实干与创新成就科研梦想———记山东农业大学2016级博士研究生李北兴
2017年5月,国际学术期刊 《先进功能材料》(影响因子为12.124)在线发表山东农业大学植保学院教授刘峰科研团队的研究成果 《配位组装微囊化策略可以提高吡唑醚菌酯的田间药效和环境安全性》,意味着水稻三大病害之一的稻瘟病有了更安全有效的防治药剂类型。博士生李北兴作为这篇文章的第一作者,激动的心情一点不亚于导师刘峰。研究靶向药物与相关包封技术,让农药与杀菌剂更加低毒高效,是实验室研究的重要方向,也是李北兴的科研梦想。
在科研路上不懈追求2008年9月,李北兴考入山东农业大学植物保护学院制药工程专业,2012年9月被推荐免试攻读农药学硕士学位,2016年考取农药学博士研究生,继续师从刘峰教授,如今读博士二年级,主要研究方向为农药加工与应用技术。
在同学心目中,李北兴对做科学研究一直充满探索的兴趣与热情。大二时参加了大学生科研训练(SRT)项目,筛选常用杀虫杀菌剂对黄瓜等作物的安全剂量。大三那年,他进入刘峰老师实验室实习,跟着师兄师姐在德州、东营、潍坊等地开展绿盲蝽对常用药剂如毒死蜱、辛硫磷等的敏感性监测。因为提前确定了保研,大四时,他正式成为实验室的一员,在研究低毒农药的路上开始跋涉。
硕士期间,针对农药制剂多组分体系配方筛选耗时多、工作量大的问题,他系统学习统计学知识,将均匀设计和响应面设计引入农药制剂学领域,利用逐步回归、偏最小二乘回归等建模方法,建立了稳定可靠的预测模型,降低了制剂配方研究的盲目性,发表的“正交设计和均匀设计在优化噻虫胺悬浮剂物理稳定性上的应用”一文被引用19次。采用响应面法优化农药制剂性能的研究结果发表在《科学报告》、《英国皇家化学会进展》等期刊,获得行业人关注,推动了统计学方法在农药制剂学配方研究中的应用。
读博士以后,李北兴参加了两项国家自然科学基金的科研工作,具体开展金属-多酚配合物负载型微胶囊的成囊机制、释放及活性调控研究。经过反复摸索和实践,构建了一系列不同特征参数的吡唑醚菌酯微胶囊。在 《先进功能材料》、《农业与食品化学杂志》、《光化层》等期刊发表SCI论文8篇,累积影响因子35.908,其 中 单 篇 最 高 影 响 因 子12.124。还以第一作者在《中国农业科学》、《农药学学报》等中文核心期刊发表论文4篇。2016年,李北兴获得“第二届赵善欢奖学奖教基金优秀研究生奖”。2017年,他参与的“防治地下害虫农药微囊化技术研究与开发”项目,获山东省高等学校科学技术奖三等奖。另外,他还获得2项发明专利,2项实用新型专利。
在靶向药物研究中出彩外行人说起农药,大多对其毒性怀有畏惧与担忧。实际上,随着科技的进步,现在开发的药剂选择性越来越强,对靶标生物越来越有效,对非靶标生物和高等动物越来越安全。李北兴也是推动这种科技进步的一个贡献者。
稻瘟病可引起水稻大幅度减产。科学家经过多年研究和实践,证明杀菌剂吡唑醚菌酯对稻瘟病具有良好的控制作用,但该药对鱼、溞等水生生物具有高毒性,在水田病害防治上登记受到限制。近年来,许多科研人员尝试将吡唑醚菌酯通过各种材料包覆或吸附,以降低其对水生生物的毒性。刘峰教授课题组想寻找一种天然材料用于包覆芯材,以替代高聚物囊壁材料,李北兴的博士课题就是这个方向。
