高度な農薬活性を備えたスマートナノマテリアルおよびナノコンポジット

はじめに

世界的に、人々は基本的な食用作物や繊維、燃料、飼料、原材料などのさまざまな必須形態の製品の栽培のために農業に従事しています。限られた資源と2050年までに96億人に達すると推定される指数関数的に増加する人口は、世界の飢餓と貧困の減少を許しながら、非常に持続可能な農業の精緻化を要求する派生地域を強制します[1、2]。絶え間なく増加する人口のこの需要を満たすために、50％以上の食糧生産を強化する緊急の前提条件があります[2、3]。天然資源（水、土地、土壌、森林など）の数が限られており、作物の生産性に上限があるため、経済的かつ環境にやさしい、実行可能で責任のある効果的な農業アプローチが強く求められています。これらのジレンマを克服するために、合成農薬（除草剤、殺虫剤、殺菌剤、および肥料）が開発され、農業収量を増やすために使用されてきました[4、5]。しかし、そのような農薬の適用は、過去数十年間、土壌の健康と生態系に対するそのような農薬の長期的な悪影響を評価するために、食品の質と量を高めるのに役立ちました[6]。しかし、農業分野での有用性の化学的代替物としてのナノ粒子の応用に関する研究は、過去10年間で人気が高まり、後にナノ農薬と呼ばれるようになりました[7]。環境における意図的かつ方向性のある送達であるナノ農薬は、人工ナノ粒子（NP）の単一の拡散原因を表すため、予想される環境問題の観点から特定のものと見なすことができます[8、9]。このことを考えると、そのようなイニシアチブの1つは、現在の農業慣行に革命をもたらすスマートナノマテリアルの最前線であり、表面積対体積比が大きく、需要の増加に応じて変更するという新しい利点を提供する優れた物理化学的特性により、優れた反応性を備えています[2]。

現代の農業は、限られた資源から最大の生産量を達成する力を与えているこれらの現代の材料を使用して、持続可能な農業に革新しています[10]。一般に、農薬は作物の生産性を高めるために不可欠ですが、逆に、農薬の適用は土壌のミネラルバランスを妨げることによって土壌の肥沃度を低下させます[11]。さらに、直接葉面散布または噴霧散布は費用効果が高く、非常に高くなる可能性があり、流出して制御する必要があります[12]。農業で開発されたナノマテリアルベースの化学物質は、栄養素の枯渇率、収量の減少、作物の育て、保護、生産のための投入コストを調整し、収穫後損失を最小限に抑えます[3]。ナノコンポジットは、その固有の熱的、電気的、化学的、および機械的特性のために、植物のライフサイクルを精査および刺激するためのナノ材料の重要なコンポーネントになっています。サイズに依存する転流は、植物の部分内で0.1〜1000 nmの範囲にあり、表面の組成、NPの電荷（強く負に帯電すると転流が多いことを示します）、および植物のサイズ排除限界によって変化します[10、13]。これらの浸透経路は、ナノ農薬を使用したさまざまなin vitro（濾紙、水耕栽培、寒天培地、ホーグランド溶液、ムラシゲスクーグ培地、栄養溶液）およびin vivo（葉の取り込み、枝の摂食、幹の注射、および根の取り込み）実験によって確認されます。 、ナノ除草剤、ナノ除草剤、およびナノ成長促進化合物[2、9]。ただし、場合によってはサイズ排除が高いため、植物の成長段階にプラスとマイナスの両方の影響を与える特定の通過と濃度を制限することは困難です（図1）。

ナノ粒子輸送の図解、および作物植物におけるそれらの相互作用

近年、農業でスマートナノマテリアルを利用する多くの成功例が報告されており、多層カーボンナノチューブ[5、14]、金属ベースのナノコンポジット[15]、銀は真菌の発芽を阻害します[16]などがあります。この新時代のナノ製剤は、土壌と植物の複合体に入るだけで生理機能を微調整する可能性があり、これを利用して横方向の影響を特定することができます[17]。

ナノコンポジットを主成分とするスマート農薬デリバリーシステムを含むナノ粒子ベースの製品（NM）は、絶えず開発されています。改善された作業設計、商業化の規制、およびナノ肥料、ナノ農薬、およびナノ除草剤のリスク評価を備えたナノ農薬の実用的な利点を達成するには、依然として多くの集中的な研究が必要です[18、19]。熱、干ばつ、塩分、および農業システムにおけるその他の未解決の課題に耐えることができる新しい作物品種は、世界中の主要な栽培慣行の全範囲を妨害します。さらに、自然環境でのNMの実施は、化学物質に基づく危険レベルを低下させることが予想されます[12]。農業への応用は、持続可能な農業システムと化学物質ベースの農業システムの間のギャップを狭めると確信しています。これに加えて、水と土壌の汚染を解決することにより、環境にやさしい方法で世界的に食料生産と品質を向上させます[20]。したがって、実際には、新しいNMベースの製品の開発に関する新しい手段を提供することができます[14]。従来の農薬には、有効成分（AI）の非選択的および吸着率に関して多くの欠点がありました。

99.9％以上の農薬が標的サイトに届けられず、土壌、水、空気の健康に危険な影響を及ぼし、病原性耐性と生物多様性の喪失を高めることが報告されています[12、21、22]。全体として、私たちは、ナノマテリアルまたはナノコンポジットが、農業の革新、食料システム、持続可能な作物保護、および生産をアップグレードおよび進歩させるための効率的なソリューションを提供するという事実に関する現在の情報を強調することを目指しました。さらに、制御放出システム、土壌および微生物叢との相互作用における役割、ナノ農薬、ナノ除草剤、ナノ肥料としてのナノコンポジットの有望な役割、および農薬活動の制限に関する情報も、このレビューで説明されています。

