纳米材料协同增效农药抗菌及连续光催化降解除残留技术方法

摘要

本发明涉及一种协同增效农药抗菌及连续光催化降解除残留的新方法，使用纳米材料和农药联合，两者协同增效，并利用模拟日光，光催化降解农药；所述纳米无机材料选择为：纳米CuO或ZnO，或者CuO与ZnO两者之间的任意混合；所述农药为福美双；所述纳米ZnO与福美双按质量浓度比5：1至50：1的比例混合；纳米CuO与福美双按质量浓度比25：1至100：1的比例混合。本发明利用纳米材料协同传统农药福美双防控真菌性病害病原菌，大幅度增加福美双的药效，同时也可以减少福美双的使用量，原料易得，成本低廉，操作简单，以及设备简单，适合于大规模工业生产。

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米材料协同增效农药抗菌及连续光催化降解除其残留技术，属于无机纳米材料应用方面的领域。

背景技术

日渐增长的人口、不断出现的严峻气候危机使得粮食安全面临重大挑战。农药在保护作物，减少作物产量损失，确保粮食安全方面发挥着不可替代的作用。但对食品安全的重视，使得各国对农药的使用提出越来越高的要求，一方面要能够高效的保护作物，减少产量损失，一方面要环境友好，降低农药残留，对人和非靶标生物安全。

纳米CuO、 ZnO作为一种新型无机抗菌材料，具有较高的热稳定性、化学稳定性以及光催化活性，在诸多行业的应用前景受到广泛的关注。研究表明，纳米CuO、ZnO对于革兰氏阳性和阴性细菌都有较好的抑制效果，其抗菌性能随其浓度增加和粒径减小而升高，而且纳米ZnO在有光照和无光照条件下都有良好的抗菌活性，这为纳米材料的抗菌应用提供了更广泛的空间。纳米ZnO同时具有良好的光催化性质，可广泛用于降解各种有机污染物。可以说，纳米ZnO是一种环境友好型的功能材料。

福美双(thiram)化学名称为四甲基秋兰姆二硫化物，属二硫代氨基甲酸酯类杀菌剂，可作种子、土壤处理,亦可用于叶面喷洒、防治多种作物病害,如麦类黑穗病、条纹病、幼苗立枯病、炭疽病、霜霉病、叶斑病等。由于各国对福美双残留标准的要求日益提高，同时为提高福美双的药效，延缓抗药性产生，有必要研究增强福美双药效，降低其残留的技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种绿色的增效传统农药并消除农药残留的新方法，利用纳米材料良好的抗菌活性与光催化性质增效农药抗菌并消除其残留。

本发明给出的技术方案为：

一种协同增效农药抗菌及连续光催化降解除残留的新方法，其特征在于，使用纳米材料和农药联合，达到协同增效的的目的，并利用模拟日光，光催化降解农药。

进一步限定技术方案，所述纳米无机材料选择为：纳米CuO或ZnO，或者CuO与ZnO两者之间的任意混合；所述农药为福美双。

再进一步限定技术方案：所述纳米ZnO与福美双按质量浓度比5：1至50：1的比例混合；纳米CuO与福美双按质量浓度比25：1至100：1的比例混合。

本发明无机纳米材料与农药混合，形成复合抗菌材料，无机抗菌材料纳米ZnO其粒径约10-25nm；或CuO其粒径约100-200nm；农药福美双购自国药集团化学试剂有限公司，为99%原药。

本发明具有以下优点：

首先利用纳米材料协同传统农药福美双防控真菌性病害病原菌，可以大幅度增加福美双的药效，同时也可以减少福美双的使用量，这有助于减小农药残留量，并降低耐药性产生的风险。完成抗菌后，再利用纳米ZnO的光催化性质，在模拟日光的条件下，降解福美双，彻底消除农药残留，确保了食品安全、人体健康和环境保护，这个发明为探索高效、低毒、环境友好的新型杀菌剂提供了可行的思路。

