综述：农业生态系统中的纳米农药：环境归趋、生态毒理学影响及可持续的风险缓解策略

《Pesticide Biochemistry and Physiology》：Nano-pesticides in agroecosystems: Environmental fate, ecotoxicological impacts, and sustainable risk mitigation strategies

纳米农药在提升农业效率的同时面临环境归趋与生态毒性风险，本文系统综述其土壤-水体中转化机制、对非靶标生物及微生物群落的长期效应，指出现行监管框架的不足，并提出整合组学技术、构建多季节暴露模型及发展纳米生物制剂等可持续解决方案。

　　

Lukman Ahamad|Sudeepta Pattanayak|Mohammad Danish|Guy Smagghe|Atul Kumar Srivastava|Sanwei Yang|Xin Xie

贵州大学农学院，中国贵阳550025

摘要

纳米农药作为一种新兴的环境化学品，具有提高农业效率的同时减少化学物质投入的潜力。尽管取得了这些进展，但它们的环境归趋、传输机制和生态毒理学影响仍缺乏充分研究。本文综述了纳米农药在土壤、水生环境和非目标生物（NTOs）中的转化途径。重点讨论了吸附-解吸动态、聚集行为、溶解度以及持久性等关键过程，特别是对NTOs（包括土壤无脊椎动物、传粉者和水生生物群落）的生物可利用性、营养传递和生物累积潜力。来自中型生态系统和田间研究的新兴证据表明，接触纳米农药会扰乱土壤养分循环、酶活性和有机物分解，从而改变生态系统功能并带来长期生态风险。此外，当前的监管框架主要基于急性实验室毒性测试，无法捕捉亚致死、慢性或多代效应，也不反映与环境相关的暴露途径。为了解决这些局限性，本文强调了纳米特异性生态毒性测试方法的进展，整合了基于组学的工具，并增强了针对纳米农药的生态风险评估框架。我们还讨论了预测建模和机器学习（ML）在支持多季节暴露预测和基于情景的风险评估方面的潜力。最后，我们提出了可持续缓解策略，包括纳米生物制剂、绿色合成方法和农生态实践，这些方法可以减少纳米颗粒（NP）的持久性，最小化非目标效应，并增强土壤微生物功能。本文为纳米农药在农生态系统中的可持续应用和监管提供了一个基于科学的框架，平衡了农业生产力与生态系统保护和环境管理。

引言

纳米农药是指含有1-100纳米范围内工程纳米材料（NMs）的农药制剂，已成为作物保护策略中的重大进展（Wang等人，2022年）。通过整合聚合物纳米颗粒（NPs）、纳米乳液和基于金属氧化物的递送系统等纳米级载体，这些制剂增强了活性成分的控释效果，提高了生物可利用性，并减少了与传统农药相比的应用频率和环境释放（Nuruzzaman等人，2016年；Kah等人，2019年）。例如，纳米封装的噻虫啉即使在较低的应用剂量下也能保持长期的杀虫活性（Memarizadeh等人，2014年；Liu等人，2023年）。同样，氧化锌（ZnO）和二氧化硅（SiO₂）纳米颗粒显示出增强植物抗逆性的潜力，并能降解为相对惰性的副产物，符合可持续和低投入农业的目标（Al-Selwey等人，2023年）。

纳米农药的快速发展是由提高食品产量同时减少化学物质投入和生态损害的农业压力驱动的。传统农药仍然存在严重问题，包括环境持久性、抗性发展、对非目标生物（NTOs）的毒性、土壤质量恶化和水生生态系统的污染。纳米农药通过提高递送效率、减少非目标损失和降低环境中的总体化学负荷，有可能缓解其中一些缺点（Shandila等人，2025年）。尽管具有这些技术优势，但关于它们的环境归趋、转化途径和生态毒理学效应仍存在关键不确定性。

由于纳米级尺寸、高表面反应性和潜在的环境持久性，纳米农药可能表现出与其大分子对应物不同的行为。这些行为包括在土壤-水基质中的更高移动性、与溶解有机物的相互作用以及穿越生物屏障的能力，引发了生态方面的担忧（Kwak和An，2016年）。研究表明，纳米农药可能对土壤微结构、有益土壤生物产生不利影响，对水生生物造成氧化应激，并通过食物网进行营养传递（Dang等人，2021年）。此外，纳米农药对土壤和植物相关微生物组的影响尚不清楚，而这些微生物组是养分循环、分解过程和农生态系统恢复力的关键驱动因素（Ahmed等人，2023年）。

鉴于纳米农药正从实验室原型向田间应用过渡，而监管框架和风险评估模型仍滞后于技术创新，本文非常及时。当前的环境风险评估很少考虑纳米农药的特定性质，如聚集行为、颗粒溶解或在环境相关暴露情景下的与生态受体的相互作用。本文通过提供以下内容来填补这些知识空白：（i）纳米农药的环境归趋、传输和转化的机制评估；（ii）对NTOs的生态毒理学影响的全面综述（C?a等人，2020年）；（iii）评估土壤健康影响，将纳米农药暴露与中型生态系统和多季节田间研究中的土壤酶活性、养分循环和有机物动态变化联系起来（Kah等人，2016年）；（iv）环境负责的缓解策略和可持续整合到农业系统中的方法。通过整合环境化学、纳米生态毒理学和农生态可持续性的观点，本文加深了我们对纳米农药行为和生态影响的理解。它还为指导纳米农药在农生态系统中的安全设计、负责任使用和监管治理提供了基于科学的框架。

