Биотехнологија и заштита на животната средина SpringerLink

Резиме

Загриженоста за еколошка контрола на штетници се повеќе води кон потрага по микроорганизми кои можат да се користат како антагонисти против таканаречените штетни инсекти или чии метаболички производи се соодветни како нови активни состојки.

Во Германија работат околу 10.000 постројки за пречистување на отпадни води со фази на биолошко прочистување.

Во Германија, 7,6 милиони тони биоотпад се користат во постројки за биолошко рециклирање секоја година.

Генерално, придонесот на употребата на биомаса во производството на електрична енергија се зголеми од 222 GWh во 1990 година на 5140 GWh во 2003 година.

„Црвена биотехнологија“ (Здравствена биотехнологија): За биопродуктите (протеини, антитела, ензими) се вели дека веќе имаат удел на пазарот на фармацевтски производи

20% и новите достигнувања треба да бидат 50% органски производи.

„Зелена биотехнологија“: Употребата на генетски модифицирани растенија, која започна пред околу 20 години, достигна учество од 45% за пченка, 86% за соја и 76% за памук во САД во 2004 година. Тековните случувања имаат за цел да користат растенија (и животни) за ефективно производство на фармацевтски производи и индустриски суровини.

„Бела биотехнологија“: Употреба на биотехнологијата како градежен блок за одржлива хемија, докажана во иднина („зелена хемија“) и нејзина примена во прехранбената индустрија. Производите вклучуваат најголеми и фини хемикалии, храна, како и додатоци на храна и адитиви за добиточна храна, земјоделски и фармацевтски претходници, помошни материјали за преработувачка индустрија, како што се технички ензими и биогорива. Се предвидуваше дека до 2010 година околу 20% од продажбата во целата хемиска индустрија треба да се припише на употребата на бела биотехнологија.

„Сива биотехнологија“: Денес, дијагностиката на животната средина се приклучи на горенаведената област на заштита на животната средина.

Сите полиња на биотехнологијата се директно или индиректно поврзани со области релевантни за животната средина.

18.1 Биолошка контрола на штетници

18.1.1 Биоинсектициди

Микроорганизми, вируси и метаболити како биоинсектициди

Bacillus thuringiensis (Б. т.)

Гасеници од лепидопера, на пример, златни малолетници, бела пеперутка од зелка

B. т. субспон. тирингиензис, соеви кои произведуваат β-егзотоксин

Летаат отрепки, на пример Musca domestica

Ларви од бубачки, на пример, бубачки од Колорадо

Ларви од комарци, на пример, Anopheles, видови Аеди, ливади змии

Јапонски бубачки (Popillia japonica)

Вилушките, на пример, црните риби, лаат бубачки

Codling молец (Cydia pomonella)

Цигански молец (Lymantria dispar)

Диптери за ископување лисја или пијавки од сок, грини

Лепидоптера, Диптера, Блатодеа, Колеоптера

а Името на вирусот инсекти произлегува од латинските имиња на инсектите и кратенката за видот на вирусот

18.1.1.1. Bacillus thuringiensis и B. sphaericus

Bacillus thuringiensis е најдобро проучена патогена бактерија на инсекти. Изолиран е уште во 1901 година во Јапонија како бактериски патоген што предизвикува Сотово (поспаност) кај свилени буби. Познато е дека предизвикува болест на гасеница од брашно од молец уште од 1911 година.

За време на формирањето на ендоспори, Bacillus thuringiensis произведува токсини во форма на кристали кои влијаат на широк спектар на Lepidoptera (пеперутки), но не и на други животни и луѓе. Пронајдени се и други подвидови кои имаат патоген ефект врз Диптера (двокрилни видови: комарци, муви) и некои Колеоптера (бубачки). Денес ги знаеме и оние кои се ефикасни против хименоптера (хименоптера како пчели, оси и мравки), хомоптера (цикади, лисна вошка), ортоптера (скакулци и штурци), малофага (животински вошки како мушички од коса и пердуви), нематоди (кружни црви и кружни црви), Грини и протозои (Таб.18.1).

а Шематски приказ на паракристалниот δ-ендотоксин во клетките на Bacillus thuringiensis и активирање на протоксинските интермедијари со специфични протеази во цревата на гасениците за да се формира токсичен пептид, b Прицврстување на рецепторот, преуредување на токсинот и формирање на пора, в Структура на β-егзотоксин во споредба со природниот нуклеозид

Растворање на кристалот во средното црево на гасеницата (pH> 9,5),

протеолитичко расцепување на N- и C-терминалниот дел на протоксинот од протеазите на средното црево,

Врзување на активираниот токсин со рецепторот во мембраната на епителните клетки во средното црево,

Интеграција на токсинот во мембраната, така што се формираат јонски канали или пори и клеточната мембрана на цревните епителни клетки е неповратно оштетена и

Кога цревната бариера е уништена, спорите на бактериите влегуваат во телото, 'ртат и предизвикуваат септикемија.

