封的化合物,有望推廣到農(nóng)田的應(yīng)用上[20]。

        目前,關(guān)于微囊懸浮劑制備方法的研究越來越多,但或多或少都存在一些問題。原位聚合法和納米技術(shù)較為復(fù)雜,不易操作。復(fù)凝聚法和噴霧干燥法效率低,并且穩(wěn)定性較差。界面聚合法成分復(fù)雜。因此,需要進一步優(yōu)化已有制備方法和開發(fā)新型高效方案,進一步推動微囊化農(nóng)藥工業(yè)化應(yīng)用。其中,主要的優(yōu)化方向在于注重包封率的控制,提高利用率和穩(wěn)定性。同時,調(diào)控微囊懸浮劑的釋放速率也是關(guān)鍵所在,影響因素包括顆粒尺寸、囊壁厚度、溶液環(huán)境等等。

        1.2" 囊壁材料

        微囊懸浮劑的囊壁材料主要包括天然高分子材料、合成分子材料和半合成高分子材料三大類[21]。1)天然高分子材料。如明膠、阿拉伯樹膠、海藻酸鈉、淀粉、殼聚糖等。因其主要來自動植物和微生物體內(nèi),無毒,可再生,受到了人們的廣泛關(guān)注,發(fā)展前景巨大,是微囊懸浮劑壁材的理想選擇。2)半合成高分子材料。如甲基纖維素、麥芽糊精等,其毒性小,但其缺點是易水解,耐高溫性能差。3)合成高分子材料。主要包括聚脲樹脂、聚乙烯醇、環(huán)氧樹脂、脲醛樹脂等,主要優(yōu)點是成膜性好、化學穩(wěn)定性高,但存在難降解的問題,會對土壤造成二次污染。

        隨著對具有多功能、性能優(yōu)異的材料的需求,出現(xiàn)了許多新型的囊壁材料。其中大部分是在原有材料的基礎(chǔ)上進行改良,如天然高分子材料對合成材料進行改性,與無機材料交聯(lián)形成復(fù)合殼層等。肖道安等以阿拉伯膠和B-環(huán)狀糊精復(fù)合壁材作為杜仲葉提取物的微膠囊壁材,為杜仲葉的深加工提供了新的途徑[22]。鄭婷研制的毒死蜱緩釋微膠囊中則利用了聚氨酯這種改性囊壁材料實現(xiàn)了微膠囊的可降解性[23]。此外,康永利用界面聚合法,以甲苯二異氰酸酯與聚醚多元醇生成的聚合物為壁材制備出了聚氨酯微膠囊[24]。

        2" 研究進展

        植物源農(nóng)藥來源于且作用于自然,符合人們對于綠色發(fā)展的需求,有著廣闊的發(fā)展前景,但其有效成分容易受溫濕度、雨水等外界環(huán)境因素的影響[25]。我國在20世紀30年代就對煙草、巴豆、魚藤等進行了初步探索,但進展較為緩慢,80年代后開始重點發(fā)展生物農(nóng)藥,目前在部分領(lǐng)域已經(jīng)達到國際先進水平,如印楝素制劑系列產(chǎn)品等。傳統(tǒng)農(nóng)藥劑型主要包括乳油、顆粒劑、濕性粉劑等。乳油制備過程中存在大量有機溶劑,污染環(huán)境,殘留物存在食品安全隱患。粉劑加工不便,且作用時容易對非靶向物產(chǎn)生危害。而微囊懸浮劑是一種能夠控制農(nóng)藥活性物質(zhì)釋放快慢的新劑型,能夠有效延長農(nóng)藥的有效期、提高農(nóng)藥的穩(wěn)定性、抑制農(nóng)藥的揮發(fā)性、控制農(nóng)藥的釋放速率、降低農(nóng)藥的毒性等。目前,微囊懸浮劑已經(jīng)實際應(yīng)用到植物源農(nóng)藥上,主要集中于植物源殺蟲劑的使用,此外,植物源殺菌劑、植物源除草劑也得到了一定的研究。

        2.1" 植物源殺蟲劑

        植物源殺蟲劑是從植物的某些部位提取有效成分,相比于化學農(nóng)藥其穩(wěn)定性較差,而微囊懸浮劑是一種能夠解決植物源殺蟲劑穩(wěn)定性差且使殺蟲效果達到最好的一種新型劑型。目前,植物源殺蟲劑微囊懸浮劑劑型主要集中于印楝素、除蟲菊素、煙堿、苦參堿等植物品種[26]。

