余武秀

(上海艾農(nóng)國際貿(mào)易有限公司，上海 200122)

傳統(tǒng)農(nóng)藥制劑的一些缺點導(dǎo)致農(nóng)藥使用可能對人類健康和環(huán)境造成多種危害，因此農(nóng)藥制劑學(xué)家們一直致力于更安全和更環(huán)保劑型的研究和開發(fā)。將納米技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)藥制劑，能開發(fā)出克服傳統(tǒng)制劑缺點的新劑型，這是制劑發(fā)展中具有突破意義的一步。納米農(nóng)藥制劑目前還沒有權(quán)威的定義。參照納米材料的定義，一般認(rèn)為，納米農(nóng)藥制劑是指利用納米技術(shù)生產(chǎn)的至少在一個維度上的物理尺寸為

1～ 100 nm的農(nóng)藥制劑。

研究納米農(nóng)藥制劑的目的有多種(表1)，其中最重要是為了充分發(fā)揮農(nóng)藥有效成分的藥效潛能，提高藥效，減少環(huán)境污染等。只要到達(dá)靶標(biāo)的農(nóng)藥有效成分顆粒為納米狀態(tài)，就能實現(xiàn)這些目的。因此，從使用技術(shù)的角度講，能夠把農(nóng)藥有效成分以納米顆粒(包括液體顆粒)狀態(tài)傳送到靶標(biāo)的農(nóng)藥制劑都是納米農(nóng)藥，而不需要強調(diào)在制劑狀態(tài)時的農(nóng)藥顆粒也處于納米狀態(tài)。

開發(fā)納米農(nóng)藥的初衷是克服現(xiàn)有農(nóng)藥制劑的某些缺點。納米農(nóng)藥制劑在顆粒尺寸和表面特性方面與現(xiàn)有制劑顯著不同，因此在理化性質(zhì)、毒性和環(huán)境行為等各方面和常規(guī)農(nóng)藥制劑之間可能存在顯著不同。納米農(nóng)藥制劑比傳統(tǒng)制劑有更好的防治效果，并從某些角度大幅提升農(nóng)藥對環(huán)境的安全性。但納米農(nóng)藥制劑也有兩面性，一方面，有更高活性以及在某些情形下對環(huán)境的污染降低；但另一方面，納米農(nóng)藥制劑的毒性和環(huán)境行為也可能發(fā)生重大改變，在某些情形下可能產(chǎn)生不利影響。目前各國農(nóng)藥監(jiān)管機構(gòu)也普遍意識到在納米農(nóng)藥制劑的監(jiān)管上需要有所突破。

本文簡單介紹了納米農(nóng)藥制劑的基本知識和未來在監(jiān)管上應(yīng)考慮的問題。

1 納米農(nóng)藥制劑的開發(fā)

在現(xiàn)有文獻中，納米材料和納米技術(shù)這兩個概念使用的比納米農(nóng)藥更多。如下機構(gòu)或組織對納米材料都有定義：⑴ 國家標(biāo)準(zhǔn)化組織 (ISO)；⑵ 經(jīng)合組織(OECD)；⑶ 歐盟(EU)新興及新鑒定健康風(fēng)險科學(xué)委員會 (SCENIHR)；⑷ 歐盟聯(lián)合研究中心(JRC)；⑸ 歐洲委員會 (EC)和歐盟；⑹ 北美洲；⑺ 澳大利亞有關(guān)機構(gòu)。

但是上述機構(gòu)都沒有準(zhǔn)確定義納米農(nóng)藥。其中，澳大利亞農(nóng)藥獸藥管理局(APVMA)認(rèn)為納米材料是一種新型的化學(xué)物質(zhì)，應(yīng)歸入新物質(zhì)的范疇進行立法，要求納米材料生產(chǎn)商和分銷商承擔(dān)安全舉證責(zé)任。APVMA還建議對現(xiàn)有的納米材料定義予以改進，即可以將納米材料定義為在一個或多個維度上尺寸小于100 nm的材料。

納米農(nóng)藥制劑是利用工程納米顆粒(ENP)技術(shù)生產(chǎn)的農(nóng)藥制劑產(chǎn)品。ENP正用于國防、能源生成和保存、農(nóng)業(yè)和環(huán)境修復(fù)等方面或在這些領(lǐng)域具有使用潛力。近年ENP在農(nóng)藥制劑開發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越熱。已經(jīng)提出的配方類型有液體制劑如納米乳劑、固體制劑如納米膠囊和納米顆粒(金屬、金屬氧化物和納米黏土)等。

