来源：《农药》
作者：赵明; 王霞云; 杨春梅; 等
植物病原体、害虫和杂草为害作物对农业构成严重威胁，导致作物产量和质量下降，每年造成40%以上的农作物经济损失，并且许多害虫还是植物病害的传播媒介。农药作为全球范围内防治植物病虫草害的重要手段，已被广泛使用。然而，由于喷雾过程中液滴的飘移、作物叶面上药液的易滚落特性以及雨水的冲刷作用，靶标生物的实际农药利用率极低，甚至不足 0.1%。由于农药利用率长期偏低，农药使用剂量持续攀升，这对生态环境和人类健康构成了日益严重的威胁。因此，迫切需要探寻一种可持续的农业新制剂，提高农药利用率，最大限度减少环境破坏，降低污染和人类接触风险。
2019年，国际纯粹化学与应用化学联合会(IUPAC)将纳米农药列为可能改变世界的十大新兴化学技术之首。纳米技术开发的纳米农药因其体积小、比表面积大和生物相容性等独特优势，在农业领域受到极大关注。目前国内外研究人员在利用纳米农药进行病虫草害防治方面进行了大量研究，证实了纳米载体能够有效改善农药的分散性和润湿性，增加农药对靶标作物的附着能力，有效减少流失，提高农药的使用效率，同时降低有机溶剂流入环境造成的潜在风险。
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纳米农药与植物互作提高农药利用率
1.1 载体提升农药叶面附着能力
喷洒的农药首先沉积在叶片表面等部位，然后通过有害生物主动被动的接触而进入有害生物体内，导致其中毒或死亡。除了农药自身特性、环境条件和施药技术外，靶标植物的叶面结构也是影响农药利用率的重要原因。作物叶片表面一般存在蜡质层、绒毛、气孔、复合的微纳结构等，使得叶面结构粗糙，具有疏水性。在喷洒过程中，农药会经历弹跳、滚落、滑动等一系列过程导致农药难以附着在叶面上，造成大量喷施的农药被浪费。因此，改善农药在作物上的沉积率是提高农药利用率的关键。纳米颗粒的小尺寸有利于增加纳米农药与作物表面的接触面积，从而改善农药液滴在作物叶片上的扩散、润湿性能。其次，纳米颗粒的存在还能增加能量耗散，控制喷洒过程中农药液滴在叶面上的反弹行为，容易沉积在叶片的沟槽内而增强抗雨水冲刷能力。此外，叶片表面带负电，因此，带正电的纳米颗粒容易吸附在植物体表面提高载药颗粒与叶片的亲和性。同时，叶面的蜡质层中含有大量的高级脂肪醇、酸等化学物质，可以与载体表面的官能团形成氢键。这种作用力可以有效提高载体在叶面的滞留，从而明显改善纳米载药体系在叶面上的沉积效果。长期以来，提升农药在植物叶片上的黏附和保留效果一直是研究的重点。纳米技术的发展为改善农药的利用率和确保使用安全提供了新的机遇。最新研究结果表明，依据叶片表面结构设计的纳米载体与叶片形成拓扑效应，能够提升农药液滴在叶面的附着能力。部分相关报道见表1。
表1 载体提升叶面附着能力案例
由AgroPages世界农化网主办的第六届国际农化制剂与应用技术高峰论坛（FAT 2025）将于2025年11月13日至14日正式举行。本届论坛特别设立″纳米农药技术创新与全链条探索″专题报告环节，特邀三位纳米制剂领域的权威专家，从多维度深入探讨农业纳米技术的前沿进展及其产业化应用。报告议题如下：
纳米科技在肥料与农药行业的突破：从技术，功效，规模化到评价标准，全链路革新下的应用实践与投资回报解析
Landon Bunderson，Nano-Yield 首席科学官纳米农药破局—技术创新、功效提升、规模化生产与田间应用的全链条探索
刘润峰，允发生物集团 研发中心主任绿色纳米农药与靶向递送技术
王琰，中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所 研究员