本发明原料易得，成本低廉，操作简单，以及设备简单，适合于大规模工业生产。

附图说明

图1.原料纳米ZnO的XRD结果和TEM照片。

图2.纳米ZnO协同农药福美双抑制植物病原真菌的测试结果。

图3.不同浓度纳米ZnO光催化降解福美双的测试结果（室温22度）。

图4.不同纳米ZnO光催化降解福美双的测试结果（室温30度）。

图5.纳米CuO的TEM照片。

图6.纳米CuO协同福美双抗菌的测试结果。

图7.纳米ZnO复合福美双的红外光谱分析和机理图。

图8：表1 纳米ZnO协同增效福美双抗菌。

图9：表2 纳米CuO协同增效福美双抗菌。

具体实施方式

下面通过实施例进一步说明本发明技术方案。

实施例1-4中采用的原料纳米ZnO，可以市售（购自陕西宝鸡天鑫锌业有限公司），其结构表征：待测ZnO进行X射线衍射（XRD）分析和透射电子显微镜（TEM）观察粒度分析。图1是ZnO纳米粒子的XRD分析结果，各衍射峰明显宽化，根据Scherrer公式得出ZnO纳米粒径大小为17nm。图中所有的衍射峰都可以清楚地指标化为纯的纤锌矿结构的晶体ZnO的晶面衍射。XRD图中没有出现其它物质的衍射峰，表明此纳米ZnO纯度很高。

实施例5-8中采用的原料纳米CuO，可以市售（购自阿拉丁）。图5是纳米CuO的TEM照片，从TEM中看到，颗粒尺寸大小在100-200nm范围，由于粒径较小产生了一定程度的团聚。团聚会影响纳米CuO抗菌效果，本研究中采用的纳米CuO样品在测试前经过超声处理，能有效的缓解团聚现象，更真实的反映具有纳米尺寸效应的纳米CuO的对病原菌的抑制活性。

实施例1

从图2可知，纳米氧化锌是颗粒状，颗粒直径在10nm-25nm之间，显示为六方晶型，从TEM中得到的粒子尺寸与由XRD衍射半峰宽计算出的晶粒尺寸符合得很好。颗粒尺寸大小比较均一，由于粒径较小产生了一定程度的团聚。团聚会影响纳米ZnO抗菌效果，本研究中采用的纳米ZnO样品在测试前经过超声处理，能有效的缓解团聚现象，更真实的反映具有纳米尺寸效应的纳米ZnO的对病原菌的抑制活性。

原理：利用纳米材料抗菌协同福美双联合抗菌，并利用模拟日光催化降解福美双，大大减少或彻底消除福美双残留，达到国家农药残留量限制标准。纳米ZnO与农药福美双混合后，福美双分子结构中的碳硫双键上的硫原子可与ZnO晶体表面的锌原子通过配位作用结合，使得福美双可以复合在纳米ZnO颗粒表面，形成复合抗菌基团（图7）。通过红外光谱分析（图7），发现福美双单独的光谱图中存在位于1037，1235 cm^?1 处的峰，这两个是代表碳硫双键的振动峰，而在ZnO-福美双复合物的红外光谱图中，1037 cm^?1 处的峰消失了，意味着碳硫双键的振动方式发生了改变，这是由于硫原子跟锌原子发生结合导致的。复合抗菌基团的形成，可以提高局部福美双的浓度，有助于提高福美双的抗菌活性。

纳米ZnO协同农药福美双抑制植物病原真菌辣椒疫霉菌活性测试  采用生长速率法进行毒力测试。将纳米ZnO和福美双分别用无菌水和丙酮配置成一定浓度的母液，并配置成不同含量的混合液，按照体积比1：100的比例将纳米ZnO、福美双及两者混合液分别加入到已融化并冷却至50℃左右的胡萝卜培养基中，充分混匀后倒入3个灭菌培养皿中，制成含纳米ZnO和福美双浓度分别为0.05g/L和0.01g/L，两者质量浓度比为5：1的含药培养基，以加入等体积无菌水和丙酮作为对照。用打孔器（直径5mm）截取在胡萝卜培养基上培养了6-8天的辣椒疫霉菌，菌丝面朝下接种于已经凝固的含药胡萝卜培养基中央，置于25℃恒温培养箱内黑暗培养，4天后测量菌落直径，按如下公式计算各浓度下的抑制率（%）。

然后运用Abbott方法评估联用的效果。首先计算预期联用抑制率（%），计算公式为：

%C_exp=A+B-(A×B/100)

其中A和B为单剂的抑制率（%）。

然后计算协同效应系数（SF）：

其中为实际联用的抑制率（%）。SF大于等于1.5时为增效作用，SF小于等0.5为拮抗作用，其余为相加作用。

纳米ZnO光催化降解农药福美双的测试  将纳米ZnO和福美双混合液，用去离子水稀释成与协同增效抗菌实验中相同的浓度，将待反应液装于50ml的石英管中，室温22度或30度时，置于光催化反应器中的500w氙灯模拟的日光下进行反应。每间隔一段时间，取4ml样品，经3000rpm离心2次后，利用紫外-可见分光光度计在278nm处检测福美双的残留量。

