陕西
全球农业可持续发展面临严峻挑战。农药虽可挽回约40%的作物损失，但其田间利用率低，导致农药流失对环境的累积污染与生物多样性退化问题日益突出。纳米技术为植保创新提供了新路径，其智能递送系统有望将农药利用率提升30%以上，显著降低对环境的整体风险。然而，一个根本性问题亟待澄清：纳米农药究竟代表真正的技术突破，抑或仅为传统剂型的纳米级升级？尽管历经多年研究，其转化应用仍面临机理认知不足与监管体系不完善的双重制约。这一问题的解答，将决定其能否真正成为可持续农业的系统性解决方案。
近日，柏连阳院士团队受邀在iMeta（影响因子33.2）上发表了题为Navigating the future of nano‐pesticides: A perspective on design, efficacy, mechanisms, and environmental stewardship的前沿综述。该文系统梳理了纳米农药从理性设计、作用机理到环境安全的完整研究体系，为下一代智能绿色植保技术的发展路径提供了系统性指引。
综述探讨了纳米农药在实际应用中的释放与沉积协同机制。纳米农药可通过包括金属纳米粒子、纳米胶囊、纳米乳液在内的多种形态实现活性成分负载（图1A），其智能响应释放特性依赖于pH、酶、光照等环境信号触发（图1B）。然而，其最终防控效果高度取决于能否在靶标叶面实现有效沉积。叶片表面的多尺度结构（如蜡质、叶脉、表皮毛等）在液滴碰撞过程中易截留空气，常导致液滴反弹或飞溅（图1C-1F）。提升沉积效率的关键在于调控碰撞过程中的动态界面行为。表面活性剂可调控动态界面张力，抑制液滴回缩；高分子助剂通过增黏耗能延缓液滴破碎；而生物质基纳米助剂（如纤维素复合物）则可与叶片微结构形成机械锁合，增强钉扎效果。未来研究需结合界面沉积调控与智能释放设计，构建“沉积‑滞留‑释放”一体化框架，从而推动纳米农药从实验室走向可持续的田间应用。
图1. 农药制剂的分类与智能化设计（A、B）与纳米农药的界面行为与沉积机制（C-F）
作者还系统阐述了纳米农药的协同增效机制与环境安全。协同增效依托纳米载体与靶标、作物、微生物的四元互作，通过多组学解析其直接增效与间接诱导抗性的协同路径。当前机理研究多停留于相关层面，需借助合成生物学构建因果链条以指导理性设计（图2A）。在环境安全方面，纳米材料形成的“生态冠”深刻影响其环境行为与生物效应。前瞻性评估应覆盖其全生命周期，重点关注土壤‑水系统中的归趋、对非靶标生物的长期与跨代效应，以及对微生物群落功能和抗性基因传播的影响。未来需推动“生态冠设计”，结合精准施药与情景化模型，实现增效与安全的权衡（图2B）。纳米农药转化应用仍受机理认知与政策标准双重制约，其发展需以“设计‑调控‑机理‑安全”为系统支撑，并在政策引导下融合防控效能、成本可控与生态安全，方能实现从实验室到田间的可持续转化，协同保障粮食安全与生态保护的目标。
图 2纳米农药作用机制：多组学视角（A）与纳米农药生态风险评价（B）
邓希乐研究员为第一作者，柏连阳院士、中国科学院理化技术研究所董智超研究员、中国农业大学植物保护学院闫硕教授和中国农业科学院植物保护研究所曹立冬研究员为论文的通讯作者。论文第一单位是湖南省农业科学院（岳麓山实验室）。中国农业大学博士生乔恒、中国农业科学院植物保护研究所博士生上官文杰参与了论文撰写，西澳大学余勤教授、印度纳米科学与技术研究所Sandeep Sharma教授、美国加州大学河滨分校Vijayakumar Shanmugam博士等人参与了指导工作。本研究获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金、荷尖人才计划、湖南省农业科技创新基金及岳麓山实验室现代种业重大项目的资助。
全文链接：
http://doi.org/10.1002/imt2.70129
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