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1.2 载体促进植物对农药的吸收
内吸性农药能够被植物施用部位快速吸收并转运至其他部位，从而减少环境中紫外线、pH 值等因素引起的农药降解。相较于传统非内吸性农药，其在田间使用时表现出更高效率和更长持效期。然而，农药分子的大小和结构会影响其在植物体内的移动，导致能够通过远距离转运至其他部位的内吸性农药有限。纳米农药因其小粒径和表面可修饰的特性，能够促进植物对农药的吸收与转运，进而提升农药的植物内吸效果。尤其是对于疏水性农药，纳米颗粒可以增强其随水分吸收进入植物体内的能力。根系和叶片作为主要吸收部位，纳米农药的作用过程主要包括纳米颗粒在植物叶、茎、根上的沉积或吸附，随后穿透植物的角质层和表皮屏障，进而通过短距离和长距离途径在植物体内进行传导，形成系统性分布，最终实现对作物的保护。关于纳米载体促进植物对农药吸收的部分研究总结见表2。
表2 载体促进植物对农药的吸收的案例
图1 植株对纳米农药的吸收和转运
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纳米农药对靶标生物的影响
2.1 纳米农药对害虫的影响
农药的粒径是影响其生物利用度和防治效果的关键参数，通过减小粒径可提高颗粒的界面效应，进而提升害虫接触药剂的概率，并增强活性成分在虫体表面的黏附性能。纳米载药体系凭借其小尺寸和大表面积能够更容易地附着在害虫的体表，并通过表皮的微小孔隙渗透进入害虫体内，这种增强的渗透性使得农药能够更快地达到作用靶点，提高触杀活性。昆虫的表皮由表皮细胞分泌，覆盖整个身体外部，连接前肠、后肠和气管系统，并由内皮层、外皮层和外表皮 3 层构成。昆虫表皮具有脊、槽、孔、鳞片、毛/刚毛等复杂微观和纳米结构，不仅能够防御有害物质的侵害，而且对昆虫的生长发育过程至关重要。在化学水平上，昆虫表皮的组成包括几丁质、蛋白质和脂质的复杂混合物。几丁质为表皮提供强度，蛋白质通过与几丁质纤维交联作用进一步增强表皮的强度和柔韧性，脂质有助于保护昆虫免受水分流失。昆虫表皮的结构和化学性质对纳米农药的渗透能力及杀虫效果具有重要影响。纳米农药凭借其独特的纳米尺寸效应以及表面电荷的特性，在与昆虫表皮的相互作用中展现出显著优势。纳米农药表面的电荷与昆虫表皮之间形成的静电相互作用，有效增强了纳米颗粒在虫体表面的附着能力；同时，纳米级尺寸的纳米农药能够利用昆虫表皮的微/纳米级复杂结构，实现表皮屏障的穿透，进而显著提升农药分子向虫体内部的渗透效率。此外，纳米颗粒成功附着于昆虫表皮，不仅能够直接对表皮结构造成破坏，干扰昆虫的正常生理机能，还能通过扰乱昆虫体内的水分平衡调节系统，导致昆虫因过度失水而死亡。在相关研究中，Ayoub等采用表面接触法研究了二氧化硅纳米颗粒的杀虫作用，发现二氧化硅纳米颗粒会破坏棉铃虫的角质层水屏障，导致昆虫身体极度脱水而死亡，表现出强烈的杀虫效果。此外，Zhou等开发了氧化石墨烯纳米片以递送阿维菌素、联苯肼酯、乙螨唑和螺虫乙酯 4 种杀螨剂来防治朱砂叶螨。结果表明氧化石墨烯通过结合角质层蛋白，抑制角质层基因的表达，吸附和损伤螨的角质层，从而增加朱砂叶螨角质层的渗透性，提高杀螨剂的效率。Zhang等构建了负载虱螨脲的星形聚合阳离子(SPc)的纳米颗粒，通过上调草地贪夜蛾内吞作用相关基因、下调角质层相关基因，显著增强对草地贪夜蛾幼虫和卵的触杀活性。
图2 纳米农药对昆虫生理功能的影响