制御放出システム（CRS）を備えたナノ構造化合物

従来の化学物質適用アプローチに勝るいくつかの利点のために、多くの研究者は、環境汚染を減らすための代替物を提供するために、制御放出システムのモデルを提唱しました[15、23、24、25、26、27、28、29]。制御放出（CR）により、AIを土壌や植物に効率的に効率的に供給できるようになり、農薬の使用量、エネルギー、人員、またはアプリケーション機器の操作に不可欠なその他のリソースが削減されます。また、アプリケーションを扱う人間の安全性を高めることもできます[26、29、30、31、32]。さらに、CRは、植物毒性の低減、揮発、浸出、ドリフト、不適切な取り扱い、土壌の劣化による農薬損失の低減など、従来の方法に比べて多くの利点を示し、制御された供給は、蒸発の形での予測できない損失を防ぐための植物の適切な濃度と一致します、浸出および天候（ 図2）[16、33]。

ナノ粒子送達システムの種類

包括的な特性評価は、スマートナノロード農薬の効率と挙動を予測または説明するための重要な前提条件です。特に、AIの保持、挙動、組成と相、ゼータ電位、高分子ナノキャリアの内部構造、および粒子環境条件でのそれらの放出は、重要な特性として要約されています[30、34、35、36]。ナノキャリアからのAIの負荷と放出の速度は、その有効性を予測または評価する上で中心的な役割を果たします。これらは、高分子マトリックス内に残っている成分濃度と放出された成分の量によって評価できます[37、38]。リリースのメカニズムは、次のようなさまざまなモードで実現できます。

NPの緩和/膨張による拡散

濃度勾配現象（またはフィキアン拡散）では、灌漑または降雨のイベント下でも、濃縮製剤または固体製剤のいずれかを使用してナノキャリアを希釈すると、放出が高速で発生します。ナノ粒子のサイズを大きくするか、ポリ乳酸（PLA）をロードしたメタザクロルで観察されるAIの拡散が発生する媒体内の距離を大きくすることで、拡散を遅くすることができます[32、39、40]。同様に、強化された架橋は、ポリマー架橋の前後のメソミル負荷キトサン（アジドベンズアルデヒド-カルボキシメチル）農薬によって示されるように、ポリマーマトリックスを介して屈曲度を増加または多孔性を減少させることによって拡散を遅らせる効率的な方法として提案されています[40、 41,42,43]。

バーストリリース

最初の大量のAIがターゲットのアプリケーションに適していない場合に、AIが望ましくない形で放出される最も一般的な急速放出方法。現象は、NPの近くまたは表面に存在するAIの濃度を高めることを示し、高い有意なバースト放出を示します。たとえば、PLAをロードしたメタザクロル（除草剤）ナノカプセルまたは表面コーティングは、ナノスフェアで頻繁に見られる初期の急速なバーストを抑制するために推奨されています[35]。

劣化

ナノ粒子の放出は、水による加水分解、光への曝露、温度、pH、特定の刺激、および酵素活性によって達成できる物理的、化学的、および生物学的分解によって引き起こされたり加速されたりする可能性があります。たとえば、PLGA（ポリ乳酸コグリコール酸）NPは、水の表面積対体積比を高めることで加水分解の増加を示し、その拡散速度は適切なナノキャリアで微調整される可能性があります[44]。さらに、PLGA-NPに組み込まれたmPEG（メトキシポリエチレングリコール）は、加水分解分解タイプでの加水分解のアクセシビリティと最終的なアクセス性の向上により、NPの分解速度を向上させます。酵素分解では、ホスファターゼ、グリコシダーゼ、およびプロテアーゼの活性によって引き起こされるイベント：PCL（ポリ（ε-カプロラクトン）分解はリパーゼ活性の活性で増強します[44]。同様に、γ-PGA（ポリ（γ-グルタミン酸）酸）γ-GTP（γ-グルタミルトランスペプチダーゼ）によって媒介される分解は、急速な分解を引き起こす最も一般的な酵素と考えられています[38]。別の研究では、ゼインナノ粒子は、カプセル化されたシプロフロキサシン抗生物質の存在下で、急速かつ広範な分解と放出を示しますコラゲナーゼよりもトリプシン酵素[37]。

場合によっては、ミセルやUV（紫外線）に不安定なコアシェルNPなどの感光性ポリマーを使用して刺激応答の放出を観察できます。NPはPEGに、ニトロベンジルはカルボキシメチルキトサンに生成されます。したがって、刺激ベースのナノコンポジットは、標的または隣接する環境によって生成された刺激にインテリジェントに反応し、最終的にAIの放出をトリガーして、害虫を効果的に調節することができます[45、46]。ただし、一部のNPの物理的安定性は、ポリマーが弱塩基性または酸性であり、静電および電荷がpHで信頼できる場合、pHによって変化します[40、41、47]。たとえば、カルボキシメチルセルロースと羽毛ケラチンにはアベルメクチンが含まれていました。拡散速度は、低pH（フィキアン輸送）および高pH（非フィキアン）でより速いことが観察されました[46]。

農業システムの有望なツールとしてのナノ製剤

農薬には、害虫、雑草、病原性真菌、細菌、線虫、およびげっ歯類を標的とするために使用される農薬、除草剤、殺菌剤、殺菌剤、殺線虫剤、殺鼠剤が含まれます（図3）[48,49,50]。世界的に、除草剤市場は拡大しており、2016年から2022年の予想期間の年平均成長率（CAGR）6.25％で27.21ドルから391.5億ドルの間にあると推定されています。これに加えて、世界の農薬市場は、2016年から2021年の間に推定5.15％のCAGRで2021年までに705.7億ドルに達すると説明されました。これに加えて、カプセル化された農薬の世界市場は、2025年までに8億ドルの到達ベンチマークで指数関数的に成長し、 2019〜2025年の在職期間中の11.8％のCAGR [18、19、48、49]。

