地里撒把“磁铁” 把农药“吸”出来

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我国每年农药使用量高达百万吨,但是农药平均利用率仅为30%左右。没有被利用的农药通过漂移、挥发、淋溶、径流等途径,在环境中重新分布,致使污染范围极大扩散,不仅造成农残超标,引发严重的农业面源污染,甚至通过食物链经生物富集作用转移到人体,危害人类自身健康。



据资料显示,农药利用率每提高1.6个百分点,就可以减少农药使用量1.52万吨,农民就可以减少生产投入约8亿元,同时农药投入减少也利于保护人类赖以生存的土壤和水体环境。因此,如何提高农药利用率、降低农药用量已经成为我国乃至世界农业和环境领域亟待解决的关键问题。


缓释技术作为一种新兴技术,从二十世纪七八十年代开始逐渐成为国内外研究开发的热点。目前,已经有多种缓释剂型成功投入到了市场,如微胶囊悬浮剂等;也有很多新型缓释剂正处于积极的研究开发过程中,如纳米缓释农药等。


缓释农药是指农药原药与载体之间通过物理、化学作用结合后,加入分散剂、润湿剂等助剂加工成粒状的农药剂型。缓释农药可以减少农药在环境中的扩散、消解和流失,同时延长农药持效期,减少施药次数,故能减少用药量和保护环境。


近期,中科院技术生物所吴正岩研究员课题组研制出一种可回收酸控释农药载体,可显著提高农药利用率、减少农药使用量、降低农药引发的农业面源污染,对于现代生态农业建设具有重要意义。相关成果已被Chemical Engineering Journal接收发表 (DOI: 10.1016/j.cej.2017.07.046)。


课题组利用硅藻土、四氧化三铁、壳聚糖等制备出一种复合纳米材料,并以此为载体研制出可控释放、可回收智能农药体系。


如图1所示,施药到作物后,在环境pH值等因素的作用下,具有pH响应的高分子-壳聚糖溶解度发生改变,在弱酸性等条件的影响下,壳聚糖逐步溶解,原来封装在载体内的农药分子释放出来,而弱碱条件壳聚糖分子不为所动,农药分子依然停留在载体内部,因此像开关一样可以调节农药分子的通行。



农药分子通过孔道缓慢释放,形成一道保护屏障。此外,这个载体有效提高了农药在叶面的附着力,这样就可以显著减少农药的流失,从而提高了农药的利用率,延长了持效期。


1.可回收酸控农药载体合成及其应用示意图:I) 硅藻土磁性修饰;II) 磁性硅藻土农药装载;III) 壳聚糖修饰农药装载后的磁性硅藻土(可回收pH控释农药);(IV)可回收pH控释农药除草效果;(V)可回收pH控释农药杀虫效果;(VI)可回收pH控释农药的磁性回收性能;(VII)可回收pH控释农药释放机理;

 

在可利用的农药都释放完以后,载体和残留农药还在水体和土壤里,怎么办呢?科研人员想到了一个好东西——磁铁。上文说到,农药是用四氧化三铁、硅藻土、壳聚糖等制备出的一种复合纳米材料作为载体的,也就是说,载体中含有四氧化三铁,具有磁性。所以,就可以用不同强度的磁铁把这些残留物从水体和土壤中吸出来回收了。


研究人员发现,磁回收效率(通过外加磁场可回收的载体占初始使用量的比例)随着磁铁强度增强而升高。磁铁强度约为0.4特斯拉(磁场强度单位)时,水体中的回收率可以达到68%,土壤中的回收率达到51%(实验室测定)。也就是说,通过外加磁场可以实现对载体的回收,其中农药残留也一并去除,尽可能的降低了农药对环境的危害。


该方法“多管齐下”,大幅降低了农药残留,不仅减轻了农药残留对土壤、水体的面源污染,而且可将载体回收循环利用,有助于降低该技术的成本,促进绿色农业的发展。该工作得到国家自然科学基金、中科院青促会项目、中科院STS项目、中科院重点部署项目等资助。


来源:中国科学院合肥物质科学研究院

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