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专利名称:促进外源化学物质在植物中生物有效性的方法和组合物的制作方法
技术领域:
本发明的领域为施用于植物叶的外源化学物质的领域,具体涉及促进这类外源化学物质生物有效性的方法和通过该方法施用的组合物。
本文所用的术语“外源化学物质”是指施用于植物导致表达所需生物活性的化学物质,无论其为天然获得的,还是合成获得的。本文所用的术语“生物活性”是指在植物中或在该植物中或植物上存在的病原体、寄生物或取食生物中引发刺激、抑制、调节、治疗、毒性或致死反应。外源化学物质的实例包括但不限于化学农药(诸如除草剂、灭藻剂、杀真菌剂、杀细菌剂、杀病毒剂、杀虫剂、杀螨剂、杀线虫剂和杀软体动物剂)、植物生长调节剂、肥料和营养物、杀配子剂、脱叶剂、干燥剂、它们的混合物等。
本文所用的术语“生物有效性”是指外源化学物质施用于植物叶时所需生物活性表达的程度,或者是指所述外源化学物质导致所需生物活性表达至给定程度的施用剂量或比率。例如,当所述外源化学物质是除草剂时,通过由施用特定比率的除草剂引起的植物生长的抑制程度,或通过引起特定抑制程度例如
50%抑制或85%抑制所需的除草剂的施用比率,可以测量生物有效性。由此增加或增强的除草剂的生物有效性可以表现为例如在给定除草剂比率下植物生长抑制的水平提高,或表现为产生某一植物生长抑制阈水平的该除草剂最小比率降低。
对于农业和相关努力的许多目的而言,最好用各种类型的外源化学物质处理植物。许多外源化学物质施用于植物叶(即叶片和其它非木本植物的地上部分),在植物靠近或远离施用位点之处有一作用位点。这类物质本文称为叶施用的外源化学物质。
通常,当通过本领域已知的植物处理方法将外源化学物质施用于叶时,施用量中仅一小部分达到植物的作用位点,在此可以有用地表达该外源化学物质的所需生物活性。因此,对于使用所述外源化学物质而言,在农业和相关努力中非常迫切需要增强叶施用的外源化学物质传递至其在植物中的作用位点的效率,由此增强该外源化学物质的生物有效性。
通过本领域已知的方法将外源化学物质施用于叶上,通常不导致至作用位点的无效传递。在某些情况下,这类方法甚至在低使用率的该外源化学物质下也提供非常好的生物有效性。在其它情况下,采用相同比率的所述外源化学物质的同样的方法提供不充分的生物有效性。因此,这些方法在它们提供的结果中是不一致的,或它们提供所需结果时是不能信赖的。
一个问题是很少可能预先确定将获得良好生物有效性的那些情况,部分原因是如此多的因素影响传递效率。这些因素包括施用前后及其施用期间的气候(温度、相对湿度、日照长度、云量、降雨量、风等)、土壤环境(肥力、通风性等)、植物生长阶段、健康生理状况、施用中与装置相关的不精密性和其它因素。因此,在大多数情况下,为了确保叶施用的外源化学物质的可靠的或一致的生物有效性,使用者通常以高于实际需要的比率施用所述物质。
在外源化学物质为酸并且该外源化学物质以阴离子形式存在、通常配制为水溶性盐的情况下,在大田条件下生物有效性的变异性是一个尤其麻烦的问题。有时,通过将这类酸性物质转化为酯,可以调节这种变异性;然而,在许多情况下,例如由于一旦在受处理植物内酯转化回母体酸不充分,因此酯表现出生物有效性降低。然而,对于叶施用的外源化学物质,特别是阴离子外源化学物质的提高的生物有效性和提高的生物有效性的可靠性存在强烈的需求。
本文所用的术语“阴离子外源化学物质”是指这样的外源化学物质,其分子结构包括一个或多个酸或供质子位点,因此能够在存在质子受体的情况下形成阴离子。因此,该术语包括为***离子的物质。本文将外源化学物质描述为“阴离子的”时,不是指该外源化学物质必需是阴离子形式或为解离的形式。
提供较大可靠性的生物有效性的方法的益处包括能够降低外源化学物质的施用率,而不牺牲生物有效性的一致性。诸如美国杂草学协会于1993年举办的该专题的研讨会充分证明以及WeedTechnology8,331-386(1994)记载了农用工业感到的降低农药、特别是除草剂使用的压力。由于每单位处理面积的费用降低,使用率降低不仅在环境上带来好处,而且在经济上带来好处。
叶施用的外源化学物质通常与两亲物质、特别是两亲表面活性剂一起施用。表面活性剂可以以多种方式影响叶施用的外源化学物质的生物有效性。
