從事納米技術(shù)研究的學者很少關注農(nóng)業(yè)，開展農(nóng)業(yè)應用研究的專家也很少鉆研納米技術(shù)，這一現(xiàn)象近年來正逐漸改觀。
11月17日—18日，第一屆納米科技與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國際會議在北京召開。記者從會上獲悉，中國農(nóng)業(yè)科學院成功開發(fā)了一批高效安全的殺蟲劑、殺菌劑、除草劑等納米農(nóng)藥新劑型，引起了國內(nèi)外與會代表的高度關注。
研究結(jié)果顯示，納米農(nóng)藥制劑可顯著地增強藥效功能、延長持效期、提高生物利用度、杜絕有害溶劑與助劑，從而大幅度節(jié)約施藥劑量，降低農(nóng)產(chǎn)品殘留和環(huán)境污染。
據(jù)悉，中國農(nóng)科院于2014年啟動了國家納米農(nóng)業(yè)領域的第一個“973”計劃項目“利用納米材料與技術(shù)提高農(nóng)藥有效性與安全性的基礎研究”，目前正致力于產(chǎn)業(yè)化開發(fā)和應用推廣研究。
“納米農(nóng)藥的全面推廣應用，將有利于實現(xiàn)傳統(tǒng)化學農(nóng)藥的提質(zhì)增效與節(jié)量、減排，振興綠色農(nóng)藥產(chǎn)業(yè)。”上述“973”項目首席科學家、中國農(nóng)科院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所(以下簡稱環(huán)發(fā)所)研究員崔海信告訴《中國科學報》記者。
“說神秘也神秘，說簡單也簡單”
喝雞湯與吃雞肉，哪個更容易吸收?這個問題的答案毋庸置疑，崔海信向記者解釋道，雞湯里就含有納米物質(zhì)，為增鮮使用的調(diào)味料里也有納米物質(zhì)。此外，饅頭、牛奶、飲料等食品都含有納米物質(zhì)。
據(jù)介紹，納米是一個長度單位，即10-9米，納米科技是在0.1——100納米尺度空間內(nèi)，研究物質(zhì)屬性和制造精密材料和機器的科學。納米技術(shù)與信息技術(shù)、生物技術(shù)一同構(gòu)成了現(xiàn)代科技前沿的三大主導學科。
記者在會上獲知，納米技術(shù)是在納米尺度范圍內(nèi)研究材料的性質(zhì)和應用的一種技術(shù)，主要包括納米尺度物質(zhì)的制備、復合、加工、組裝、測試與表征，實現(xiàn)納米材料在原子、分子尺度上的可控制備，并為其應用奠定基礎。納米技術(shù)發(fā)展迅速，已經(jīng)滲透到化工、醫(yī)藥、能源、材料和生命科學等各個領域，給人們的生活帶來極其深遠的影響。
“提到納米技術(shù)，說神秘也神秘，說簡單也簡單。”崔海信表示，納米科技與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)合，正在推動傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)在許多交叉領域不斷孕育新的重大突破，形成了新興高端農(nóng)業(yè)技術(shù)體系的生長點。
當前，納米科技在農(nóng)業(yè)上的集成應用呈現(xiàn)多點突破之勢，其中之一便是利用納米材料的靶向傳輸與控釋功能，改善化肥、農(nóng)藥、獸藥以及飼料等農(nóng)業(yè)投入品的有效利用率，降低殘留與污染。
記者在采訪中了解到，中國農(nóng)科院在國內(nèi)率先開展納米科技與農(nóng)業(yè)科學的交叉研究。2014年中國農(nóng)科院啟動了國家納米農(nóng)業(yè)領域第一個“973”計劃項目“利用納米材料與技術(shù)提高農(nóng)藥有效性與安全性的基礎研究”。
負責上述項目的是環(huán)發(fā)所農(nóng)業(yè)納米創(chuàng)新團隊，他們圍繞著利用納米技術(shù)提高農(nóng)藥有效利用率和降低殘留污染等國家重大科技需求，系統(tǒng)地開展了前瞻性、基礎性與應用性的多學科交叉與協(xié)同創(chuàng)新研究，在納米農(nóng)藥的研制理論與技術(shù)創(chuàng)新方面取得了重要突破。
目前該團隊已建立了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的難溶性農(nóng)藥水基化納米乳制備技術(shù)、長效納米微囊制備技術(shù)、緩釋納米微球制備技術(shù)、納米混懸技術(shù)等農(nóng)藥納米化核心技術(shù)平臺，相關技術(shù)已獲得國家授權(quán)發(fā)明專利。
提質(zhì)增效，節(jié)量減排
我國是全球農(nóng)藥生產(chǎn)和使用大國，每年農(nóng)藥化學防治面積高達70億畝次，使用量超過200萬噸。經(jīng)過多年的發(fā)展，我國已形成了較為完整的農(nóng)藥產(chǎn)業(yè)體系，為農(nóng)業(yè)的持續(xù)穩(wěn)定增產(chǎn)起到了保駕護航作用。
“但農(nóng)藥大多數(shù)為難溶性化合物，通常必須添加載體、溶劑、助劑等進行劑型加工，才能兌水稀釋后噴灑使用。”中國農(nóng)科院環(huán)發(fā)所研究員曾章華告訴《中國科學報》記者。
