淺談可降解高分子材料在農(nóng)藥中的應(yīng)用

施雪義

摘? ? 要：農(nóng)藥作為農(nóng)產(chǎn)品生長(zhǎng)過(guò)程中必不可少的化學(xué)產(chǎn)品，在預(yù)防蟲(chóng)害、保證農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量方面作出了巨大的貢獻(xiàn)。但農(nóng)藥造成的殘留物對(duì)環(huán)境造成了巨大的污染，針對(duì)農(nóng)藥污染方面，有人提出了用可降解高分子材料作為農(nóng)藥的合成物之一，能大大降低農(nóng)藥對(duì)環(huán)境的污染。探討了可降解高分子材料在農(nóng)藥中的應(yīng)用，對(duì)推動(dòng)綠色農(nóng)藥在農(nóng)產(chǎn)品中的可持續(xù)發(fā)展具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：可降解高分子材料;農(nóng)藥;應(yīng)用

文章編號(hào)： 1005-2690（2021）04-0079-02? ? ? ?中國(guó)圖書(shū)分類號(hào)： TQ317? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

1? ?概述

我國(guó)是重要的農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)發(fā)展對(duì)我國(guó)發(fā)展意義重大，而農(nóng)作物生長(zhǎng)離不開(kāi)農(nóng)藥，其主要用于預(yù)防、控制和消滅農(nóng)林牧業(yè)生產(chǎn)中的有害生物，以及調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)和昆蟲(chóng)生命活動(dòng)規(guī)律的化學(xué)藥品與生物藥品[1]。近年來(lái)，全球農(nóng)藥濫用明顯，據(jù)權(quán)威調(diào)查顯示，全球每年因農(nóng)藥中毒的人數(shù)超過(guò)200萬(wàn)人，由于農(nóng)藥污染造成的間接死亡人數(shù)超過(guò)20萬(wàn)人，而全球70%的農(nóng)藥又被我國(guó)使用。農(nóng)藥利用率一般不到10%，絕大部分揮發(fā)到空氣中、滲透到地下水或沉聚在土壤中，再通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體，危害人體健康，長(zhǎng)此以往造成累積性中毒。一方面，農(nóng)藥是農(nóng)業(yè)發(fā)展中的必需品，對(duì)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重要作用;另一方面，由于農(nóng)藥濫用造成的大氣、水體和土壤污染對(duì)整個(gè)農(nóng)業(yè)環(huán)境及人居環(huán)境造成很大傷害，甚至威脅人類的生命安全。因此急需研究可降解農(nóng)藥，減小其對(duì)環(huán)境的污染，而農(nóng)藥降解是指化學(xué)農(nóng)藥在環(huán)境中從復(fù)雜結(jié)構(gòu)分解為簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，甚至?xí)档突蚴ザ拘缘淖饔谩Ｒ话愣裕r(nóng)藥大多殘留在土壤中，其以微生物的降解作用最為重要。因此本文主要研究可降解高分子農(nóng)藥，旨在保留農(nóng)藥除草、滅蟲(chóng)的基礎(chǔ)上較少地對(duì)人及環(huán)境帶來(lái)影響。

2? ?可降解高分子材料的定義及種類

根據(jù)生物可降解高分子材料特性，可以分為完全生物降解高分子材料和生物破壞性高分子材料，按照其來(lái)源的不同，主要分為高分子材料、微生物合成高分子材料、化學(xué)合成高分子材料和摻混型高分子材料4類。本文主要探討生物可降解高分子材料。

生物可降解高分子材料是指在一定條件下、一定時(shí)間內(nèi)能被一些常見(jiàn)微生物所分泌的酶或者在光照水解條件下發(fā)生自然降解的高分子材料，其又可以分為天然和合成兩類。天然高分子存在于自然界的各個(gè)地方，主要包括蛋白質(zhì)、甲殼素、淀粉、纖維素等。合成高分子主要是人們根據(jù)不同的需求，按照不同條件自己設(shè)計(jì)配方合成的材料。而生物可降解高分子材料主要應(yīng)用于3個(gè)領(lǐng)域，包括農(nóng)業(yè)領(lǐng)域、工業(yè)領(lǐng)域和醫(yī)藥領(lǐng)域，其中農(nóng)業(yè)領(lǐng)域包括化肥、農(nóng)藥、塑料薄膜、地膜及各類農(nóng)業(yè)包裝材料等;工業(yè)領(lǐng)域包括皮革、纖維制品等;醫(yī)藥領(lǐng)域包括各種緩釋材料、藥物、手術(shù)縫合線等。

生物可降解高分子材料的降解機(jī)理一般有3種，即微生物對(duì)聚合物作用、生物細(xì)胞增長(zhǎng)作用和酶的直接作用，而降解過(guò)程一般離不開(kāi)兩步，第一步是微生物分泌物與材料表面結(jié)合，生成小分子量化合物;第二步是轉(zhuǎn)化成為微生物體物或轉(zhuǎn)化為微生物活動(dòng)能量，最終轉(zhuǎn)化為水和二氧化碳。生物降解是一個(gè)生物、物理和化學(xué)協(xié)同的作用過(guò)程，相互促進(jìn)而不是單一機(jī)理。

