Биотехнологии и опазване на околната среда SpringerLink

Обобщение

Опасенията от екологично чистия контрол на вредителите все повече водят до търсене на микроорганизми, които могат да се използват като антагонисти срещу така наречените вредни насекоми или чиито метаболитни продукти са подходящи като нови активни съставки.

В Германия ок. 10 000 общински пречиствателни станции, работещи с етапи на биологично пречистване.

В Германия всяка година в инсталациите за биологично рециклиране се използват 7,6 милиона тона биоотпадъци.

Като цяло приносът на използването на биомаса за производството на електроенергия се е увеличил от 222 GWh през 1990 г. до 5140 GWh през 2003 г.

„Червена биотехнология“ (биотехнология в здравеопазването): Биопродуктите (протеини, антитела, ензими) вече имат пазарен дял на фармацевтични продукти

20% и 50% от новите разработки трябва да бъдат биологични продукти.

„Зелени биотехнологии“: Използването на генетично модифицирани растения, започнало преди около 20 години, достигна дял от 45% за царевица, 86% за соя и 76% за памук в САЩ през 2004 г. Текущите разработки имат за цел да използват растения (и животни) за рентабилно производство на фармацевтични продукти и индустриални суровини.

„Бяла биотехнология“: Използването на биотехнологиите като градивен елемент за устойчива, съвместима с бъдещето химия („Зелена химия“) и нейното приложение в хранителната индустрия. Продуктите включват насипни и фини химикали, храни, както и хранителни добавки и фуражни добавки, селскостопански и фармацевтични прекурсори, спомагателни материали за преработващата промишленост като технически ензими и биогорива. Прогнозира се, че до 2010 г. около 20% от продажбите в цялата химическа индустрия трябва да се отдадат на използването на бяла биотехнология.

„Сива биотехнология“: Днес диагностиката на околната среда се присъедини към гореспоменатата област на опазване на околната среда.

Всички области на биотехнологиите са пряко или косвено свързани с екологично значими области.

18.1 Биологична борба с вредителите

18.1.1 Биоинсектициди

Микроорганизми, вируси и метаболити като биоинсектициди

Bacillus thuringiensis (B. t.)

Гъсеници Lepidoptera, например златни млади, зелева бяла пеперуда

Б. т. подс. thuringiensis, щамове, продуциращи β-екзотоксин

Летят личинки, например Musca domestica

Ларви на бръмбари, например колорадски бръмбари

Ларви на комари, например Anopheles, видове Aedes, ливадни змии

Японски бръмбари (Popillia japonica)

Пръстени, например черни дългоноси, корояди

Дребен молец (Cydia pomonella)

Цигански молец (Lymantria dispar)

Листодобивни диптери или сокове, акари

Lepidoptera, Diptera, Blattodea, Coleoptera

a Името на вируса на насекомите произтича от латинските имена на насекомите и съкращението за типа вирус

18.1.1.1 Bacillus thuringiensis и B. sphaericus

Bacillus thuringiensis е най-добре проучената насекома патогенна бактерия. Изолиран е още през 1901 г. в Япония като бактериален патоген, причиняващ болестта на Сото (сънливост) при копринените буби. От 1911 г. е известно, че причинява болест на гъсеница от брашнен молец.

По време на образуването на ендоспори, Bacillus thuringiensis произвежда токсини под формата на кристали, които засягат широк спектър от Lepidoptera (пеперуди), но не и други животни и хора. Открити са още подвидове, които имат патогенен ефект върху двукрилите (двукрили видове: комари, мухи) и някои Coleoptera (бръмбари). Днес познаваме и тези, които са ефективни срещу Hymenoptera (хименоптери като пчели, оси и мравки), Homoptera (цикади, листни въшки), Orthoptera (скакалци и щурци), Mallophaga (животински въшки като косми и пера), нематоди (кръгли червеи и кръгли червеи), Акари и протозои (Tab.18.1).

а Схематично представяне на паракристалния δ-ендотоксин в клетките на Bacillus thuringiensis и активиране на междинните продукти на протоксин от специфични протеази в червата на гъсениците за образуване на токсичния пептид, b Прикрепване към рецептора, пренареждане на токсина и образуване на пори, c Структура на β-екзотоксин в сравнение с естествения нуклеозид

Разтваряне на кристала в средното черво на гъсеница (рН> 9,5),

протеолитично разцепване на N- и С-крайната част на протоксина от протеазите на средното черво,

Свързване на активирания токсин с рецептора в епителната клетъчна мембрана в средното черво,

Интегриране на токсина в мембраната, така че да се образуват йонни канали или пори и клетъчната мембрана на чревните епителни клетки е необратимо повредена и

Когато чревната бариера е разрушена, бактериалните спори навлизат в тялото, покълват и причиняват септицемия.