        江定心等將印楝素制成微囊懸浮劑,盆栽試驗結(jié)果表明,所制成的印楝素微囊懸浮劑對斜紋夜蛾持效期長且防治效果顯著[27]。Costa等制備了木質(zhì)素基化合物印楝素微囊懸浮劑,試驗結(jié)果表明低劑量的藥劑能夠有效控制玉米害蟲[28]。此外,趙燕杰等利用原位聚合法研制出了1.2%印楝素微囊懸浮劑,田間藥效試驗表明,14 d后具有明顯的防治效果[29]。通過將印楝素制備成微囊懸浮劑劑型,延長了原藥的持效期,同時減少了用藥的次數(shù)和用量,提高了印楝素的使用效率。

        關(guān)麗萍等對3.6%煙堿·苦參堿微囊懸浮劑的持效期進行了室內(nèi)和野外林間防治測定,試驗發(fā)現(xiàn)對害蟲的防治效果要高于其他農(nóng)藥劑型,藥效穩(wěn)定[30],解決了植物源農(nóng)藥易氧化的問題,是目前防治鱗翅目昆蟲最有效的綠色型農(nóng)藥之一。羅蘭等同樣用3.6%煙堿·苦參堿微囊懸浮劑對苜蓿蚜蟲和薊馬進行了田間試驗,以吡蟲啉可濕性粉劑和阿維菌素乳油兩種劑型為對照劑型,用藥后7天,微囊懸浮劑劑型對兩種害蟲的防治效果高達96%,對照的兩種劑型的防治效果只有89%左右,顯然微囊懸浮劑的防治效果更佳[31]。

        符士球為驗證1%除蟲菊素·苦皮藤素微膠囊懸浮劑的防治效果,以乳油為對照,對甘藍菜青蟲進行防治,其田間藥效可觀,藥后1 d的微囊懸浮劑劑型的防治效果達60%左右,到10 d后,防治效果高達94%,而乳油劑型的防治效果遠遠低于微囊懸浮劑劑型[32]。同時還發(fā)現(xiàn)微囊懸浮劑劑型對甘藍及其他非靶標生物無任何危害,并且對菜青蟲防治效果較好。此外,1%除蟲菊素·苦皮藤素微膠囊懸浮劑還可以應(yīng)用于棉蚜蟲、梨木虱等害蟲的防治。

        目前,做成微囊懸浮劑的植物源殺蟲劑產(chǎn)品較多,但是絕大多數(shù)仍屬于實驗室研制階段,實際應(yīng)用生產(chǎn)的廠家較少。因此,仍需要更多的工作以實現(xiàn)進一步的成果轉(zhuǎn)化。

        2.2" 植物源殺菌劑

        植物源殺菌劑是通過植物自身所含有的抗菌活性物質(zhì)對病原菌的生長進行有效抑制,被認為是化學農(nóng)藥的最佳替代品[33]。當前,有關(guān)植物源殺菌劑的研究相對較少,但研究潛力很大。查閱文獻資料發(fā)現(xiàn),具備殺菌抑菌作用的植物品種約1 400種[34]。雖然發(fā)現(xiàn)了很多植物含有對病原真菌和細菌等的殺菌抑菌活性成分,但對于微囊懸浮劑在植物源殺菌劑的運用和開發(fā)仍處于起步階段,目前的研究工作較少。Ngamakeue等制備了用明膠包封的圣羅勒精油微囊懸浮劑,發(fā)現(xiàn)將其儲存3個月后,其抑菌活性保持不變[35]。通過將微囊懸浮劑應(yīng)用到植物源殺菌劑上,可以發(fā)揮穩(wěn)定抗菌活性的作用。Chang等制備了印楝提取物的微囊懸浮劑,瓊脂擴散試驗表明,其對真菌具有抑制作用,且將印楝提取物包裹起來可以延長使用時間[36]。這些研究表明印楝不僅具有殺蟲效果,還具有抗菌性能,這或許在未來能夠?qū)崿F(xiàn)多功能防治的應(yīng)用。Wang等制備了姜精油微囊懸浮劑,將姜精油包裹起來后可以提高其抑菌效率,同時微膠囊膜也具有抑菌作用,進一步提高了抑菌活性[37]。