纳米载药体系还可以提高活性成分在害虫内部的运输、传导和转化效率，纳米颗粒进入害虫体内，能够随着害虫的体液循环快速分布到各个器官和组织，从而加速害虫的中毒过程，这种高效的运输和传导机制使得农药的胃毒活性得到显著增强。昆虫中肠是食物消化和营养吸收的主要器官，同时也是抵御外源有害物质的一道有效屏障。纳米载药体系进入昆虫体内可以直接与中肠细胞相互作用，破坏细胞的结构和功能。此外，纳米载药体系通过存在于食物中，可能增加食物颗粒对昆虫中肠内壁的物理磨损，这种磨损可能会损害中肠内壁的结构，影响其消化吸收功能；同时还可直接与消化酶发生相互作用，影响消化酶的活性，从而减少食物的消化率，导致昆虫生长受阻，甚至死亡。有研究发现，在害虫的消化道中，纳米二氧化硅的硅氧键断裂形成Si、SiO、Si+或SiO等自由基粒子，进一步影响害虫的新陈代谢。Du等构建的负载茚虫威(IND)生物聚合物纳米颗粒(IND@ZOCNPs)对草地贪夜蛾幼虫的活性是茚虫威可湿性粉剂的1.9倍，对中肠造成了严重损害，并影响了幼虫的生长、发育和氧化应激活性。此外，纳米载药体系进入昆虫体内后，纳米载体可以保护负载的杀虫剂，减少与解毒酶的接触，从而有望降低其代谢解毒效率。Bilal 等成功制备了负载茚虫威的碳点包埋荧光介孔二氧化硅纳米颗粒 (IND@FL-SiO2)，在相同剂量的活性成分 下，IND@FL-SiO2纳米粒子对小菜蛾的杀虫活性高于茚虫威原药。此外，激光共聚焦显微镜观察证实，由于FL-SiO2纳米颗粒进入了小菜蛾的中肠，IND@FLSiO2纳米颗粒抑制了小菜蛾的谷胱甘肽-S-转移酶(GST)、羧酸酯酶(CarE)和细胞色素P450 单氧化酶(P450)等解毒酶的活性。Chen等制备了负载溴虫腈(CHL)的木质素磺酸钠(SL)与铁基金属-有机骨架纳米颗粒(CHL@MIL-101-SL)，生物活性测定结果表明，CHL@MIL-101-SL 能降低幼虫体质量和体长，提高对草地贪夜蛾的生物活性。溴虫腈悬浮剂和CHL@MIL-101-SL 处理组的中肠均表现出明显的病理变化，如上皮细胞排列紊乱，出现大量空泡和细胞碎片，微绒毛减少，食膜破裂，肠管增大，CHL@MIL-101-SL的损伤更为严重。与溴虫腈悬浮剂相比，CHL@MIL-101-SL 降低了 GST 和 CarE 的活性，从而提高了 CHL 的杀虫效果。Yang 等构建负载茚虫威(IND)纳米颗粒(IND@ZIF-90-CD)，发现其 通过增加摄食和破坏肠道细胞来增加IND对红火蚁的活性。此外，与茚虫威乳油处理后观察到的 GST活性增加相比，IND@ZIF-90-CD 处理后昆虫的 GST活性基本保持不变，有利于 IND 对红火蚁的杀虫作用。Jiang等开发了一种基于星形聚合阳离子(SPc)的甲氧虫酰肼纳米颗粒，可干扰与昆虫激素合成和代谢、激素受体和角质层生物合成相关基因的表达，从而提升甲氧虫酰肼的胃毒活性。综上所述，纳米载体可以提高农药的杀虫活性，从而达到农药的减量控害。
2.2 纳米农药对病原菌的影响
纳米农药可以通过多个途径与病原菌细胞相互作用，包括细胞膜损伤、活性氧(ROS)的产生以及诱导细胞凋亡并最终抑制细胞的生长(见图3)。细胞膜可以为细胞的生命活动提供稳定的环境，而且在细胞内部的生理和生化活动中发挥着重要作用，包括参与物质运输、细胞识别、电子传递和信息传递。纳米颗粒凭借其纳米尺寸，可以渗透病原菌的细胞壁并黏附在细胞膜上。纳米颗粒一旦进入细胞膜就有可能对其产生破坏作用，这种破坏作用通常表现为细胞膜的损伤和缺失、细胞质内空泡化以及细胞内容物的泄漏。纳米颗粒对病原菌细胞膜造成的物理损伤可能是由于纳米颗粒与细胞膜之间的静电效应改变了细胞膜的表面电位，从而增强了纳米颗粒与细胞膜之间的黏附力。Yu等制备的负载百里香精油的树枝状介孔二氧化硅纳米颗粒TEO@DMSNs破坏了尖孢镰刀菌的细胞膜，导致细胞内容物泄漏，最终致使细胞死亡。Liu等通过透射电子显微镜观察发现，AgNPs 纳米颗粒引起细胞壁和细胞膜受损，液泡和管胞积累，进而造成细胞内物质泄漏，最终导致尖孢镰刀菌细胞死亡。Kutawa等构建的壳聚糖-己唑醇 (CHEN)、壳聚糖-棉隆(CDEN)、壳聚糖-己唑醇-棉隆(CHDEN)和壳聚糖-甲硝唑(CEN) 4种农用纳米杀菌剂能够破坏稻瘟病菌的细胞膜，导致其死亡。
