本书以纳米生物农药研发为核心，阐述了纳米技术、生物农药及纳米生物农药等基础理论。以纳米技术在生物农药制剂中的研究进展为背景，介绍了纳米生物农药的制备、靶向释放系统及其安全性评估技术，总结了纳米生物农药在农业和非农业领域以及纳米技术在Bt生物农药中的应用案例，并描述了纳米生物农药面临的挑战及未来发展趋势。以期为纳米生物农药在绿色农药减施增效中推广应用提供理论和技术支持。

农药是用于控制害虫和预防植物疾病的化学品，根据其原料来源及成分可以分为化学农药（无机农药和有机合成农药）、生物源农药（生物体农药和生物化学农药）和生物技术农药。按照其用途又可分为杀虫剂、杀菌剂、杀螨剂、杀线虫剂、除草剂、杀鼠剂和植物生长调节剂。中国利用世界7%的耕地面积养活了全球22%的人口，其中农药在防御重大生物灾害、保证我国粮食安全方面发挥了不可或缺的作用。我国的农业生物灾害发生非常频繁，常年发生的重大病虫害有100余种。化学防治具有对有害生物高效、操作简便、适应性广、经济效益显著等特点，是确保粮食与农产品安全稳定生产的必要手段。我国已是全球第一农药生产和使用大国，每年化学防治面积70亿亩次、农药使用量高达200多万吨。然而，目前我国生产和使用的高效与环保农药制剂比重较低，品种仍以乳油、可湿性粉剂等传统剂型为主，存在大量使用有机溶剂、粉尘飘移、分散性差等问题，导致有效利用率普遍偏低。农药的长期大量与低效施用，也会导致人畜中毒、有害生物产生抗性、污染环境、破坏生态平衡等不良后果。
生物农药具有低毒性、快速分解、低暴露性等特点，能够避免化学农药在农业活动中的不利影响（如持久性、生物积累性和毒性）。然而，生物农药的效力低、持续时间短、田间表现不一致以及成本高等因素通常限制了生物农药的发展，生物农药在全球作物保护市场中所占份额仍然很小（大约5%的市场份额，全球价值约30亿美元）。传统化学农药和生物农药的局限性迫使科学界寻找新的、成本效益高的替代策略。
在农药中引入纳米材料可以有效避免传统农用化学品或生物源农药的负面影响。当前利用纳米材料与技术发展纳米农药新剂型已经成为国际纳米农业领域的研究热点之一，也已在减少农药滥用所造成的食品残留与减轻环境污染等方面展现出良好的应用前景。将纳米技术应用于开发新的纳米农药配方，在植物害虫和疾病控制中发挥着重要和有效的作用，以避免化学农药的危害并提高生物农药的效力。纳米技术有助于开发毒性更低、活性成分稳定性更高、生物安全性更好、对目标害虫活性更强的生物农药。例如将纳米材料（如介孔活性炭、纳米碳酸钙、纳米二氧化硅、纳米氢氧化镁）应用于苏云金芽孢杆菌、阿维菌素、井冈霉素等生物农药，可以提高其生物活性、缓释和稳定性等生物效能。
纳米技术被誉为下一次工业革命，已被广泛探索用于改善农业，为农业和农业技术领域的下一次革命打开了新的大门。近年来，人们针对纳米技术在农业中的应用进行了大量的研究和实践，其应用可分为纳米农药、农业诊断、纳米肥料、纳米生物传感器、污染控制以及可持续农业等。2003年美国首次将纳米农业列入国家研究计划，2019 年纳米农药被国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）评为将改变世界的十大化学新兴技术之首。我国的纳米农药研究起步相对较晚，2014年中国农业科学院启动了我国纳米农业领域的第一个973计划项目利用纳米材料与技术提高农药有效性与安全性的基础研究。2022年1月29日，农业农村部会同国家有关部门制定的《十四五全国农药产业发展规划》中明确指出，鼓励纳米技术在农药剂型上的创新应用，充分利用新工艺、新技术，大力发展水基化、纳米化、超低容量、缓释等制剂。2024年5月1日实施的由中国农业科学院植物保护研究所等单位起草的《纳米农药产品质量标准编写规范》，成为我国第一个农药纳米制剂产品标准的通用编写规范。
近十年来，美国、欧洲、巴西、印度、日本、加拿大等国家和地区均相继开始了纳米农药相关研究工作。美国环保署（EPA）、欧盟以及联合国经济合作与发展组织（OECD）等国际组织和机构已经陆续颁布了关于纳米农药生产、使用及安全性评价等方面的管理规则。拜耳公司、先正达公司和孟山都公司均已申请了纳米农药相关的专利并商业化。南京善思公司是国内第一家实现纳米农药产业化的企业，所生产的纳米农药水性制剂已在全国多个省份进行示范与应用，可实现农药减量20%以上。虽然当前一些农药公司申报了大量纳米农药的专利，但市场上除了微乳剂外，其他纳米农药种类仍然非常少。发展高效、安全的农药新剂型对于农业可持续发展具有重要意义，将纳米技术应用于农业已成为新的机遇和挑战。当前，具有生物可降解性、响应性和生物相容性的环境友好型纳米材料在探索安全高效的农药方面引起了人们极大的兴趣。应用纳米技术开发新的纳米农药制剂可以降低化学农药的危害并提高生物农药的药效，同时有利于开发稳定性高、生物安全性好以及对目标害虫活性更强的低毒生物农药。
目前，关于纳米农药的研究论文、综述和书籍相对较为全面（在Web of Science上，从1900年到2024年6月，包含nanopesticide一词的结果有300项），但关于纳米生物农药的综述很少（在Web of Science上，仅只有16项包含nanobiopesticide一词的结果）。本书涵盖了纳米生物农药的基础理论（第一章~第四章）、技术与方法（第五章和第六章）、应用案例（第七章和第八章）、挑战与展望（第九章和第十章）四个部分，为生物农药领域中的前沿纳米技术进行了较全面的总结。
在本书编写过程中，导师关雄教授提供了宝贵的资料，给予了悉心的指导和鼓励。关教授一直坚持从事苏云金杆菌生物农药的研究，四十年如一日，他高深的修养、渊博的学识、严谨的作风和诲人不倦的品德使笔者终身受益。
本书所涉研究得到国家自然科学基金委员会、国家重点研发计划、福建省科技厅及福建农林大学有关部门的项目资助和大力支持。福建省农业科学院饶文华助理研究员与福建农林大学郭雪萍博士生、张顶洋博士生、马光明博士生、崔子绮硕士生、李志浩硕士生、李慧艳硕士生等协助完成了许多研究工作。福建农林大学植物保护学院领导给予了笔者工作上的大力支持。在此谨对上述单位和个人致以衷心的感谢。
书稿完成后，蒙导师关雄教授审阅全文并作序，笔者甚为感谢。
由于笔者学识水平有限，特别是对纳米生物农药研究工作不够深入和全面，本书难免有疏漏之处，恳请读者不吝指教。