从表2中可以看到ZnO纳米材料与福美双取得了协同增效抗菌的效果，以0.05g/L+0.01g/L浓度配比，获得质量浓度比5：1的复合药物，该复合药物大幅度超过二者单独使用效果的加和, 抗菌率可达87%，达到0.04g/L福美双单独使用的效果，协同效应系数（SF）为1.96（表1），为增效作用。利用0.05g/L纳米ZnO在模拟日光照射下光催化降解0.01g/L福美双，结果显示，在照射8小时后，福美双的含量降低了55%，超过一半的福美双被降解。

实施例2

将福美双溶液和超声处理20分钟后的纳米ZnO悬液中加入胡萝卜培养基，制成含ZnO和福美双浓度为0.1g/L+ 0.01g/L（质量浓度比10：1）的培养基，置于避光的25℃恒温培养箱中培养4天后，检测ZnO与福美双协同抗菌活性。从表2中可以看到纳米ZnO协同福美双取得了非常不错的增效抗菌效果，在0.1g/L+ 0.01g/L时抗菌率可达92%，大幅度超过二者单独使用效果的加和，超过了0.04g/L福美双单独使用的效果，协同效应系数（SF）为1.66（表1），为增效作用。利用0.1g/L纳米ZnO在模拟日光照射下光催化降解0.01g/L福美双，结果显示，在照射8小时后，约67%的福美双被降解。

实施例3

将福美双溶液和超声处理20分钟后的纳米ZnO悬液加入胡萝卜培养基，制成含ZnO和福美双浓度为0.25g/L+ 0.01g/L（质量浓度比25：1）的培养基，置于避光的25℃恒温培养箱中培养4天后，检测ZnO与福美双协同抗菌活性。从表2中可以看到纳米ZnO协同福美双取得了非常不错的增效抗菌效果，在0.25g/L+ 0.01g/L时抗菌率可达100%，大幅度超过二者单独使用效果的加和，超过了0.04g/L福美双单独使用的效果，协同效应系数（SF）为1.7（表1），为增效作用。利用0.25g/L纳米ZnO在模拟日光照射下光催化降解0.01g/L福美双，结果显示，在照射8小时后，约92%的福美双被降解。当室温在30度时，照射6小时后，福美双的紫外吸收曲线已经趋平，278nm处吸光度为-0.00257（图5），小于仪器检测限0.000894，显示本发明可以增效福美双抗菌并完全降解福美双。

实施例4

将福美双溶液和超声处理20分钟后的纳米ZnO悬液加入胡萝卜培养基，制成含ZnO和福美双浓度为0.5g/L+ 0.01g/L（质量浓度比50：1）的培养基，置于避光的25℃恒温培养箱中培养4天后，检测ZnO与福美双协同抗菌活性。从表2中可以看到纳米ZnO协同福美双取得了非常不错的增效抗菌效果，在0.5g/L+ 0.01g/L时抗菌率可达100%，大幅度超过二者单独使用效果的加和，超过了0.04g/L福美双单独使用的效果，协同效应系数（SF）为1.5（表1），为增效作用。利用0.5g/L纳米ZnO在模拟日光照射下光催化降解0.01g/L福美双，结果显示，在照射8小时后，约92%的福美双被降解。当室温在30度时，照射6小时后，福美双的紫外吸收曲线已经趋平，278nm处吸光度为0.014043，约98.5%的福美双被降解（图5），显示本发明可以增效福美双抗菌并大大降低福美双残留。

如图2所示： 

实施例1，0.05g/L ZnO（白色柱子），0.01g/L 福美双（灰色柱子），0.05g/L ZnO + 0.01g/L 福美双（条纹柱子）。

实施例2，0.1g/L ZnO（白色柱子），0.01g/L 福美双（灰色柱子），0.1g/L ZnO + 0.01g/L 福美双（条纹柱子）。

实施例3，0.25g/L ZnO（白色柱子），0.01g/L 福美双（灰色柱子），0.25g/L ZnO + 0.01g/L 福美双（条纹柱子）。

实施例4，0.5g/L ZnO（白色柱子），0.01g/L 福美双（灰色柱子），0.5g/L ZnO + 0.01g/L 福美双（条纹柱子）。

如图3所示： 

实施例1，50mg/L的纳米ZnO降解0.01g/L福美双。

实施例2，100mg/L的纳米ZnO降解0.01g/L福美双。

实施例3，250mg/L的纳米ZnO降解0.01g/L福美双。

实施例4，500mg/L的纳米ZnO降解0.01g/L福美双。

如图4所示： 

实施例3，250mg/L的纳米ZnO降解0.01g/L福美双。

实施例4，500mg/L的纳米ZnO降解0.01g/L福美双。

 

