微生物农药的开发和应用前景

摘要:微生物农药由于其广谱、高效、安全、环境相容性好等特点,具有广泛的应用前景。综述了国内外微生物农药已开发的种类,当前研究的热点和未来的研究方向。

关键词:微生物农药;开发;应用

中图分类号:S1

文献标识码:A

文章编号:1672-3198(2010)13-0348-02

微生物农药是指由微生物及其代谢产物加工制成的具有杀虫、杀菌、除草、杀鼠或调节植物生长等具有农药活性的物质。全世界生物农药产品中,微生物农药占到近90%,国内出现大规模产业化的生物农药主要也是微生物农药。

微生物农药具有高度的专一性,杀虫效率高,不杀伤天敌,且容易降解,无残留,对人畜无毒,能增强植物的抗病性,刺激植物生长。因此,近几年微生物农药得到了大力推广。据了解,美国微生物杀虫剂占农药的1/4,微生物农药的大量使用能有效缓解化学农药在使用过程中带来的“3R”问题,即害虫抗药性(Resistance)、残留(Residue)、害虫再猖獗(Resurgence)。随着人们环保意识的增强,世界各国都在大力研究和推广应用生物农药,以保护人类的赖以生存的生态环境。微生物农药在生产上的推广应用,已经产生了巨大的经济效益、社会效益和生态效益。

1 微生物农药的特点

一般来讲,微生物农药具有如下特点:

(1)防治病虫效果好,使用时对人畜安全,对哺乳动物毒性较低。

(2)特异性强、选择性高,对天敌和有益生物安全。

(3)多种因素和成分发挥作用,使病虫难以产生抗药性。

(4)由于微生物具有自身繁殖快,生长迅速,易变异的特点,可用通过现代生物技术和基因工程的方法对微生物进行改造,从而不断改进性能和提高品质。

(5)原料来源广,易于进行大规模工业化生产。

(6)微生物农药所用的病原体能在环境中形成流行病,可防止病虫害的再次爆发,有可能长期控制病虫害。

(7)生产原料和有效成分属天然产物,在环境中容易降解,不会污染生态环境。

2 微生物农药的分类

微生物农药按照有效成分可以分为两大类:

(1)直接作为农药使用的微生物,即直接利用细菌、真菌、病毒来防治病、虫、草害。

(2)以微生物产生的代谢产物作为农药以防治病、虫、草害,这即为人们常用的抗生素。

3 微生物农药的开发现状

能够用于开发和生产微生物农药的微生物类群包括细菌、真菌、病毒、原生动物、线虫等,其中开发的微生物农药主要是以细菌、真菌和病毒为主。细菌杀虫剂是微生物农药中应用最广泛,同时也是效果最好的一类。按照用途,微生物农药可分为微生物杀虫剂、微生物杀菌剂、微生物除草剂等。

3.1微生物杀虫剂

3.1.1 细菌杀虫剂

细菌杀虫剂是由对昆虫具有致病或致死作用的细菌及其活性成分制成,当昆虫摄入病原细菌制剂后,被肠细胞吸收后进入昆虫的体腔和血液,使之得败血症而致死。细菌类杀虫剂是国内研究开发较早的、生产量最大、应用最广的微生物杀虫剂。常见的品种有苏云金杆菌、青虫菌、日本金龟子芽孢杆菌和球形芽孢杆菌。苏云金杆菌(Bt)是世界上用途最为广泛的微生物农药。杀虫谱较广,能防治稻苞虫、玉米螟、棉铃虫、菜青虫等害虫,它占据了生物农药90%以上的市场,产品覆盖所有省市并销往欧美以及新西兰等国家和地区。

目前在苏云金杆菌的研究方面,主要集中在以下几个趋势:

(1)寻找苏云金杆菌新的菌株资源,如已成功投入商业化生产的菌株4.0718。

(2)发掘新的杀虫功能。最初人们仅将苏云金杆菌集中于鳞翅目害虫有效,目前已了解到其对9个目600种有害生物均有毒杀作用。

(3)融合基因工程菌的进行构建。近年来人们正尝试将对不同靶标害虫有高毒力的基因进行重组,以拓宽杀虫谱、提高毒力和延缓抗性。

(4)优化发酵条件。研究人员为获得高效价的发酵培养基配方,采用科学的实验设计,进行优化筛选。

3.1.2 真菌杀虫剂

真菌杀虫剂是利用真菌的分生孢子附着在昆虫的皮肤上,分生孢子吸水后萌发而长出芽管或形成附着孢,侵入昆虫体内,菌丝体在昆虫体内不断繁殖,造成病理变化和物理变化而导致昆虫死亡。真菌杀虫剂具有防治谱广,残效期长,扩散力强等特点。缺点在于作用缓慢,侵染过程长,作用效果易受环境影响。目前应用研究最多的是白僵菌,其次是绿僵茵。此外,还有赤僵菌、虫生藻菌等。虽然种类多,但被开发应用的较少。仅开发了其中的几个种,对于松毛虫、蝗虫、线虫等的防治有显著成效。