本文主要关注陆地农生态系统，并主要研究了基于金属和聚合物载体的纳米农药在实验室、中型生态系统和有限田间条件下的表现。它没有详细涵盖人类健康毒理学、社会经济影响或监管政策。这些界限有助于明确讨论的范围，并强调仍需进一步研究的领域。

部分摘要

综述方法

为了进行文献计量分析，我们进行了全面的文献搜索，以确定研究纳米农药在农生态系统中的环境归趋、生态毒理学影响和风险的研究。文献搜索仅在2009年2月至2025年4月期间使用Scopus、Web of Science（所有数据库）和Google Scholar进行，因为这些平台提供了与纳米农药相关的同行评审文献的全面覆盖。搜索范围限于

纳米农药：设计、机制和应用

纳米农药在害虫管理方面代表了重大进展，通过整合纳米技术原理来提高农药效力、精确递送、稳定性和环境性能。这些制剂通过将活性农药成分封装、吸附或结合到纳米级载体（包括聚合物基质、脂质基系统、无机材料和碳纳米结构）中来实现（Kah等人，2019年；Bindra和Singh，2021年）。此外，zein

纳米农药的持久性和生物累积

纳米农药的环境持久性是其在农生态系统中长期生态影响的关键决定因素。如表1所示，纳米颗粒（NPs）在土壤和水生环境中的持久性因物理化学性质和周围环境条件而异（Eissa等人，2022年）。持久性主要受溶解度、溶解速率、聚集行为和与有机物（OM）的相互作用决定

纳米农药对非目标生物的生态毒理学影响

纳米农药通过提高递送效率、减少应用频率和增强活性成分的稳定性，为作物保护提供了新的机会。同时，它们在环境中的行为比传统制剂更为复杂，这引发了关于它们如何影响非目标生物（如土壤微生物、有益昆虫、水生物种和土壤动物）的担忧（Hennig等人，2023年）（图5）。理解这些相互作用对于保护

物理和化学性质

纳米农药可以与土壤动态相互作用，改变其物理和化学性质，可能损害结构完整性和养分保持能力（图6和表3）。它们的纳米级尺寸和高表面反应性使其能够与土壤成分发生独特相互作用，影响土壤结构、孔隙度、聚集（Shekhar等人，2021年）、pH值、阳离子交换容量（CEC）、电导率（EC）、氧化还原电位（Eh）和土壤有机物（Suazo-Hernández等人

短期研究的局限性

纳米农药研究的一个主要方法学局限性是过度依赖短期生态毒理学研究。大多数实验仅持续几天或几周，主要关注急性毒性，而纳米农药的设计目的是实现活性成分的控释和长期释放（Kah等人，2018年）。这些短期研究很少能够捕捉到农业系统的生态现实，因为在农业系统中，土壤、水体和生物体会经历多年的反复和季节性暴露。

当前的监管框架

全球范围内，纳米农药的监管框架仍处于发展阶段，大多数地区采用现有的化学和农药框架，而不是为纳米农药制定专门的法律。在欧盟（EU），纳米材料受到化学法规框架（如化学品注册、评估、授权和限制（REACH）和分类、标签和包装（CLP）的监管，其中包含针对纳米形态的规定

缓解策略和可持续解决方案

纳米农药在农业中的日益广泛应用需要同时开发可持续方法，以减少对非目标生物的意外后果和对土壤健康的长期影响。缓解策略旨在提高农药效力，同时降低生态风险。一种有前景的方法是开发纳米生物制剂，将纳米材料与酶或植物提取物等生物剂结合。这些混合物提高了害虫控制效率，同时

未来方向

要充分发挥纳米农药在农业中的潜力，需要一个多维度的研究框架，以预见和解决其长期生态影响。一个主要差距是缺乏跟踪多个季节中纳米农药持久性、转化和累积影响的长期田间研究。大多数证据仍来自短期实验室实验，这些实验无法捕捉土壤异质性、气候变异性或多物种

结论

本文首次全面总结了纳米农药在可持续农业中的双重性质，提供了改进的害虫控制效力、控释和延长的生物利用性，同时减少了化学投入和环境足迹。尽管具有这些优势，本文始终将纳米颗粒（NP）的性质与其转化途径、暴露机制和生态系统影响联系起来。我们明确了纳米颗粒的行为和风险机制

CRediT作者贡献声明

Lukman Ahamad：撰写——原始草稿，形式分析，概念化。Sudeepta Pattanayak：撰写——审阅和编辑。Mohammad Danish：撰写——审阅和编辑。Guy Smagghe：撰写——审阅和编辑，可视化。Atul Kumar Srivastava：撰写——审阅和编辑。Sanwei Yang：撰写——审阅和编辑，监督，资金获取。Xin Xie：撰写——审阅和编辑，监督，资金获取。

未引用的参考文献

Abdelraouf等人，2023年

Chaudhary等人，2021年

Vishnu等人，2024年

致谢

本研究得到了贵州省特色粗粮高质量高效机械化科技创新人才队伍建设（BQW[2024]009）和特色山地农业绿色高产关键技术的研究与应用（[2023]07）的支持。