点击显示 收起
当今农药的研究开发与生产应用等的选择方向正面临挑战。
（1）控制全球化合物的生物积聚的呼吁（包括官方及公众）越来越强烈。
挥发性农药化合物使用所引起的积聚使得世界处于“全球蒸馏”的状态，因此这类农药现在都禁止使用。一些经济快速增长的国家至今仍在使用许多工业化国家已取缔的化合物（如DDT还在用于控制疟疾）。
欧洲经济委员会正在就取缔目前使用的15种化合物进行谈判，新制订的法规（包括1996年的食品质量管理条例，劳动者保护标准，农药再登记规定）将限制传统化学农药的使用。
（2）开发新的化学农药耗资巨大
全球待决的禁令以及农药价格面临的压力都将给生物源农药的发展提供机会。
（3）随着害虫对农药抗性的日益增大，最好的解决方法是开发和使用生物源农药，而且生物技术的发展也极大的推动了生物源农药的发展。
1．生物源农药的概念和特点
生物源农药是从一种从动物、植物、细菌和某些矿物中衍生而来的天然源农药，其发展进程如下：
1834年Aogostino Bassi发现一种Beauveria bassiana,可以引起家蚕感染病毒。
1875年 Metchnikoff (俄国) 首次用 Metarhizium anisopliae 控制小麦上的甲虫。
19世纪末 一种控制臭虫的微生物病菌在美国大面积使用。
1901年Ishiwata发现一种袭击家蚕的Bacillus spp
1915年Berliner在德国发现同一种病菌感染粉蛾并将起命名为Bacillus thuringiensis (Bt)
1940年第一个基于Bacillus popillae的生物源农药在美国上市用于防治日本金龟子。
1950年第一个Bt产品在美国上市用于控制作物及森林的各类毛虫。
根据USEPA分类，生物源农药分为三大类：
（1）微生物源农药（Microbial pesticides）：以微生物（如：细菌、菌类、病毒或原生动物）为活性成分的农药，这类农药可以杀死多种害虫。例如：有些真菌可以控制杂草，另外一些真菌可以控制蟑螂，一些细菌可以控制植物疾病。目前应用最广泛的微生物源农药是Bacillus thuringiensis (Bt)，可以控制卷心菜、马铃薯及其他作物等的害虫。
（2）植物农药（Plant-pesticides）或转基因植物农药：是将基因植入植物体内的农药。如：科学家从Bt杀虫蛋白中提取基因，再植入植物体内使植物具有杀死害虫的活性。
（3）生物化学农药：是以非毒性机理控制害虫的天然源物质，包括：信息素、荷尔蒙、植物生长调节剂、排斥剂及酶。
但是，习惯上将生物源农药分为生物源杀虫剂、生物源杀菌剂、生物源除草剂。
生物源农药较之化学农药的优点在于：
（1）比传统农药具有更低的哺乳毒性。
（2）仅对靶标害虫有效，而传统杀虫剂具有广谱活性，会影响有机体如鸟类和昆虫以及哺乳动物。
（3）用量小，分解快从而避免了环境污染。
（4）作为IPM的组成部分，生物源农药的使用将会使传统农药的用量减少，而作物的产率却仍然保持很高。
由于使用生物源农药所带来的风险较传统农药低，所以生物源农药日益受到重视，EPA在进行农药登记时对生物源农药必须提交的数据要求较传统农药要少一些。事实上，一个传统农药的登记要花费3年时间，而一个生物源农药的登记只需一年的时间。EPA农药管理局生物源农药及污染防治办公室（BPPD）负责管理所有的生物源农药，BPPD在1995年至1996年间允许登记的生物源农药为14-15个，为该年度所有新农药登记注册数量的1/3，1998年初到1999年末登记注册的生物源农药为25个，到1999年末为止，美国已有187种生物源农药的活性成分约700个产品登记注册（表1）。
与此同时南韩已登记注册的568个农药产品中有15个为生物源农药，约占总数的3%，
1995年世界农药市场份额为290亿美元，其中生物源农药为3.8亿美元，据估计在今后的10年内生物源农药将以每年10-15%的速度增长，而化学农药的年增长速度为2%。
2．生物源杀虫剂
生物源杀虫剂是生物源农药的主要组成部分，其中又以B.t.制剂（DNA重组体技术）为代表，产品进入市场后对一系列经济作物害虫有很好的防效。
九十年代初期全球B.t.产品的销售额为1亿美元,占全球杀虫剂销售额的1-2%，其中60%的B.t.产品用于防治蔬菜及园艺作物的鳞翅目害虫。（图1）
在菲律宾，B.t.杀虫剂由1992年占整个杀虫剂市场的4%提高到1995年的9%。
迄今为止已发现100多种B.t.蛋白产生多种毒素，其中的两种：δ内毒素和β外毒素普遍用在农业上， 20多种商品化产品中都含有δ内毒素。有两种常规方法提高产品的特性及作用效果，第一是使用基因修饰菌株（转接合B.t.菌株）的农药，另外一种是使用B.t.菌株重组体的农药。大多数生物源杀虫剂都采用了这两种技术。1991年，EPA允许登记注册的两个基因工程的微生物源农药是MVP和M-Trak(加拿大圣地亚哥). 而Ecogen 在九十年代中期采用B.t.重组技术开发了一个新的生物源杀虫剂 CryMax.
