百草枯新劑型的研究進(jìn)展及未來(lái)應(yīng)用前景分析

孫金秋，馬 艷，任相亮，胡紅巖，姜偉麗，馬亞杰，王 丹，宋賢鵬，馬小艷

（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所棉花生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南安陽(yáng) 455000）

百草枯是一種聯(lián)吡啶類除草劑，該除草劑是由英國(guó)原卜內(nèi)門(mén)化學(xué)工業(yè)有限公司（ICI）于20世紀(jì)50年代研發(fā)的非選擇性觸殺型除草劑，因具有殺草譜廣、觸殺作用快、非選擇性等特點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。自投入使用至今，己在近90個(gè)國(guó)家獲得使用許可，可用于100多種作物的多種雜草（有害植物）控制。這些作物包括主要的糧食作物：水稻、大豆、小麥、土豆等；主要的水果：蘋(píng)果、橙、香蕉；飲料作物：咖啡、茶葉、可可豆等；加工類作物：棉花、油棕、甘蔗和橡膠[1]。

然而，由于百草枯水劑的濫用及誤服，以及在農(nóng)事操作中防護(hù)不當(dāng)?shù)龋讓?dǎo)致人畜百草枯中毒，且百草枯中毒后無(wú)藥醫(yī)治。世界衛(wèi)生組織已將百草枯列為II類有毒物質(zhì)[2]，歐盟等30多個(gè)國(guó)家和地區(qū)也已先后禁止百草枯的使用。自2012年起，我國(guó)相關(guān)管理部門(mén)已嚴(yán)格限制百草枯水劑產(chǎn)品的登記和生產(chǎn)許可，并于2016年7月1日起停止百草枯水劑在我國(guó)的銷售和使用。2016年9月，原農(nóng)業(yè)部進(jìn)一步限制了百草枯在我國(guó)的農(nóng)藥登記和境內(nèi)使用續(xù)展登記。但百草枯具有殺草譜廣、速效、滲透性強(qiáng)、觸殺留根等優(yōu)點(diǎn)，且目前尚無(wú)優(yōu)勢(shì)的可替代品種。在此背景下，加強(qiáng)對(duì)百草枯水劑可替代劑型的研發(fā)以及降低百草枯毒性的研究顯得十分必要。

1 百草枯水劑的替代劑型

由于百草枯稍溶于低級(jí)醇類但不溶于丙酮、烴類等大多數(shù)有機(jī)溶劑，百草枯不能被加工成乳油（EC）、懸浮劑（SC）、水乳劑（EW）、微乳劑（ME）、微囊懸浮劑（CS）、可分散油懸浮劑（OD）等劑型[3]，因此，百草枯水劑可替代劑型的選擇不多，相關(guān)企業(yè)與科研院所主要集中在顆粒劑、膠劑、膏劑、片劑等的研發(fā)上。百草枯水劑可替代劑型的專利申請(qǐng)情況見(jiàn)表1。

表1 百草枯水劑可替代劑型的專利申請(qǐng)情況

作為水劑的替代劑型之一，百草枯可溶性粒劑備受?chē)?guó)內(nèi)外百草枯生產(chǎn)企業(yè)關(guān)注，且相關(guān)工藝也取得了較大的進(jìn)展。2012年，郭崇友等[4]模擬“蒸汽機(jī)械再壓縮技術(shù)”，直接從百草枯母液中分離出含有一定水分的百草枯母粉（濕粉，水分含量約為20%），將篩選出的水溶性鹽類作為填料，添加一定量的助劑，經(jīng)混勻、擠出造粒、微波干燥和水溶性袋包裝等工藝步驟，實(shí)現(xiàn)了擠壓造粒制備24%百草枯二氯鹽可溶粒劑。另外，浙江新安化工集團(tuán)股份有限公司采用“吸附劑”吸附百草枯母液后，經(jīng)擠壓造粒制備出20%百草枯可溶粒劑[5]，且田間藥效試驗(yàn)表明，20%百草枯可溶粒劑能有效防除非耕地中的雜草，與百草枯水劑相比無(wú)顯著差異，速效性和持效性均較好[6]。目前，國(guó)內(nèi)唯一獲得登記的百草枯可溶粒劑是山東綠霸化工股份有限公司生產(chǎn)的50%百草枯可溶粒劑（登記證號(hào)為L(zhǎng)S20120374，有效期至2015年11月8日）。由于在可溶粒劑的加工過(guò)程中，始終無(wú)法實(shí)現(xiàn)無(wú)塵化，難以保障生產(chǎn)人員的安全，同時(shí)，降低生產(chǎn)成本難度較大[7]，因此，百草枯可溶粒劑雖然在工藝上取得了較大的進(jìn)展，但至今未見(jiàn)產(chǎn)業(yè)化。

