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納米農藥的環境安全性淺析

作者:陳朗, 姜輝, 周艷明, 周欣欣, 黃健 更新時間:2019-10-24 點擊量:1584

摘要:納米農藥是納米科技在農業植物保護領域的一項新興應用,在提高農藥生物活性與使用效果、增加農藥持效性、減少農藥用量等方面具有明顯優勢。目前已有文獻報道或獲得專利的納米農藥主要包括納米微乳劑、納米微囊、納米載藥系統(如金屬、金屬氧化物、黏土等)、納米生物農藥等不同劑型。隨著納米農藥的研發升級及其推向市場的需求增加,納米農藥注冊登記與監管過程中的環境安全性評估也成為需要密切關注的問題。本文綜述了納米農藥的研發現狀以及納米材料的毒性作用機制,淺析了納米材料、環境因素及納米農藥所含農藥有效成分對納米農藥生物有效性與生態毒理學效應的影響,以期為納米農藥的環境風險評估與環境管理提供建議和參考。

 

1  引言

納米科學主要研究三維空間尺寸中至少有一維在1100 nm之間的極小物體,其作為一個獨立的研究領域已經發展成為當今世界上三大支柱科學之一,廣泛應用于材料與制造、微電子與計算機信息技術、能源與環境、醫療與健康等領域。據預計,納米材料(MNPs)的全球年產量將從2010年的21 000噸上升至2020年的58 000噸。然而,隨著納米材料的產業化,人造納米材料通過不同途徑進入環境中對人體健康和生態環境造成的負面效應也隨之出現。以納米尺度的顆粒態物質為研究對象的MNPs生態毒理學研究逐漸成為生態毒理學研究領域一個新的挑戰,美國及歐盟國家的政府或科學管理部門近年來紛紛出臺科技政策予以支持和推動,未來10年生態毒理學領域將是“生態毒物基因組學”和“納米生態毒理學”的時代。

 

近年來,納米技術在農業中的應用成為一個新的和迅速發展的研究領域。利用納米材料與制備技術,將原藥、載體與助劑等配制成更為高效的新劑型產品,有利于提高農藥有效成分在田間環境下的生物活性與利用率,增強有效成分對昆蟲、病菌、雜草等有害生物的滲透性,促進農藥有效成分向靶標部位的傳輸等。相比常規農藥,納米農藥具有這些優勢:MNPs的添加可增加農藥有效成分的穩定性(包括貯存期間和施用后)、溶解度等;在田間噴施過程中,MNPs的小尺寸效應可以增加農藥霧滴的延展性、潤濕性、靶吸附性(如葉面粘附性)等;MNPs對有效成分具有可控緩釋與保護性能等。

 

然而,由于納米農藥同時含有納米材料和有效成分,其在增加生物活性的同時,也可增強有效成分對環境中非靶標生物的生物有效性和生態毒性,納米材料和農藥有效成分在環境中還易于發生相互作用,表現出復合效應。與含有相同有效成分但不含納米材料的常規農藥相比,納米農藥在生態毒性和環境歸趨方面均有可能發生較大變化,因此,納米農藥登記注冊和監管過程中的環境安全性與風險評估方法需要在常規評價方法上進行重新設計和修訂。本文綜述了納米農藥的發展現狀、納米材料與納米農藥的環境安全性研究結果與風險評估現狀,旨在為納米農藥的生態效應評價、環境風險評估提供參考。

 

2  納米農藥研發現狀

目前納米農藥新型劑型的研究主要集中在納米微乳劑、納米載藥系統、納米生物農藥等領域。

 

2.1  納米微乳劑

粒徑介于納米尺度范圍內的微乳劑屬納米農藥范疇。該劑型具有增溶、增滲透作用,在傳遞效率,生物利用率方面具有許多優勢,但表面活性劑用量大、靶向傳輸和控釋性能尚不突出,并未表現出顯著優于農藥傳統劑型的生物效果與安全性。例如,大量使用了直鏈和支鏈醇、酮類等急性毒性與二甲苯相當的極性溶劑,較易進入農田和地下水源,可能會對環境和食品安全構成新威脅。

 

