Біотехнологія та охорона навколишнього середовища SpringerLink

Резюме

Проблеми екологічно чистої боротьби зі шкідниками все частіше ведуть до пошуку мікроорганізмів, які можуть бути використані як антагоністи проти так званих шкідливих комах або продукти обміну яких придатні як нові активні інгредієнти.

У Німеччині близько 10 000 муніципальних очисних споруд працюють на стадіях біологічного очищення.

У Німеччині щороку на заводах з біологічної переробки використовується 7,6 мільйона тонн біовідходів.

Загалом внесок використання біомаси у виробництво електроенергії зріс з 222 ГВт-год у 1990 р. До 5140 ГВт-год у 2003 р.

“Червона біотехнологія” (Біотехнологія охорони здоров’я): Кажуть, що біопродукти (білки, антитіла, ферменти) вже мають частку ринку фармацевтичних продуктів

20% та 50% нових розробок мають становити органічні продукти.

«Зелена біотехнологія»: використання генетично модифікованих рослин, розпочате приблизно 20 років тому, досягло в США частки 45% для кукурудзи, 86% для сої та 76% для бавовни в США. Сучасні розробки спрямовані на використання рослин (і тварин) для економічного виробництва фармацевтичної продукції та промислової сировини.

«Біла біотехнологія»: Використання біотехнології як складової для стійкої, сумісної з майбутнім хімії («Зелена хімія») та її застосування в харчовій промисловості. Продукція включає сипучі та дрібнодисперсні хімікати, продукти харчування, а також харчові добавки та кормові добавки, сільськогосподарські та фармацевтичні прекурсори, допоміжні матеріали для переробної промисловості, такі як технічні ферменти та біопаливо. Передбачалося, що до 2010 року близько 20% продажів у всій хімічній промисловості має бути пов'язано з використанням білої біотехнології.

“Сірі біотехнології”: Сьогодні екологічна діагностика долучилася до вищезазначеної галузі охорони навколишнього середовища.

Усі галузі біотехнології прямо чи опосередковано пов'язані з екологічно важливими сферами.

18.1 Біологічна боротьба зі шкідниками

18.1.1 Біоінсектициди

Мікроорганізми, віруси та метаболіти як біоінсектициди

Bacillus thuringiensis (B. t.)

Гусениці лускокрилих, наприклад, золоті молоді, білокачанна капуста метелик

Б. т. субсп. thuringiensis, штами, що продукують β-екзотоксин

Літають опариші, наприклад Musca domestica

Личинки жуків, наприклад колорадські жуки

Личинки комарів, наприклад Anopheles, види Aedes, лугові змії

Японські жуки (Popillia japonica)

Довгоносики, наприклад чорний довгоносик, жуки-короїди

Годуюча моль (Cydia pomonella)

Циганська моль (Lymantria dispar)

Листовидобувні двокрилі або сокососи, кліщі

Лускокрилі, Двокрилі, Блатодеї, Дрібнокрилі

a Назва вірусу комах походить від латинських назв комах та абревіатури типу вірусу

18.1.1.1 Bacillus thuringiensis та B. sphaericus

Bacillus thuringiensis є найкраще вивченою комахою патогенною бактерією. Він був виділений ще в 1901 році в Японії як бактеріальний збудник, що викликає хворобу Сото (сонливість) у шовкопрядів. З 1911 року він відомий як збудник хвороби гусениці борошняної молі.

Під час утворення ендоспор Bacillus thuringiensis виробляє токсини у вигляді кристалів, які впливають на широкий спектр Lepidoptera (метеликів), але не на інших тварин і людей. Виявлено подальші підвиди, які надають патогенну дію на двокрилих (двокрилі види: комарі, мухи) та деяких кишкових (жуки). Сьогодні ми також знаємо тих, хто має ефективність проти перетинчастокрилих (перетинчастокрилі, такі як бджоли, оси та мурахи), Homoptera (цикади, попелиці), Orthoptera (коники та цвіркуни), Mallophaga (тваринні воші, такі як волосся та пір’яні мухи), нематоди (аскариди та круглі черви), Кліщі та найпростіші (табл. 18.1).

a Схематичне зображення паракристалічного δ-ендотоксину в клітинах Bacillus thuringiensis та активація проміжних сполук протоксину специфічними протеазами в кишечнику гусениць з утворенням токсичного пептиду, b Приєднання до рецептора, перегрупування токсину та утворення пор, c Структура β-екзотоксину порівняно з природним нуклеозидом

Розчинення кристала в середній кишці гусениці (рН> 9,5),

протеолітичне розщеплення N- і С-кінцевої частини протоксину протеазами середньої кишки,

Зв’язування активованого токсину з рецептором в мембрані епітеліальної клітини в середній кишці,

Інтеграція токсину в мембрану, так що утворюються іонні канали або пори, а клітинна мембрана клітин епітеліального кишечника безповоротно пошкоджується, і

Коли кишковий бар’єр руйнується, спори бактерій потрапляють в організм, проростають і викликають септицемію.