據(jù)介紹，由于載藥粒子粗大和分散性差，傳統(tǒng)農(nóng)藥劑型在田間噴施過程中，因藥滴滾落、粉塵飄移、雨水沖刷等造成的藥劑流失高達70%以上。
此外，農(nóng)藥的長期大量與低效施用，致使我國許多地區(qū)的糧食、蔬菜、水果，以及土壤、水體中的農(nóng)藥殘留嚴重超標，不僅對生物及人體健康構(gòu)成了嚴重威脅，也導致了生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的破壞。
崔海信向記者介紹，利用納米技術(shù)將農(nóng)藥粒子從傳統(tǒng)的5微米降低至100納米，農(nóng)藥的功效會得到充分發(fā)揮。
一方面，發(fā)揮納米載藥粒子的小尺寸與大比表面效應，增大作物葉面和有害生物表面的黏附性與覆蓋率，進一步通過納米載體的表面基團修飾增加農(nóng)藥液滴的葉面親和能力，克服疏水性葉面的農(nóng)藥沉積障礙，減少葉面農(nóng)藥脫落，提高生物利用度。
另一方面，利用納米材料負載農(nóng)藥粒子，擬合作物防治需求曲線，實現(xiàn)藥物的控制釋放，減少農(nóng)藥施用次數(shù)，從而避免了農(nóng)藥濫用引發(fā)的食品安全問題。
除了通過提高農(nóng)藥有效利用率，減少農(nóng)藥使用量之外，通過納米化提高難溶性農(nóng)藥粒子的分散性和溶出速率，還可以大大減少農(nóng)藥制劑成分中的有機溶劑使用量，從而減少有害溶劑與助劑流入環(huán)境造成污染。
目前，上述納米農(nóng)藥新劑型分別在華北、西北、華東、華中、華南等農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)，選擇典型作物與防治對象，開展田間藥效試驗。
重農(nóng)藥源頭創(chuàng)新 促“雙減行動”
事實上，納米材料因其尺寸小、結(jié)構(gòu)特殊，而具有許多新的理化特性，如小尺寸效應、大比表面積、高反應活性、量子效應等。這些特性使納米科技給各個領域帶來革命性的變化，各種納米材料在醫(yī)藥、電子、化妝品中廣泛使用。
然而，在造福人類的同時，納米材料也可能會給環(huán)境和人體健康帶來影響。“由于目前納米材料的安全性評價體系尚不完善，因此，將納米材料與技術(shù)應用于農(nóng)業(yè)時，必須重視相應的毒理學、安全性研究，引導農(nóng)業(yè)納米技術(shù)健康發(fā)展。”崔海信說。
據(jù)了解，農(nóng)藥的發(fā)展趨勢是水基化和溶劑無害化。目前乳油、微乳劑等傳統(tǒng)農(nóng)藥劑型中大量使用的苯類、醇類和酮類等極性溶劑，具有較高的急性毒性，并且容易滲透到農(nóng)田和地下水中，分離和消除難度高，對環(huán)境和食品安全具有一定的威脅。此外，現(xiàn)有農(nóng)藥劑型的表面活性劑使用量大，在成本上優(yōu)勢也不明顯。
在曾章華看來，減少有機溶劑和助劑的劑量，或選擇環(huán)境降解性好、成本低的有機溶劑和助劑，是完善納米農(nóng)藥的一個途徑。
此外，納米農(nóng)藥制劑顆粒小，比表面積大，表面能高，容易發(fā)生團聚、分層、沉降等現(xiàn)象，進而影響納米農(nóng)藥制劑的綜合性能。專家認為，提高水基化納米農(nóng)藥儲存的穩(wěn)定性也是日后的研究熱點之一。
“相比于國外，我國農(nóng)藥殘留的社會壓力比較大。在過去，多是強調(diào)如何使用農(nóng)藥、化肥等產(chǎn)品，但如果農(nóng)藥制劑質(zhì)量不好，效果也有限。”崔海信表示，今后要通過農(nóng)藥源頭創(chuàng)新，促進化肥農(nóng)藥“雙減行動”。
2015年，農(nóng)業(yè)部制定出臺了《農(nóng)業(yè)部關于打好農(nóng)業(yè)面源污染防治攻堅戰(zhàn)的實施意見》，提出“確保到2020年實現(xiàn)‘一控兩減三基本’的目標，有效保障我國糧食供給安全、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全和農(nóng)業(yè)環(huán)境特別是產(chǎn)地環(huán)境的安全”。其中“兩減”就是指化肥、農(nóng)藥減量使用。
農(nóng)業(yè)部科教司副司長汪學軍表示，后期將積極支持農(nóng)業(yè)納米科技研發(fā)，加速發(fā)展高效、安全的新型綠色農(nóng)業(yè)化學品，促進農(nóng)業(yè)資源高效利用，從源頭上控制農(nóng)產(chǎn)品中的化學品殘留，推動綠色農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)，提高食品安全性。
就目前狀況而言，崔海信認為，應加大科技投入，深入開展納米材料與技術(shù)的農(nóng)業(yè)應用機理研究工作，緊密結(jié)合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際，面向市場需求，探索合理的產(chǎn)學研模式，加速研究成果的產(chǎn)業(yè)化，是推進納米農(nóng)業(yè)技術(shù)研究的有效途徑。