納米農(nóng)藥制劑的生產(chǎn)需要各種納米技術(shù)。澳大利亞APVMA在其納米農(nóng)藥管理指導(dǎo)文件中列出了各種納米生產(chǎn)技術(shù)，以下是被廣泛應(yīng)用于農(nóng)藥納米制劑生產(chǎn)的納米生產(chǎn)技術(shù)。

⑴ 基于聚合物的納米制劑(polymer-based nanoformulations)

多種聚合物可用于納米農(nóng)藥制劑的生產(chǎn)?；诰酆衔锏募{米農(nóng)藥制劑有聚合物球和聚合物囊?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)聚合物的比例和分子量達(dá)到對有效成分的釋放速率。如根據(jù)聚合物基質(zhì)的不同，克百威在水中的釋放半衰期可在5.5～7.5 d。

⑵ 無機納米顆粒(inorganic nanoparticles)

大多數(shù)研究的無機納米顆粒是二氧化硅、二氧化鈦、銀和銅。Yuvakkumar等(2011)的實驗室和田間研究數(shù)據(jù)表明，納米二氧化硅顆粒提高了種子發(fā)芽和水分利用效率。然而，其他研究人員報告稱，要達(dá)到類似的效果，需要二氧化硅納米顆粒和硅藻土配方的使用量達(dá)到相同水平。

⑶ 多孔中空二氧化硅納米顆粒(porous hollow silica nanoparticles)

多孔中空二氧化硅納米顆?？捎糜诤芎玫乜刂妻r(nóng)藥的緩釋，特別是對光敏活性成分的緩釋。它們的外殼厚度約為15 nm，孔徑為4～5 nm，便于提高對農(nóng)藥有效成分的負(fù)荷量。多孔中空二氧化硅納米粒子具有防紫外線性能，可以顯著提高包埋在納米顆粒載體中空核心的阿維菌素的光穩(wěn)定性。

表1 納米技術(shù)在農(nóng)藥行業(yè)的潛在用途

⑷ 納米乳劑(nanoemulsions)

納米乳劑是兩種互不相溶的液體之間的混合物。納米乳劑在農(nóng)藥方面的主要用途是提高難溶性活性成分的表觀溶解度，同時限制配方中表面活性劑的使用濃度。納米乳劑的藥效與傳統(tǒng)的配方相似，或略高于傳統(tǒng)的配方。人們認(rèn)為，納米乳劑具有更高的藥效，因為其可以使環(huán)境中不穩(wěn)定的活性成分更緩慢地釋放。

⑸ 固體脂質(zhì)納米顆粒(solid lipid nanoparticles)

固體脂質(zhì)納米顆?？捎糜诳刂妻r(nóng)藥的釋放以及保護農(nóng)藥不被光解。采用固體脂質(zhì)納米顆粒制備的莠去津和西瑪津緩釋顆?？梢越档蛢煞N除草劑的用量，提供更長的持效期和更好的環(huán)境安全性。

⑹ 納米分散劑(nanodispersions)

納米分散劑也稱為納米懸浮劑(nanosuspensions)，是由納米晶體(由 100%活性成分組成的晶體或非晶顆粒)在液體介質(zhì)中分散而形成。此制劑能使活性成分的表面積(相對于體積)最大化，以增加難溶于水的化合物的分散度。納米分散體的生產(chǎn)成本相對較低，對環(huán)境的影響也較小。

⑺ 納米凝膠(nanogels)

納米凝膠由交聯(lián)聚合物網(wǎng)絡(luò)或水凝膠組成。那些被推薦用于農(nóng)業(yè)的納米凝膠往往不溶于水，因此不容易隨著濕度的變化而膨脹或收縮。它們還具有良好的農(nóng)藥裝載和釋放能力。如昆蟲信息素甲基丁香酚的納米凝膠制劑用于防治果實害蟲。

⑻ 靜電紡絲納米纖維(electrospun nanofibres)

靜電紡絲納米纖維正被用于植物保護方面的研究。這些纖維是通過靜電紡絲(利用電荷將纖維從液體中抽出)獲得的，其釋放曲線優(yōu)于微球和膠囊的。

⑼ 納米黏土(nanoclays)

納米黏土是一種厚為1 nm，寬為70～150 nm的硅酸鹽薄片材料。其是來自于火山灰中的蒙脫土，尺寸被縮小，表面被修改，形成生物相容性和低毒的納米黏土。這些無機材料中最有前途的一類是層狀雙氫氧化物，即所謂的陰離子黏土，是由陽離子層和可交換的層間陰離子組成的層狀固體，已被用于控制釋放植物生長調(diào)節(jié)劑 a-萘乙酸和除草劑 2,4-滴。其他潛在的用途包括緩慢和有針對性地釋放農(nóng)藥、植物養(yǎng)分和肥料等。