Примарниот штетен ефект затоа доаѓа од δ-ендотоксин. Bacillus thuringiensis е само малку заразен и затоа не се шири епидемично. Подготовките на Bacillus thuringiensis се користат како биопестицид сличен на хемиски инсектицид и со тоа се разликуваат од средствата за биолошка контрола на штетници, кои автокаталитички се шират во популацијата на инсекти од штетници се додека бројот на лица не стане пренизок за пренесување.

Покрај δ-ендотоксин, други егзотоксини, како што е ниската молекуларна тежина β-егзотоксин, се формираат од неколку соеви на Pathovars thuringiensis. Структурата на необичниот нуклеотид е прикажана на слика 18.1в. Тоа е антиметаболит на РНК полимеразата зависна од ДНК. Бидејќи неговиот ефект е неспецифичен, тој делува и на 'рбетници. Видови кои, покрај δ-ендотоксин, произведуваат β-егзотоксин, биле тестирани како агенси против мушички мушички. Подготовките се додаваат во добиточната храна, минуваат низ цревата без никакво акутно оштетување и на тој начин завршуваат во изметот во кој живеат мрчарите.

Подготовките за Bt се одобрени како производи за заштита на растенијата во Германија од 1964 година и се продаваат на пазарот под разни називи. Тие главно се користат во пченка, компир, зеленчук и овоштарство. Тие се од поголемо значење во органското земјоделство. Комерцијално достапните препарати Bt се состојат од исушени спори на бактерии и кристален токсин. Бактериите култивирани во ферментот на едноставни медиуми се одделени од хранливиот медиум и се формулираат со лепила и светлосни стабилизатори. За успешна употреба, мора да се земе предвид дека само гасеници или ларви што јадат, ги внесуваат препаратите.

Ако се спореди брзината на дејство на препаратите Bt со онаа на другите инсектициди, станува јасно дека се потребни подолги временски периоди пред да стапи на сила биоинсектицидот.

Со помош на генетски инженеринг, можноста за производство на δ-ендотоксини се пренесе на ризосферните бактерии како што се Pseudomonas fluorescens со цел борба против подземни црви.

Гените на токсините Bt (плач) изолирани од Bacillus thuringiensis беа пренесени во растенијата. Овие сега самите ја произведуваат активната супстанција, токсична за штетниците. Различни варијанти на гени Bt беа искористени за да се генерира генетски инженерска отпорност на инсекти, како што се cry1Ab, cry1Ac и cry9c кај пченката. Овие се разликуваат и во должината и во користените промотори. Во зависност од варијантата на генот Bt, сортите на трансгенска пченка се разликуваат и во количината на токсинот Bt и во неговата дистрибуција во растението. Првите комерцијално одгледувани растенија од пченка Бт содржеле високо ниво на токсин Бт во сите делови на растението (полен, стебленца, кочани од пченка), кои биле повисоки од потребните за да се постигне посакуваниот ефект. Поновите сорти на пченка Bt не само што произведуваат помали количини на токсини Bt, туку и само таму каде што се потребни, т.е. во дршката. Ова се постигнува со обезбедување на гените на плачот со ткиво-специфични промотори кои само „започнуваат“ во одредени делови на растението.

Во случај на пченка, концептот Bt се чини особено привлечен, бидејќи тој е првиот што се бори против европските гасеници од дополнување на пченка во им овозможува на растението. Гените на Bt не беа пренесени само во пченка, туку и други варијанти во памук или компир.

Во 2004 година беа собрани ГМО растенија (ГМО = генетски модифицирани организми) од површина од 81 милиони хектари ширум светот. 19% од ова се должеше на растенија Bt отпорни на инсекти и уште 9% на комбинација на хербицид и отпорност на инсекти. Отпорноста на хербициди е доминантна одлика со 72%.

Одгледувањето пченка БТ во САД беше 10 милиони хектари во 2004 година и претставуваше околу 45% од одгледувањето пченка. Други земји каде што се одгледува пченка Бт се Аргентина, Канада, Шпанија и Јужна Африка.

Бт памук се одгледуваше на околу 2,5 милиони хектари во САД во 2004 година, што претставуваше околу 76% од обработливата површина. Памук Бт се одгледува и во Аргентина, Австралија, Кина, Индија, Индонезија, Мексико и Јужна Африка.