3? ?天然可降解高分子材料在農(nóng)藥中的應(yīng)用

3.1? ?蛋白質(zhì)在農(nóng)藥中的應(yīng)用

蛋白質(zhì)是生命的物質(zhì)基礎(chǔ)，其是有機(jī)大分子、構(gòu)成細(xì)胞的基本有機(jī)物。蛋白質(zhì)是由氨基酸以脫水縮合的方式組成多肽鏈，經(jīng)過(guò)盤區(qū)折疊形成的具有一定空間結(jié)構(gòu)的物質(zhì)。

當(dāng)前，關(guān)于蛋白質(zhì)在農(nóng)藥方面的研究已經(jīng)有了重大的突破，即世界上首個(gè)免疫蛋白質(zhì)生物農(nóng)藥——阿泰靈[2]。阿泰靈是以誘導(dǎo)植物免疫、提高植物抗性為篩選目標(biāo)，首次發(fā)現(xiàn)極細(xì)鏈格孢菌中存在具有激發(fā)植物免疫的蛋白質(zhì)，并從中分離獲得能誘導(dǎo)植物免疫、提高植物抗性的新蛋白Hrip，為蛋白質(zhì)生物農(nóng)藥篩選提供了新策略和新技術(shù)。前人研究主要集中在細(xì)菌產(chǎn)生的能引本研究團(tuán)隊(duì)首次以引起煙草葉片過(guò)敏反應(yīng)為示蹤，利用多種蛋白分離和純化技術(shù)，從真菌極細(xì)鏈格孢代謝物中分離出一種新蛋白激發(fā)子。提高蛋白質(zhì)生產(chǎn)率，降低成本，是目前以蛋白質(zhì)這類可降解高分子材料制作綠色農(nóng)藥的關(guān)鍵技術(shù)之一，但不可否認(rèn)的是，蛋白質(zhì)在綠色農(nóng)藥制作方面還有著巨大的技術(shù)提升空間。

3.2? ?淀粉在農(nóng)藥中的應(yīng)用

淀粉是一種含有吡喃葡萄糖環(huán)基的均聚物，優(yōu)點(diǎn)是資源豐富、獲取簡(jiǎn)單，但是缺點(diǎn)也很明顯，如熱塑性差、親水性太強(qiáng)，因此在加工成型后性能較差。所以，常見(jiàn)的做法是將淀粉進(jìn)行改性后與其他高聚物共混，例如與聚乙烯醇、聚乳酸、聚乙烯-乙烯醇共聚物等共混，就可以形成可生物降解、性能良好的高分子材料。

當(dāng)前，淀粉在農(nóng)藥方面的研究報(bào)道也非常多，而且都證明了淀粉在農(nóng)藥方面的作用非常好。例如，用直鏈淀粉作為原材料制作納米農(nóng)藥，這種制備的納米農(nóng)藥粒徑小、分散度高、黏附性好、生物活性強(qiáng)，最終做成的產(chǎn)物可降解。還有用淀粉作為農(nóng)藥的釋放降解基材，使得農(nóng)藥降解時(shí)污染降到了最低，甚至還可以根據(jù)自己的需求對(duì)淀粉進(jìn)行改性處理以滿足條件。總的來(lái)說(shuō)，淀粉在綠色農(nóng)藥方面的發(fā)展?jié)摿捎^，未來(lái)提升的空間巨大[3]。

3.3? ?纖維素在農(nóng)藥中的應(yīng)用

纖維素是由葡萄糖組成的大分子多糖，不溶于水及一般有機(jī)溶劑。纖維素是自然界中分布最廣、含量最多的一種多糖，其含量占了植物界碳含量的50%以上。纖維素的柔順性差，呈剛性。其分子間有極性，分子鏈之間相互作用力很強(qiáng)，而且纖維素分子內(nèi)和分子間都能形成氫鍵。所以要用纖維素作為農(nóng)藥的降解基材，必須先將纖維素進(jìn)行改性。纖維素改性后其衍生物很多，所以也被應(yīng)用于其他多個(gè)領(lǐng)域。

當(dāng)前，纖維素在商品方面的應(yīng)用和研究已經(jīng)十分成熟，但是在農(nóng)藥方面的研究卻非常少。生物農(nóng)藥較傳統(tǒng)農(nóng)藥具有污染性小、性能效果好等特點(diǎn)，但是容易在紫外線下分解，降低農(nóng)藥的作用，以纖維素為主體研究的抗紫外線膜就非常應(yīng)景。其主要是給農(nóng)藥上添加一層纖維素膜，然后添加抗紫外線性能，保證農(nóng)藥的性能在不受紫外線干擾的情況下同時(shí)達(dá)到控制釋放農(nóng)藥的效果。以目前的情況來(lái)看，纖維素在農(nóng)藥方面的研究太過(guò)匱乏，需要更多的人才進(jìn)行研發(fā)及研究。

