在這種形勢下,以農(nóng)藥對靶劑量傳遞過程為主線,通過對劑量傳遞過程行為與流失規(guī)律的認(rèn)知,探討減施增效農(nóng)藥劑型設(shè)計與制劑研發(fā)策略；嘗試提出基于防控場景進行農(nóng)藥適宜劑型設(shè)計,并賦予制劑優(yōu)異的產(chǎn)品性能,保證藥液分散體系及霧滴分散體系中農(nóng)藥有效成分的分散形貌及分散度,進而保證其對靶劑量傳遞的性能,以滿足當(dāng)今國家對農(nóng)藥減施增效的戰(zhàn)略需求。

1農(nóng)藥對靶劑量傳遞過程

目前施用農(nóng)藥廣泛采用莖葉噴霧方式,農(nóng)藥脫離噴霧器械后對靶高效傳遞是一個復(fù)雜的劑量傳遞過程,會受到農(nóng)藥藥劑特性、環(huán)境氣象因素、有害生物為害規(guī)律、靶標(biāo)作物葉面結(jié)構(gòu)等多種因素的影響。首先是從農(nóng)藥制劑稀釋成藥液,藥液再經(jīng)施用器械霧化成霧滴,該過程受外界因素影響很小,劑量傳輸效率在95%以上。其次是霧滴或霧化體系分散到靶標(biāo)作物生態(tài)環(huán)境中,并向靶標(biāo)作物冠層或有害生物為害部位運行,該過程中農(nóng)藥完全暴露在開放的生態(tài)環(huán)境中,受風(fēng)吹、日曬、雨淋等環(huán)境因素影響很大,劑量傳輸效率一般不足70%。第三是霧滴進入作物冠層并向葉片表面沉積和形成持留,該過程主要基于霧滴性能和葉片表面特性,受到葉片屏蔽和冠層微環(huán)境干擾,發(fā)生碰撞、彈跳以及聚并、滾落而流失,農(nóng)藥沉積率一般不足40%。最后是沉積到靶標(biāo)作物葉面或有害生物為害部位的農(nóng)藥,被有害生物攝取進入有害生物體內(nèi)或滲透到靶標(biāo)作物內(nèi)部,并在體內(nèi)傳輸和分布,該過程主要受體內(nèi)傳輸途徑和各種生理生化物質(zhì)的影響,最終到達作用部位能發(fā)揮生物活性作用的劑量大多不足0.1%。

由此可見,農(nóng)藥制劑、藥液和霧化分散體系是農(nóng)藥劑量傳遞的3個載體；而且,從劑量傳遞過程來講,這3個分散體系是一種劑量傳遞的串聯(lián)過程,任何一個分散體系的性能都會影響到農(nóng)藥對靶劑量傳遞效率。霧滴在空間運行和界面沉積與持留是農(nóng)藥損失的關(guān)鍵環(huán)節(jié),期間農(nóng)藥損失率累計高達約60%。究其原因,主要是霧滴從噴施器械進入空間環(huán)境后,其運行行為主要受大氣環(huán)境條件、作物冠層結(jié)構(gòu)、作物葉面特性等人為不可控因素影響。就農(nóng)藥使用者而言,對于特定地理環(huán)境條件下農(nóng)藥的使用,這3個因素都不可改變。只有加強農(nóng)藥霧滴空間運行行為及損失規(guī)律的研究和認(rèn)知,從源頭上進行農(nóng)藥減施增效劑型設(shè)計,改善制劑兌水稀釋形成藥液的霧化性能,才能從根本上調(diào)控霧滴的對靶劑量傳遞性能,從而提高農(nóng)藥利用率。

2減施增效農(nóng)藥劑型設(shè)計

2013年《科學(xué)》雜志刊載的文章,提到既然離不開農(nóng)藥,則可以對農(nóng)業(yè)有害生物進行智能防控(smarter pest control),并且使科學(xué)在其中發(fā)揮重要作用。如何讓有害生物防控更智能？可以從“智”與“能”兩個方面來理解。