Отже, основний пошкоджуючий ефект походить від δ-ендотоксину. Bacillus thuringiensis є лише незначно інфекційним і тому не поширюється епідемічно. Тому препарати Bacillus thuringiensis використовуються як біопестицид, подібний до хімічного інсектициду, і, таким чином, відрізняються від засобів для біологічної боротьби зі шкідниками, які автокаталітично поширюються в популяції комах-шкідників, поки кількість особин не стає занадто низькою для передачі.

На додаток до δ-ендотоксину, інші екзотоксини, такі як низькомолекулярний β-екзотоксин, утворюються кількома штамами Pathovars thuringiensis. Структура незвичайного нуклеотиду показана на рис. 18.1c. Це антиметаболіт ДНК-залежної РНК-полімерази. Оскільки його вплив неспецифічний, він також діє на хребетних. Штами, які, крім δ-ендотоксину, продукують β-екзотоксин, були протестовані як агенти проти мухоморів. Препарати додаються в корм для худоби, проходять через кишечник без гострих пошкоджень і, таким чином, потрапляють в екскременти, в яких живуть мухові опариші.

Препарати Bt були затверджені як засоби захисту рослин у Німеччині з 1964 р. І є на ринку під різними назвами. В основному вони використовуються у кукурудзі, картоплі, овочівництві та плодоводстві. Вони мають більше значення в органічному землеробстві. Комерційно доступні препарати Bt складаються із сухих спор бактерій та кристалічного токсину. Бактерії, культивовані у ферментері на простих середовищах, відокремлюють від живильного середовища і формують за допомогою адгезивів та стабілізаторів світла. Для успішного використання необхідно врахувати, що тільки їдять гусениці або личинки приймають препарати.

Якщо порівняти швидкість дії препаратів Bt із швидкістю дії інших інсектицидів, стає зрозумілим, що до того, як біоінсектицид набуде чинності, необхідні триваліші періоди часу.

За допомогою генної інженерії здатність продукувати δ-ендотоксин була перенесена на ризосферні бактерії, такі як Pseudomonas fluorescens, з метою боротьби з підземними хробаками.

Гени Bt токсину (крик), виділені з Bacillus thuringiensis, переносились на рослини. Зараз вони самі виробляють токсичну для шкідників діючу речовину. Для генерації генно-інженерної стійкості до комах використовувались різні варіанти генів Bt, такі як cry1Ab, cry1Ac та cry9c у кукурудзі. Вони відрізняються як довжиною, так і використовуваними промоторами. Залежно від варіанту гена Bt, трансгенні сорти кукурудзи відрізняються як за кількістю токсину Bt, так і за його розподілом у рослині. Перші комерційно вирощені рослини кукурудзи Bt містили високий рівень Bt токсину у всіх частинах рослини (пилок, стебла, качани кукурудзи), які були вищими, ніж необхідні для досягнення бажаного ефекту. Нові сорти кукурудзи Bt не тільки виробляють меншу кількість Bt токсину, але і лише там, де вони необхідні, тобто в стеблі. Це досягається завдяки забезпеченню генів крику специфічними для тканини промоторами, які лише «запускаються» в певних частинах рослини.

У випадку з кукурудзою концепція Bt виглядає особливо привабливою, оскільки вона перша, яка бореться з європейським кукурудзяним бурильником у Росії дозволяє рослина. Гени Bt передавались не лише кукурудзі, але й іншим варіантам - бавовні чи картоплі.

У 2004 р. Рослини ГМО (ГМО = генетично модифіковані організми) були зібрані на площі 81 млн. Га у всьому світі. 19% цього було обумовлено стійкими до комах рослинами Bt, а ще 9% - комбінацією гербіцидів та стійкістю до комах. Гербіцидна стійкість є домінуючою рисою 72%.

У 2004 році вирощування кукурудзи Bt у США становило 10 мільйонів гектарів і становило близько 45% вирощування кукурудзи. Іншими країнами, де вирощують кукурудзу Bt, є Аргентина, Канада, Іспанія та Південна Африка.

Bt бавовна була вирощена на приблизно 2,5 мільйона гектарів у США в 2004 році, що становило близько 76% оброблюваних площ. Bt бавовна також вирощується в Аргентині, Австралії, Китаї, Індії, Індонезії, Мексиці та Південній Африці.

