植物源农药纳米制剂的最新研究进展与挑战

筱 禾 编译

(上海市农药研究所，上海 200032)

全球农业生产每年均会因病害、虫害和其他害物发生相当大的损失。这些损失不仅发生在生产过程中，也发生在农产品贮存过程中，即食品变质。几类化学合成农药目前已广泛用于作物和农产品贮存中的害物防治。但农药的过量使用也对人类健康和环境具有负面影响，同时造成害物抗性进化。

植物源农药等天然源化合物的应用，已成为化学合成农药的替代之一。这些化合物在农业管理中的应用越来越受人们重视，已经在开发可应对当前挑战并使其有效地用于该领域的有效制剂方面取得了一些进展。如表1所示，使用纳米技术等创新技术和工具对于农产品生产的可持续增长至关重要。最近，有关纳米技术在农药领域应用的文章和专利数量大幅增加，到2017年，该领域已发表约238篇文章和34项专利。近年来相关文章数量急剧增加，这表明对该学科的兴趣日益增加以及向市场引入此类制剂的潜力。此外，这些文章似乎侧重于技术的改进，以解决该领域面临的问题。本文综述了纳米技术和植物源农药领域的主要进展，并评估了其在可持续农业中的主要优势和局限性。

1 研究进展

1.1 环境友好制剂

在农业生产中使用植物源农药而非化学合成农药通常被认为是一个环境友好的选择。这主要归功于植物源物质的固有特性，它们通常会降解，因此对环境和非靶标生物体存在长期负面影响的可能性较低。利用纳米结构系统包封这些物质为开发具有潜在增强效应和田间性能的新型制剂提供了进一步的可能。这种系统可以使用化学合成或天然来源并具有生物相容性和生物有效性等理想特性的不同类型基质制备(图1)。

近年来，人们还努力发展绿色纳米技术(即寻求能够减少能源消耗、废料生成和温室气体排放的工艺)。利用可再生材料生产纳米载体系统可进一步促进绿色纳米技术的发展和实施。各种天然源基质(如蛋白质、聚合物和胶质)最近得到了重视。许多出版物和专利介绍了将这些物质用于生产植物源农药纳米载体系统的情况(表2)。

最重要的一种物质是玉米的主要贮藏蛋白——玉米醇溶蛋白(zein)，它占植物种子总蛋白质含量的约50%。玉米醇溶蛋白属于醇溶蛋白类，其中α-玉米醇溶蛋白最丰富。由于该蛋白质具有较低的水溶性，较高的包被率，生物降解性和生物相容性，已对其用于生产纳米粒子和植物源农药的包封系统进行了研究。Veneranda等利用热、pH诱导的络合法以玉米醇溶蛋白/酪蛋白酸钠/果胶包封丁香酚(eugenol)，研究了制备过程中每种成分浓度的影响。所得制剂稳定，具有良好的理化性质和高分散性，并具备在农业和食品行业中应用的潜力。Jhones等制备并表征了含有植物源化合物香叶醇(geraniol)和R-香茅醛的玉米醇溶蛋白纳米粒子。这种纳米粒子具有良好的理化性质并能保护活性成分免受紫外线降解。该制剂还能有效防治重要农业害虫二斑叶螨(Tetranychus urticae Koch)。虽然还没有任何特定化合物登记，但已有许多基于玉米醇溶蛋白系统纳米制剂的有效使用的专利申请。例如，专利CA2805581A1介绍了用于包封水溶性和脂溶性生物活性化合物的玉米醇溶蛋白纳米粒子的制备和表征。所研究的化合物实现了较高包封效率，该系统被推荐用于农业、食品和制药领域。

另一种有效的天然高分子是海藻酸盐，它是通过碱水解法从藻类中提取的生物聚合物。由于海藻酸盐具有生物相容性和胶凝性，已被广泛用于制备植物源农药等的多种纳米粒子/微粒制剂。有人制备了用于包封墨角兰(Origanum majorana)精油的海藻酸盐/黏土纳米复合物。该物质具有良好的理化性质，所得制剂能有效地防治微生物，是一种防治病原菌的理想剂型。Kavoosi等人研究了Zataria精油在海藻酸盐颗粒中的包封。该制剂的平均粒径为(597±22) nm，多分散性指数为0.42，zeta电位为(－16.3±4.2) mV。包封降低了活性成分的挥发性，提高了其的稳定性，该体系在农业等多个领域具有良好的应用前景。