⑽ 碳納米管(carbon nanotubes)

碳納米管對植物生長有明顯的積極作用。Khodakovskaya和他的同事(2009)報道了碳納米管穿透番茄種子提高它們的發(fā)芽率和生長速度。在實驗室研究中發(fā)現(xiàn)，碳納米管可以改善鷹嘴豆的莖和根的生長。碳納米管可用于樣品中的農(nóng)藥殘留物提取和凈化，改進農(nóng)藥殘留分析技術(shù)。

近年來納米農(nóng)藥制劑研究越來越多，已有很多關(guān)于納米農(nóng)藥制劑的藥效、環(huán)境歸宿和監(jiān)管要求等方面的研究文章發(fā)表，也有很多產(chǎn)品獲得了專利保護。但是，目前為止獲得登記和商業(yè)化應(yīng)用的產(chǎn)品還很少。根據(jù)M.Keh統(tǒng)計，截止到2011年4月，共有3 232個關(guān)于納米農(nóng)藥(NP)的專利，其中65%發(fā)布在2007-2011年。中國研究人員在農(nóng)藥納米制劑方面的研究也很積極。

美國EPA于2011年批準(zhǔn)了世界上第1個納米農(nóng)藥產(chǎn)品(納米銀制劑)的有效期4年的有條件登記。該產(chǎn)品(AGS-20)來自瑞士，被批準(zhǔn)用于紡織品。2015年 EPA第 2次批準(zhǔn)登記了另一個納米銀制劑(NSPW-L30SS)產(chǎn)品的有條件登記。另一個獲得登記的真正用于農(nóng)業(yè)的納米制劑產(chǎn)品是先正達(dá)的基于丙環(huán)唑的Banner-MAXX(表1)，用于花卉作物。

2 納米農(nóng)藥制劑的環(huán)境行為

已廣泛深入地研究了傳統(tǒng)農(nóng)藥制劑在環(huán)境中的行為，但是納米農(nóng)藥制劑在環(huán)境中的行為研究還相對缺乏。納米制劑對農(nóng)藥有效成分環(huán)境歸宿的影響可能多種多樣，除了取決于獲得納米農(nóng)藥制劑的技術(shù)之外，還受有效成分本身性質(zhì)的影響。因此，確定納米制劑將在多大程度上影響有效成分的傳遞、遷移或生物利用度等過程，對于可靠的納米農(nóng)藥制劑環(huán)境風(fēng)險評估至關(guān)重要。

由于納米農(nóng)藥生產(chǎn)技術(shù)和所用材料多樣性，不同的納米農(nóng)藥制劑可能具有不同的環(huán)境行為模式，因此研究納米農(nóng)藥制劑的環(huán)境行為與研究傳統(tǒng)農(nóng)藥制劑的環(huán)境行為不同，其技術(shù)和方法應(yīng)作相應(yīng)調(diào)整。

在過去的10年中，人們對無機(主要是金屬)工程納米顆粒進行了大量的研究，并且定期評估其歸宿和風(fēng)險。但是到目前為止，有機納米載體特有的問題還沒有引起重視。

下面簡單介紹納米農(nóng)藥制劑在環(huán)境中的行為過程。

⑴ 傳遞

農(nóng)藥被施用后，吸附是影響有效成分傳遞的主要因素。目前進行的唯一的土壤吸附試驗是針對百草枯的納米制劑，其在水中的釋放時間為8 h。在極少量土壤(0.01-0.05 g)上進行了為期 3 h的批量試驗。即使增加了有機質(zhì)含量和/或土壤量，納米百草枯的吸附量仍然低于純活性成分。研究人員由此得出結(jié)論：納米制劑可以顯著改善除草劑在使用中的可利用度，因為其吸附和降解都降低了。實踐中，評估納米農(nóng)藥制劑應(yīng)用后的傳遞情況時，第一步應(yīng)該確定在田間條件下可能的釋放情況，還需要評估進入地表水和地下水的潛力。迄今為止，對納米農(nóng)藥制劑傳遞過程的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

⑵ 生物利用度

聚合物制劑已廣泛應(yīng)用于藥物，能夠增加活性成分的生物利用度。許多納米農(nóng)藥制劑已被證明比純活性成分或常規(guī)的商業(yè)化制劑更有效(表2)。這可能是由于負(fù)載于納米載體的活性成分比純活性成分具有更高的生物利用度和更高的吸收能力。