潘晓鸿
2024.8.21

无

第一章 纳米技术概述001
第一节 纳米尺度的定义与特性002
一、纳米材料的定义002
二、纳米材料的特性002
第二节 纳米材料的分类与合成方法003
一、纳米材料的分类003
二、纳米材料的合成方法003
第三节 纳米技术在农业中的应用005
一、纳米技术在农业投入品中的应用006
二、纳米技术在农产品加工中的应用008
三、纳米技术在农业环境改良中的应用009
参考文献010

第二章 生物农药的概念与发展011
第一节 生物农药的定义与分类012
一、生物农药的定义012
二、生物农药的分类012
第二节 生物农药的作用机制014
一、微生物农药的作用机制014
二、植物源农药的作用机制014
三、生物化学农药的作用机制015
第三节 生物农药的历史与发展现状016
第四节 Bt 生物农药018
参考文献020

第三章 纳米生物农药的科学基础022
第一节 纳米生物农药的设计理念023
第二节 生物农药中常见的纳米载体023
一、有机纳米载体024
二、无机纳米载体025
三、有机-无机杂化纳米载体026
第三节 纳米载体在生物农药中的应用027
第四节 纳米生物农药的稳定性与生物相容性030
一、纳米生物农药的稳定性030
二、纳米生物农药的生物相容性031
参考文献032

第四章 纳米生物农药研究进展034
第一节 纳米技术在杀虫剂中的应用035
一、基于苏云金杆菌的纳米杀虫剂 035
二、纳米技术在阿维菌素类杀虫剂中的应用036
三、纳米植物源杀虫剂 038
第二节 纳米杀真菌剂039
第三节 纳米杀细菌剂041
第四节 生物除草剂和纳米技术042
第五节 纳米技术在其他类型生物农药中的应用043
参考文献045