表1 农药制剂的理想特性，植物源农药的优点与局限性及纳米技术在弥补局限性中的可能用途

图1 用于生产纳米载体系统的基质示例

表2 生产生物农药微/纳米制剂的天然源基质

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天然树胶可由树的分泌物(例如阿拉伯树胶，来自塞内加尔的阿拉伯树胶)等多种来源获取。天然树胶一般无毒且成本低廉，通常比化学合成材料更受欢迎。因此，它们被认为是可用于制备纳米粒子/微粒制剂的理想物质。Khoshakhlagh采用电喷雾法，对从Alyssum homolocarpum种子中提取的树胶制成的纳米粒子进行了研究。该球形粒子的粒径为35～90 nm，D-柠檬烯的负载量为10%～20%，包封率达87%～93%。

壳聚糖是另一种被广泛用于生产纳米粒子/微粒系统研究的生物聚合物。壳聚糖是由存在于甲壳动物外骨骼中的几丁质碱法脱乙酰化得到的一种亲水性阳离子聚电解质。Ahmadi等人评价了蓍草(Achillea millefolium L.)精油壳聚糖纳米粒子对二斑叶螨的杀螨作用。该纳米粒子呈球形，平均粒径85～145 nm。在驱避和触杀作用试验中，纳米粒子在植物叶部缓释精油且具有持效性，其效果优于未包封精油。这些发现表明，包封提高了精油在害物防治中的效果。Campos等人制备了β-环糊精功能化壳聚糖包封香芹酚和芳樟醇(linalool)的纳米粒子。含有香芹酚和芳樟醇的纳米粒子的平均粒径分别为175.2 nm和245.8 nm，具有较高的包封率(约90%)。对二斑叶螨进行的生物活性测试表明，该纳米粒子具有驱虫、杀螨、抑制产卵等作用，且效果优于未包封的化合物。专利US9480656B123介绍了一种包封迷迭香精油的壳聚糖纳米粒子的制备方法。制备的纳米粒子平均粒径为 69～99 nm，包封率较高(＞90%)，有望用于农业生产。

如上所述，最近有许多致力于为可持续农业寻求环境友好制剂的研发工作。重要的一点是，尽管尝试利用天然来源的物质来生产纳米结构系统，但本质上还需要进行毒理学分析和机制研究，以了解这些物质的可能风险。从提高化合物的有效性以及对环境和人类健康的安全的角度来看，植物源农药的包封是一项引人关注的技术进步。但由于许多因素和工艺会影响环境行为和纳米农药的药效，这就要求采取一种新颖和精细的方法进行风险评估。

1.2 植物源农药产品

植物源农药市场近年来有所增长，这似乎主要是由于人们越来越担心化学合成农药残留对食品的污染所致。这种情况加上更严格的监管和进出口管制，使人们的注意力转向新的“更安全的”替代品。植物源农药用于害物防治已有多年，有记录埃及人使用植物提取物来保护储藏产品和防治引起病害的微生物。植物提取物在作物保护中的传统用途仍在继续，其中许多是农民按照世代相传的传统配方制备的，通常使用在特定地区丰富的植物种类。虽然前期工作突出了它们的重要性，但由于植物种类的多样性，很难估算用于这类传统用途的数量。

许多从植物中提取、传统用于农业的产品，现在也作为植物源农药销售。随着研究的深入，已能鉴定和分离特定活性物质，其中一些也被用于生产植物源农药。例如，印楝油(Azadirachta indica Juss.，印楝科)在印度次大陆广泛用于农业病虫害防治，是目前商业规模销售最广泛的植物源杀虫剂之一。这种来源于印楝树的种子和其他部位的油含有一些生物活性代谢物，包括用于若干植物源病虫害防治产品的印楝素(AG)。表3例举了商业化的植物源农药。

表3 商品化植物源农药

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如上所述，纳米和微结构系统中植物源农药的包封已成为提高制剂质量、活性成分田间持效性以及稳定性的一个重要工具。因此，企业一直在设法推广植物源农药纳米制剂。然而，基于这些技术的制剂数量仍然低于使用植物源物质的制剂数量。因此，有必要加强企业、大学和公共研究机构之间的合作，以进一步推动这一领域的发展。表4介绍了一些基于纳米和微胶囊技术的植物源农药产品。尽管还没有成为化学合成农药的完全替代品，但以植物源农药为基础的产品的商业化销售已经实现。尽管如此，农业部门已因这些产品的并存获益，虽然植物源产品的生产规模相对较小。在提高植物源物质/化合物的效果和成本效益方面，纳米技术的发展或有助于开发更多有潜力的制剂。可以合理地预期，深入研发到实际应用将增加市售产品的数量。需要考虑的另一个方面是，由于监管和植物检疫问题，许多化学合成农药已被禁用，所有新的先导分子的开发也停滞不前。这就更有必要重视植物源农药的使用。但在植物源农药能在农药市场占有足够大的份额之前，还需要应对一些挑战。以下各节将进一步探讨这些因素。

