淡水环境中纳米农药生命周期风险评估

传统生态风险评估忽视上游高危害物质风险，纳米农药全生命周期影响尚不明确。研究以吡虫啉（IMI）及其纳米封装变体（nano-IMI）为对象，结合生命周期评估与模型，发现 nano-IMI 生产风险高但终末期淡水风险低，为其环境安全性评估提供新方法。

　　

农药在农业生产中对保障粮食供应至关重要，但传统农药带来的环境问题日益凸显，如对非靶标生物的毒性、在生态系统中的长期残留等。与此同时，纳米技术的兴起催生了纳米农药，其通过靶向递送有效成分有望提高效率并减少环境危害。然而，传统的生态风险评估（ERA）往往聚焦于下游人为影响，忽略了上游高危害物质生产过程及间接排放的风险，且纳米农药在环境中的迁移转化规律及其全生命周期的生态影响尚未被充分认识。例如，纳米农药独特的物理化学性质可能改变其在环境中的归趋（如聚集、溶解行为），进而影响其终末期（end-of-life）对淡水等生态系统的风险，但目前缺乏系统的评估方法，不同生命周期阶段的风险权衡也不明确。在此背景下，开展纳米农药全生命周期的风险评估，尤其是对比其与传统农药在生产和环境释放阶段的风险差异，成为保障农业可持续发展和生态安全的迫切需求。

为解决上述问题，研究人员开展了相关研究，论文发表在《Environmental Science and Ecotechnology》。

加拿大相关研究机构的研究人员以吡虫啉（IMI，一种广泛使用的新烟碱类杀虫剂）及其纳米封装变体（nano-IMI）为案例，旨在通过生命周期评估（LCA）与生态毒理学模型结合的方法，系统评估两种农药从生产到环境释放的全生命周期淡水生态风险，揭示纳米农药作为传统农药替代品的潜力与挑战。研究得出，nano-IMI 在生产阶段的生态风险高于传统 IMI，但在终末期的淡水生态风险显著更低，为纳米农药的环境安全评估提供了新的方法论和数据支持。

研究主要采用了以下关键技术方法：

1. 生命周期评估（LCA）：构建了 IMI 和 nano-IMI 生产阶段的生命周期清单（LCI），涵盖原材料提取至生产过程，使用 TRACI 2.1 方法评估环境影响，以 1 kg 农药生产和单位面积施用量（nano-IMI：2.30 kg?ha^-1，IMI：2.12 kg·ha^-1）为功能单位，识别生产阶段的环境热点。
2. 多媒体环境模型：运用 SimpleBox 和 SimpleBox4Nano（SB4N）模型，模拟两种农药在空气、淡水、土壤和沉积物中的归趋，计算稳态预测环境浓度（PECs），考虑有限（R₁）、正常（R₂）、 heavy（R₃）三种降雨情景，以及 nano-IMI 的异质聚集（S1：聚集作为清除过程；S2：聚集作为转化过程）和不同附着系数（α₁、α₂、α₃）的影响。
3. 生态毒性表征因子（CFs）计算：基于 USEtox 模型，结合效应因子（EF）、归趋因子（FF）和暴露因子（XF），量化两种农药的淡水生态毒性，其中 EF 通过物种毒性数据（如斑马鱼、大型溞等）计算，FF 通过模型矩阵推导，XF 考虑生物可利用性。
4. 淡水影响分数（IS）评估：结合 CFs 和排放量，计算终末期淡水生态风险，考虑 nano-IMI 释放的 IMI 活性成分的叠加效应，并通过蒙特卡洛模拟进行不确定性分析。

3.1 生产阶段环境影响

研究发现，nano-IMI 生产阶段的生态毒性（4.63×10³ CTUe）约为传统 IMI（1.18×10³ CTUe）的 4 倍，主要归因于纳米封装过程中额外使用的溶剂（如甲醇）和工艺（如蒸发、冷冻干燥），以及单位面积施用量较高。IMI 生产的环境热点为中间体 2 - 硝基氨基咪唑啉合成和助剂 APNOHO，而 nano-IMI 的纳米载体合成（如聚丙烯酸 PAANanocarrier）和封装过程是主要贡献环节。不过，与其他金属基纳米材料（如 Ag NPs、CuO NPs）相比，nano-IMI 的生产风险较低，显示出一定的环境优势。

3.2 淡水环境浓度预测

降雨强度显著影响农药的环境归趋：传统 IMI 在 R₁、R₂、R₃情景下进入淡水的比例分别为 7.9%、76.2%、93.1%，而 nano-IMI 仅为 0.0003%~1.32%。nano-IMI 主要通过异质聚集附着于土壤颗粒或自然胶体，仅有极少部分通过地表径流进入淡水，其预测环境浓度（PECs）在地表水中比 IMI 低 2~5 个数量级，与其他纳米材料（如 CuO、Ag NPs）相当。模型验证显示，IMI 的 PECs 与实测环境浓度（MECs）吻合，支持了模型的可靠性。

3.3 淡水生态毒性表征因子

IMI 的 CFs 范围为 3.20×10³~1.3×10⁷ PAF·m³·d·kg^-1，受效应因子（EF）中物种选择影响显著，包含三营养级物种的 EF₃比默认 EF 高两个数量级。nano-IMI 的 CFs 在 S1 情景（聚集清除）下为 7.3~21.3 PAF?m³·d·kg^-1，S2 情景（聚集转化）下为 656~670 PAF?m³·d·kg^-1，显著低于 IMI 和金属基纳米材料，表明其较低的生态毒性潜力。

3.4 淡水影响分数与综合风险

IMI 的淡水 IS 在不同降雨情景下为 411~6.12×10⁶ CTUe，而 nano-IMI 即使考虑释放的 IMI 活性成分，IS 仍低至 0.012~6.93×10⁴ CTUe，比 IMI 低 2~5 个数量级。综合生命周期评估与 IS 结果，nano-IMI 在正常和 heavy 降雨情景下的整体淡水生态风险比 IMI 低 3 个数量级，仅在有限降雨情景下略高。这表明，尽管 nano-IMI 生产阶段风险较高，但其终末期风险显著降低，整体上是更环境友好的替代品。

3.5 局限性与展望

研究局限性包括缺乏工业规模的生命周期清单数据、土壤生态影响研究不足，以及纳米农药释放动力学的不确定性。未来需通过田间监测、材料流分析和更全面的毒性数据（如土壤生物毒性）完善风险评估，同时优化生产工艺（如绿色合成纳米载体）以降低生产阶段环境负担。

结论与意义

本研究首次整合生命周期评估与纳米特异性归趋模型，建立了纳米农药全生命周期风险评估框架，揭示了 nano-IMI 在生产与环境释放阶段的风险权衡。结果表明，nano-IMI 在终末期淡水生态风险上显著优于传统 IMI，为其作为可持续农业技术的应用提供了科学依据。研究方法学可推广至其他纳米材料的环境安全评估，助力全球农业化学物质的绿色监管，为实现联合国 2030 年可持续发展目标中 “保护水生生态系统” 提供关键支撑。同时，研究强调了在纳米农药开发中需平衡生产阶段的环境成本与应用阶段的风险降低，为新型农业化学品的设计与政策制定提供了跨学科的参考范式。