        相比普通劑型,微囊懸浮劑劑型能夠提高植物源殺菌劑的使用效率,但未大規(guī)模研發(fā)出產(chǎn)品進行廣泛使用,只停留在實驗室階段。因此,開發(fā)利用以微囊為載體的植物源殺菌劑仍迫在眉睫。

        2.3" 植物源除草劑

        據(jù)文獻資料報道,世界上有大約100種具有除草活性成分的植物[38]。然而,有許多已發(fā)掘的具有抑制雜草的植物資源并沒有被廣泛地使用,只停留在實驗室研究階段,登記的植物源產(chǎn)品中,除草劑尚處于空缺狀態(tài)。微囊懸浮劑型的植物源除草劑目前還處于研究的初始階段,前景價值大,可以通過對其進行優(yōu)化,將發(fā)現(xiàn)具有除草活性的植物產(chǎn)品化,這能夠為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中使用的高效率環(huán)保型植物源除草劑開辟一條新的道路。

        3" 展望

        中國的農(nóng)業(yè)在國民經(jīng)濟中占比較大,導致對農(nóng)藥需求量大,研發(fā)環(huán)保型農(nóng)藥是時代發(fā)展的需要,是國家生態(tài)文明建設(shè)和農(nóng)化行業(yè)綠色轉(zhuǎn)型的必由之路。微囊懸浮劑是現(xiàn)有新劑型中較成功的劑型,安全便捷、對環(huán)境污染小,將其應(yīng)用于植物源農(nóng)藥上,能夠獲得良好的經(jīng)濟效益、生態(tài)效益。但目前國內(nèi)對于植物源農(nóng)藥微囊懸浮劑的研究深度不夠,現(xiàn)有的多數(shù)研究停留在植物源殺蟲劑、殺菌劑、除草劑有效成分篩選或機理探討,離真正將植物源有效成分制成微囊懸浮劑新劑型應(yīng)用農(nóng)業(yè)有害生物防治還有很長的距離。因此,我們需要進一步加強微囊懸浮劑的研究,并將其應(yīng)用于植物源農(nóng)藥上。結(jié)合目前應(yīng)用中存在的一些問題,提出以下4個方面的建議。

        1)改進和開發(fā)微囊懸浮劑制備策略。目前大部分的微囊懸浮劑制備方法存在各種科學問題,制備成本也沒有足夠的商業(yè)競爭力。我們應(yīng)該進一步研究農(nóng)藥微囊劑的配方、工藝優(yōu)化、釋放效率的調(diào)控、成本控制。壁材的選擇要與應(yīng)用環(huán)境相匹配,且對環(huán)境無明顯污染。此外,大力發(fā)展納米微囊技術(shù),利用高新技術(shù)更高效地利用農(nóng)藥,提高質(zhì)量。隨著計算領(lǐng)域的發(fā)展,可以通過理論模擬提高開發(fā)效率。

        2)篩選高活性的植物源農(nóng)藥成分。目前的植物源活性物質(zhì)仍有待開發(fā),既要擴寬廣度,擴大樣本池,研究它們在農(nóng)藥領(lǐng)域的多功能應(yīng)用。也要加大深度,進一步闡明活性物質(zhì)的作用機理,充分利用天然物質(zhì)的現(xiàn)有特性,以及在此基礎(chǔ)上進行結(jié)構(gòu)改性,提高活性。

        3)實現(xiàn)微囊懸浮劑和活性成分的高效耦合。目前,植物源農(nóng)藥微囊懸浮劑更多的研究集中在殺蟲劑領(lǐng)域,殺菌劑和除草劑的研究進展較少。因此,需要更多地探索將殺菌和除草成分微囊化。

        4)工業(yè)生產(chǎn)化,實現(xiàn)市場應(yīng)用。目前登記的植物源農(nóng)藥微囊懸浮劑產(chǎn)品很少,擁有廣闊的市場。我們要對加工工藝和生產(chǎn)設(shè)備進行開發(fā)利用,提高產(chǎn)品的機械化和自動化水平,提高產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量和效率,實現(xiàn)產(chǎn)品從實驗室到市場的轉(zhuǎn)換。

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        (責任編輯:敬廷桃)

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