持続可能な農業における植物成長、病原体管理、および養分吸収の調節のためのさまざまなナノ粒子の適用

無機化学物質に代表されるファミリーは、除草剤、フェニルピロール、ベンズイミダゾール、ジチオカルバメート、および殺菌剤、カルバメート、有機リン、殺虫剤に関連する有機塩素化合物を表すトリアジン、フェノキシ、および安息香酸クロロアセトアニリドです。ナノ製剤を使用したスマートナノ農薬は、耐久性、有効性、湿潤性、分散性、毒性が低く、土壌や環境での生分解性が高く、従来の化学物質と比較して残留物が少ない光生成性など、さまざまな利点を提供する必要があります[51、52、53 ]。過去に、土壌と植物の養分循環に影響を与える重要な役割と汚染範囲にアクセスするために、ナノ農薬について広範な研究が行われてきました[19]。

ナノ農薬

総合的病害虫管理（IPM）におけるナノケミカルの潜在的な有用性は、少なくとも薬物濃度の増加した活性と周囲との農薬相互作用の熟練したモニタリングを備えたAIの標的化送達に依存します。過酷な条件下では、化学安定性は、流出のリスクなしに、分散範囲、湿潤性、および農薬に対する保護性が強化された効率的なナノキャリアによって達成できます[54、55、56、57]。殺虫性ナノ組成物の他の注目すべき特徴は、熱安定性、大きな表面積、増加した標的親和性、および成功した送達後の生分解性の性質において観察することができる。これらの配信システムは、単一の目標または複数の組み合わせに対して調整できます。成功した標的の生物学的障壁を克服するための空間的標的放出、時間制御放出、遠隔または自己調節放出[21、58、59、60]。ただし、ナノカプセル化またはナノキャリアの有効性は、（1）ターゲットに放出される前にキャリア内のAIの事前分解を防ぎ、（2）浸透を改善し、ターゲットサイト内のAIの溶解度を容易にする（3）監視または調整することです。目的のサイトでのAIの劣化[61、62]。

Kremerらによると。 [63]農薬とNPの間の吸着相互作用は、離散的な分子動力学を示しています。このような相互作用は、生理学的形態、結合能力、抗酸化システム、および植物における農薬の輸送性を介して吸着部位にプラスの影響を与えるはずです[64]。 シロイヌナズナ 、銀NPとジクロホップメチル（発芽後除草剤）との間の拮抗作用で、除草剤の存在が減少するか、Ag ⁺ に影響を及ぼします。 シルバーNPから。さらに、農薬濃度の低下は、選択されていない生物への毒性を回避し、汚染リスクを絞り込むために不可欠です[65,66,67]。ナノエマルジョン、ナノ懸濁液、ナノカプセルなど、農薬のいくつかのナノ組成物が開発されています。このようなナノ材料は、磁気放出、超音波放出、pH放出、熱放出、水分放出、DNAベースの放出、特異的放出、迅速および徐放を含むいくつかの方法でAIの調節放出を維持するために特別に調製されています[19]。 P>

場合によっては、中空シリカNPでのナノ粒子送達は、アベルメクチンのUV放射を防ぎ、ナノ農薬に光安定性を提供するために使用され、標的生物に長期的な影響を及ぼします。いくつかのNPは、（1）脂質ナノ材料ベースのカプセル化を含むさまざまな形態のカプセル化を使用しました。 （2）金属有機フレームワークベースのカプセル化。 （3）ポリマーベースの6カプセル化。 （4）粘土ナノ材料ベースのカプセル化。 （4）より環境に配慮したカプセル化[9、42、43、45、47、68、69、70]。

ナノ肥料

植物の保護に加えて、これらのスマートNPは、生理学的プロセスを調節するために広く使用されています。たとえば、SiO ₂ NP（二酸化ケイ素NP）は、 Lycopersicon esculentum の種子の発芽率を高めます [71、72]、キトサン-ポリメタクリル-NPKは、インゲンマメのバイオマス、栄養素の取り込み、抗酸化酵素を増加させます [73、74]、Au-NP（ゴールドNP）は、トウモロコシの種子の発芽、実生の成長、酵素活性、および養分吸収を促進します。 [75、76]、SiO ₂ -NPは、 Hyssopus officinalis のNPKの取り込みを改善し、酵素活性と種子の発芽率を高めます。 および Z。かもしれません [77,78,79]、キトサン-CuNPs（銅NPs）は、種子の発芽、α-アミラーゼの活性化、プロテアーゼ、および Zのさまざまな抗酸化酵素の活性を高めます。かもしれません [2、80、81]、キトサン-ZnNP（亜鉛NP）は、 Triticum durum の亜鉛含有量と防御酵素の蓄積を増加させます [82、83]、キトサン-γ-ポリグルタミン酸-ジベレリン酸NPは種子の発芽、根の発達、葉の面積、ホルモン効率、細胞外酵素および栄養効率を促進します[83、84]、キトサン-ポリメタクリル酸-NPKNPはタンパク質含有量を促進します栄養素の取り込み[74、85]、ZnO-NP（酸化亜鉛NP）はカタラーゼ（60.7％）、スーパーオキシドジスムターゼ（22.8％）の活性を高め、栄養素の獲得[86、87]、CeO ₂ -NP（酸化セリウムNP）は、 Spinacia oleracea の種子の発芽と活力、酵素活性、栄養素の取り込みを促進します。 および Z。かもしれません [88,89,90,91]、AuNPは Brassicajuncea のクロロフィル含有量と抗酸化酵素活性を増加させます [92]およびTiO ₂ NP（酸化チタンNP）は、クロロフィル含有量、栄養素の取り込み、ルビスコの活性、および Sの抗酸化酵素を強化します。オレラセア および Cicer arietinum [89、93]（表1）。