线粒体功能障碍和电子传递链的破坏会导致细胞内ROS水平升高。ROS在细胞内氧化还原过程中充当信号调节因子，并调节病原体的防御机制、细胞凋亡和能量生成。ROS 的产生在纳米颗粒的抗菌活性中起着关键作用，通过抑制DNA复制、氨基酸合成和脂质过氧化来抑制病原菌的生长。纳米颗粒进入细胞产生的氧化应激会导致 ROS 的生成，过量的 ROS 会直接影响细胞内生物分子的功能，例如损害并抑制蛋白质、脂质和DNA等生物分子的生成，从而干扰生物途径，导致细胞死亡。Wang 等构建的负载咪鲜胺和嘧菌酯的固体纳米分散体(SNDs)通过降低超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)的活性，对真菌造成严重的氧化损伤，并破坏细胞膜的通透性，从而导致禾谷镰刀菌和稻瘟病菌死亡。Huang 等构建了负载厚朴酚杀菌剂的核壳结构纳米载体(HON@ZnO-ZIF-8)，研究发现 HON@ZnOZIF-8纳米颗粒通过产生过量的ROS，诱导细菌细胞膜和DNA损伤，从而降低细菌细胞活性，最终导致细菌死亡。Chen等研究发现介孔二氧化硅纳米颗粒能够选择性地诱导病原菌细胞自发产生过量 ROS，包括羟基自由基、超氧自由基和单线态氧，从而导致致病疫霉发生过氧化损伤。
纳米颗粒能够在病原菌细胞中引发细胞程序性死亡(细胞凋亡)。与由损伤或应激导致的其他细胞死亡形式不同，细胞凋亡是一种受调控的自我毁灭过程，是正常细胞生命周期的一部分。纳米颗粒引发的细胞凋亡能有效地抑制病原菌细胞的生长和繁殖。当细胞凋亡被触发时，会在细胞内引发一系列生化反应，导致细胞有序解体，最终死亡。当病原菌细胞发生凋亡时，其数量会减少，从而控制病原菌感染的扩散。Abdallah 等构建的镍-二氧化硅纳米复合物(Ni-SiO2 NPs)处理水稻白叶枯病菌，致使细菌细胞的凋亡率大幅增加。Yi等制备了负载环状脂肽的介孔二氧化硅纳米颗粒(CLPs-MSNsN)，研究结果显示 CLPs-MSNsN 破坏菌丝体形态，导致禾谷镰刀菌的细胞凋亡。
图3 纳米农药对病原菌的抑菌作用
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总结与展望
传统农药在喷雾过程中由于液滴的飘移、作物叶面上药液的易滚落特性以及雨水的冲刷作用，导致靶标生物的实际农药利用率极低，甚至不 足0.1%。农药纳米化是现代农业植物保护领域的新兴技术，纳米技术的出现，是解决传统农药制剂主要问题的有效工具。纳米载体凭借其独特的尺寸效应，有效改善农药的分散性和润湿性，增加了农药对靶标作物的附着能力，有效减少流失，提高农药的使用效率。纳米农药因其具备的独特优势，在病虫草害防治方面展现出巨大的发展潜力。然而大部分研究成果集中于实验室研究层面，真正适应现代农业规模化生产需求的产业化建设仍处于起步阶段。此外，纳米农药作为一种新型材料，其毒性、生物积累、对水体和土壤的污染以及对生物多样性的影响等方面，目前的研究还相对较少。为了确保纳米农药的安全使用，亟待开展系统、深入的探索，全面揭示其毒性特征与潜在风险。此外，相较于传统农药，纳米农药的生产需对生产设备、工艺流程和生产规模进行全面升级，导致生产成本增加，从而制约其大规模生产和广泛应用。未来，纳米技术的农业化学需要与其他智能技术相融合，如与无人机精准喷洒技术、智能监测技术等相结合，以满足现代精准农业的高 标准要求，实现农药使用的精准化和高效化，从而发挥出预期的效果，为现代农业的可持续发展提供有力支持。
来源: 农药-CNKI