乳油是中国农药传统剂型之一,在农药制剂中占据重要位置。但是为了提高农药在制剂中的含量,乳油中需要添加苯、甲苯、二甲苯等芳烃类有机溶剂,以及甲醇、二甲基甲酰胺等极性有机溶剂,这些溶剂闪点低、挥发性强、毒性高、易燃易爆,不仅在运输、贮存和使用中具有危险性,还可能对土壤、水体环境造成污染,对哺乳动物、水生生物和非靶标生物也存在危害。随着对产品安全以及环境可持续化发展认识的不断提高,乳油的登记数量在中国农药制剂中所占比例逐年下降。因此,严格限制有害有机溶剂的使用、寻找绿色环保的替代溶剂,进一步提高制剂产品质量,是农药乳油的发展趋势。近年来,很多科研人员针对乳油中有害有机溶剂的替代进行了研究,希望能找到与传统溶剂相比有相当的溶解性能,且更加低毒、安全的环境友好型溶剂,以改进乳油的安全性能。

本文着眼于乳油所面临的问题及挑战,详细介绍了近年来有关环境友好型溶剂替代乳油中有害有机溶剂的研究进展,进一步结合COSMO-RS这种热力学模型在溶剂快速筛选方面的优势,提出了量化计算手段筛选乳油替代溶剂的可能性,旨在为乳油中有害有机溶剂的替代品研究提供参考。

1、农药乳油的生产现状及其优点

乳油对农药原药适用性较广,凡是在有机溶剂中有较高溶解度的农药有效成分均可制备成乳油,因此乳油产品在农药制剂中占据着重要地位。然而,随着社会对环境污染问题的逐渐关注,传统乳油已无法满足环境安全的要求。据统计,近年来乳油在主要农药制剂产品中的占比已从2010年的65.6%下降到2018年的32.6%左右(表1),不过从表 1 也可以看出,2018年尽管新型农药剂型的种类和占比明显增加,但乳油仍然是占比最大的农药制剂。

农药乳油在农业生产当中发挥着重要作用。乳油组成成分简单,一般情况下仅需要农药原药、有机溶剂和乳化剂3种组分,在反应釜缓慢搅拌即可制备,不需要复杂的设备,加工成本也相对较低；乳油生物活性高,其有效成分随药液可均匀地分布到作物表面,有较好的湿润性和附着力,防治效果较高；另外,乳油贮存稳定性高,在使用时操作方便。因此,乳油虽存在环境和健康风险,但其自身优势使得其市场占有率仍然非常可观。

表1 我国主要农药制剂产品在不同年份登记情况

2、乳油面临的问题及挑战

2.1 乳油中有机溶剂的使用现状

农药乳油中有机溶剂的含量约占制剂总质量的10%～90%,因此有机溶剂对制剂的有效性及安全性影响很大。20世纪末,中国在农药制剂加工生产中,每年消耗甲苯、二甲苯等有机溶剂40万吨,其中乳油加工中消耗量最多。近年来,随着乳油产量的不断压缩,苯、甲苯、二甲苯、甲醇等有机溶剂的使用量有所降低,但仍在30万吨以上,有机溶剂的大量使用可能会产生一系列的安全隐患,为此很多国家都出台了关于农药助剂中有机溶剂的管理政策和控制措施。

美国、欧盟等发达国家很早就禁止在乳油中使用甲苯、二甲苯、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)等有害有机溶剂,中国台湾地区、日本、西班牙、德国以及欧盟等也提出了农药产品中禁、限用的助剂及相关有害物质的限量名单；2014年,中国工信部出台了HG/T 4576-2013《农药乳油中有害溶剂限量》标准,对苯、甲苯、二甲苯、乙苯、甲醇、DMF 和萘等7种溶剂作了限量要求(见表2),与中国台湾地区规定的农药产品中有机溶剂的限量相比,中国工信部对乳油中有害溶剂限量标准的要求更加严格。

2015年中国农药管理部门组织专家曾研讨对甲醚、壬基酚等9 种禁用助剂和苯、甲苯等75种限用助剂加强管理,起草了《农药助剂禁限用名单》(征求意见稿),但至今未发布,也表明对于助剂的危害,不能简单地用“一禁了之”来解决,而是需要有相应的替代措施。