第五章 纳米生物农药的制备技术047
第一节 纳米粒子的合成与表征048
一、纳米粒子合成方法048
二、纳米粒子表征技术049
第二节 生物活性分子的纳米封装053
第三节 纳米生物农药的配方开发054
参考文献056

第六章 纳米生物农药的靶向释放系统058
第一节 控释技术的原理与应用059
第二节 靶向性设计策略059
一、刺激响应型载体059
二、封装与保护型载体060
三、缓释与控释型载体060
第三节 环境响应型纳米载体061
一、温度响应型纳米载体061
二、pH 响应型纳米载体062
三、光响应型纳米载体063
四、酶响应型纳米载体063
参考文献064

第七章 纳米生物农药在农业和非农业领域中的应用066
第一节 纳米生物农药在防治作物病虫害中的应用067
一、防治水稻病虫害的纳米生物农药067
二、防治蔬菜害虫的纳米生物农药068
三、防治果树害虫的纳米生物农药071
四、防治其他经济作物病虫害的纳米生物农药071
第二节 纳米生物农药在储粮保护中的应用072
一、储粮害虫的生物防治072
二、纳米生物农药在储粮中的缓释系统074
三、储粮保护中的纳米技术应用案例076
第三节 纳米生物农药在非农业领域的应用076
一、公共卫生害虫的控制076
二、纳米生物农药在生物安全中的应用078
三、纳米生物技术在环境保护中的应用078
参考文献079

第八章 纳米技术在Bt 生物农药中的应用实例084
第一节 纳米Bt 生物防治茶叶害虫应用实例085
一、茶园主要虫害085
二、纳米氢氧化镁装载系统与Bt Cry 蛋白传递系统开发思路086
三、纳米氢氧化镁及其纳米复合材料的合成与表征093
四、纳米Mg (OH) 2 对Bt 杀虫蛋白生物活性和杀虫机制的影响096
五、纳米氢氧化镁在茶叶表面的黏附及其在植物中的运输098
六、纳米氢氧化镁的生物安全性评估101
第二节 纳米材料提高Bt 生物农药抗紫外性能应用实例106
一、紫外线对Bt 制剂的影响及其应对措施106
二、纳米氢氧化镁与Bt Cry 蛋白载药系统开发思路107
三、纳米氢氧化镁和Cry 蛋白的表征111
四、纳米氢氧化镁的稳定性评估111
五、纳米氢氧化镁对Bt 杀虫蛋白的负载机制113
六、纳米氢氧化镁对Bt 蛋白抗紫外线和杀虫生物活性的影响115
七、昆虫肠道蛋白酶对Cry11Aa 和Cry11Aa-Mg (OH) 2 的体外水解117
八、不同处理对肠道上皮细胞的破坏程度118
九、纳米氢氧化镁对Cry 蛋白生物活性和抗紫外线能力可能的影响118
第三节 纳米材料提高Bt 生物农药在叶片抗冲洗能力的应用实例120
一、纳米氢氧化镁提高Bt 抗冲洗性能设计120
二、Cry1Ac 蛋白与纳米氢氧化镁负载最佳条件123
三、纳米氢氧化镁负载Bt 杀虫蛋白前后表征分析与生物活性测定123
四、Cry1Ac-Mg (OH) 2 在棉花叶片的滞留能力124
五、对棉铃虫的生物活性测定126
六、纳米氢氧化镁的生物安全性126
七、纳米氢氧化镁提高Cry1Ac 蛋白抗冲洗能力机理128

第九章 纳米生物农药的安全性评估129
第一节 纳米生物农药在植物中的摄取和运输 130
第二节 纳米材料的生态毒性132
一、影响纳米材料生态毒性的因素132
二、纳米材料的毒性机理133
三、纳米材料的环境行为133
四、纳米材料对生态的毒性效应134
第三节 纳米生物农药的环境风险评估136
第四节 安全性管理与法律法规138
一、安全性管理的基本原则138
二、法律法规138
参考文献140

第十章 纳米生物农药面临的挑战与未来发展趋势142
第一节 技术难题与解决方案143
一、技术成熟度不够，生产成本高144
二、种类较少，应用成本高144
三、环境和健康风险评估没有统一标准145
第二节 社会接受度与市场推广145
第三节 法规与伦理问题146
第四节 纳米生物农药的未来发展趋势147
一、新型纳米材料的开发147
二、高通量筛选与智能设计148
三、纳米生物农药的可持续发展研究148
参考文献149

附录 相关术语解释150