ナノ殺虫剤

カプセル化されたNPの傾向と需要が指数関数的に増加するにつれて、それらの管理に対する規制圧力も同時に強化されました。カプセル化された殺虫剤は、2017年までの総農薬収入の42％以上を占めています[60、94、95]。最近、2019年にオンラインで分類された農薬マニュアルのカプセル化された殺虫剤には、ペンジメタリン、アセトクロル、ジクロベニル、テフルトリン、エトフェンプロックス、クロルピリホス、カルボスルファン、フラチオカルブなどの危険な有毒AIが商業レベルで含まれています[19]。 AIの毒性レベルは、カプセル化材料に依存するだけでなく、生体内条件でのAIへの標的種の曝露のダイナミクスを調整するのに役立ちます[21、25、96]。カプセル化壁材料としてスチレンとメタクリル酸メチルを使用すると、殺線虫活性が高まり、小麦さび病の原因となる病原菌 Puccinia reconditea の増殖が抑制されました。 。同様に、尿素-ホルムアルデヒドおよび多尿樹脂壁が気孔毒性、接触毒性、ホキシム負荷マイクロカプセルの有効性、および光分解特性に及ぼす影響がZhangらによって報告されました。 [97]。別の研究では、アルギン酸ナトリウムイミダクロロプリドカプセル化の害虫効率の改善と細胞毒性の低下が観察され、イミダクロロプリドの直接適用に有利に働きました[68]。

別の研究では、フリーフォームのピクロフォームと比較して、シリカゲルカプセル化による土壌微生物相に対するピクロラムの毒性が減少していることが示されています。選択されていない生物に対するシリカNPのバイオアベイラビリティは、シリカシェルの壁特性を調整することによって強化できます[98]。ある研究では、Jacques etal。 [99]は、線虫、Caenorhabditis elegans に対するカプセル化されたポリマーおよび脂質ナノ組成物におけるアトラジン毒性を報告しました。 、しかし、それ自体が低毒性に起因する可能性があるトリポリホスフェート/キトサンベースのカプセル化では、比較的毒性は観察されなかった。さらに、油でカプセル化されたPCLニーム由来のナノカプセル化は、気孔コンダクタンス、つまり300日までの曝露後のトウモロコシの光合成能力の悪影響をまったく示しませんでした。これらの調査結果は、AIの壁材料/カプセル化および物理化学的特性、ならびにそれらの組成および適用部位の注意深い選択を示唆しています[19、100]。

Si-NP（シリコンNP）は、貯蔵された甲虫 Callosobruchus maculatus からの侵入を保護することが効率的に報告されています。 Vigna unguiculata、V。mungo、V。radiate、Macrotyloma uniflorum、C。arietinum、などの豆類 および Cajanus cajan [101]。それらの優れた性能にもかかわらず、ナノ農薬は不十分な商業化と安定性を示しています。 pH、温度、湿度、UV放射は、AIの可用性に影響を与え、物理化学的特性に影響を与えます。これらの量に加えて、AIの品質、厳格な法律、高価さ、劣化期間が、ナノ農薬を使用する際の新たな問題となっています[19、54、79]。

非殺菌剤

ナノキャリアの用途を超えて、作物保護のためのAIとしてのナノマテリアルは研究の主要な側面です。ナノ殺菌剤の幅広い抗真菌特性は、農薬としての効率を向上させることができます。たとえば、銅、銀、および亜鉛のNPは、鋭い抗菌活性と非毒性を備えた病原性耐性に対する化学的AIの欠点を解決します[19]。さらに、キトサンベースのNP（Ch-NP）は、効果的な抗真菌活性を示し、過去10年間に多くの研究者によって報告された成長を制限します。たとえば、 Alternaria alternata、Macrophomina phaseolina に対するCh-NP 、リゾクトニアソラニ [102] 、Pyricularia grisea、Alternaria solani 、 Fusarium oxysporum [102、103] 、 イネいもち菌 Fusarium solani に対する銅-キトサンNP [104]、Cu-キトサンNP- Rに対して。 solani および Sclerotium rolfsii [105]、キトサン-サポニンNP [102]、 Verticillium dahaliae に対するオレオイル-キトサンNP [106]、 Fusarium v​​erticillioides に対するサリチル酸をロードしたキトサンNP [107]、 Rに対するAg-キトサンNP。 solani、Aspergillus flavus および A。オルタネタ [108]、 Phomopsis asparagi に対するシリカキトサンNP [109]キトサン-コショウの木（コショウボク ） Aspergillusparasiticus に対するエッセンシャルオイル（CS-EO）NP [110]、 Monilinia laxa に対するキトサンベーマイトアルミナナノコンポジットフィルムとタイムオイル [111] Neoscytalidium dimidiatum に対する殺菌剤ジネブ（Zb）およびキトサン-Ag NP [112]、 Aspergillus niger、A。flavus、A.parasiticus に対するキトサン-タイム-オレガノ、タイム-ティーツリー、タイム-ペパーミントのEO混合物 、および Penicillium chrysogenum [113]、 Botrytis cinerea に対するキトサン-チモールNP [39]、キトサン- Cymbopogon martinii Fusariumgraminearum に対するエッセンシャルオイル [114]。

従来の農薬と比較して、ナノ粒子は、Agドープ中空酸化チタン（TiO ₂ ）の0.43および0.75 mg /プレート濃度という微小濃度でも、作物保護に非常に効果的であることが確認されました。 ） Venturia inaequalis などのジャガイモ病原体に対するナノ製剤 および F。 solani [115]（表2）。さらに、NPのいくつかの成功例は、近年、非生物的ストレス耐性について広く研究されました[116,117,118]。干ばつ耐性に対処するために、過去数十年間にTiO ₂ などのNPの適用に関するいくつかのレポートが公開されました。 Linum usitatissimum でのアプリケーション 色素沈着を高め、マロンジアルデヒド（MDA）と過酸化水素（H ₂ O ₂ ）[119]、ZnOは Glycine max で効果的な種子の発芽を促進します [120]、CuNPsは Zの色素沈着、バイオマスおよび穀物収量を改善します。かもしれません [121]。塩分ストレスの場合、 Gでの評価には、種子浸漬、養液、および種子プライミング法が使用されます。 max、S。lycopersicum、およびGossypium hirsutum それぞれ[122,123,124]。

このアプリケーションは、クロロフィル含有量、バイオマス数、可溶性糖含有量、種子の発芽を強化することにより、ストレス耐性を向上させます[125,126,127]。 Shoemaker [128]によると、 Triticum aestivum でのAgNP（シルバーNP）の適用 SeNP（セレンNP）の葉面散布がソルガムバイカラーの抗酸化酵素活性とチラコイド膜の安定性を改善するのに対し、実生の成長と葉の面積を増加させます 熱ストレス下[129]（表3）。