作為一種新劑型，百草枯可溶膠劑不僅具有百草枯水劑所具有的臭味劑、催吐劑和警戒色等安全保障，而且具有更高的黏度、更低的流動(dòng)性和凝膠狀的形態(tài)，彌補(bǔ)了水劑飛濺傷害的缺陷，減少了誤服概率，降低了自殺風(fēng)險(xiǎn)[8]。同時(shí)，可溶膠劑便于工業(yè)化生產(chǎn)與分裝，是百草枯水劑的一種理想替代劑型。目前，江蘇省南京紅太陽(yáng)生物化學(xué)有限責(zé)任公司登記生產(chǎn)的20%百草枯可溶膠劑國(guó)內(nèi)登記證有效期至2023年9月25日，登記證號(hào)為PD20131912，專供出口，不得在國(guó)內(nèi)銷售。

2 納米顆粒負(fù)載百草枯

百草枯水劑的替代劑型研究只能起到減少誤服、飛濺傷害的概率，并不能從根本上解決百草枯對(duì)生物體的毒害問(wèn)題。近年來(lái)，學(xué)者研究了納米顆粒負(fù)載百草枯，以減少其毒性和對(duì)土壤的吸附，保護(hù)百草枯分子不受外界因素（尤其是光降解和水解）的影響。

納米農(nóng)藥是一種新農(nóng)藥理念，它具備減緩和控制農(nóng)藥釋放、增強(qiáng)農(nóng)藥穩(wěn)定性、降低環(huán)境污染等諸多優(yōu)點(diǎn)。Grillo等[9]利用粒子凝膠化技術(shù)制備了負(fù)載百草枯的殼聚糖/三聚磷酸鹽的納米粒子；同時(shí)，利用中國(guó)地鼠卵巢細(xì)胞進(jìn)行了細(xì)胞毒性測(cè)試，發(fā)現(xiàn)百草枯商品制劑對(duì)細(xì)胞的IC50值為0.12 mg/mL，而在此濃度下負(fù)載百草枯的納米顆粒對(duì)細(xì)胞并無(wú)毒性?；蚨拘栽囼?yàn)也顯示，百草枯商品制劑造成的DNA損傷程度要大于負(fù)載百草枯的納米顆粒；除草活性檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，負(fù)載百草枯的納米顆粒具有更高的除草活性，這可能是由于納米材料中的殼聚糖增加了百草枯在雜草表面的黏附力[10]?？傊?，殼聚糖/三聚磷酸鹽納米載體既保證了百草枯的除草活性，又減小了百草枯對(duì)非靶標(biāo)生物的細(xì)胞毒性和基因毒性。

另外，在負(fù)載百草枯的藻朊酸鹽/納米顆粒研究中，Silva等[11]通過(guò)釋放動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，包埋百草枯的納米顆粒顯著降低了農(nóng)藥分子的釋放速率，延長(zhǎng)了農(nóng)藥的持效期；土壤吸附測(cè)驗(yàn)結(jié)果表明，由于納米粒子與百草枯分子的強(qiáng)相互作用力，導(dǎo)致土壤對(duì)百草枯的吸附值較低，同時(shí)，抑制了土壤的解吸過(guò)程，避免了二次污染，從而降低了環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。基于土壤對(duì)百草枯吸附作用強(qiáng)且百草枯自然降解慢的特點(diǎn)，滕洪輝等[12]研制了一種新型二氧化鈦納米管催化劑，該催化劑在適宜的條件下可以有效地催化氧化百草枯，將其進(jìn)行有效地降解。

Gao等[13]采用兩親性超分子主客體復(fù)合物自組裝的手段，研制了一種負(fù)載百草枯農(nóng)藥分子的太陽(yáng)光響應(yīng)型超分子納米囊制劑，極大地降低了該制劑對(duì)生物體的毒性，而且保持了良好的除草性能。如圖1所示，八元葫蘆脲、偶氮苯衍生物和百草枯分子三者形成三元超分子主-客體復(fù)合物，八元葫蘆脲和偶氮苯衍生物的烷基鏈分別作為親水端和疏水端，在水溶液中自動(dòng)組裝為納米囊，對(duì)百草枯分子進(jìn)行包裹。

納米囊在非光照的條件下十分穩(wěn)定，但是在紫外光照射或太陽(yáng)光直射的條件下，反式構(gòu)型的偶氮苯會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)轫樖綐?gòu)型，三元復(fù)合物的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，因此，百草枯分子從納米囊中釋放出來(lái)。研究人員對(duì)負(fù)載百草枯的納米囊制劑進(jìn)行了體外細(xì)胞模型、斑馬魚(yú)模型、小鼠模型的細(xì)胞毒性分析，結(jié)果顯示，該制劑具有較好的安全性。同時(shí)，在太陽(yáng)光照射的條件下，負(fù)載百草枯的納米囊制劑與百草枯商品制劑相比，除草活性差異不大；負(fù)載百草枯分子的太陽(yáng)光響應(yīng)型納米囊制劑在誤服或吸收后，由于太陽(yáng)光和紫外光無(wú)法穿透皮膚，該制劑始終處于穩(wěn)定狀態(tài)，極大地降低了對(duì)人體的毒害，為將有毒物質(zhì)排出體外爭(zhēng)取了時(shí)間。