表2 中国农药乳油中对有害溶剂的限量要求

2.2 乳油中有机溶剂的危害

乳油加工过程中通常需要加入大量的苯、甲苯、二甲苯、甲醇、二甲基甲酰胺等有机溶剂,此类有机溶剂随着制剂产品的大量使用进入到生态系统中,不仅会污染环境水和土壤,还会影响土壤微生物和水生生物的多样性,甚至通过生物富集、食物链传播等对人类的生命健康带来风险。

乳油中芳烃类有机溶剂可以破坏人体和哺乳动物生理机能,干扰生命活动,对其健康危害严重。苯、甲苯对中枢神经系统的毒性最大,长时期低浓度接触会导致慢性中毒,损害造血系统的功能,而二甲苯的毒性尽管略低,但同样也不容轻视。Reséndiz等发现苯、甲苯和间二甲苯对大鼠急性神经行为有影响,可引发小鼠产生类似焦虑的行为、对其学习能力和运动协调能力均有影响。Eddleston等选择在组织学、解剖学和生理学上和人类非常接近的哥廷根小型猪作为模式物种进行研究,表明40%乐果乳油中的溶剂环己酮对哺乳动物的毒性较高。

芳烃类有机溶剂对水生生物也具有一定的毒性。高士博等发现,芳烃类溶剂可以影响底栖生物类群仿刺参过氧化氢酶(CAT)基因的表达和酶活性的变化。Cheng等发现,苯、甲苯、乙苯、二甲苯及其混合物,在 0.005～5 µmol/L较低的浓度范围内,均以剂量反应关系抑制水生生物纤细裸藻Euglena gracilis细胞的生长,改变细胞形态,形成脂褐素并降低叶绿素含量,因此纤细裸藻也可作为监测地下水苯、甲苯、乙苯、二甲苯含量的模式生物。

一些有机溶剂还会对传粉昆虫造成不利影响。Mullin等综述了农药制剂对蜜蜂的毒性,提到农药乳油中常使用的极性溶剂N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)对蜜蜂幼虫的毒性极大。李新扬研究发现,阿维菌素原药对小麦幼苗叶绿素含量、有机物含量、MDA和活性氧清除酶活性无明显影响,而2%阿维菌素乳油和二甲苯则对小麦幼苗的毒害作用明显。

2.3 乳油问题的改进措施
为使农药向精细化、安全化、高质量方向发展,针对乳油中有害有机溶剂的问题,本文提出以下建议：1)发展高浓度乳油,减少助剂的使用量；2)采用安全性高的环境友好型溶剂替代乳油中的有害有机溶剂；3)开发水基化剂型或固态剂型替代乳油剂型。其中,采用环境友好溶剂替代乳油中的有害有机溶剂可显著降低传统乳油的毒性,同时这些溶剂具有对农药有效成分的较高溶解度,且不影响药效,作为替代溶剂可行性较高,因此,与上述其他两条改进措施相比,寻找环境友好溶剂替代有害有机溶剂来解决乳油问题具有更好的可行性。

3、乳油替代溶剂的种类及研究进展

 
乳油中的有害有机溶剂可以用具有相似性能的环境友好溶剂替代。到目前为止,经过研究筛选出的可以替代芳香烃类有机溶剂的溶剂主要包括生物源溶剂、矿物源溶剂和人工合成溶剂等三大类,其中人工合成溶剂中的低共熔溶剂,由于不具有可燃性、挥发性,且溶解性好,在替代乳油中有害有机溶剂方面具有很好的潜力。

3.1 生物源溶剂

生物源溶剂主要是指从动植物中提取的低毒类天然产物,原料易得,可生物降解,对环境污染较小。主要分为植物油类溶剂、植物精油和松树油类溶剂。这些溶剂种类繁多,在替代乳油中有害有机溶剂方面的应用已逐年增加。