ナノ除草剤

これらのNPは、いくつかの雑草種の生理学的プロセスと成長段階を阻害します。たとえば、Ch-NPは Bidens pilosa の発芽と成長段階を遅らせます [130、131] NPsアトラジンは、 Amaranthus viridus のPSII活性を破壊します [132]、Fe ₃ O ₄ NP（酸化鉄NP）+精製珪藻土+グリホサートは Cynodon dactylon のpHレベルを低下させます [133]、ゼロ価のFe NP（Iron NP）は、 Lolium perenne の発芽を遅らせます [32]。メトリブザン（市販の除草剤）の有効性は、NPを使用して、 Melilotus album、T。aestivum、Agrostis stolonifera などの雑草個体群の成長を維持することで強化されました。 および Setaria macrocheata [19] 。

アトラジンをロードしたナノキャリアは、気孔領域、ヒダトードに浸透し、血管組織への直接の侵入を確実にするために使用されます。それは、ターゲティング、細胞取り込みを確実にし、NPの特定の特性による細胞内輸送を克服します：（1）相互作用親和性。 （2）形状とサイズの機械的効果。 （3）触媒効果。 （4）表面電荷/疎水性。 Fraceto etal。 [19] アブラナ属の従来のスプレーシステムよりも三リン酸/キトサンナノキャリアの適用を好む非標的植物におけるパラコートの毒性レベルの低下について説明しています。 sp。同様に、 Bでは。有毛目 および C。ダクチロン 実生の死亡率は、カプセル化されたグリホサート磁性ナノキャリアを使用して強化されました[19、131]。ナノカプセル化は低用量の除草剤を使用し、対象種および農地における除草剤の長期的な残留効果を効果的に減らすことができます。結論として、ナノ除草剤は植物組織でのAIの送達を強化し、環境毒性の可能性を比較的低下させることができます[60、94、95]。

植物への影響-土壌微生物叢

NPは、多くの経験の変化、土壌微生物相での溶解凝集、有機物含有量、pH、二価陽イオン、および粘土（NPの保持に最も重要）の分解の運命を仲介する主要な調節剤による吸着に直面しています。 Asadishadらによると。 [134]、AgNPsの毒性は、pH含有量と粘土含有量の上昇とともに減少するアンモニア酸化細菌に対する微生物基質依存性呼吸に依存します。 pHが低いとAgNPが溶解しますが、土壌のpH値が高いと負電荷サイト数が増加し、Agの収着が増加します[19]。ある研究では、低粘土含有量と粗い土性の有機物に関するCuONP（酸化銅NP）について同様の結果が報告されました。このような酸性土壌は、遊離イオンの遊離を伴うAgおよびCuNPの溶解を促進し、NPの短期間の影響を高める可能性があります[9]。 Zhai etal。 [135]はまた、イオン性農薬のナノ製剤は、より一般的には部分的なイオン放出に関連するさまざまな影響を示す可能性があると結論付けました。他の著者は、抗菌活性の変化または土壌伝染性微生物群集への影響を伴うAgNPのイオン型とナノ型の相違点と類似点、およびinvitro条件でのそれらの応答に注目しました[19、136、137]。

長期的な研究において、Guilger等。 [66]、経路を確実に生体NPに依存させることは、ヒト細胞および脱窒プロセスへの影響が最も少ないが、植物真菌の関係への影響がより大きくなる可能性が高い。マイクロスケールレベルでは、脱窒は、水分条件、pHを調整し、基本的な付属品（炭素、硝酸塩、および酸素）の欠損ゾーンを作成することにより、AgNPの影響を受ける主要な微生物活動です。しかし、高い土壌酸化還元電位値と砂質テクスチャー土壌は脱窒に有利でしたが、提供されたテクスチャード粘土土壌は低い酸化還元電位を提供し、生物学的変換の範囲内にあります[19]。このような影響は、脱窒および物理化学的特性（表面電荷、コーティング、サイズ、沈降速度、分散性、溶解性など）に対するAgNPの親和性と相関関係があります[138]。生体AgNPはグリーンプロセスに由来し、Kumarらによって報告されたNサイクルには影響を与えません。 [67]。選択されていない微生物としての土壌微生物相に対するナノカプセル、ナノゲル、ナノ金属、および非金属粒子の影響が文書化されています。 Li etal。 [139]は、ナノ農薬CM-β-CD-MNP-ジウロン複合体（カルボキシメチル-ヒドロキシプロピル-β-シクロデキストリン磁性NP）がウレアーゼ酵素の活性に悪影響を与えることを証明しました。

Diuron NPs複合体は、活性酸素種の増加を伴う放線菌を除いて、土壌細菌の個体数状態の低下を引き起こします。これらはすべて、CM-β-CD-MNPの毒性を示しています-Diuronは土壌微生物にストレスを及ぼし、Diuronナノカプセル化を使用しても減少しませんでした[12、19]。バイオナノ殺虫剤処理は、有益なミミズ Eudrilus eugeniae の体重増加と生存率を含む土壌微生物叢を改善することが確認されました。 。また、 Helicoverpa armigera に対して優れた殺幼虫、摂食阻害、および殺虫活性を示します。 およびスポドプテラ sp。 100 ppmのナノ製剤用量で[19、50、55]。

