人口增長導致的全球糧食不安全問題可以通過精準和可持續的農業實踐來解決。為了解決糧食不安全問題,農民使用不同的農用化學品來改善植物生長和保護。在這些農用化學品中,用于農業領域植物保護的合成農藥具有各種缺點。傳統使用的合成農藥存在降解快、溶解性差、非靶標效應等缺點,且農藥徑流增加,污染環境。納米技術已發展成為通過開發不同納米形式的農用化學品(例如納米農藥、納米肥料、納米膠囊、納米球、納米凝膠、納米纖維、納米膠束和納米生長促進劑)來提高農業生產力的潛在解決方案。將這些農藥封裝在納米材料中,通過抑制活性成分(AI)的早期降解,增加農藥的吸收和粘附,提高農藥的穩定性、溶解度和滲透性,并減少環境污染,比傳統應用提供了良好的生物相容性。農藥徑流造成的影響。

在這篇綜述中,不同納米形式的封裝農藥及其智能遞送系統；基于 RNA 干擾 (RNAi) 的農藥中的納米載體；環境命運、實際影響、納米農藥的管理；并討論了未來的前景。

精準可持續農業/精準可持續農業實踐的主要目標是滿足全球人口不斷增長的糧食需求。 20 世紀 60 年代的綠色革命旨在通過提高糧食生產來減少饑餓。因此,作物研究獲得了大量資金,通過使用化學合成農藥保護作物來提高產量,從而加速了農藥的使用。 然而,后來的研究表明,只有 1% 或更少的農藥到達了預期區域,其余的最終目標是非目標(有益)生物。 這種傳統的農藥使用方式會通過淋濾污染環境,并遭受生物降解、水解、光降解、生物累積和徑流,導致富營養化。盡管這些農藥會對環境產生不利影響,但控制害蟲以最大限度地提高作物產量至關重要。在過去的 50 年里,人們提出使用植物提取產品、專門的人造殺蟲劑和轉基因作物作為提高作物產量的替代方案,但這在應用過程中損害了耕地標準。因此,為了限制合成農藥對環境和非目標生物的潛在負面影響,需要仔細考慮對環境影響較小且具有成本效益的技術,因此,開發低毒、低副作用、低殘留的新型靶向農藥的需求激增。

由于納米顆粒的獨特性質,例如尺寸小、熱穩定性、溶解度、高表面積與體積比、更高的滲透性和生物降解性,工程納米材料 (ENM) 在農業中越來越被接受。 有效利用這些納米顆粒對于減少傳統農藥應用對環境和生態系統的不利影響非常重要。 人們對ENM在農業領域的使用進行了大量研究,包括納米農藥的開發,并表明它們在納米形式的應用有效地提高了作物產量并減少了環境污染。使用這些新型納米農藥的植物病害防治取得了進展,因為它們本身既可以作為保護劑,也可以為殺蟲劑、殺菌劑和除草劑等農用化學品提供載體系統(圖 1),它以其毒性較低、穩定性提高和持續釋放而聞名,可提供針對害蟲的保護,而不會對周圍環境產生不利影響(圖 1)。 因此,納米農藥比傳統類似物更安全、更有效。 提高生產力和實現可持續生態農業的農業經營的一個重要組成部分是有效使用膠囊化納米農藥。

圖 1. 納米材料作為保護劑或載體,用于針對多種害蟲控制釋放活性物質,并提高穩定性和控制釋放,實現可持續農業

在農藥的歷史上,RNA干擾(RNAi)是轉錄后基因沉默機制的突破性技術,其中靶基因的信使RNA(mRNA)通過小干擾RNA(SiRNA)下調其表達。RNAi也被視為反向遺傳學分析基因功能的常用工具。這種下調基因表達的途徑可用于植物害蟲控制管理,通過抑制負責害蟲生存的靶標 mRNA,而不影響非靶標生物。這種防治植物病蟲害的機制引起了可持續農業的興趣。dsRNA 是一種天然分子,在環境中很容易降解。除此之外,害蟲腸壁內的細胞攝取和內體逃逸也是 dsRNA 持久存在的障礙 。為了克服這些障礙,人們傾向于將基于 RNAi 的農藥制成納米制劑,以防止它們因環境因素而降解。納米載體可以通過改善其在農業領域的遞送和穩定性,在提高基于 RNAi 的生物防治的功效方面發揮重要作用。脂質體、殼聚糖、核殼納米粒子、分支兩親肽膠囊和鳥苷酸聚合物是一些已被用來提高 RNAi 效力的納米粒子。大多數這些納米粒子都是帶有正電荷(例如氨基)的,以靜電方式與 dsRNA 中的磷酸基團結合。因此,納米載體在 RNAi 中的各種優勢包括保護 dsRNA 免受不利環境的影響,如紫外線輻射、核酸酶降解和雨水破壞。它們還具有高度選擇性、目標特異性,并通過提高穿透圍食膜和害蟲腸道的能力來提高敏感性。例如,殼聚糖介導的 dsRNA 提高了淋巴進入效率,增加了 Ostrinia nubilalis 腸道穩定性,并減少了核酸酶降解。鄭等人 (2019) 發現陽離子核殼熒光樹枝狀聚合物提高了針對蚜蟲 Aphis sweetines 的基因沉默的有效性。針對單加氧酶基因 CYP15C1,Sun 等人(2020),發現帶有 dsRNA 的星形聚陽離子顯著提高了 Chilos upperssalis 的死亡率,從而保護植物免受害蟲侵害。此外,據報道,通過與殼聚糖納米載體交聯的三聚磷酸鈉提高 RNAi 的有效性,導致害蟲死亡率超過 70%。因此,在害蟲防治管理中使用 dsRNA 和納米技術具有多種好處,并且能夠在農業領域創建新型害蟲防治方法,實現可持續農業(圖 2)。

圖 2. 納米農藥對刺激做出反應并通過修飾載體結構釋放活性成分以在環境中可持續釋放

納米技術是一項正在發展的技術,可用于多種應用,包括農用化學品的釋放。大量科學發現證明,農藥中的納米制劑可實現定向遞送,并有潛力為可持續農業開發更安全、更有效的農藥。納米制劑在田間的積極影響包括增加溶解度、保護農藥免于早期降解、延長對目標生物體的遞送時間、減少農藥損失以及在田間使用更少的農藥。盡管這是一個優勢,但全球市場上只有極少數的納米農藥制劑。

關于納米材料的命運和對環境的影響的知識仍然沒有定論。由于納米材料與單個原子完全不同,因此一旦應用于該領域,它們的行為可能會有所不同。因此,應采用適當的技術來了解對害蟲的直接和間接影響以及對植物的影響。盡管有報道稱納米農藥在促進植物生長、提高黃酮類化合物含量、提高光合速率、增強抗逆性等方面具有積極作用,但它們之間的分子相互作用仍然是一個挑戰,可以通過開發適當的技術來解決。因此,未來的前景包括開發智能納米農藥,克服傳統應用在促進植物生長方面所面臨的局限性；可以改進研究以分析納米材料的完整相互作用；可以以具有成本效益的方式開發納米農藥生產技術,并使農民能夠負擔得起；應采用適當的指導方針,建立統一的監管框架和政策,以大規模應用納米農藥促進可持續農業。除此之外,公眾接受度對于納米農藥在市場上的利用和成功商業化也具有重要意義。