2.2  納米顆粒劑

直接以納米顆粒作為農藥有效成分,如Ag NPs,納米硅,TiO2 NPsCu NPs,納米鋁粉塵等。

 

2.3  納米載藥系統

載藥納米微粒劑型是指采用人造納米材料以吸附、包裹、偶聯、鑲嵌等方式負載農藥所構建的納米載藥系統。納米載藥系統主要包括2種劑型:將農藥包裹于納米微囊中,或以多孔納米材料作為農藥有效成分的載體。納米載藥系統可減緩因光、熱、水、土壤、微生物等田間環境因素所造成的農藥的分解和流失,改善農藥有效成分的穩定性,從而實現靶向投放和控制釋放功能從而減少農藥流失、延長農藥的持效期、降低施藥劑量和頻次。伴隨著與光、熱、磁等比較活躍的研究領域的結合,更具靶標導向與控釋功能的新型環境智能響應納米載藥系統(Smart Nano-Delivery System)將成為今后納米農藥研發與創制的重點方向。

 

2.4  中國納米農藥研發情況

2005年起,國內科研工作者也相繼在納米微乳液、納米微囊等農藥新劑型開發方面進行了探索。先后有學者研究報道了烯酰嗎啉納米載藥顆粒、阿維菌素SiO2納米載藥系統的研制、AgTiO2吡蟲啉納米微膠囊、聯苯菊酯納米微乳液等。近年來,中國農業科學院崔海信等系統地開展了納米生物農藥創制研究,在利用納米載體改善農用抗生素生物活性與持效期等方面取得了較大研究進展。

 

3  納米農藥的環境安全性研究現狀

納米材料本身具有一定的毒性,進入環境水體、土壤、空氣中后可對許多非靶標生物產生毒性作用(從微生物到更復雜的生物個體、種群和群落),甚至可能通過食物鏈傳遞給生態系統帶來潛在威脅。隨著尺寸減小到納米級范圍以及相應的表面積增加,納米材料被賦予新的物質特性,也因而更具生物反應活性。盡管目前已有許多關于納米材料生態毒性效應的研究報道,但其環境風險評估方面的研究還是遠遠落后于其應用技術的發展。

 

3.1  納米材料的毒性作用機制

目前納米材料對生物體毒性作用機制尚不十分清楚,已有研究表明納米材料的致毒因素主要包括以下4方面。一是納米材料的顆粒效應,易于穿透細胞膜進入細胞內,影響細胞內的正常生理活動、易于形成團聚體包埋藻細胞產生遮光效應進而抑制光合作用。二是有些納米材料本身能夠釋放出有毒離子,例如,納米銀離子、納米Cu和納米Zn離子。三是氧化損傷,納米材料反應性強、易產生活性氧(ROS),可破壞線粒體內抗氧化防御體系,產生氧化應激,造成功能蛋白失活,直至引起細胞凋亡,影響正常生理機能。四是生物放大效應。納米材料可能通過食物鏈傳遞并在高營養層級的生物體內積累,產生生物放大效應。

 

3.2  納米農藥的生態毒理學研究

納米農藥作為納米材料一個新興的應用領域,相比其它應用方式在環境中殘留的概率更高,風險也可能更大,這是由于:① 農藥使用量大而有效利用率不高,除小部分真正達到目標靶點外,其余絕大部分(60%以上)在施藥過程中釋放到了環境中;② 納米農藥在進入生物機體危害生物的同時,也更易穿過人體和非靶標環境生物的組織和質膜,進入細胞質或細胞核內,對機體產生難以預料的后果。此外,農藥有效成分和納米材料之間還可能會產生聯合毒性作用。不過,也有報道表明,某些納米農藥比常規制劑對植物和其他非靶標生物的毒性更小,表現出增加病蟲害防治效果、同時減少藥害和環境危害的優越性。

 

相比常規農藥,納米農藥對環境生物的毒性效應可能會受納米材料的物理化學性質、暴露途徑、環境行為以及環境因素等方面的影響。因此,納米農藥的環境安全性相對于單一納米材料、常規農藥制劑的評估要復雜得多。

 