植物油类溶剂,又可分为植物油和改性的植物油。植物油的主要成分为脂肪酸甘油三脂,如大豆油、玉米油等,这类溶剂成本低,对环境安全,但溶解性和稳定性较差,可以对其进行甲酯化或甲基化改性,显著提高其对农药的溶解性,有些还具有增效作用。例如生物柴油的主要成分为脂肪酸甲酯,可通过动植物油脂与甲醇酯交换反应得到,属于改性的植物油,是一种相对环保的溶剂。刘跃群等探究了以生物柴油为溶剂配制5%精喹禾灵乳油的效果,发现在使用剂量为有效成分2 g/hm2 时生物柴油配制的乳油防效甚至会略高于二甲苯为溶剂的乳油。Chin等将毒死蜱与生物柴油、助溶剂、表面活性剂混合,制备了40.8%毒死蜱乳油,与商品化41.1%毒死蜱乳油制剂相比,性能和药效几乎没有差别,另外,生物柴油由于挥发性低,还可以减少毒死蜱挥发产生的异味。甲酯化的植物油乳油虽然药效较好,但和传统的有机溶剂相比,与有些农药有效成分互溶性差,且成本偏高。

植物精油类溶剂,可通过水蒸气蒸馏法从植物的叶、花、果实或芳香植物的其他部分中提取得到,且有些植物精油对害虫和植物病原真菌还具有一定的生物活性。为筛选可以替代鱼藤酮乳油中二甲苯的植物精油类溶剂,Wen等比较了樟脑油、丁香油、桂皮油等27种商品化植物精油的生物毒性及对鱼藤酮的溶解度。结果发现,鱼藤酮在桂皮油中的溶解度为15.84 g/100 g,是二甲苯中溶解度的4倍多,同时桂皮油与鱼藤酮还具有良好的协同活性,混合物处理24h 后,对斜纹夜蛾细胞及其3龄幼虫的共毒系数分别可高达240.75和166.23,表明桂皮油可以作为鱼藤酮乳油中二甲苯的替代品。

松树油类溶剂包括松油、松节油、松脂基植物油等。其中,松脂基植物油是松树油类溶剂的代表,主要由萜类

化合物及脂肪酸单烷基酯组成,其在各方面的性能与芳烃类溶剂相当,是替代乳油中芳烃类有机溶剂的理想溶剂之一。龚宝金等发现,从松树中提取一种松脂基植物油OD-1,闪点高,对甲氨基阿维菌素苯甲酸盐(甲维盐)的溶解性也较好。配制的2%甲维盐乳油可以有效防治小菜蛾和甜菜夜蛾,且防效高于以苯为溶剂所制备的乳油。但松脂基植物油的适用性也具有特殊性,王文忠等发现,尽管松脂基植物油 ND-60对47种常用农药的溶解性能优于二甲苯,但对多杀菌素和杀扑磷等15种农药的溶解性能却远低于二甲苯,以其为溶剂配制稻瘟灵、三唑磷、氟硅唑、氟铃脲等8种农药乳油时,其冷贮、热贮稳定性不合格。因此,松脂基植物油在乳油中的实际应用中还需进一步研究。

3.2  矿物源溶剂

矿物源溶剂是从石油中加工得到的芳烃类或烷烃类物质,包括矿物油、磺化煤油、溶剂油等。矿物油是由石油精炼所得液态烃的混合物,主要为饱和的环烷烃与链烷烃混合物,本身可作为农药使用,具有防治介壳虫、蚜虫、螨虫的杀虫效果。磺化煤油由于毒性小、资源充足、环境相容性好,可以作为传统乳油中芳烃溶剂的替代物。段文岗等开发了一系列以磺化煤油为芳烃溶剂替代物的农药乳油制剂,包括丁硫克百威、高效氯氰菊酯、三唑酮、毒死蜱等。此外,埃森克美孚公司生产的高沸点重芳烃溶剂油,如 Solvesso-100(S-100)、Solvesso-150(S-150)和 Solvesso-200(S-200)系列溶剂等,闪点更高,分子质量较大,由于其毒性比甲苯、二甲苯低,且对多种农药具有较好的溶解性能,因此可作为乳油中甲苯、二甲苯的替代品。刘金玲等比较了高沸点重芳烃溶剂油、二甲苯、生物质溶剂对不同农药的溶解性能和配制成乳油的药效,结果发现,高沸点重芳烃溶剂油与二甲苯的溶解性能相似,但其在40%的毒死蜱乳油、42%毒死蜱.噻嗪酮乳油、25%丙环唑乳油、8.8%精喹禾灵乳油的药效明显优于二甲苯体系,因此可替代农药乳油中的二甲苯,具有一定的推广使用价值。