3.4? ?甲殼素在農(nóng)藥方面的應(yīng)用

甲殼素又稱幾丁質(zhì)、甲殼質(zhì)，是一種從海洋甲殼類動(dòng)物的殼中提取出來(lái)的多糖物質(zhì)。通常是淺米黃色至白色，甲殼素的脫乙酰基衍生物（Chitosan derivatives）殼聚糖（chitosan）不溶于水，可溶于部分稀酸。甲殼素早在20世紀(jì)就被人類所發(fā)現(xiàn)并應(yīng)用，而將其應(yīng)用在農(nóng)業(yè)方面卻是在近幾年才慢慢被重視起來(lái)。

甲殼素在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用并不是主體，反而甲殼素的脫乙酰基產(chǎn)物——?dú)ぞ厶菂s被大量使用。殼聚糖作為甲殼素的脫乙酰基產(chǎn)物，溶解性能大大提高，擁有極強(qiáng)的殺菌作用。因此，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了殼聚糖在農(nóng)業(yè)農(nóng)藥方面的巨大前景，于是殼聚糖在農(nóng)藥方面的研發(fā)也愈來(lái)愈多。殼聚糖對(duì)植物病原菌的孢子萌發(fā)和菌絲生長(zhǎng)均有阻礙作用，并且對(duì)植物病原菌感染的防護(hù)機(jī)能有誘導(dǎo)作用。同時(shí)，殼聚糖還具有抑菌活性的作用。研究發(fā)現(xiàn)，殼聚糖具有抗植物病毒、類病毒的能力，在多種植株（豆類、煙草等）葉片上噴灑或注射，可保護(hù)植株不受病毒的侵染。據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，殼聚糖還可激發(fā)種子提早萌芽，促進(jìn)作物生長(zhǎng)，提高產(chǎn)量和品質(zhì)。

3.5? ?其他

除了以上由于特征或優(yōu)勢(shì)特殊的常用于農(nóng)藥中的高分子材料外，還有海藻膠、明膠和魔芋膠等也偶爾用于農(nóng)藥中。海藻膠可作為一種包裹材料，作為農(nóng)藥包裝封用時(shí)，可以有效控制化學(xué)藥劑和生物釋放速度，因此對(duì)于防治田間雜草具有很好的價(jià)值。明膠可與乙醇按照一定比例，加入檸檬酸鈉調(diào)節(jié)pH值并用去離子水調(diào)整濃度，對(duì)去除植物農(nóng)藥殘留具有良好作用。魔芋膠用作食品行業(yè)較多，如冰激凌和啤酒（穩(wěn)定劑）、果汁（澄清劑）、微膠囊（成膜性）。此外，由于其具有很好的穩(wěn)定性，還可用于各種水劑和農(nóng)藥懸浮劑。

4? ?存在問(wèn)題及未來(lái)展望

生物可降解高分子材料雖能大大降低農(nóng)藥對(duì)環(huán)境的污染，但是由于其價(jià)格偏高，其實(shí)際使用價(jià)值受限。并且高分子聚合物本身的降解速度、降解產(chǎn)物的毒性及體內(nèi)的積聚等都是主要問(wèn)題，在降解機(jī)理方面還不夠深入，提高可降解高分子材料穩(wěn)定性和提升其適用范圍、不造成二次污染是未來(lái)研究重點(diǎn)。

目前，我國(guó)在農(nóng)藥方面的研發(fā)和應(yīng)用較少，但農(nóng)業(yè)是我國(guó)的根本，發(fā)展農(nóng)業(yè)必不可少的是農(nóng)藥，其就像催化劑能夠推動(dòng)農(nóng)業(yè)的發(fā)展一樣。而且全球環(huán)保問(wèn)題也能提上日程，必須加大對(duì)農(nóng)藥的研究與研發(fā)。農(nóng)藥的制備工程工序也不是很完善，應(yīng)該研究出更加完善、更加成熟的生產(chǎn)方案，再降低成本，使其大眾化、平民化。可降解高分子材料作為農(nóng)藥的成分已不可缺少，其污染小、性能效果更好、毒性更小等特點(diǎn)是傳統(tǒng)農(nóng)藥比不上的，深入對(duì)可降解高分子農(nóng)藥的研究，有利于國(guó)家的發(fā)展，可減少全球污染。

參考文獻(xiàn)：

[ 1 ] 陳學(xué)思.生物可降解高分子材料[J].科學(xué)觀察，2018，13（4）：35-38.

[ 2 ] 邱德文.植物免疫誘導(dǎo)劑——蛋白質(zhì)生物農(nóng)藥“阿泰靈”的創(chuàng)制與利用[C]//中國(guó)植物保護(hù)學(xué)會(huì).植保科技創(chuàng)新與農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)扶貧——中國(guó)植物保護(hù)學(xué)會(huì)2016年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2016：25-28.

[ 3 ] 黃云霄.基于直鏈淀粉為壁材的納米農(nóng)藥的制備[D].貴陽(yáng)：貴州大學(xué)，2019.

（編輯：李俊慧）