負(fù)載于納米載體的活性成分的生物利用度取決于載體的性質(zhì)和所研究的有機體。不能認(rèn)為負(fù)載于納米載體上的農(nóng)藥活性成分是完全可被生物利用，因為可能有更微妙的過程會影響有效成分的利用度。

納米殼聚糖是一種具有優(yōu)良理化性能和生物活性的天然材質(zhì)，被認(rèn)為是一類極具應(yīng)用前景的藥物控效載體。然而，對于殼聚糖與手性農(nóng)藥對映體相互作用，由此引起的對手性農(nóng)藥生物可利度性的影響和機制還缺乏必要的了解。文岳中等的研究表明殼聚糖分子(CS)存在時，2,4-滴丙酸(DCPP)在藻液中的降解存在手性差異，其降解速率大小依次為：(R)-DCPP-CS＞(S)-DCPP-CS。這與 2,4-滴丙酸手性對映體本身在藻液中的降解速度大小順序相反，除草劑本身的降解率大小為(R)-DCPP＜(S)-DCPP。

⑶ 釋放曲線

無論是在科學(xué)上還是在管理上，對納米載體耐久性的表征和分析對于評估納米農(nóng)藥制劑在環(huán)境中的歸宿都至關(guān)重要。

表2 文獻報道的納米農(nóng)藥制劑的藥效(Kah和Haffman，2014)

對于易于溶脹和溶解的聚合物基質(zhì)(如親水型的聚合物)，其凝膠層的厚度會影響擴散途徑，從而改變釋放行為。因此，聚合物的降解過程將極大地影響釋放曲線。有時，由于聚合物基質(zhì)大量降解，剩余的活性成分也會釋放。此外，如果活性成分在聚合物基質(zhì)中的分布不均勻，表面的快速脫附和擴散可能會導(dǎo)致活性成分的突然釋放。有許多納米農(nóng)藥制劑被報道存在這種不良的作用，這也推動了后續(xù)替代物如納米凝膠或納米纖維的開發(fā)。

3 納米農(nóng)藥制劑的風(fēng)險評估

3.1 納米農(nóng)藥制劑的毒性評價

已有很多文章報道了納米技術(shù)在消費品和工業(yè)產(chǎn)品中的潛在好處，越來越多的納米材料有望用于消費品，人類在日常生活中對納米材料的接觸將會越來越多。然而，納米材料在毒理學(xué)上是一類“新”的復(fù)合物，因為它可能以一種我們現(xiàn)在只能部分理解的方式與生物系統(tǒng)相互作用。

納米材料對人類和環(huán)境的影響是一個日益受到科學(xué)關(guān)注的領(lǐng)域。諸多文章表明在環(huán)境中發(fā)現(xiàn)的納米材料可能具有毒性作用。如已知吸入某些納米顆?？赡軐?dǎo)致局部肺部炎癥、過敏反應(yīng)或?qū)虍a(chǎn)生有害影響；某些特定類型的納米纖維可能引起類似石棉的反應(yīng)，包括慢性炎癥；還有一些問題與內(nèi)部暴露有關(guān)，因為一些顆?？赡軙M入血液，并在肝臟和脾臟等器官中積累。納米物質(zhì)能夠進入細(xì)胞，從而可能導(dǎo)致直接和間接的基因毒性效應(yīng)。

然而，這些紛繁多樣的毒理效應(yīng)的試驗數(shù)據(jù)并不具有可比性，很難被理解和解讀。因為這些研究使用了不同的離體和活體試驗?zāi)Ｐ?、不同的納米材料來源、不同的納米材料表征方法以及不同的試驗條件等。

納米農(nóng)藥制劑能夠控制農(nóng)藥有效成分的釋放，從而降低農(nóng)藥急性毒性，但另一方面也可能對人和其他有益生物的毒性增強。

到目前為止，關(guān)于納米農(nóng)藥制劑的哺乳動物毒性研究還很少，尚未有標(biāo)準(zhǔn)化的評價方法。因此，

未來還有很多工作要做，如需要對納米材料的特性、毒性和健康影響進行更多的研究；對測試方法進行驗證；確定毒性試驗的陰、陽性對照物；毒性數(shù)據(jù)需要進行協(xié)調(diào)。對于某些可能存在于消費產(chǎn)品中或?qū)砜赡苓M入市場的納米材料，目前還沒有可用的一般信息來進行風(fēng)險評估。對于納米材料的毒性評價，必須采用標(biāo)準(zhǔn)化的驗證方法。