植物にナノ農薬を使用した場合の欠点

ナノ農薬はまた、直接的または間接的に作物にいくつかの悪影響を示しています。最も好意的で使用されているAgNPとその複雑なナノ粒子は、毒性が低いため、農薬の各クラスでの多様な範囲に起因していますが、これらのスマートナノ農薬の欠点を説明する多くの報告が発表されています[61、140、141]（表4） 。たとえば、 Vicia faba 、葉へのAgNPの内在化は、気孔コンダクタンスCO ₂ を急激に変化させる可能性があります 同化率と光化学系II [142]。さらに、AgNPの結合はクロロフィルと結合してハイブリッドを形成します。これは、高速の電子正孔分離とプラズモン共鳴効果により、電子を10回励起します。別の研究では、AgNPsおよびAgNPs-酸化グラフェンGO（Ag @ dsDNA GO）効果も Lで観察されました。 esculentum Xanthomonas perforans に対して抗菌活性を示します [143]。近年、ZnONPが Allium cepa の根の成長を低下させるなどのさまざまな報告が提出されました。 [89]、Ch-NPs +パラコートバイオマスの減少、脂質過酸化、遺伝子毒性、および Brassicasp。の葉の壊死 [144]、SiO2NPは、 Taraxacum officinale のバイオマス、発芽、タンパク質含有量、光合成色素に影響を与えます および Amaranthus retroflexus [76]、AgNPは脂質過酸化、葉の損傷を引き起こし、 Gのカタラーゼ活性を変化させます。最大 [145]、NPP ATZ + AMZ Raphanus raphanistrum 植物の成長を抑制します[146]。

これらに加えて、NPは植物生理学、土壌微生物相、および酵素集団の減少に悪影響を及ぼします。例えば; Al ₂ O ₃ （酸化アルミニウム）はバクテリアの成長を減らし、苗の成長を減らします[147、148]、C60フラーレンはバクテリアの成長を最大20-30％制限します[149]、ZnNPは土壌の酵素活性を減らし、 Zの蒸散速度と光合成速度を減らします。かもしれません [150]。結論として、NPは非常に反応性が高く、本質的に変動性があるため、申請中に遭遇する可能性のある労働者にとっては常に懸念されるリスクです。

商用規模の実装における制限と課題

文書と同様に、ナノ農薬の環境における行動と運命に関する発見の欠如、および動物相の多様性に対するそれらの影響は、農業へのそれらの組み込みに課題をもたらす可能性があります。より安全な製品開発ポリシーを開発するには、環境および対象外のコミュニティでの動作を計算することが必須であるため、ナノカプセル化システムを使用する利点の代わりに、それらの実装には注意が必要です[54]。ただし、生物学的ナノ製剤に焦点を当て、簡単な取り扱いプロセス、低コスト、鋭い放出システムによるより多くのAI持続性、および残留物を残さない高い分解速度を提供するスマートナノ農薬を開発する必要があります[148]。これらに加えて、現場条件での不十分なデモンストレーション、費用対効果、消費者の受容、および技術の実現可能性は、商業的実装の主要な制約です[152]。

限られた管理ガイドライン、一貫性のない立法の枠組み、規制モデル、そして国民の意識向上キャンペーンの欠如は、そのような初期のナノ農産物の一貫性のないマーケティングを生み出します。地上レベルに適合する国内および国際的な取り決めは、ナノテクノロジーの開発をサポートする唯一の方法です[49]。ただし、ナノ農薬の承認を求めるコミュニティは、ユーザーと環境に不当な安全上のリスクを提案することにより、これらの新製品の予防的使用を実証する必要があります。したがって、規制ガイドラインとフレームワークは、ナノ農薬の新たな問題を解決するために主に重要になりつつあります[153]。さらに、脅威軽減戦略を確実にするための各国間の協力、議論、および情報交換フォーラムの必要性は、ナノ農薬のマイルストーンと見なされるべきである。したがって、人間と環境に対するナノ農薬の悪影響を防ぐために、政府機関、科学者、および社会的コミュニティの努力を統合する必要があります[59]。

このシナリオでは、潜在的な内因性ハザードにアクセスするために、毒性の種類とそのレベルの特性評価に毒性測定機器のセットアップが使用されます[59]。現在、生物/非生物システムにおけるナノマテリアルの転座に関する実験的調査の主な焦点は、物理的および化学的環境におけるナノ毒性とナノマテリアル間の相互作用を監視および明らかにすることです[48、54、151、152、153]。

変換

反応性が高いため、ナノ成分と土壌中および植物中の有機および無機成分との相互作用は未定であり、規制されていません。実装後の物理化学的特性と変換挙動の変化は、重金属毒性の可能性を生み出します。 Cucumis sativa で生体内変化が実証されました CeO ₂ を使用する バイオアベイラビリティにより、シュートでは20％がCe（III）になり、根では15％のCe（IV）がCe（III）に還元されます[154]。別の研究では、AgNPが酸化され、レタス植物でAg-グルタチオン複合体を形成しました[154]。

NPの蓄積

結合にはばらつきがあるため、NPの蓄積は植物、ヒト、動物に毒性を引き起こします。大豆では、CeO ₂ アプリケーションは窒素固定サイクルをシャットダウンし、毒性を引き起こします。ただし、ROSの生成、成長阻害、細胞毒性、およびその他の植物毒性効果は、 Amaranthus tricolor で報告されました。 。 C60フラーレンの適用は、大豆、トマト、ズッキーニの植物におけるDDTの蓄積を促進しました[155]。

持続可能性の向上に切り替える時期

ほとんどの農薬は植物によって十分に利用されていないか、土壌に浸透しておらず、空気と水は意図せずに有毒な悪影響を引き起こし、生物拡大によって蓄積されます。さらに、世界的な農薬の増加は生物多様性を脅かし、近年、人間の知能指数と繁殖力に悪影響を及ぼしました。それでも、農薬に対する雑草や植物病原菌の耐性を高め、それらを超病原菌/雑草に変えます。病原体の戦略の変更または新しい菌株の復活後の新しい用量は、費用効果を高め、既存の規制勧告に疑問を投げかけます。 [14、106、156、157、158]。

化学物質は土壌粒子、農業残留物、灌漑用水に残留し、土壌のさまざまな層に移動し、生態系への深刻な脅威になります。合成農薬の浸出、土壌害虫の急激な増加、土壌微生物の活動、アオコの形成、富栄養化、土壌の物理化学的特性の変化[159]、土壌に塩の蓄積を引き起こすことによる塩の毒性[160]。