Се работи на околу 30 растителни видови за да се создаде отпорност на разни инсекти за хранење со пренесување на гените на Bt.

Една предност на токсинот Bt е неговата точност на дејствување (специфичност). Ги напаѓа соодветните штетници и поштедува други животни, особено корисните инсекти. Се чини дека очекувањата не се секогаш вистинити. Со текот на времето, инсектите што се хранат развиваат отпорност на употребените инсектициди. Со класичните Bt подготовки, ова сè уште не се случило, освен неколку случаи. Сепак, се стравува дека големо одгледување на растенија Бт го забрзува развојот на отпорност: „Бидејќи активната состојка е присутна во генските растенија во текот на целиот вегетациски период, штетниците можат полесно да развијат отпорност отколку ако земјоделците само прскаат инсектицид од сега и тогаш. „Во САД, одгледувањето на растенија Бт беше придружено со задолжително управување со отпор. Според ова, некои области со конвенционални сорти без токсин Бт мора да бидат засадени како бегалци за да се избегне „дивите растенија“ да станат „растенија БТ“.

Патогените бактерии на комарците се познати уште од 60-тите години на минатиот век, кога тие беа првите изолати на Bacillus sphaericus откриени се ларвицидни својства. Изолати од возрасни црни муви беа пронајдени во Нигерија околу 1980 година, кои заедно со Bacillus thuringiensis subsp. israelensis постигна исклучително значење во биолошката контрола на комарците и црните муви.

Како и кај B. thuringiensis, токсичниот ефект на B. sphaericus се базира на формирање на параспорални протеински кристали, кои во B. sphaericus се наоѓаат во „споро-кристален комплекс“ покриен со мембрана. За разлика од B. t. субспон. israelensis B. sphaericus има бинарен токсин кој се состои од два протеини со молекуларна тежина од 51,4 и 41,9 kDa. Двете се неопходни за токсичен ефект врз комарецот. Механизмот на дејство на бинарните токсини е заснован, сличен на оној на B. t. субспон. israelensis, врзувајќи се со рецепторите. Други отрови (токсини Mtx) со молекуларна тежина до 100 kDa може да се произведат во клетките на вегетативниот B. sphaericus. Овие токсини Mtx се токсични и за ларвите на комарците, но ниту бинарните токсини ниту оние на B.t. субспон. israelensis хомолог.

Во последниве години, B. sphaericus се зголеми во важноста, главно поради неговиот посебен спектар на активност и неговата способност повторно да се користи или опстојува под одредени услови. Повторната употреба може да резултира со долгорочен ефект, што го зголемува временскиот интервал за повторни третмани.

Целни организми се претставници на разни родови на комарци, како што се Адес, Анофелес и Кулекс. Сепак, постојат големи разлики во чувствителноста меѓу видовите во родот. Некои видови комарци, главно видови Culex, но исто така и некои видови Anopheles се особено чувствителни на B. sphaericus, додека други видови, како што е Aedes aegypti, се скоро нечувствителни. За разлика од B. thuringiensis subsp. israelensis не убива ларви B. sphaericus на црните муви.

Токсините на протеините од B. sphaericus се безопасни за топлокрвните животни и другите не-целни организми.

18.1.1.2 Биоинсектициди од актиномицети

Активни состојки против инсекти од актиномицети

Абамектин покажува главно ефект на хранење. Активноста на контактот е прилично ограничена поради брзата оксидативна разградливост на листовите. Полуживотот на абамектин е помалку од 4 часа. Физиолошкиот начин на дејствување кај инсектот се јавува преку стимулација на ослободување на невротрансмитерот γ-аминобутирна киселина во инхибиција на клетките на нервите/мускулната плоча, што доведува до парализа преку одржлива супресија на мускулната контракција. Тоа се случува за неколку часа по земањето токсична доза, е неповратно и е фатално.

Абамектин е ефикасен против сите подвижни фази на штетници од инсекти кои јадат растително ткиво или цицаат сок од растенија, но нема овициден ефект. Најважните целни организми се грините и дипетерите што изработуваат лисја. Абамектин се апсорбира многу брзо во листот по третманот, каде што е заштитен од деградација со УВ зрачење и не се мие од дожд. Бидејќи абамектинот е многу силно поврзан со честичките на почвата, тој е неподвижен во почвата и не покажува никакво испирање. Не се биоакумулира и брзо се распаѓа од микроорганизми во почвата. Нерастворлив е во вода. Распаѓањето кај растенијата се одвива главно на површината на листот преку фотолиза.

Брзина на дејство на инсектициди