人口增长导致的全球粮食不安全问题可以通过精准和可持续的农业实践来解决。为了解决粮食不安全问题,农民使用不同的农用化学品来改善植物生长和保护。在这些农用化学品中,用于农业领域植物保护的合成农药具有各种缺点。传统使用的合成农药存在降解快、溶解性差、非靶标效应等缺点,且农药径流增加,污染环境。纳米技术已发展成为通过开发不同纳米形式的农用化学品(例如纳米农药、纳米肥料、纳米胶囊、纳米球、纳米凝胶、纳米纤维、纳米胶束和纳米生长促进剂)来提高农业生产力的潜在解决方案。将这些农药封装在纳米材料中,通过抑制活性成分(AI)的早期降解,增加农药的吸收和粘附,提高农药的稳定性、溶解度和渗透性,并减少环境污染,比传统应用提供了良好的生物相容性。农药径流造成的影响。
在这篇综述中,不同纳米形式的封装农药及其智能递送系统；基于 RNA 干扰 (RNAi) 的农药中的纳米载体；环境命运、实际影响、纳米农药的管理；并讨论了未来的前景。
精准可持续农业/精准可持续农业实践的主要目标是满足全球人口不断增长的粮食需求。 20 世纪 60 年代的绿色革命旨在通过提高粮食生产来减少饥饿。因此,作物研究获得了大量资金,通过使用化学合成农药保护作物来提高产量,从而加速了农药的使用。 然而,后来的研究表明,只有 1% 或更少的农药到达了预期区域,其余的最终目标是非目标(有益)生物。 这种传统的农药使用方式会通过淋滤污染环境,并遭受生物降解、水解、光降解、生物累积和径流,导致富营养化。尽管这些农药会对环境产生不利影响,但控制害虫以最大限度地提高作物产量至关重要。在过去的 50 年里,人们提出使用植物提取产品、专门的人造杀虫剂和转基因作物作为提高作物产量的替代方案,但这在应用过程中损害了耕地标准。因此,为了限制合成农药对环境和非目标生物的潜在负面影响,需要仔细考虑对环境影响较小且具有成本效益的技术,因此,开发低毒、低副作用、低残留的新型靶向农药的需求激增。
由于纳米颗粒的独特性质,例如尺寸小、热稳定性、溶解度、高表面积与体积比、更高的渗透性和生物降解性,工程纳米材料 (ENM) 在农业中越来越被接受。 有效利用这些纳米颗粒对于减少传统农药应用对环境和生态系统的不利影响非常重要。 人们对ENM在农业领域的使用进行了大量研究,包括纳米农药的开发,并表明它们在纳米形式的应用有效地提高了作物产量并减少了环境污染。使用这些新型纳米农药的植物病害防治取得了进展,因为它们本身既可以作为保护剂,也可以为杀虫剂、杀菌剂和除草剂等农用化学品提供载体系统(图 1),它以其毒性较低、稳定性提高和持续释放而闻名,可提供针对害虫的保护,而不会对周围环境产生不利影响(图 1)。 因此,纳米农药比传统类似物更安全、更有效。 提高生产力和实现可持续生态农业的农业经营的一个重要组成部分是有效使用胶囊化纳米农药。
图 1. 纳米材料作为保护剂或载体,用于针对多种害虫控制释放活性物质,并提高稳定性和控制释放,实现可持续农业
在农药的历史上,RNA干扰(RNAi)是转录后基因沉默机制的突破性技术,其中靶基因的信使RNA(mRNA)通过小干扰RNA(SiRNA)下调其表达。RNAi也被视为反向遗传学分析基因功能的常用工具。这种下调基因表达的途径可用于植物害虫控制管理,通过抑制负责害虫生存的靶标 mRNA,而不影响非靶标生物。这种防治植物病虫害的机制引起了可持续农业的兴趣。dsRNA 是一种天然分子,在环境中很容易降解。除此之外,害虫肠壁内的细胞摄取和内体逃逸也是 dsRNA 持久存在的障碍 。为了克服这些障碍,人们倾向于将基于 RNAi 的农药制成纳米制剂,以防止它们因环境因素而降解。纳米载体可以通过改善其在农业领域的递送和稳定性,在提高基于 RNAi 的生物防治的功效方面发挥重要作用。脂质体、壳聚糖、核壳纳米粒子、分支两亲肽胶囊和鸟苷酸聚合物是一些已被用来提高 RNAi 效力的纳米粒子。大多数这些纳米粒子都是带有正电荷(例如氨基)的,以静电方式与 dsRNA 中的磷酸基团结合。因此,纳米载体在 RNAi 中的各种优势包括保护 dsRNA 免受不利环境的影响,如紫外线辐射、核酸酶降解和雨水破坏。它们还具有高度选择性、目标特异性,并通过提高穿透围食膜和害虫肠道的能力来提高敏感性。例如,壳聚糖介导的 dsRNA 提高了淋巴进入效率,增加了 Ostrinia nubilalis 肠道稳定性,并减少了核酸酶降解。郑等人 (2019) 发现阳离子核壳荧光树枝状聚合物提高了针对蚜虫 Aphis sweetines 的基因沉默的有效性。针对单加氧酶基因 CYP15C1,Sun 等人(2020),发现带有 dsRNA 的星形聚阳离子显著提高了 Chilos upperssalis 的死亡率,从而保护植物免受害虫侵害。此外,据报道,通过与壳聚糖纳米载体交联的三聚磷酸钠提高 RNAi 的有效性,导致害虫死亡率超过 70%。因此,在害虫防治管理中使用 dsRNA 和纳米技术具有多种好处,并且能够在农业领域创建新型害虫防治方法,实现可持续农业(图 2)。
图 2. 纳米农药对刺激做出反应并通过修饰载体结构释放活性成分以在环境中可持续释放
纳米技术是一项正在发展的技术,可用于多种应用,包括农用化学品的释放。大量科学发现证明,农药中的纳米制剂可实现定向递送,并有潜力为可持续农业开发更安全、更有效的农药。纳米制剂在田间的积极影响包括增加溶解度、保护农药免于早期降解、延长对目标生物体的递送时间、减少农药损失以及在田间使用更少的农药。尽管这是一个优势,但全球市场上只有极少数的纳米农药制剂。
关于纳米材料的命运和对环境的影响的知识仍然没有定论。由于纳米材料与单个原子完全不同,因此一旦应用于该领域,它们的行为可能会有所不同。因此,应采用适当的技术来了解对害虫的直接和间接影响以及对植物的影响。尽管有报道称纳米农药在促进植物生长、提高黄酮类化合物含量、提高光合速率、增强抗逆性等方面具有积极作用,但它们之间的分子相互作用仍然是一个挑战,可以通过开发适当的技术来解决。因此,未来的前景包括开发智能纳米农药,克服传统应用在促进植物生长方面所面临的局限性；可以改进研究以分析纳米材料的完整相互作用；可以以具有成本效益的方式开发纳米农药生产技术,并使农民能够负担得起；应采用适当的指导方针,建立统一的监管框架和政策,以大规模应用纳米农药促进可持续农业。除此之外,公众接受度对于纳米农药在市场上的利用和成功商业化也具有重要意义。