Mg、Al、Fe、Ti、Ce、およびZnの低コスト酸化物（マグネシウム、アルミニウム、鉄、チタン、セリウム、亜鉛）は理想的な候補であり、より高い親和性、多数の活性部位、最小の粒子内拡散距離を提供します。および最大比表面積[160]。 NPの実装は、ペルメトリン、2–4ジクロロフェノキシ酢酸（2–4-D）、ジクロロジフェニルトリクロロエタン（DCPT）、ジウロン（吸着）、クロルピリホス、クロリダゾン、メトミル（光触媒）などのさまざまな化学物質の無機残留物を追跡するのに役立ちます。土壌。一部のナノコンポジットは、致命的な農薬の完全な分解に使用されます。たとえば、銀をドープしたTiO ₂ および金をドープしたTiO ₂ 、ゼロ価Fe（nZVI）、エンドスルファン、TiO ₂ 、アトラジンの場合はnZVI、クロルピリホスの場合はAg、Pd–Mg、Ni–Feバイメタルシステム、DDTの場合はnZVI、nZVI、窒素ドープTiO ₂ 、Fe–Pd（鉄–パラジウム）、Fe–S（鉄-硫黄）リンデン[161]（表5）。

スマート農薬：持続可能性の向上に向けた一歩

Al-Barly etal。ナノコンポジット肥料の徐放は、土壌中のリン酸塩と窒素含有量の利用可能性に依存することを報告しました[162]。 TiO ₂ Moringa oleifera に由来するNP 葉の抽出物は、ヤシオオオサゾウムシ（ Rhynchophorus ferrugineus）を防除するために使用されます。 抗酸化作用と殺幼虫作用を示します。 Zanthoxylum rhoifolium の場合 、ナノカプセル化されたエッセンシャルオイルはタバココナジラミの個体数を維持すると報告されました [19、163]。除虫菊殺虫剤に由来するナノ農薬は、ミツバチの個体数の状態に影響を与えます。これらの研究を除いて、農薬分解は、吸着、膜ろ過、触媒分解、酸化、および生物学的処理を使用して達成することもできます。それ以来、スマートナノ吸着剤を使用した吸着は、pH、温度、競合吸着分子などの環境要因にも依存しています[19]。低pHでは、NPのプロトン化された荷電活性部位が正に帯電した農薬の結合能力を乱しますが、高温では、吸着剤の活性部位の振動エネルギーと農薬の運動エネルギーが上昇するため、活性部位と農薬間の電気化学的相互作用が妨げられます[79 ]。さらに、逆浸透フィルターに組み込まれた複合マイクロビーズとして使用されるキトサンコーティングおよび架橋キトサン-Ag NPは、水からアトラジン含有量を効果的に除去するのに役立ちます。 Aseriらによると。 [164]メンブレンフィルターと磁気NPベースのビーズの統合は、それぞれ水の微生物除去と共鳴活性化を強化します。

第二に、悪影響の可能性のある選択されていない種を標的にすることは、これらのスマートナノ農薬に対する批判の抜け穴を置く重要な問題です。例えば; 1〜10 mg L ^-1 ポリヒドロキシブチレート-co-ヒドロキシバレレート（PBHA）カプセル化により、植物の遺伝子毒性が24時間低下し、PCLアトラジンナノカプセルは Daphnia similis に悪影響を及ぼします。 および Pseudokirchneriella subcapitata 24時間までの曝露後[166]、シマジンをカプセル化した固体脂質NP 0.025〜0.25 mg mL ^-1 線虫を展示 48時間の曝露後の死亡率の誘導と体長の減少[167]。植物細胞におけるAIの制御されていない非標的放出は、pHの上昇とともにリソソーム損傷を引き起こします。細胞内コンパートメントの後、ナノ農薬は細胞小器官に結合またはチャネル化して、タンパク質、色素、およびDNAに損傷を与える可能性があります[98]。

選択された結合と選択されていない結合を持つナノ組成物の結合能力は、その分布、バイオアベイラビリティ、毒性レベル、および植物細胞からの排除を認識するのに役立ちます。いくつかのタンパク質は、リガンド結合、代謝産物生成、触媒作用、細胞および分子の再編成など、幅広い機能的および構造的特性を獲得します[19]。タンパク質-ナノ農薬複合体は、タンパク質の小さな構造構成と変性を引き起こす可能性があります。同様に、NPを介したゲノムDNAのコンフォメーション変化と動きも細胞遺伝学的異常を誘発しました。これらのナノ農薬の毒性は、生分解性、濃度、組み込まれたAIのサイズなどの重要な要素間のバランスにのみ依存します。 Prochilodus lineatus 20μgL ^-1 Enchytraeus crypticus では、炭酸脱水酵素活性、血糖値の変化、抗酸化反応を誘発しなかったため、24〜48時間までアトラジンを含むPCLナノカプセルを使用した濃度では毒性が低下しました。 成虫と幼魚の数が遅れるため、孵化が減少します[19、158、169]。

間違いなく、ナノ農薬の介入は、農薬の実施によって提起された多くの脅威の軽減を解決しますが、農業生態学的リスクを下げるには、さらに多くの検証が必要です。新しい監視アプリケーションの継続的な使用は、新しい汚染物質としてのNPの脅威を生み出すことなく、持続可能な作物生産と保護の改善の扉を常にノックダウンします。

結論と将来の展望

百万年の進化の全過程の間に、緑の植物は他の真核生物からの干渉なしに進化しました。しかし、過去50年間、継続的な人間活動により、環境に多くの汚染物質が導入され、生態系のバランスが変化し、研究者の眉毛が新しい病原体や病原型と戦うようになりました。これらの強い生物学的ストレスは、世界の作物生産に深刻な打撃を与えています。現在の従来の農薬の環境ペナルティに関しては、ナノ製剤は植物保護の潜在的な申請者であるように思われます。制御された生分解性ポリマー、特にポリヒドロキシアルカノエートの使用は、生体適合性、生体吸着速度、低コスト合成、熱可塑性の性質、および生分解速度の容易さという、従来の化学送達システムに一般的な利点がある重要で魅力的な特性を示します。ただし、有望なターゲット配信と低毒性効果を備えた持続可能で効率的な利用は、商業的実装の前提条件です。ただし、土壌と植物の微生物叢とナノスケールの特性に関する研究は、化学農薬が環境に与える影響を浮き彫りにしています。