Следователно първичният увреждащ ефект идва от δ-ендотоксина. Bacillus thuringiensis е само леко заразен и поради това не се разпространява епидемично. Следователно препаратите на Bacillus thuringiensis се използват като биопестицид, подобен на химичен инсектицид и по този начин се различават от агентите за биологична борба с вредителите, които се разпространяват автокаталитично в популацията от насекоми вредители, докато броят на индивидите стане твърде малък за предаване.

В допълнение към δ-ендотоксина, други екзотоксини като нискомолекулния β-екзотоксин се образуват от няколко щама на Pathovars thuringiensis. Структурата на необичайния нуклеотид е показана на фиг. 18.1в. Това е антиметаболит на ДНК-зависимата РНК полимераза. Тъй като ефектът му е неспецифичен, той действа и върху гръбначните животни. Щамове, които в допълнение към δ-ендотоксина, произвеждат β-екзотоксина, са тествани като агенти срещу мухи. Препаратите се добавят към фуража за добитъка, преминават през червата без остри увреждания и по този начин попадат в екскрементите, в които живеят мухите.

Препаратите Bt са одобрени като продукти за растителна защита в Германия от 1964 г. и се предлагат на пазара под различни имена. Те се използват главно в царевица, картофи, зеленчуци и овощарство. Те са от по-голямо значение в биологичното земеделие. Предлаганите в търговската мрежа препарати Bt се състоят от изсушени бактериални спори и кристален токсин. Бактериите, култивирани във ферментатора на обикновена среда, се отделят от хранителната среда и се формулират с лепила и леки стабилизатори. За успешна употреба трябва да се има предвид, че само изядените гъсеници или ларви поглъщат препаратите.

Ако сравните скоростта на действие на Bt препаратите с тази на други инсектициди, става ясно, че са необходими по-дълги периоди от време преди биоинсектицидът да влезе в сила.

С помощта на генното инженерство способността да се произвежда δ-ендотоксин се прехвърля върху ризосферни бактерии като Pseudomonas fluorescens с цел борба с подземните червеи.

Гените на Bt токсин (плач), изолирани от Bacillus thuringiensis, се прехвърлят в растенията. Сега те сами произвеждат активната съставка, която е токсична за вредителите. Използвани са различни варианти на Bt гени за генериране на генно инженерна устойчивост на насекоми, като cry1Ab, cry1Ac и cry9c в царевицата. Те се различават както по дължина, така и по използваните промотори. В зависимост от варианта на гена Bt, трансгенните сортове царевица се различават както по количеството на Bt токсина, така и по разпространението му в растението. Първите отглеждани в търговската мрежа растения Bt царевица съдържат високи нива на Bt токсин във всички части на растението (прашец, стъбла, царевични кочани), които са били по-високи от необходимите за постигане на желания ефект. По-новите сортове царевица Bt не само произвеждат по-ниски количества Bt токсини, но и само там, където са необходими, т.е.в стъблото. Това се постига чрез осигуряване на плачещите гени със специфични за тъканите промотори, които само „започват“ в определени части на растението.

В случая на царевицата концепцията Bt изглежда особено привлекателна, тъй като е първата, която се бори с европейските гъсеници на царевица позволява на растението. Bt гените се прехвърлят не само в царевица, но и други варианти в памук или картофи.

През 2004 г. ГМО растения (ГМО = генетично модифицирани организми) бяха събрани на площ от 81 милиона хектара в целия свят. 19% от това се дължи на устойчиви на насекоми Bt растения и още 9% на комбинация от хербициди и устойчивост на насекоми. Резистентността към хербициди е доминиращата черта при 72%.

Bt отглеждането на царевица в САЩ през 2004 г. е 10 милиона хектара и представлява около 45% от отглеждането на царевица. Други страни, в които се отглежда царевица Bt, са Аржентина, Канада, Испания и Южна Африка.

Bt памук е отглеждан на около 2,5 милиона хектара в САЩ през 2004 г., което представлява около 76% от обработваната площ. Bt памукът се отглежда и в Аржентина, Австралия, Китай, Индия, Индонезия, Мексико и Южна Африка.