3.2 納米農(nóng)藥制劑的環(huán)境風(fēng)險評價

由于影響因素較多，很難籠統(tǒng)地對特定納米材料的環(huán)境風(fēng)險做出結(jié)論。

對于納米農(nóng)藥制劑而言，由于各種原因，如涉及的物質(zhì)眾多、田間使用混劑、暴露劑量的差異，以及使用農(nóng)藥地區(qū)的地理和氣象差異等，致使其環(huán)境風(fēng)險評估并不容易。納米農(nóng)藥制劑的特定風(fēng)險評估是一個要求很高的項目，因為用于分析常規(guī)化學(xué)品風(fēng)險的假設(shè)，以及測試其環(huán)境行為和人類可能攝入的測試方法和模型，可能不適用于納米產(chǎn)品(表3)。由于進入農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的納米材料不斷增加，造成了環(huán)境歸宿和環(huán)境運輸問題，這些問題需要解決。

更重要的是，在農(nóng)業(yè)實踐中可能使用的大量納米制劑與各種環(huán)境因素的相互作用還不清楚，如自然產(chǎn)生的超細(xì)顆粒(ultrafine particles)對納米農(nóng)藥制劑歸宿有未知影響，可能影響納米材料的物理化學(xué)特性，改變它們的毒理特性，從而改變職業(yè)風(fēng)險。因此，評估納米材料用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的危害的方法應(yīng)不同于傳統(tǒng)化學(xué)品的評估方法，也不同于不同環(huán)境下同一納米材料危險特性的評估方法。此外，對納米材料衍生的生物固體知之甚少，這些固體可能進入食物鏈或?qū)χ参?、微生物、土壤生物有直接或間接的毒性，進而影響農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，也可能影響納米材料的環(huán)境行為和藥效。含有納米材料的農(nóng)藥和不含納米材料的農(nóng)藥對人類和環(huán)境造成的風(fēng)險可能不同，通常用于研究非納米農(nóng)藥制劑的模型可能不適用于研究納米材料(表3)。

此外，納米制劑可能包括各種形式的有機或無機成分，由于在環(huán)境中發(fā)生的物理、化學(xué)和生物過程，這些成分在儲存期間或使用期間或使用后也可能隨時間而變化。分析技術(shù)應(yīng)該要能夠檢測這些變化，其可能影響納米制劑在非平衡環(huán)境中的溶解度、吸附、降解和可用性等行為。

4 總 結(jié)

開發(fā)納米農(nóng)藥制劑的目的多種多樣，可能成為降低農(nóng)藥對人類和環(huán)境生物的毒性的重要解決方 案。但是納米農(nóng)藥制劑也擺脫不了納米材料的缺點。

表3 常規(guī)農(nóng)藥使用的環(huán)境歸宿參數(shù)及其與納米農(nóng)藥制劑的相關(guān)性

為了提高納米材料和納米農(nóng)藥制劑對預(yù)定目標(biāo)的有效性，需要對當(dāng)前的施用方法進行評價。由于缺乏關(guān)于納米農(nóng)藥制劑藥效的知識，很多的藥效情況尚屬未知，需要在推廣之前進行進一步的研究。

利用目前的知識似乎不足以對納米農(nóng)藥制劑的益處和風(fēng)險作出可靠的評估。

研究農(nóng)業(yè)納米化學(xué)品的有害特性時，應(yīng)考慮納米化學(xué)品與農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中多種脅迫因素之間可能存在的相互作用，這些脅迫因素可能導(dǎo)致拮抗、協(xié)同和加合效應(yīng)，或?qū)Νh(huán)境和健康造成不利影響。

由于現(xiàn)有的環(huán)境風(fēng)險測試方法和評價程序不可能完全適用于對納米農(nóng)藥制劑的評價。對于納米農(nóng)藥制劑來說，還需要解決諸如分析和表征、環(huán)境歸宿和暴露評估、生物群落吸收等方面的問題，以及在水生和陸地生態(tài)系統(tǒng)中的生態(tài)毒性和風(fēng)險評估等。貫穿始終的焦點是評估納米農(nóng)藥制劑的存在是否引入了與傳統(tǒng)化學(xué)活性成分可能不同的環(huán)境風(fēng)險。這方面的問題已經(jīng)引起歐美等發(fā)達(dá)國家監(jiān)管部門的關(guān)注。他們正在致力于開發(fā)納米農(nóng)藥制劑的監(jiān)管方法和監(jiān)管框架。經(jīng)合組織有一個龐大的工作計劃，正在考慮如何修改測試指南以適合評估納米顆粒環(huán)境危害的需要。目前，澳大利亞和印度農(nóng)藥主管部門已經(jīng)制定了納米農(nóng)藥監(jiān)管指導(dǎo)。