“智”體現(xiàn)的是劑型設(shè)計者對農(nóng)藥劑量傳遞過程行為與流失規(guī)律的理解和對各種主控因素協(xié)同作用的掌控能力,同時也體現(xiàn)出對用戶產(chǎn)品需求的了解程度。對于選定的農(nóng)藥有效成分,從原藥到制劑可以理解為農(nóng)藥對靶劑量傳遞的第1個過程。到底加工成什么劑型？需要綜合考慮農(nóng)藥理化特性等產(chǎn)品化學(xué)性質(zhì),靶標(biāo)作物冠層結(jié)構(gòu)、葉面特性,環(huán)境因子等生態(tài)特性,有害生物發(fā)生與為害規(guī)律等生物學(xué)特性。對于加工成兌水稀釋后噴霧使用的劑型,從農(nóng)藥制劑到農(nóng)藥藥液可以理解為農(nóng)藥對靶劑量傳遞的第2個過程。這個過程中,不僅農(nóng)藥制劑分散體系的類型可能發(fā)生變化,農(nóng)藥有效成分的分散狀態(tài)也可能發(fā)生變化。這種變化或許并不影響農(nóng)藥分散體系的載藥量,但可能會影響農(nóng)藥的對靶沉積性能,進而影響對靶劑量傳遞效率。對于選定的防治對象,根據(jù)其發(fā)生與為害規(guī)律以及生物學(xué)特性,藥液中的農(nóng)藥只有達到“生物最佳粒徑”才能發(fā)揮最佳防控效果,也就是說需要通過選擇適宜劑型來保障藥液中農(nóng)藥的最佳分散形態(tài)及分散度。

“能”體現(xiàn)的是制劑產(chǎn)品對農(nóng)藥有效成分的承載與劑量傳遞性能。就像汽車,盡管大體結(jié)構(gòu)和驅(qū)動形式基本一致,但駕駛員和乘客會在不同品牌和不同型號之間獲得不同的體驗。對于選定的農(nóng)藥有效成分,可以加工成不同劑型；對于選定的劑型,不同企業(yè)可以選擇不同的表面活性劑、有機溶劑或者載體等配方組分。從劑型加工角度,制劑體系中使用的表面活性劑、有機溶劑或者載體主要是解決制劑形成與穩(wěn)定以及使用時的再次分散等技術(shù)指標(biāo)要求,通常將其理解為惰性成分,沒有“生物活性”。實際上并非如此,配方組分之間的協(xié)同,除了保證有效成分的分散及技術(shù)指標(biāo)合規(guī),還可以對藥液及霧滴的性能及運行行為產(chǎn)生影響,并進而影響生物效果。傳統(tǒng)的農(nóng)藥制劑配方的選擇沒有重點考慮農(nóng)藥藥液性能和霧滴空間運行過程中的劑量傳遞性能與效率,如不同生態(tài)環(huán)境下霧滴的蒸發(fā)飄移等對藥液性能的要求；也沒有重點考慮農(nóng)藥霧滴在不同作物葉面沉積與持留性能與要求,如不同微觀結(jié)構(gòu)及親疏水作物葉面上霧滴彈跳與流失等對藥液性能的要求。制劑配方組分的選擇一般停留在單一制劑使用時的穩(wěn)定性上,沒有過多考慮實際噴施時多種農(nóng)藥或多種劑型的桶混配伍性能。只要是劑型確定了,生產(chǎn)企業(yè)和行業(yè)管理對同一劑型的質(zhì)控要求幾乎是一致的,盡管按作物和防治對象登記產(chǎn)品,但在產(chǎn)品配方組分選擇及登記資料要求方面沒有體現(xiàn)出基于作物和有害生物差異性的配方組分的“功能性”。

3減施增效農(nóng)藥制劑研發(fā)策略

農(nóng)藥劑型選定以后,接下來就是農(nóng)藥制劑研發(fā)。劑型設(shè)計重在謀略,制劑研發(fā)則強調(diào)基于應(yīng)用場景的性能體現(xiàn)。如前所述,農(nóng)藥制劑、藥液和霧化分散體系是農(nóng)藥劑量傳遞串聯(lián)過程的3個載體；而且,霧滴從噴施器械進入空間環(huán)境后,其運行過程便不再受農(nóng)藥施用者控制,由此可知制劑研發(fā)的重要性。制劑的研發(fā)要基于應(yīng)用場景進行多種因素的考量。