Проводиться робота близько 30 видів рослин, щоб створити стійкість до різних комах, що живляться, шляхом передачі генів Bt.

Однією з переваг токсину Bt є його точність дії (специфічність). Він атакує відповідних шкідників та щадить інших тварин, особливо корисних комах. Очікування не завжди здаються правдивими. З часом годуючі комахи виробляють стійкість до використовуваних інсектицидів. З класичними препаратами Bt цього ще не сталося, крім кількох випадків. Однак існує побоювання, що широкомасштабне вирощування рослин Bt прискорює розвиток стійкості: «Оскільки активний інгредієнт присутній у генних рослинах протягом усього вегетаційного періоду, шкідники можуть розвивати стійкість легше, ніж якщо фермери лише зрідка обприскують інсектицид. «У США вирощування рослин Bt супроводжувалось обов’язковим управлінням опором. Відповідно до цього, деякі ділянки зі звичайними сортами без Bt-токсину повинні бути висаджені як сховища, щоб уникнути того, щоб «дикі рослини» стали «рослинами BT».

Патогенні бактерії комарів відомі з 1960-х років, коли вони були першими ізолятами Bacillus sphaericus з ларвіцидними властивостями були виявлені. Ізоляти від дорослих чорних мух були знайдені в Нігерії приблизно в 1980 р., Які разом з Bacillus thuringiensis subsp. israelensis досяг надзвичайного значення в біологічному контролі над комарами та чорними мухами.

Як і у випадку з B. thuringiensis, токсична дія B. sphaericus заснована на утворенні параспоральних білкових кристалів, які у B. sphaericus розташовані в «спорокристалічному комплексі», покритому мембраною. На відміну від B. t. субсп. israelensis B. sphaericus має бінарний токсин, який складається з двох білків з молекулярною масою 51,4 і 41,9 кДа. І те, і інше необхідне для токсичного впливу комарів. Механізм дії бінарних токсинів базується, подібно до механізму B. t. субсп. israelensis, при зв’язуванні з рецепторами. Інші токсини (токсини Mtx) з молекулярною масою до 100 кДа можуть утворюватися у вегетативних клітинах B. sphaericus. Ці токсини Mtx також токсичні для личинок комарів, але ні бінарні токсини, ні токсини B.t. субсп. israelensis гомологічний.

Останніми роками B. sphaericus набуває все більшої ваги, насамперед через його особливий спектр активності та здатність повторно використовуватись або зберігатись за певних умов. Повторне використання може призвести до довгострокового ефекту, що збільшує інтервал часу для повторних процедур.

Цільові організми - представники різних родів комарів, таких як Aedes, Anopheles та Culex. Однак існують великі відмінності в чутливості серед видів у межах роду. Деякі види комарів, переважно види Culex, але також деякі види Anopheles особливо чутливі до B. sphaericus, тоді як інші види, такі як Aedes aegypti, майже нечутливі. На відміну від B. thuringiensis subsp. israelensis не вбиває личинок B. sphaericus чорних мух.

Білкові токсини B. sphaericus нешкідливі для теплокровних тварин та інших нецільових організмів.

18.1.1.2 Біоінсектициди з актиноміцетів

Діючі речовини проти комах з актиноміцетів

Абамектин проявляє головним чином годувальний ефект. Контактна активність досить обмежена через швидку окислювальну здатність до розкладання на листкових поверхнях. Період напіввиведення абамектину становить менше 4 годин. Фізіологічний спосіб дії на комаху відбувається шляхом стимуляції вивільнення нейромедіатора γ-аміномасляної кислоти в інгібуючих клітинах нервів/м'язової пластинки, що призводить до паралічу через стійке пригнічення скорочення м'язів. Це відбувається протягом декількох годин після прийому токсичної дози, є незворотним та смертельним.

Абамектин ефективний проти всіх рухомих стадій комах-шкідників, які харчуються рослинною тканиною або смокчуть рослинний сік, але не мають овіцидного ефекту. Найважливіші організми-мішені - це кліщі та листяні двокрилі. Абамектин дуже швидко всмоктується в лист після обробки, де він захищений від руйнування ультрафіолетовим випромінюванням і від змивання дощем. Оскільки абамектин дуже міцно зв’язаний з частинками ґрунту, він не рухається в ґрунті і не виявляє вимивання. Він не накопичується в організмі і швидко розщеплюється мікроорганізмами в грунті. Він не розчиняється у воді. Розпад рослин відбувається переважно на поверхні листя завдяки фотолізу.

Швидкість дії інсектицидів