3.2.1  納米材料對納米農藥生態毒理效應的影響

納米農藥的生態毒性效應與納米材料的物理化學性質密切相關。納米材料的理化性質是影響納米農藥進入生物體并產生毒性效應的關鍵因素之一。例如,納米材料的尺度大小決定了納米農藥在生物體內的濃度高低與組織分布,納米材料的形狀決定了納米農藥在水體中的流動性、沉降與吸附行為,進而影響納米農藥的生物有效性、在不同環境介質中的暴露濃度與持久性、蓄積性等。此外,納米農藥的生態毒性效應還與納米材料的化學組成及其生態毒性有關。例如,納米TiO2對有益菌的抑制作用可能會導致含納米TiO2顆粒的農藥在殺死有害菌的同時也將有益菌類殺死。

 

3.2.2  環境因素對納米農藥生物有效性的影響

環境因素在決定納米材料的環境歸趨以及生物有效性中起著重要作用。例如,水體pH可決定納米材料的表面電荷,改變其懸浮狀態,影響其可到達非靶標生物體內的有效濃度;鹽度和離子強度的增加會造成納米材料表層雙電子層的壓縮,以及凝聚的增加、聚集和沉降到海底沉積物中的納米材料會對底棲生物產生潛在威脅。此外,納米材料在環境中還易與本身所含有效成分、環境中其他污染物相互作用,表現出復合效應。目前,有關上述非生物因素等影響納米材料的生物有效性的研究尚未系統開展,環境因素對納米農藥生態毒理學效應的影響基本處于空白狀態。

 

3.2.3  納米材料與農藥的復合生態毒性效應

相對于普通農藥,納米農藥具有獨特的理化性質,因而對傳統的生態毒理學測試方法提出了挑戰。首先,目前農藥生態毒理學試驗前準備試驗藥液時,往往采用溶劑助溶、震蕩、離心、超聲、過濾等方式使試驗藥液均勻分散,但所有這些處理過程均有可能改變納米農藥的性質,不同于其排放到環境中時的真實暴露狀態,因而所獲得的試驗結果往往不能代表真實的生態毒性。其次,納米農藥對環境生物的毒性效應大小除農藥有效成分的固有毒性外,很大程度上取決于納米材料的理化性質,而在生態毒理學測試中,如何將納米材料的相關屬性與毒性效應進行關聯、判斷、表征等尚有待解決。此外,納米農藥生態毒性試驗設計中應考慮環境因子的影響,以使試驗結果更接近于真實的環境條件。最后,納米農藥的生態毒理學研究還應考慮生物因素的影響,在代表性物種選擇方面需作更為全面、科學的考慮。例如,沉積物中納米農藥對底棲生物的毒性效應及其通過食物鏈在魚體內的生物富集與放大作用目前常常被忽略。

 

4  問題與展望

總體而言,目前對納米材料及納米農藥的生態毒理學與環境歸趨研究還十分有限,嚴重制約了對納米農藥進行定量化環境風險評估。

 

大多數生態毒理學測試注重不同大小納米材料之間或納米材料和它們溶解狀態之間的毒性比較,很少有研究直接比較納米農藥、納米農藥中所含有效成分與納米材料之間的毒性差異。目前國內外均缺少適合于納米農藥的環境風險評估程序,以及與之相適應的生態毒性與環境歸趨標準測試方法。

 

納米農藥在水中很可能發生沉降并殘留于沉積物中對底棲生物產生毒性效應,并經由魚類攝食在魚體內富集,進而通過食物鏈傳遞影響人類健康。而目前國內對底棲生物的生態毒性鮮有關注,缺乏底棲生物生態毒性測試相關試驗準則,無法對納米農藥與沉積物混合暴露途徑開展標準化的測試研究。

 

納米技術應用于農業、農藥領域具有許多潛在優勢,但其在高效防治病蟲害的同時也伴隨著大量納米材料的釋放以及環境風險的增加。因此,建議相關部門提前構思納米農藥環境監管框架體系,形成納米農藥環境風險識別技術與評估程序,促進環境友好型綠色納米農藥的發展。

 


來源:《農藥科學與管理》2018年第5

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