实施例5 

将福美双溶液和超声处理20分钟后的纳米CuO悬液加入胡萝卜培养基，制成含CuO和福美双浓度为0.25g/L+ 0.005g/L（质量浓度比50：1）的培养基，置于避光的25℃恒温培养箱中培养4天后，检测CuO与福美双协同抗菌活性。从表2中可以看到纳米CuO协同福美双取得了非常不错的增效抗菌效果，在0.25g/L+ 0.005g/L时抗菌率可达56%，超过二者单独使用效果，协同效应系数（SF）为1.4（表2），为相加作用。

实施例6 

将福美双溶液和超声处理20分钟后的纳米CuO悬液加入胡萝卜培养基，制成含CuO和福美双浓度为0.25g/L+ 0.01g/L（质量浓度比25：1）的培养基，置于避光的25℃恒温培养箱中培养4天后，检测CuO与福美双协同抗菌活性。从表2中可以看到纳米CuO协同福美双取得了非常不错的增效抗菌效果，在0.25g/L+ 0.01g/L时抗菌率可达77%，超过二者单独使用效果，协同效应系数（SF）为1.4（表2），为相加作用。

实施例7 

将福美双溶液和超声处理20分钟后的纳米CuO悬液加入胡萝卜培养基，制成含CuO和福美双浓度为0.5g/L+ 0.005g/L（质量浓度比100：1）的培养基，置于避光的25℃恒温培养箱中培养4天后，检测CuO与福美双协同抗菌活性。从表2中可以看到纳米CuO协同福美双取得了非常不错的增效抗菌效果，在0.5g/L+ 0.005g/L时抗菌率可达60%，超过二者单独使用效果，协同效应系数（SF）为1.1（表2），为相加作用。

实施例8 

将福美双溶液和超声处理20分钟后的纳米CuO悬液加入胡萝卜培养基，制成含CuO和福美双浓度为0.5g/L+ 0.01g/L（质量浓度比50：1）的培养基，置于避光的25℃恒温培养箱中培养4天后，检测CuO与福美双协同抗菌活性。从表2中可以看到纳米CuO协同福美双取得了非常不错的增效抗菌效果，在0.5g/L+ 0.01g/L时抗菌率可达63%，超过二者单独使用效果，协同效应系数（SF）为0.9（表2），为相加作用。

如图6所示：

实施例5，0.25g/L CuO（白色柱子），0.005g/L 福美双（灰色柱子），0.25g/L CuO + 0.005g/L 福美双（条纹柱子）。

实施例6，0.25g/L CuO（白色柱子），0.01g/L 福美双（灰色柱子），0.25g/L CuO + 0.01g/L 福美双（条纹柱子）。

实施例7，0.5g/L CuO（白色柱子），0.005g/L 福美双（灰色柱子），0.5g/L CuO + 0.005g/L 福美双（条纹柱子）。

实施例8，0.5g/L CuO（白色柱子），0.01g/L 福美双（灰色柱子），0.5g/L CuO + 0.01g/L 福美双（条纹柱子）。

本发明通过一般性说明、具体实施方式及实验，在本发明的基础上，对本发明可以做出一定的修改和改进，比如用其他纳米材料代替本发明内容实施例所用的ZnO和CuO纳米材料来协同增效农药抗菌，并代替ZnO连续光催化降解农药，仍然可以实现本发明的目的。因此，在不超出本发明精神的基础上所做的修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。同时，在本发明的基础上，对本发明做出一定的修改和改进，比如用其他农药代替本发明内容实施例所用的福美双来配合纳米材料协同增效抗菌，并连续光催化降解农药，仍然可以实现本发明的目的。因此，在不超出本发明精神的基础上所做的修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。在本发明的基础上，对本发明做出一定的修改和改进，比如使用不同的纳米材料浓度或农药浓度，或者是使用不同的光催化降解反应温度，仍然可以实现本发明的目的。因此，在不超出本发明精神的基础上所做的修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。