3.3  人工合成溶剂

人工合成溶剂是通过人工合成的方法得到的对农药溶解性能较高、低毒安全的有机溶剂,可替代农药乳油中有害有机溶剂的使用。例如乙酸仲丁酯,可以通过乙酸与仲丁醇在硫酸存在下发生酯化反应得到,也可以通过乙酸与正丁烯发生加成反应获得。乙酸仲丁酯的毒性远低于二甲苯和甲苯,且价格低廉,与其他新型乳油替代溶剂矿物源和生物源溶剂相比,在溶解性能、成本等方面均有一定的优势。张鹏等报道乙酸仲丁酯对高效氯氰菊酯、二甲戊灵、阿维菌素等均有较好的溶解性。又例如乙二醇二乙酸酯(EGDA),由于低毒,广泛应用于油漆、涂料、黏合剂、化妆品、烟草等很多领域,作为新型环保乳油中的有机溶剂,可以克服芳烃溶剂的缺陷。Zhang等配制了以EGDA为溶剂的2.5%高效氯氟氰菊酯乳油,与二甲苯为溶剂所制备的乳油相比较,二者均具有较好的乳化性和稳定性,但相对来说,由于EGDA所配制的乳油闪点较高,表面张力和接触角较小,使用过程中可以减少漂移,无论是运输贮存的安全性,还是农药利用率均有所提高,生物测定的结果显示,EGDA乳油对水生生物的毒性低,对目标昆虫防治效果较好。表明EGDA是一种很有潜力的油溶性农药载体,可以改善农药乳油的应用性能,降低其不良影响。

低共熔溶剂属于人工合成溶剂,一般由两种或两种以上的组分通过搅拌加热的方式组成。其中一种组分作为氢键受体(HBA),如季铵盐、甜菜碱、氯化胆碱等；另一种组分作为氢键供体(HBD),包括尿素、酰胺、羧酸、多元醇等化合物。而全部由天然化合物(糖类、氨基酸类、胆碱类)组成的物质为天然低共熔溶剂。2003年,Abbott等制备了由氯化胆碱和尿素组成的物质,并首次提出低共熔溶剂的概念。低共熔溶剂热稳定好、难挥发、导电性高、制备简单、可生物降解、低毒、便宜。在室温下大部分的低共熔溶剂为液体,符合作为替代溶剂的基本条件。另外,低共熔溶剂可以溶解多种无机物、金属氧化物和难溶的有机物,在溶解药物和纤维素、半纤维素等化合物方面均有研究,因此,将低共熔溶剂应用到农药制剂领域中溶解难溶性农药存在很大的可能性,作为绿色溶剂替代乳油中有机溶剂的使用,具有很好的应用前景,值得进一步深入开发研究。

4、采用热力学模型预测筛选乳油中替代溶剂的应用前景

在进行乳油中有害有机溶剂替代物的选择时,需要筛选出性能优异、对农药溶解性好的绿色溶剂,由于备选物质种类繁多,仅依靠实验手段会耗费大量的精力和时间,而热力学模型及其代表COSMO-RS(Conductor-like Screening Model for Real Solvents)模型的迅速发展为替代乳油中有害有机溶剂的绿色溶剂快速筛选提供了可能。

4.1  热力学模型
热力学模型在化合物分子设计和混合物热力学性质预测方面发挥着重要作用,基于经验判断和某些实验数据,应用计算机模拟,通过确定的溶剂分子结构即可预测其在混合物中的活度系数、气液相平衡、固液相平衡、液液相平衡等一系列热力学性质,继而对溶剂的萃取分离效果进行定性和定量的评价。常用的一些热力学模型包括经典状态方程、NRTL活度系数模型、UNIQUAC活度系数模型、UNIFAC模型等,这些模型具有不同的理论基础,广泛应用于混合物相平衡的模拟预测上。然而,这些热力学模型在预测时需要大量实验数据对参数进行拟合,因此,计算精度会因为数据量的限制致使结果并不理想,从而阻碍了预测模型的进一步推广。

作者：中国农业大学理学院应用化学系 郭洋洋、刘丰茂、王娟、彭庆蓉