ナノコーティングされたAI生物農薬の使用は、化学的残留管理ギャップとAIの早期劣化の課題を超えることが期待されます。代わりに、これらは、既存の化学物質と一緒に新しいナノコンポーネントを適用することで、標的生物の耐性戦略、新しい耐性経路、および革命的な害虫株の定期的なチェックに従う必要があります。ただし、スマート農薬やナノ農薬は非常に多くの問題を解決し、即座に解決策を提供します。

これらを確実にするために、より国際的および国内的なリスク評価、管理、および軽減戦略を開発することが不可欠です。これらの課題を超えて、主に土壌の劣化、微生物叢の破壊、水資源の枯渇などの環境コストを削減した社会的受容には、鋭い監視が必要です。生態学的に、農薬の連続使用は、生存の課題に疑問を投げかけ、より多くの抵抗競争を引き起こし、農薬濃度が生物をより優越に向けて革命させるのに役立つという悪循環を生み出します。

このためには、強力な監視を伴う代替戦略が必要であり、IPM慣行の推奨事項は、個々の慣行の欠点を排除するのに役立ちます。ナノ製剤と植物応答に関する研究の進歩にもかかわらず、ゲノム、プロテオミクス、生理学、および代謝研究のさらなる拡張は、メカニズムの相互作用を理解するのに役立ちます。

データと資料の可用性

該当なし。

略語

NP：

ナノ粒子

NM：

ナノ材料ベースの製品

AI：

アクティブな成分

CRS：

徐放性システム

CR：

徐放性

PLA：

ポリ乳酸

PLGA：

ポリ（乳酸-co-グリコール酸）

mPEG：

メトキシポリエチレングリコール

PCL：

ポリ（ε-カプロラクトン

γ-PGA：

（ポリ（γ-グルタミン酸）

γ-GTP：

（γ-グルタミルトランスペプチダーゼ）

UV：

紫外線

PEG：

ポリエチレングリコール

CAGR：

複合年間成長率

IPM：

総合的病害虫管理

Ag ⁺ ：

シルバー

SiO ₂ NP：

二酸化ケイ素ナノ粒子

Ch-ポリメタクリルNPK：

キトサンポリメタクリル窒素リンカリウム

Au-NPs：

金ナノ粒子

ZnO NP：

酸化亜鉛ナノ粒子

CeO ₂ -NP：

二酸化セリウムナノ粒子

TiO ₂ NP：

酸化チタンナノ粒子

S。オレラセア ：

ホウレンソウ

Si NP：

シリコンナノ粒子

V。 mungo ：

ケツルアズキ

V。放射する ：

Vigna radiate

C。 arietinum ：

ヒヨコマメ

Ch-NP：

キトサンナノ粒子

CS-EO：

キトサンエッセンシャルオイル

MDA：

マロンジアルデヒド

H ₂ O ₂ ：

過酸化水素

PS II：

光化学系II

Fe ₃ O ₄ NP：

酸化鉄ナノ粒子

Fe NP：

鉄ナノ粒子

T。 aesitivum ：

Triticum aestivum

B。有毛目 ：

Bidens pilosa

C。ダクチロン ：

シノドンダクチロン

AgNPs：

銀ナノ粒子

CM-β-CD-MNPs-Diuron複合体：

カルボキシメチル-ヒドロキシプロピル-β-シクロデキストリン磁性ナノ粒子ジウロン錯体

Ag @ dsDNA GO：

Ag @ dsDNA-酸化グラフェン

L。 esculemtum ：

Lycopersicon esculentum

Z。かもしれません ：

トウモロコシ

CeO ₂ ：

二酸化セリウム

ROS：

活性酸素種

Mg：

マグネシウム

Al：

アルミニウム

Fe：

鉄

Ti：

チタン

Ce：

セリウム

Zn：

亜鉛

2-4-D：

2-4ジクロロフェノキシ酢酸

DCPT：

DDT-ジクロロジフェニルトリクロロエタン

nZVI：

ゼロ価鉄

Fe-Pd：

鉄-パラジウム

Fe-S：

鉄-硫黄

PBHA：

ポリヒドロキシブチレート-co-ヒドロキシバレレート

P。尋常性 ：

インゲンマメ

C。年間 ：

トウガラシ

S。オレラセア ：

ホウレンソウ

B。ジュンセア ：

カラシナ

CNT：

カーボンナノチューブ

Cu ₃ （PO ₄ ） ₂ ：

リン酸銅（II）

X。 perforans ：

Xanthomonas perforans

B。 sorokiniana ：

Bipolaris sorokiniana

X。アルファルファ ：

キサントモナスアルファルファ

C。リパリアス ：

Chironomus riparius

CrBR2.2：

バルビアーニリングタンパク質遺伝子

CrGnRH1：

ゴナドトロピン放出ホルモン遺伝子

D。ショウジョウバエ ：

キイロショウジョウバエ

L。 usitatissimum ：

Linum usitatissimum

G。最大 ：

Glycine max

SLN：

固体脂質ナノ粒子

G。 hirusutum ：

Gossypium hirusutum

PVA：

ポリビニルアルコール

S。 lycopersicum ：

Solanum lycopersicum

S。二色 ：

ソルガムバイカラー

PVC：

ポリ塩化ビニル

PHSN：

ポリスチレンナノ粒子

O。サティバ ：

オリザサティバ

SnO ₂ ：

酸化スズ

H。下品：

オオムギ尋常性

A。 cepa ：

Allium cepa

T。 repens ：

Trifolium repens

H。下品な ：

オオムギ尋常性

S。ジャガイモ ：

Solanum tuberosum

MSN：

メソポーラスシリカナノ粒子

C。 sativus ：

Cucumis sativus

B。シネレア ：

ボトリチスシネレア