当通过常规液压喷药将外源化学物质的稀水性组合物施用于叶时,稀水性组合物中表面活性剂的存在可以改变喷雾液滴的大小分布,通常提高小液滴形式喷雾体积的百分率,并降低大液滴形式喷雾体积的百分率。由于较小液滴的动量低于较大液滴的动量,因此,这些较小液滴从叶表面再结合的可能性较低,由此更可能保留在该表面上。喷雾液滴中和叶表面上表面活性剂分子之间的附着力也可以促进喷雾保留,在大多数植物中叶表面是蜡质的并且是疏水性的。这种附着力不仅降低再结合,而且也从叶表面流放出喷雾液滴。表面活性剂也趋向于增加喷雾液滴和叶表面之间的接触面积,在许多情况下增强外源化学物质从液滴渗透入叶表皮以及通过叶表皮达到内部叶组织。
通过这些效应和也许其它的效应,长期以来已知包括表面活性剂在内的两亲物质提高外源化学物质的生物有效性。因此,在市售的叶施用的外源化学物质制剂中、甚至在可接受的物理稳定性或处理性能(例如作为乳化剂或悬浮剂或分散剂)下,不需要存在表面活性剂的制剂中包括一种或多种表面活性剂是很平常的。
从表面活性剂增强生物有效性的角度来看,最广泛研究的叶施用的阴离子外源化学物质之一是除草剂草甘膦。草甘膦也是植物毒性剂(phytotoxicagent),一直用作植物生长调节剂。
从严格意义上讲,草甘膦是一种酸性化合物N-膦酰基***甘氨酸,但本文以限制性较低的含义使用词“草甘膦”,除非文中另外指定,否则不仅包括草甘膦酸,而且也包括其盐、加成物和酯以及在植物组织内转化为草甘膦或者提供草甘膦离子的化合物。在大多数市售的草甘膦制剂中,草甘膦以水溶性盐存在。在该方面,草甘膦为酸或形成阴离子的大多数外源化学物质的典型。
例如在Franz的美国专利第3,799,758号、Franz的美国专利第3,853,530号、Prill的美国专利第4,140,513号、Large的美国专利第4,315,765号、Franz的美国专利第4,405,531号和Prisbylla的美国专利第4,481,026号和Bakel的美国专利第
4,507,250号中,公开了草甘膦的除草剂盐。在大多数公开的盐中,草甘膦阴离子的相反离子是分子量相对低的非两亲阳离子。这类盐的典型是碱金属,例如钠盐和钾盐;铵盐;和许多具有铵、锍或氧化锍阳离子并用1-3个含总共1-6个碳原子的有机基团取代的盐,例如二***铵、异丙基铵、乙醇铵和三***锍盐。
市售的草甘膦盐制剂包括例如孟山都公司的含有异丙基铵盐的Roundup牌、Accord牌和RoundupUltra牌除草剂,孟山都公司的含有铵盐的RoundupDry牌和Rival牌除草剂,孟山都公司的含有钠盐的RoundupGeoforce牌除草剂和Zeneca的含有三***锍盐的Touchdown牌除草剂。
也公开了与分子量较高的两亲阳离子形成的草甘膦盐。这类两亲阳离子包括具有一个亲水部分(诸如铵、乙醇铵、聚氧乙烯铵或锍基团)和一个包含1-4个烃基、总共多于6个碳原子的疏水部分的那些阳离子。例如上述美国专利第4,405,531号(其说明书通过引用结合到本文中)公开了范围广泛的草甘膦的伯、仲和叔铵盐,其中所述阳离子为以上刚刚定义的两亲的,其分子量低于约300。国际公布号WO83/03608、欧洲专利申请第0124351号和美国专利第4,431,594号公开了草甘膦的各种季铵盐,其中所述阳离子为两亲的。美国专利第5,668,085号公开了与衍生自聚氧乙烯叔C8-22烷基***表面活性剂的两亲阳离子形成的草甘膦盐,具体公开的实例为草甘膦的
N-椰子烷基(cocoalkyl)-N,N-二乙醇铵盐,其中“椰子烷基”是指衍生自椰子油的主要为C12和C14烷基链的混合物。
作为除草剂的草甘膦有许多优点,特别是具有环境优点,包括可生物降解性和低生态毒性。然而,研究表明,甚至目前使用的最具生物有效性的草甘膦制剂也不能将草甘膦有效地传递至植物中草甘膦发挥其毒害植物效应的位点。通常,仅小部分施用的除草剂达到这种位点。在本申请要求优先权并涉及这部分的法国专利申请第97-08371号中使用了术语“biodisponibilité”(词义上相当于英文词“生物利用率”)。