根据昆虫病原真菌的特点,目前的研究集中在对其进行分子遗传改造。主要是通过释放毒力因子、增加毒性基因拷贝数以及从其他微生物引入毒性基因来增强菌株毒力或扩大寄主范围。目前有关昆虫病原真菌的杀虫基因以及致病机理研究还不够深入,但寻找新的杀虫基因对于昆虫病原真菌的研究将非常有意义。

3.1.3 病毒杀虫剂

病毒杀虫剂的作用机理是当病毒侵入昆虫后,核酸在宿主细胞内进行病毒颗粒复制,产生大量的病毒粒子,促使宿主细胞破裂,导致昆虫死亡。病毒杀虫剂宿主特异性强,能在害虫群内传播形成流行病。也能潜伏于虫卵,传播给后代,持效作用长。缺点是施用效果受外界环境影响较大,宿主范围窄。其中研究最多、应用最广的是核形多角体病毒(NPV),质形多角体病毒(CPV),颗粒体病毒(GV)。

近几年来,病毒杀虫剂的研究主要集中在增效剂和复配制剂方面,该技术对于降低病毒杀虫剂生产成本具有重要的意义。通过基因工程技术进行基因重组也是一种最有效的方法之一,如野生型杆状病毒由于杀虫速度相对较慢和寄主范围窄等缺陷,限制了其商业化生产和推广应用速度,通过基因重组后可获得新一代广谱高效的病毒杀虫剂。

3.2 微生物杀菌剂

微生物杀菌剂是一类控制植物病原菌的制剂,主要是抑制病原菌能量产生、干扰生物合成和破坏细胞结构而发挥作用。具有内吸性强、毒性低的特点,有的兼有刺激植物生长的作用。微生物杀菌剂主要指农用抗生素。主要是放线菌,其次是细菌。农用抗生素中应用面积最大的是井冈霉素,其次是阿维菌素和赤霉素,在农业生产中起到重要作用。

发达国家的研究动向已把从农用抗生素的开发、研制扩展到在微生物中筛选杀虫、除草、抗病毒和植物生长调节剂等生理活性物质的研究,并筛选出了杀螨剂和Bialaphos等除草剂。

3.3 微生物除草剂

微生物除草剂主要是利用活体微生物或其代谢产物来杀灭杂草。双丙氨磷具有强烈的广谱杀草活性,能防治一年生和多年生的杂草,同时具有很高的杀螨活性。目前微生物除草剂已成为国外的研究和开发的热点,其中以真菌除草剂的研究和开发最为活跃。我国生物除草剂研究是世界上最早的国家,用胶孢炭疽菌(鲁保1号)防除菟丝子,推动了全世界生物农药的发展,但以后进展迟缓,微生物除草还只限于研究阶段。

4 微生物农药面临的问题和开发思路

微生物农药在使用过程中,主要存在以下几个方面的问题:

(1)生物农药的防治是一个生物学的过程,田间药效不能像化学农药那样见效快,直接影响到推广应用。

(2)保存需要的适宜的环境条件,对贮存条件要求高,其货架寿命往往只有化学农药的一半。施用后,环境中各种因素都有可能影响其防治效果。

我国微生物农药的研究一直非常活跃,既有活菌制剂,更有农用抗生素的开发。随着分子生物学与生物技术的不断发展,为应对上述问题,目前的开发思路主要有:

(1)采用分子克隆、定点突变、转基因作物的开发、重组微生物等技术对微生物农药分子进行修饰,以提高其活性。目前这一技术应用较多在苏云金杆菌和昆虫病毒上。

(2)与一些低毒的化学农药或增效因子混配,开发具有一定增效作用的制剂。

(3)开发新型助剂,使农药不易被紫外线和氧化作用而失效。

(4)开发新的菌株资源,开发高效生物农药的品种。

(5)改良发酵工艺,降低生产成本。

5 微生物农药的发展前景

随着人类对农产品安全和生态环境的重视,微生物农药由于其广谱、高效、安全、环境相容性好等特点,在未来将有巨大的市场需求。微生物农药在降低农副产品中的农药残留,减少农田生态环境的污染,实现农作物病虫害可持续控制起到十分重要的作用。

微生物农药作为高效低毒的农药,今后的研究和开发前景十分广阔。尤其是随着细胞融合、基因重组等生物技术的进步,一些有很高应用价值的生物活性物质有可能大批量生产。近年来,微生物农药在剂型,杀虫活性,作用机理,使用技术改良,以及基因克隆和转化、安全性等方面,都进行了大量研究,取得了不少可喜的成果,如对双丙胺磷利用生物工程技术进行产量的开发研究等。各种新型的微生物农药商品开始逐步走向市场,生产逐步走向多样化和规模化,生产效益也在不断上升。

尽管微生物农药目前在世界农药市场所占的份额还很小,但由于其对人畜毒性小,与环境兼容性好,对有害生物不易产生抗性等突出优点而符合现代社会对农业生产及农药的要求。近几年来,各国政府对环境保护,注重可持续农业的可持续发展日益重视,公众对自身的健康安全也更加关注。全球生物农药的需求量将以每年5.6%的速度增长,其所占的农药市场份额将会越来越大。

参考文献

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