2 局限性

如前所述，寻找化学合成农药的新替代品已经成为科学研究的一个重要方向。所取得的进展也有助于在可持续农业的基础上提高粮食安全。虽然植物源农药目前不能完全取代化学合成农药的使用，但它们已为减少因过量使用化学合成农药引起的问题贡献良多。纳米技术衍生制剂可进一步提高活性成分的生防效果、稳定性，防止因光照、湿度、温度等外部因素而造成的早期降解。尽管有了这些进展，但还有一些可能会损害或制约植物源农药广泛应用的限制因素。

2.1 植物源农药的成分

防治病虫害的植物源农药的药效与其成分直接相关。这些产品可能包括含有不同浓度活性化合物混合物的植物提取物或离体植物化学物质。限制这些物质/化合物广泛应用的主要因素有高成本的原材料和提取/纯化与配方步骤以及优化活性成分的数量和质量的难度。提取工艺是植物化学物质生物活性的决定性因素， 因为植物可能含有生物碱、萜类化合物、黄酮类等多种化合物的复杂混合物。活性化合物的质量和数量受提取技术、所用植物的部位、使用的溶剂以及所用设备的类型的影响。

植物源物质的浓度和使用剂量也是限制其作为农药应用的因素。化合物的浓度是决定生物效应的关键因素。多项研究报道了迷迭香(Rosmarinus officinalis L.)精油对多种害虫的驱避作用。但Sadeh等最近报道，迷迭香精油对粉虱(Bemisia tabaci)有引诱作用。这种作用似乎取决于植物体内的挥发性化合物的成分和浓度。Jhones等认为，化合物浓度在生物效应中起着关键作用，而引诱/驱避作用也可能受到环境和地理变量以及非生物因素引起的胁迫的影响。

表4 基于纳米/微胶囊技术的商品化植物源农药

为了实现植物源农药在农业生产中的大面积应用，植物材料必须有充足的数量，以确保连续供应。因此，与化学合成化学品相比，植物源农药通常更为昂贵，因为所需质量的材料的种植和产量有限。另一个问题是，植物次生代谢物的数量因地点或季节而异，因此难以使该类农药的质量标准化。一个可行的解决办法是鼓励利用生物反应器中的组织培养等技术合成生物活性化合物的研究。此外，多倍体化和植物快速繁殖等技术也是有助于提高生物活性物质生产的重要工具。

在开发更有效和标准化的产品时，必须研究分离的化合物及其制剂，减少变量，从而更精确地研究特定植物中存在的活性化合物的影响。这种方法还可以开发包含各种在自然界通常不会同时存在的活性物质混合物的新制剂。例如香茅精油含有香叶醇、香茅醛、香茅醇和柠檬烯。而肉桂醛、丁香酚和α-蒎烯是肉桂精油的主要成分。天然来源中没有香叶醇和肉桂醛的混合物。因此，以活性化合物的混合物为基础制备的制剂不仅可以提供更好的防治作用，而且由于其作用机制的多样性，还有助于降低害虫产生抗药性的几率。

2.2 监管壁垒

影响新植物源农药产品商业化和销售的主要壁垒之一是监管和缺乏政府支持。农药由于受到严格管制，必须经过冗长且费用昂贵的试验和手续才能作为新产品进行登记。这在很大程度上是由于消费者对食品中农药残留的负面影响认识的提高所致，而且大多数国家对化学合成农药或生物农药不作区分。突破监管壁垒的高昂费用是植物源农药的首要难题，因为这些产品的市场仍然有限，所有利润都不足以补偿遵守监管规定的费用。但植物源农药显然不能排除在试验和监管程序之外，因为它们也可能存在风险，不能假定它们完全安全(如鱼藤酮和烟碱)。尽管如此，精油及其主要成分等绝大多数植物源物质对哺乳动物和非靶标生物并不具有明显毒性——至少与某些化学合成物质不在一个级别。其中一些物质曾一度作为食物和饮料调味料以及烹饪香料使用，在登记时必须加以考虑，并应成为新产品开发中需要考虑的重要问题。

不同管辖区监管框架的差异也构成了贸易壁垒。在许多国家，农业贸易以商品为基础，这促使对农药的限制增加，特别是对发达国家的出口。向欧盟和美国等市场出口的国家必须遵守日益严格的监管，只有经批准的农药才能用于出口的农产品。因此，即使各国有丰富的植物源物质可用于开发植物源农药，它们也可能仅限于使用其他化合物，包括国内市场。