在导师刘峰和慕卫教授的指导下,李北兴以铁和单宁酸反应得到的化合物作为囊壁材料,不断摸索调控工艺,终于能快速沉积到所需要的程度。但是,寻找做表面活性剂材料的过程却大费周折。表面活性剂主要起乳化作用,可以将含有吡唑醚菌酯的油相体系均匀分散成小液滴,然后铁和单宁酸形成的化合物沉积在液滴表面,最终形成农药微囊。李北兴他们用聚羧酸盐、脂肪醇聚氧乙烯醚、蓖麻油聚氧乙烯醚等多种表面活性剂进行多次尝试,包覆性都不太理想。几百次试验过后,一种亚硫酸盐法造纸木浆的下脚料———木质素磺酸盐类表面活性剂,终于脱颖而出。接下来,李北兴他们又通过连续组装囊壁材料,线性提高囊壁厚度,有效控制芯材释放,让农药微胶囊制备方法日趋成熟。
经过实验室多种方法反复论证后,课题组开始在田间开展药效试验。采用该技术制备的吡唑醚菌酯微胶囊在水中为规则的球形,喷施到水稻叶面上,随着水分的挥发,微胶囊受大气挤压变形,可以快速释放活性成分,控制稻瘟病发生,而落入水中的微胶囊仍可以保持原来稳定的形状不释放,对水生生物的毒性大大降低。经测定,微胶囊与常规乳油和悬浮剂对水稻稻瘟病的防治效果相当,对斑马鱼、大型溞、非洲爪蟾等水生生物的毒性比常规剂型降低 10到 30倍。研究结果于2017年8月在材料类顶级期刊 《先进功能材料》正式发表。该成果被中国科学报、农村大众、山东农大报、中国高校校报网等媒体广泛报道或转载。目前,该技术已经获得国家发明专利授权。这种工艺简便、反应速率快、低毒的靶向药物包装方法也引起了企业的浓厚兴趣。目前,课题组正与多家农药企业洽谈成果转化事宜,并向农业部申请农药登记许可。
在分享与服务中收获成长李北兴善于学习,更善于分享,在为同学和农民服务中感受快乐,收获成长。
现在,李北兴是实验室的大师兄,也是实验室作学术报告和经验交流最多的研究生。在学院的学术交流会上,他以“配位组装技术构建农药微囊负载体系”为题作报告,讲述自己的科研探索与体会。2016年10月,受广东省研究生学生论坛农药学分论坛邀请,他作会议报告 “统计学方法在农药制剂学研究中的应用潜力”,广受好评。
除了自己的课题,李北兴还不断尝试做其他研究。为简化微胶囊溶出试验方法,缩短产品评价周期,他帮助实验室的同学,设计了溶出试验测试装置,探索出检测微胶囊释放的快速、高效测定方法。该方法在检测毒死蜱、辛硫磷、吡唑醚菌酯等农药微胶囊方面稳定可靠,可用于检测国内绝大多数囊壁材料的微胶囊产品。该方法在释放介质用量,精密度方面均有一定的优势,试验装置和检测方法已获得中国专利授权。
他的老家济宁市金乡县是著名的大蒜之乡、辣椒之乡。读大学时,李北兴就利用暑假,到大棚和田间与农户交流种植和病虫害治理经验,跑遍全县三十多家农药经销处,了解农药经营与使用情况。研究生期间,结合导师刘峰的科研课题,他在家乡开展大蒜土传病害和辣椒叶部病害防治试验。在调查中,李北兴发现,生产上使用的农药产品相对滞后,辣椒炭疽病菌等对市售的药剂产生了较高的抗性,严重影响施药效果。通过反复试验,他们发现在辣椒行间套作玉米可以有效降低辣椒炭疽病、日灼病等病害。结合病原菌抗药性监测结果,他们向当地部门推荐了敏感防治药剂、缓释剂型和高效施药器械,并详细告知施药方式和关键时间节点。为了让农民真正掌握相关技术,李北兴还自发为农民讲课,搞培训,宣传大蒜和辣椒的病虫害管理策略,指导大家科学使用农药,接受培训的农民累计有上千人次,取得良好的社会效益和经济效益。如今,金乡县很多乡镇已经推广了辣椒玉米套作技术,辣椒管理水平明显提升,全县辣椒炭疽病发病率已经由2014年的20%以上降低至10%以下。