纳米科技助力农业绿色发展——浅谈纳米农药
近日,明德立達發布消息稱推出全新升級“納米明潤豐?”,其內在品質和防病效率全面提升,今天我們一起了解這款新產品以及納米技術在農藥制劑方面的應用情況,以供農藥企業參考。
明德立達明潤豐產品自上市以來一直是該公司的暢銷大品,主要成分為吡唑醚菌酯和戊唑醇,對真菌類病害能起到很好的抑制作用,殺菌譜廣、持效期長,特種晶型吡唑醚菌酯和高效體戊唑醇,經過三級研磨、五級加工使得增效系數達到了289.8,明顯優于市場同類產品。升級產品納米明潤豐在原有基礎上有三大突破:第一,粒徑更細,僅為600~700納米。潤濕效果好,藥液在葉片上快速均勻展布,吸收更好防病率更高,析出少,農藥利用率提高,用藥量更少。第二,采用高級保濕助劑,保水性好,可減緩藥液揮發。第三,添加“納米微球”混懸專用助劑,快速成膜,耐雨水沖刷,效果持久,穩定性好。
由以上信息不難看出,納米農藥制劑相比于傳統農藥制劑具有諸多優勢,利用納米材料和技術研究納米農藥制劑是當前納米技術農業應用研究領域的熱點。不過目前市場上已推出的納米農藥制劑相對較少,劑型種類比較單一,任重道遠,未來可期。
納米農藥的制備主要有2種方式:一種是將農藥活性物質直接加工成納米級粒子;一種是以納米材料吸附、偶聯、包裹農藥,構建納米載藥體系,根據載體化學性質可分為,有機聚合物類制劑、脂質體納米制劑、黏土材料納米制劑、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藥的粒徑,常見的粒徑范圍如表所示。
基于傳統農藥劑型的納米農藥
(1)微乳劑
農藥微乳劑是一種透明或半透明的均一液體,用水稀釋后呈微乳狀液體的制劑。微乳液可以自發形成,其形成與配方組成相關,而與制備方式無關。微乳液的分布較窄,當粒徑為30 nm時,所有液滴幾乎為同樣大小的球形。首次研發成功的農藥微乳劑為氯丹微乳劑,目前發展迅速,登記數量比較多,僅國內微乳劑登記就高達1,291個。微乳劑借助表面活性劑的作用能做到較強的滲透性附著性,有利于提高藥效。
(2)納米乳液
納米乳液是指一種液相以納米液滴的形式(通常在20~200 nm)分散到另一個與之不相混溶的液相中而形成的分散體系。一般由油、水和表面活性劑組成,組成與微乳劑相同,但納米乳液屬于熱力學不穩定的膠體分散體系。制備方法可分為高能法和低能法,目前采用較多的是高能乳化法,但其能量損耗較大,低能乳化法可利用體系自身化學能簡單攪拌即可,成本低,但效果較差,因此使用較少,鑒于低能乳化法設備要求相對較低,也是未來值得研究的重點之一。
(3)納米分散體
納米分散體是將難溶于水的農藥,利用研磨、熔融乳化法、微沉淀法、溶劑揮發法等方法制備納米粒徑的粉劑或分散于水中形成納米混懸劑,其顆粒大小通常為50~200 nm。研究表明,其持效期長、葉面分布均勻,穩定性良好。目前固體納米分散體的制備方法主要包括:納米混懸劑轉化法、自乳化體系轉化法。其中,納米混懸劑轉化法包括介質研磨-固化法、高壓均質-固化法、熔融乳化-固化法;自乳化體系轉化法包括液體微乳劑-固化法、直接固化法、納米載體吸附法。在實際應用過程中一般可將不同的方法結合使用。不過納米分散體(納米固體分散體和納米混懸劑)的制備需要專門設備,能耗也比較高。
基于材料負載的納米農藥
(1)納米微球