从上述讨论中可以看出，纳米农药提高了药效，对环境保护与人类健康做出了贡献，是一项重大的技术进步。就监管而言，必须考虑到影响纳米农药环境行为和毒性作用的因素和工艺可能不同于适用于传统农药的因素和工艺。因此，必须开发新的或更精细的风险评估技术。与传统的(化学合成)农药不同，纳米农药的特性(如毒性、吸收、生物利用度)取决于许多变量，包括包封材料的化学成分、粒径分布、纳米粒子浓度、zeta电位等。因此，有必要对这些系统的特性进行方法论改进或附加技术。目前用于纳米农药的风险评估，如在欧盟实施的风险评估，提供了一个有用的框架，但(如上文所示)为了更清楚地了解可能引发安全问题的实际因素，有必要进行改进。此领域的新工具和新技术的开发等技术进步，必将有助于提高人们对这些物质的作用的认识。

3 结 论

就更有效和稳定的制剂而言，纳米技术有望大大促进植物源农药行业的发展。与某些合成农药相比，植物源农药的低药效一直是其面临的主要问题之一。如上所述，在利用纳米技术开发新制剂方面取得了许多进展，也解决了一些局限性，可能有助于扩大这种系统在可持续农业中的应用。

对环境污染和土壤及水资源退化的日益关注是增加对环境友好替代品需求的关键因素。植物源农药是化学合成农药更好的替代品。当纳米技术被用于生产新产品时，还需要考虑其可能对环境产生的潜在影响。因此，随着在减少溶剂和能源使用的高效生产工艺中，利用基于天然聚合物(生物可降解和生物相容性)的基质生产植物源农药制剂，人们对绿色纳米技术的发展越来越感兴趣。绿色纳米技术的发展必须与不断改进的毒理分析技术相结合，以确保新制剂的安全性。值得注意的是，很少有探讨和专门针对植物源农药的环境归宿的研究。在此背景下，这种方法对于了解这些化合物在环境中的真正影响极为重要。最近刘等人研究了在热带气候条件下，百里香酚农业应用后在土壤和水中的环境归宿。研究发现，所研究的3种类型热带土壤对百里香酚均出现了吸附，其吸附量增加顺序依次为：砂质土壤＜壤质土壤＜黏粒土，土壤对百里香酚的吸附量呈增加趋势。但发现该化合物在 2种基质(土壤和水)中的降解速度都很快。光照条件下，28 h内在水中发生光解(50%)。在土壤中，降解同样数量的百里香酚需8.4 d。因此认为，百里香酚在作物生产中应用的环境风险较低。

关于纳米农药，最近Kah等人对这些纳米材料的影响进行了严格的评估。此文认为纳米农药的药效比常规化合物/制剂平均提高30%。此外，还说明了这种技术的应用可推动农药环境归宿以及环境效应的变化。他们还指出，文献中的许多论文在研究纳米农药与环境间的相互作用时都很含糊。另一点是，目前文献中没有对这些纳米农药在大田条件下的药效和环境效应进行评估的系统研究。在此背景下，对植物源农药纳米级制剂的环境归宿进行研究极为重要，表明这是该领域有待填补的一个重大空白。

植物源农药市场的增长与消费者选择对环境和人类健康影响小、更安全的技术的趋势直接相关。要使这些产品在更广泛的全球范围内具有商业竞争力，仍有许多步骤和壁垒需要克服。

目前，植物源农药产品的生产和销售主要是在科研院所和小农户与生产商合作伙伴关系间进行。这是因为大公司主要致力于他们的专利化学合成产品，认为因现行的监管要求增加了不确定性的植物源替代品是不太了解和非标准的产品。显而易见，植物源农药在短期内不能完全取代化学合成化学品的使用。但它们将继续为旨在实现可持续农业以及降低人们对健康和环境安全的关注度的管理措施做贡献。农业部门拥有大量可辅助对作物进行更可持续管理的工具和产品，如使用植物源农药、生物防治、大棚种植和精准农业。同时，必须提高生产商和农民对这种选择的认识。这可能有助于植物源产品等新的低风险产品对传统农药的中长期替代。

大学、研究中心、企业和政府机构间的密切合作对促进这些产品的开发、生产和采用将具有至关重要的影响。通过大规模生产和标准化，植物源农药的生产商将会解决监管问题。每年都有许多研究报道具有农药活性的新植物源物质，但在绝大多数情况下，研究结果并没有转化为新产品。尽管目前存在着缺陷和挑战，但利用纳米技术生产更有效的植物源农药制剂等新进展已是真正的机遇。正如本研究所证明的那样，纳米技术与植物源农药的融合具有提高这些天然化合物的药效等许多优点。但值得一提的是，该部门仍然面临一些问题和挑战。可扩展性连同生产基于纳米技术系统的成本是主要障碍之一。此外，这些物质的毒性研究还需要进一步开展。由于它们的纳米特性，这些物质可以引起不同程度的毒性。因此，研究这些物质与不同生物基质之间的相互作用是该领域进展的一个关键点。要强调的是，应继续进行研究，主要参与者间进行协作，以便将这一机会转变为可持续的商业现实。