Работи се върху около 30 растителни вида, за да се генерира устойчивост на различни хранителни насекоми чрез прехвърляне на Bt гени.

Едно от предимствата на Bt токсина е неговата точност на действие (специфичност). Той атакува съответните вредители и щади други животни, особено полезните насекоми. Очакванията не винаги изглеждат верни. С течение на времето хранителните насекоми развиват устойчивост към използваните инсектициди. При класическите Bt препарати това все още не се е случило, освен няколко случая. Опасява се обаче, че мащабното отглеждане на Bt растения ускорява развитието на резистентност: „Тъй като активната съставка присъства в генните растения през целия вегетационен период, вредителите могат да развият устойчивост по-лесно, отколкото ако фермерите само пръскат инсектицида от време на време. „В САЩ отглеждането на Bt растения беше придружено от задължително управление на устойчивостта. Според това някои зони с конвенционални сортове без Bt токсин трябва да бъдат засадени като убежища, за да се избегне „дивите растения“ да станат „BT растения“.

Патогенните бактерии от комари са известни от 60-те години на миналия век, когато са първите изолати на Bacillus sphaericus с ларвицидни свойства са открити. Около 1980 г. в Нигерия са открити изолати от възрастни черни мухи, които заедно с Bacillus thuringiensis subsp. israelensis постигна изключително значение в биологичния контрол на комарите и черните мухи.

Както при B. thuringiensis, токсичният ефект на B. sphaericus се основава на образуването на параспорални протеинови кристали, които при B. sphaericus са разположени в „споро-кристален комплекс“, обвит от мембрана. За разлика от Б. т. подс. israelensis B. sphaericus има двоичен токсин, който се състои от два протеина с молекулно тегло 51,4 и 41,9 kDa. И двете са необходими за комарно-токсичния ефект. Механизмът на действие на бинарните токсини се основава, подобно на този на B. t. подс. israelensis, при свързване с рецептори. Други токсини (Mtx токсини) с молекулно тегло до 100 kDa могат да бъдат произведени във вегетативни клетки на B. sphaericus. Тези Mtx токсини са токсични и за ларвите на комарите, но нито бинарните токсини, нито тези на B.t. подс. israelensis хомологичен.

През последните години B. sphaericus има по-голямо значение, главно поради специалния си спектър на дейност и способността му да се използва повторно или да продължи при определени условия. Повторното използване може да доведе до дългосрочен ефект, който увеличава интервала от време за повторни лечения.

Целевите организми са представители на различни родове комари, като Aedes, Anopheles и Culex. Съществуват обаче големи разлики в чувствителността между видовете в рамките на един род. Някои видове комари, главно видове Culex, но също така и някои видове Anopheles са особено чувствителни към B. sphaericus, докато други видове, като Aedes aegypti, са почти нечувствителни. За разлика от B. thuringiensis subsp. israelensis не убива ларвите на B. sphaericus на черните мухи.

Протеиновите токсини на B. sphaericus са безвредни за топлокръвните животни и други нецелеви организми.

18.1.1.2 Биоинсектициди от Actinomycetes

Активни съставки срещу насекоми от актиномицети

Абамектинът показва предимно хранителен ефект. Контактната активност е доста ограничена поради бързото окислително разграждане на повърхностите на листата. Полуживотът на абамектин е по-малко от 4 часа. Физиологичният начин на действие при насекомото се осъществява чрез стимулиране на освобождаването на невротрансмитера у-аминомаслена киселина при инхибиране на клетките на нервите/мускулната плоча, което води до парализа чрез продължително потискане на мускулната контракция. Това се случва в рамките на часове след приемане на токсична доза, необратимо е и е фатално.

Абамектинът е ефективен срещу всички подвижни стадии на насекоми-вредители, които ядат растителна тъкан или смучат растителен сок, но няма овициден ефект. Най-важните целеви организми са акари и листодобивни диптери. Абамектинът се абсорбира много бързо в листата след третирането, където е защитен от разграждане чрез UV лъчение и от измиване от дъжд. Тъй като абамектинът е много силно свързан с почвените частици, той е неподвижен в почвата и не показва излугване. Той не се биоакумулира и бързо се разгражда от микроорганизмите в почвата. Той е неразтворим във вода. Разграждането на растенията се извършва главно върху листната повърхност чрез фотолиза.

Скорост на действие на инсектицидите