Bt subspp kurstaki (Btk)是应用最为广泛Bt产品，用于控制蔬菜、西红柿、葡萄树、橄榄树和森林的鳞翅目害虫。在欧洲，Btk被认为是一个非常有效的生物源杀虫剂，用来防治森林地带较为严重的鳞翅目害虫和nun moth (Lymantria monacha) 、gypsy moth (Lymantria dispar)，防治效果达95%以上。
Btk应用在森林地带上注册的产品为Foray48B和Dipel6AF（表2）。Foray48B由Novo Nordisk生产，占森林地带杀虫剂市场的25%。菲律宾使用Btk控制卷心菜的小菜蛾，美国和加拿大使用Btk控制gypsy moth和spruce budworm (Choristoneura fumiferana)。
Bt subspp israelensis (Bti)是另外一种微生物源杀虫剂，对双翅目幼龄害虫防效好，尤其是对蚊子幼虫和黑蝇有特效。Bti登记的产品有：Vectobac (Abbott), Bactimas (Solvay/Duphar), Teknar (Thermo Triology) , and Skeetail (Abbott)。
Bt生物源杀虫剂的另一项技术是将Bt基因引入作物细胞，使作物显示对昆虫的抗性。
第一个具有昆虫抗性的转基因作物是Bt玉米，由Mycogen 和 Ciba (诺华)生产，1996年小批量的商业化。而Bt棉花和马铃薯同样在1996年初次由Delta 和 Pineland 和 Monsanto销售。美国1997年Bt玉米种植面积为5百万英亩，1998年Bt玉米种植面积达一千六百万英亩，而1999年估计将达到二千五百万英亩或更多。
ERS观察家透露使用Bt棉花和Bt玉米在很多地区都达到提高产率和降低化学杀虫剂的使用，从而达到降低费用。
近年来，尽管越来越多的使用生物技术改性的玉米在美国出现，但欧盟允许基因改性玉米进入欧洲市场的步伐仍然很慢，因此，1997/98年美国出口欧洲的玉米出口量大幅度减少，仅为135000吨，而前一年的出口量为170万吨。
真菌与细菌和病毒不同，不会被摄入体内引起感染，但能渗透昆虫的表皮，使昆虫停止进食而致死。用作生物源杀虫剂的真菌有：Metarhizium anisopliae, Beauveria bassiana, Paeci lomyces fumosoroseus, and Verticillium lecanii.（见表3）
V. lecanii 菌株是Mycotol and Vertalec的活性成分 。用于防除温室的蚜虫、牧草虫、棉红蜘蛛。
B. bassiana 和 B. brongniartii 产生出一种叫 beauvericin可以毒死害虫。 Boverin 用于控制马铃薯上的 codling moth和colorado beetle 。
由于大多数baculoviruses具有特定的活性，反应速度较慢，且几乎没有残留活性。 所以尽管Baculoviruses只有一小部分商业化，但它作为昆虫控制剂而受到越来越多的关注。Baculovirus作为农药开发和登记所花费的费用远比化学农药的费用要低，如：一个baculovirus,的费用为50万美元，而一个化学农药则需几百万美元。
阿维菌素（Avermectins）,由Streptomyces avermitilis 发酵获得大环内酯的结构混合生成，是另一种很好的经济作物害虫的控制剂，其主要成分为： avermectin B1 (abamectin). 该产品由Merck公司开发用作杀虫杀螨剂。有效成分用量为 0.005- 0.025 lbs /亩. Abamectin 已登记注册用在多种作物上。
Abamectin在特定的基团上加氢反应生成 ivermectin, 是一种半合成的驱虫剂，1995年的销售额达6.65亿美元,而1991年只有 5.65 亿美元 .