納米微球是農藥活性成分均勻分布于納米載體材料中,多采用無機負載方法,通過吸附或者通過一定的合成方法使藥物較為均一地分布在微球內部。與微囊相比,微球通常沒有明顯的核-殼結構,納米微球的粒徑較大,通常為50~1,000 nm。納米微球的常用材料有聚乳酸、固體脂質體、多孔二氧化硅等。研究表明,納米微球技術可提高田間藥效,延長持效期,減量控污染。納米微球的載藥系統制備工藝多種多樣,包括溶劑揮發法、復凝聚法等。制備工藝對納米微球的影響非常大,工藝的微小改變對粒徑和載藥量的影響較大,納米微球的另一個問題是難以獲得較小的粒徑。
(2)納米微囊
納米微囊是一種運輸系統,由農藥活性成分作為內核,高分子材料作為外殼構成。納米微囊可以包裹農藥活性成分,避免其與人體直接接觸,提高對施藥者的安全性,同時還可增強活性成分的穩定性、控釋性和靶向性。目前納米微囊常用的制備方法有界面聚合法、乳液聚合法等。其包裹農藥活性物質的研究較多,其加工方式也有多種,可以使用的材料較多,且可根據需要實現光響應、溫度響應、pH響應等,對活性物質可實現控釋的效果,有利于實現田間按需給藥,提高農藥利用率。納米微囊的控制釋放也是目前研究的一個重點方向。
(3)納米膠束
膠束也被稱為膠團,是過量的表面活性劑在水中自組裝形成的膠體溶液,表面活性劑分子締合形成膠束時的最低濃度稱為臨界膠束濃度(CMC)。納米膠束是一類由兩親性表面活性劑分子構成的球形聚集體,在表面活性劑高于臨界膠束濃度時,在水中自組裝形成納米級大小的核-殼型膠束,在水溶液中分散時,親水性一端位于表面,疏水性一端位于內核。納米膠束粒徑多為10~200 nm,制備方式和表面活性劑的相對分子質量均可影響膠束粒徑。膠束的結構可控,載藥量加大,能增強藥效,并且可設計為環境響應型制劑,因此,其智能釋放也是研究的重要方向。
(4)納米凝膠
納米凝膠是具有三維結構的交聯聚合物納米顆粒。納米凝膠通常具有高含水量、高比表面積等特點,其大小可控,易于構建多價界面,便于進行功能性修飾,可持續釋放藥物,而且能夠被生物降解。首先利用共價鍵、氫鍵、范德華相互作用或物理纏結等化學和物理誘導的交聯合成不含藥物的聚合物納米凝膠,然后使凝膠在水中膨脹,進而負載藥物。納米凝膠是一種新型載藥系統,其主要包括化學凝膠與物理凝膠。納米凝膠中的化學凝膠與物理凝膠分別由交聯共價鍵和非共價鍵形成,這樣的組成使得良好的穩定性能和較強的負載能力成為納米凝膠的顯著特性。納米凝膠在醫藥行業應用比較廣泛。近年來逐步應用到農業,其環境穩定性高,可負載易揮發物質,穩藥效延長緩釋時間。
據報道,2020年起,中國農科院已針對農業納米藥物的安全性、有效性及應用性部署實施了重大科研任務,努力攻破壟斷,推動我國農業發展。而農業農村部制定的《農業綠色發展技術導則(2018—2030)》,已將納米農獸藥產品列入新型綠色投入品儲備目錄。全國農業技術推廣服務中心首席專家王鳳樂指出,納米農藥有利于推動農業綠色發展,使用優勢明顯。截止目前優先產業化的納米農藥類型主要為可顯著提高農藥表觀溶解度的水性化納米農藥,包括納米乳劑、微乳劑、納米分散劑(納米懸浮劑)等。由此可見納米技術在農藥研究領域有著廣闊的應用前景,不僅為農藥新劑型研究提供了先進的手段,還可以用于改造傳統劑型,有望克服傳統農藥工藝無法解決的難題,從而使農藥劑型越來越接近農業生產的需要。
目前登記的納米農藥以微乳劑居多,其他類型納米農藥偏少,未來市場前景可期。