3 百草枯解毒劑

自上市以來(lái)，百草枯的劇毒性就備受爭(zhēng)議，在沒(méi)有發(fā)現(xiàn)完全有效的醫(yī)學(xué)治療措施之前，向百草枯制劑中添加解毒劑是降低百草枯毒性的一個(gè)重要措施。傳統(tǒng)的百草枯制劑是在溶液中添加藍(lán)色染料、臭味劑和催吐劑來(lái)達(dá)到警示和減少對(duì)百草枯吸收的作用。先正達(dá)公司曾研制了一種新的百草枯制劑（商品名：Intron），該配方中包含了藻朊酸鹽，它可以在胃中與胃酸反應(yīng)形成凝膠，從而減緩百草枯在體內(nèi)的擴(kuò)散，減緩生物體對(duì)百草枯的吸收，起到保護(hù)黏膜的作用；同時(shí)，制劑中還增加了催吐劑濃度，添加了瀉藥（硫酸鎂），可以使百草枯從小腸等器官中及時(shí)排出[14]。Wilks等[15]發(fā)現(xiàn)，Intron與傳統(tǒng)制劑相比，毒性大約降低了2倍，顯著降低了百草枯中毒患者的死亡率，延長(zhǎng)了生存時(shí)間。

近幾年，Dinis-Oliverira等[16-17]研究發(fā)現(xiàn)，水楊酸鈉可有效緩解百草枯引起的肺中毒，清除活性氧，阻礙血小板聚集，以及通過(guò)細(xì)胞凋亡途徑防止肺細(xì)胞死亡。賴氨匹林在動(dòng)物體內(nèi)可以轉(zhuǎn)化為水楊酸，臨床數(shù)據(jù)顯示，在動(dòng)物百草枯中毒2 h后，通過(guò)注射賴氨匹林，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物均可存活[18]。Baltazar等[19]將賴氨匹林作為解毒劑加入到百草枯制劑中，探究了賴氨匹林的解毒效果以及復(fù)配制劑的除草活性，結(jié)果表明，飼喂含有高劑量賴氨匹林的百草枯的大鼠存活率高達(dá)100%，在中毒48 h后僅出現(xiàn)呼吸暫停的現(xiàn)象，解毒劑與百草枯混用對(duì)禾本科雜草的防效與單用百草枯無(wú)顯著差異。

除了藻朊酸鹽和賴氨匹林兩種解毒劑外，在醫(yī)學(xué)研究中還發(fā)現(xiàn)了眾多化學(xué)物質(zhì)對(duì)百草枯所引起的肺、肝臟、腎等器官損傷具有緩解和治療作用，其作用機(jī)制見(jiàn)表2。

表2 7種化學(xué)物質(zhì)緩解百草枯中毒癥狀的作用機(jī)制

4 展 望

4.1 加強(qiáng)對(duì)百草枯的監(jiān)管

雖然我國(guó)已全面禁止生產(chǎn)銷售百草枯，但近幾年市場(chǎng)上仍在公開(kāi)銷售或私下交易，甚至變換名稱繼續(xù)銷售。為了減少和杜絕農(nóng)民因誤服、飛濺傷害和故意自殺引起的百草枯中毒現(xiàn)象，政府應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)百草枯生產(chǎn)銷售的監(jiān)管。

4.2 加快百草枯新劑型的研發(fā)

隨著科技水平的提高，劑型加工技術(shù)也日趨完善。在今后的研究中可以選擇新型材料負(fù)載百草枯，達(dá)到減小毒性、減少環(huán)境污染、控制緩釋等目的。例如，多聚物納米顆?？梢园褙?fù)載百草枯，達(dá)到降低毒性、增加除草活性的效果；新型納米材料多壁碳納米管在農(nóng)業(yè)上具有廣泛的應(yīng)用前景[27]，研究表明多壁碳納米管可降低百草枯對(duì)擬南芥的毒性[28]；籠基金屬有機(jī)物框架材料可以通過(guò)孔尺寸的調(diào)節(jié)、修飾來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)劇毒農(nóng)藥的吸附[29]。近年來(lái)，在超分子化合物研究方面取得了重要進(jìn)展，基于環(huán)糊精[29]、柱芳烴[30]和葫蘆脲[31]為主體分子構(gòu)建的納米膠囊，由于其對(duì)環(huán)境的響應(yīng)，在藥物或除草劑劑型領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。上述研究為今后減小百草枯對(duì)人體和環(huán)境的負(fù)面影響提供了重要參考。

4.3 注重對(duì)百草枯中毒的治療研究

目前，公認(rèn)的有效治療百草枯中毒的方法是催吐、洗胃和采用5%硫酸鎂和蒙脫石導(dǎo)瀉來(lái)加速毒物的排出和減少吸收[30]。近年來(lái)，通過(guò)電化學(xué)高級(jí)氧化法[31]、血液灌流法[32]、間充質(zhì)干細(xì)胞法[33]治療百草枯引起的器官損傷方面取得了一些研究進(jìn)展。但是截至目前，針對(duì)百草枯中毒仍無(wú)特效的治療方法。因此，需要在明確百草枯中毒綜合發(fā)病機(jī)制的基礎(chǔ)上，尋求新的有效的治療方法。