现在对楝这一种植物性的杀虫剂的研究也越来越多,楝基杀虫剂含有印苦楝子素(azadirachtin)，对300多种昆虫有效，包括：黏虫、潜叶蛾、蚜虫、木虱以及其它昆虫。
楝不仅用作昆虫生长调节剂，而且用作行为改变物质来阻止昆虫进食和/或产卵，第一个楝类产品Margosan-O由Vikwood Botanicals 的Robert Larson开发，在美国用作控制潜叶蛾和gypsy moth。该产品是一种0.3%的乳油，含20%楝油，随后还有一些无油楝产品问世，如Azatin用于温室作物，Align用于粮食作物，这两个产品都含有azadirachtin作为活性成分，1994年ThermoTrilogy（哥伦比亚）的市场出售一种楝杀虫剂Neemix4.5含有4.5% azadirachtin作为活性成分。
3．生物源杀菌剂
经济作物的秧苗经常被土壤病菌感染，如Pythium, Fusarium, Rhizoctonia, Phytopthora等，引起种子腐烂或种子发芽后使秧苗腐烂，导致数以亿计的损失。虽然近几年市场上只有为数不多的几种生物源杀菌剂，但它作为秧苗疾病的控制剂倍受关注。这主要是由于分离新型微生物源菌株的技术发展迅速，可以很好的实现生物源杀菌剂的功能。
评价一个成功的生物源杀菌剂的标准是：
1）有效的抑制病菌
2）在常规环境下具有稳定的效果
3）价格具有竞争力
4）可以与其它化学或生物制剂兼容
5）具有良好的环境及使用相容性
一些商品化的生物源杀菌剂见表4
AQ10是新近商业化的生物源杀菌剂， 由Ecogen公司登记注册，它的使用可以降低硫磺和DMI杀菌剂如Rally (myclobutanil) 和 Rubigan (fenarimol)的用量。AQ10 可以控制水果尤其是葡萄的粉霉病，如果施用恰当，可以有效控制几季的病菌感染。
研究表明只要树叶和丛林的疾病感染率不超过3%，那麽就可以使用AQ10 。在高压地区， AQ10 必须和硫磺或其它杀菌剂轮番使用，以确保有效控制病菌。
开发生物源杀菌剂的步骤有：
筛选天然微生物
选择最有效的发酵过程
进行生测
开发对用户友好的制剂
确立大范围的田间试验计划
准备登记注册材料
确立示范程序
设计用户友好协议
4．生物源除草剂
有许多病菌有机体如：昆虫、真菌、细菌、线虫和细菌可以杀死杂草。
迄今为止报道的杂草病菌有100多种，但是只有少数几种生物源除草剂商业化，成功率非常低。1991年生物源除草剂的销售额还不到一百万美元。两个大宗产品Devine (Abbott) 和Collego (Ecogen) 采用Colletotrichum sp作为活性成分。Devine, 作物病菌 Phytophtora palmivora制剂是1981年登记注册的，用于控制弗罗里达柑橘林的 strangler vine。 Collego 登记用于控制谷物和大豆的Northern Jointvetch (Aeshcynomene virginica) 。其它含有 Colletotrichum sp. 的商品化的生物源除草剂有 ： C.gloeosporioides f. sp. malvae (Biomal) 控制round leaved mallow (Malva pussila)、C.coccodes (Velgo) 控制velvetleaf (Abutilon thoephrasti)、 C.orbiculare 控制 bathurst burr (Xanthium theophrasti)、 C.gloeosporiodes f.sp. cuscutae (Luboa2) 控制中国大豆的dodder (Cuscuta chinensis and Cuscuta australis) 、Puccinia canalicularta (Dr.Biosedge) 控制yellow nutsedge.。
九十年代中期，另外两种生物源除草剂Camperico (Xanthomonas capestris)（ 控制一年生的 blue grass ）和Biochon (Chondrostereum purpureum) （抑制 黑樱桃的 Stump sprouting ）各由日本烟草公司和荷兰Koppert生物系统登记注册在本国上市。
一种控制冬小麦downy brome (cheat)的土壤病菌也在开发中，估计将在今后两年内会商品化。另外可以控制几种作物杂草的基因改性剂也在研究开发中。包括从土壤细菌中提取具有除草活性的基因将其植入可以感染杂草的作物的病源细菌中。控制乳草、velvetleaf、hemp sesbania、sicklepod、nutsedges和一年生bluegrass的制剂仍处于开发阶段。
在开发从微生物代谢产物和植物中提取的天然产物的过程中取得了较大的进展。如：glufosinate是产品Liberty或Ignite 的活性成分，是类似于日本发现的土壤放线菌的合成生物源除草剂。从土壤微生物中获得的其它一些化合物，具有广谱或特定的活性，在商品化之前等待进一步的筛选。
5．用于昆虫防治的信息素
自然界中存在着化学信息素。化学信息素是生物体之间进行交流的化学消息。其中促进同类昆虫的个体进行交配的性外激素倍受关注。