达到毒害植物作用位点的小部分施用的草甘膦涉及这样一个事实草甘膦必须通过几个屏障。其中最重要的一个屏障被认为是草甘膦施用的叶表面上的亲脂表皮。因此,理论上认为,最好将草甘膦置于两亲介质中,提供亲脂表皮和亲水草甘膦之间更大的相容性,由此促进草甘膦渗透入表皮及通过表皮渗透。相似的想法已经应用于其它外源化学物质,特别是通常配制为水溶性盐的那些外源化学物质。
许多研究证明了两亲介质作为表皮渗透的助剂并例如草甘膦的由此增强的生物有效性的概念具有有效性,在这些研究中叶的吸收或有效性被表面活性剂所增强。Wyrill和Burnside,WeedScience25,275-287,1977的广泛研究,得到的结论是
“有效的表面活性剂是任何草甘膦喷雾混合物的关键组分”,但注意到表面活性剂类型在获得的除草剂有效性增强程度方面的很大差异。一般而言,阳离子表面活性剂产生的增强作用大于非离子表面活性剂的增强作用。在国际公布第WO98/06259号中报道了范围广泛的以与草甘膦组合物的混合物、或在草甘膦组合物后顺序施用的阳离子、非离子、阴离子和***表面活性剂的数据。
提供两亲介质的另一方法已经将草甘膦与亲脂剂(诸如油)以油包水乳液或微乳液的形式应用。这类乳液或微乳液公开于欧洲专利申请第0379852号、美国专利第4,853,026号和美国专利第5,248,086号。这类微乳液的缺点是当作为浓缩组合物提供时,用水稀释至适合施用的浓度、例如5克草甘膦(以每升酸相当物表示(./l))时,它们易发生乳液破坏现象。换句话说,油包水微乳液往往不能承受在水中的稀释。这种微乳液不能提供改进的表皮渗透也许与其不能承受稀释有关。
也已研究了草甘膦的水包油粗乳液制剂。在这些粗乳液中,大多数草甘膦以连续的水相存在,正如在欧洲专利申请第0485207号中所示。因此,草甘膦和亲脂组分分离的这类粗乳液不提供两亲形式的草甘膦,并且一般未增强草甘膦至其植物中毒害植物作用位点的传递。
欧洲专利说明书第0148169号中描述的一个不同方法是通过界面缩聚,将诸如草甘膦的水溶性除草剂包封于聚合物壳中。在该技术中,使用具有基于烷基化聚乙烯吡咯烷***的亲脂乳化剂的油包水乳液
。通过共聚用单体反应形成壳的聚合发生于含除草剂乳液的油-水界面,导致形成将除草剂包封的壳。
所有以上总结的方法,包括形成作为两亲盐的阴离子外源化学物质在内,在克服将外源化学物质传递至其在植物内生物作用位点的屏障方面取得有限的成功。因此,本发明的一个目的是提供外源化学物质、特别是阴离子外源化学物质的新型组合物或制剂,所述组合物或制剂当施用于植物叶时,可以提供优越的生物有效性。
本发明的另一目的是提供外源化学物质、特别是阴离子外源化学物质的组合物或制剂,所述组合物或制剂经济并且易于制备。
本发明的另一目的特别是当将其应用于除草剂草甘膦时,是提供满足前述目的的组合物或制剂,而同时允许保持草甘膦的无生态毒性和可生物降解特性。
本发明的另一目的是提供外源化学物质、特别是阴离子外源化学物质的组合物或制剂,所述组合物或制剂可以在稀的水性介质中施用,并且于高比率稀释下不丧失其有益特性。
本发明的另一目的是提供两亲盐形式的阴离子外源化学物质的水性组合物或制剂,而不需要诸如分散剂或乳化剂的另外的稳定剂,其中所述组合物或制剂甚至在高浓度下也是物理稳定的。
本发明的另一目的是提供方便和经济的制备满足上述目的组合物或制剂的方法。
通过设计促进阴离子外源化学物质通过叶转运至植物中并由此促进所述外源化学物质生物有效性的新方法,已经满足了这些目的和其它目的。该方法如下文更全面陈述的,涉及产生含所述外源化学物质超分子聚集体或纤粒子(nanopaticle)的胶体分散液,所述外源化学物质全部或部分为其两亲盐形式。
图1是按照本文实施例1制备的N-膦酰基***甘氨酸两亲盐的水性制剂的透射式电子显微照片。比例尺代表100nm。该显微照片显示超分子聚集体,看来像大致球形的珠粒,直径范围为约20至约100nm。人们会认识到,本文所用的透射式电子显微镜的分辨率为约20nm,因此,尽管相信存在更小的超分子聚集体,但在该显微照片中或图2的显微照片中不能见到。
图2是按照本文实施例6制备的N-膦酰基***甘氨酸两亲盐的水性制剂的透射式电子显微照片。比例尺代表100nm。该显微照片显示超分子聚集体,看来像大致球形的珠粒,直径范围为约20至约100nm。
图3图示按照本文实施例7制备的组合物中乳液粒子的大小分布。