從農(nóng)藥有效成分分散角度,不僅要考慮制劑體系,還要考慮兌水分散的藥液體系,同時也要考慮霧化分散的器械和使用技術(shù)。從農(nóng)藥劑量傳遞效率角度,不僅要考慮制劑、藥液、霧化3個載藥體系,還要考慮靶標(biāo)作物和有害生物,同時也要考慮作物生長的環(huán)境等。從理論上分析,農(nóng)藥在可溶液劑(含水劑)及其兌水形成的藥液中都以分子或離子狀態(tài)存在,屬于最佳分散,可以保證每個霧滴中農(nóng)藥劑量的均勻分布；農(nóng)藥在乳油制劑中以分子狀態(tài)存在,但在兌水形成的藥液中以乳狀液液滴狀態(tài)存在,和水乳劑、油乳劑等屬于相同分散類型,農(nóng)藥在霧化形成霧滴中的分散度和均勻性受使用表面活性劑性能的影響；可濕性粉劑、水分散粒劑、懸浮劑、可分散油懸浮劑等劑型,盡管制劑形態(tài)不同,但農(nóng)藥在藥液中都是以固體顆粒懸浮狀態(tài)存在,農(nóng)藥在霧化形成霧滴中的均勻性受農(nóng)藥固體顆粒粒徑的影響。所以,對于稀釋后農(nóng)藥在藥液中分散狀態(tài)發(fā)生變化的農(nóng)藥制劑研發(fā),需要在配方組分使用和加工工藝等多方面加強研究,以保證農(nóng)藥有效成分在制劑、藥液、霧化3個載藥體系中的最佳分散。

從農(nóng)藥高效劑量傳遞來講,制劑體系的穩(wěn)定及技術(shù)指標(biāo)要求只是一個最基本的要求,制劑研發(fā)應(yīng)該從傳統(tǒng)的關(guān)注制劑體系的形成與穩(wěn)定,逐漸向解決2次分散或再次分散體系中藥劑分散度及分散形貌的變化及對藥效的影響方面,更加重視評價制劑兌水形成藥液及霧化形成霧滴劑量傳遞性能的變化。同一種農(nóng)藥對不同種植區(qū)域的相同靶標(biāo)作物的使用效果不同,環(huán)境因素的影響是主要原因之一。環(huán)境因素首先影響霧滴的傳遞效率。例如,霧滴在高溫干旱環(huán)境條件下蒸發(fā)更快,霧滴粒徑更容易變小,加劇了其運行速度衰減,進而發(fā)生飄移,降低了農(nóng)藥沉積效率,最終影響防治效果。制劑的研發(fā)還要考慮靶標(biāo)作物的差異,如葉面沉積與持留性能對農(nóng)藥分散形貌及分散度的要求；關(guān)注防治對象的不同,如不同有害生物對防控劑量攝取及利用的需求等。

從農(nóng)藥使用技術(shù)方面,目前習(xí)慣性地將劑型設(shè)計成兌水噴霧劑型,而且是常量噴霧劑型,沒有考慮實際噴施時器械不同而出現(xiàn)的噴液量及稀釋倍數(shù)問題,如常量噴霧劑型就不適合用于植保無人飛機等低容量噴霧使用；噴施器械選擇也沒有體現(xiàn)出“定點、定時、定量”精準(zhǔn)給藥的靶向性,沒有綜合考慮有害生物的為害位置、攝取劑量的途徑、防控的最佳時期等,使莖葉噴霧形成的毒力空間與有害生物為害位置等出現(xiàn)了“位差”“時差”及“劑量差”。

4小結(jié)

我國實行農(nóng)藥登記和生產(chǎn)許可管理制度,所有的農(nóng)藥產(chǎn)品都需要獲得農(nóng)藥登記證和生產(chǎn)許可證之后才能生產(chǎn)和使用。所以,農(nóng)藥制劑的研發(fā)首先必須滿足我國農(nóng)藥登記和生產(chǎn)許可管理規(guī)定的相關(guān)要求。從農(nóng)藥登記資料要求中的產(chǎn)品化學(xué)來看,基本上還是基于農(nóng)藥產(chǎn)品質(zhì)量和使用安全方面的考慮,并沒有特別強調(diào)產(chǎn)品的應(yīng)用性能；而且,一旦在一個作物和防治對象上獲得登記,即可在全國范圍內(nèi)不同生態(tài)區(qū)域進行使用。作為農(nóng)藥生產(chǎn)和推廣應(yīng)用主體的企業(yè),則需在劑型設(shè)計和制劑研發(fā)中發(fā)揮創(chuàng)新主體的作用,僅僅為獲得產(chǎn)品登記而研發(fā)是不夠的,應(yīng)該綜合考慮農(nóng)藥對靶劑量傳遞的全過程。基于農(nóng)藥向靶標(biāo)高效劑量傳輸?shù)姆稚⑿枨?基于實際防控場景多因素協(xié)同等,結(jié)合產(chǎn)品市場定位和企業(yè)技術(shù)能力進行劑型設(shè)計和制劑研發(fā),做好實際應(yīng)用效果和風(fēng)險管控,滿足國家農(nóng)藥減施增效需求。