陜西
全球農業可持續發展面臨嚴峻挑戰。農藥雖可挽回約40%的作物損失，但其田間利用率低，導致農藥流失對環境的累積污染與生物多樣性退化問題日益突出。納米技術為植保創新提供了新路徑，其智能遞送系統有望將農藥利用率提升30%以上，顯著降低對環境的整體風險。然而，一個根本性問題亟待澄清：納米農藥究竟代表真正的技術突破，抑或僅為傳統劑型的納米級升級？盡管歷經多年研究，其轉化應用仍面臨機理認知不足與監管體系不完善的雙重制約。這一問題的解答，將決定其能否真正成為可持續農業的系統性解決方案。
近日，柏連陽院士團隊受邀在iMeta（影響因子33.2）上發表了題為Navigating the future of nano‐pesticides: A perspective on design, efficacy, mechanisms, and environmental stewardship的前沿綜述。該文系統梳理了納米農藥從理性設計、作用機理到環境安全的完整研究體系，為下一代智能綠色植保技術的發展路徑提供了系統性指引。
綜述探討了納米農藥在實際應用中的釋放與沉積協同機制。納米農藥可通過包括金屬納米粒子、納米膠囊、納米乳液在內的多種形態實現活性成分負載（圖1A），其智能響應釋放特性依賴于pH、酶、光照等環境信號觸發（圖1B）。然而，其最終防控效果高度取決于能否在靶標葉面實現有效沉積。葉片表面的多尺度結構（如蠟質、葉脈、表皮毛等）在液滴碰撞過程中易截留空氣，常導致液滴反彈或飛濺（圖1C-1F）。提升沉積效率的關鍵在于調控碰撞過程中的動態界面行為。表面活性劑可調控動態界面張力，抑制液滴回縮；高分子助劑通過增黏耗能延緩液滴破碎；而生物質基納米助劑（如纖維素復合物）則可與葉片微結構形成機械鎖合，增強釘扎效果。未來研究需結合界面沉積調控與智能釋放設計，構建“沉積?滯留?釋放”一體化框架，從而推動納米農藥從實驗室走向可持續的田間應用。
圖1. 農藥制劑的分類與智能化設計（A、B）與納米農藥的界面行為與沉積機制（C-F）
作者還系統闡述了納米農藥的協同增效機制與環境安全。協同增效依托納米載體與靶標、作物、微生物的四元互作，通過多組學解析其直接增效與間接誘導抗性的協同路徑。當前機理研究多停留于相關層面，需借助合成生物學構建因果鏈條以指導理性設計（圖2A）。在環境安全方面，納米材料形成的“生態冠”深刻影響其環境行為與生物效應。前瞻性評估應覆蓋其全生命周期，重點關注土壤?水系統中的歸趨、對非靶標生物的長期與跨代效應，以及對微生物群落功能和抗性基因傳播的影響。未來需推動“生態冠設計”，結合精準施藥與情景化模型，實現增效與安全的權衡（圖2B）。納米農藥轉化應用仍受機理認知與政策標準雙重制約，其發展需以“設計?調控?機理?安全”為系統支撐，并在政策引導下融合防控效能、成本可控與生態安全，方能實現從實驗室到田間的可持續轉化，協同保障糧食安全與生態保護的目標。
圖 2納米農藥作用機制：多組學視角（A）與納米農藥生態風險評價（B）
鄧希樂研究員為第一作者，柏連陽院士、中國科學院理化技術研究所董智超研究員、中國農業大學植物保護學院閆碩教授和中國農業科學院植物保護研究所曹立冬研究員為論文的通訊作者。論文第一單位是湖南省農業科學院（岳麓山實驗室）。中國農業大學博士生喬恒、中國農業科學院植物保護研究所博士生上官文杰參與了論文撰寫，西澳大學余勤教授、印度納米科學與技術研究所Sandeep Sharma教授、美國加州大學河濱分校Vijayakumar Shanmugam博士等人參與了指導工作。本研究獲得了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、荷尖人才計劃、湖南省農業科技創新基金及岳麓山實驗室現代種業重大項目的資助。
全文鏈接：
http://doi.org/10.1002/imt2.70129
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