早在30年前，昆虫性外激素就被用于控制害虫，第一个破坏昆虫交配的商品是1978年在美国登记注册的pink bollworm Pectinophora gassypiella的信息素。现在，已发现的信息素有1600多种。USEPA登记注册的破坏昆虫交配的产品约有30多个，用于控制12种害虫。1999年底之前在EPA登记的用作生物源杀虫剂的信息素见表5。
例如，Pink bollworm (PBW)是影响全球棉花作物最为严重的害虫，美国西南部，这种害虫破坏的棉田达200000公顷，1978年第一个破坏交配以控制PBW的产品在EPA登记注册。
Codling moth (CM) 是北美、南美、南非、澳大利亚和欧洲都存在的害虫，它导致水果减产80%。以前这种害虫是用有机磷杀虫剂防治，现在使用性外激素来防除CM，全球使用信息素产品控制梨果CM的使用面积由1991年的1500公顷增至1997年的24000公顷。
结论
生物源农药具有良好的环境相容性，而在注重环境质量的现在将更有助于生物源农药的登记以及被公众接受。
尽管在不久的将来，生物源农药还不能完全取代化学农药，但随着生物技术的发展、新的Bt毒素的发现以及对化学农药日益严格的登记要求，生物源农药将会具有更广阔的应用前景。
（敖聪聪 译）
参考文献
1. s/USDA, Biopesticides, Jan. 5, 2000
2. J.J. Menn and F.R. Hall, Biopesticides--Present status and future prospects, in Biopesticides: Use and Delivery, F.R.Hall and J.J.Menn, eds. Humana Press, Totowa, NJ, 1999, pp1
3. B.Sugavanam and T. Xie, Developing countries, in Biopesticides: Use and Delivery, F.R.Hall and J.J.Menn, eds. Humana Press, Totowa, NJ, 1999, pp45
4. J.A.Baum, T.B.Johnson, and B.C.Carlton, Bacillus thuringiensis: Natural and recombinant bioinsecticide products, in Biopesticides: Use and Delivery, F.R.Hall and J.J.Menn, eds. Humana Press, Totowa, NJ, 1999, pp189
5. J.Caulder, The North American scenario, in Biopesticides: Use and Delivery, F.R.Hall and J.J.Menn, eds. Humana Press, Totowa, NJ, 1999, pp13
6. T.M.Butt, J.G.Harris and K.A.Powell, Microbial biopesticides: The European scene, in Biopesticides: Use and Delivery, F.R.Hall and J.J.Menn, eds. Humana Press, Totowa, NJ, 1999, pp23
7. Economic Research Sevice/USDA, Update on Bt corn and other new technology, Apr. 1999;
8. Economic Research Sevice/USDA, Impacts of adopting genetically engineered crops in the U.S.--preliminary results, Jul 20, 1999
9. R.I.Samuels, S.E.Reynolds, and A.K.Chornley, Comp. Biochem. Physicol., 90c, 403, 1988
10. B.A.Federici, Natural occurring baculoviruses for insect pest control, in Biopesticides: Use and Delivery, F.R.Hall and J.J.Menn, eds. Humana Press, Totowa, NJ, 1999, pp301
11. G.I.Kornis, Avermectins and milbemycins, in Agrochemicals from natural products, C.R.A.Godfrey eds., Macel Dekker, Inc., NY, 1995, pp215
12. J.F.Walter, Commercial experience with neem products, in Biopesticides: Use and Delivery, F.R.Hall and J.J.Menn, eds. Humana Press, Totowa, NJ, 1999, pp155
表1 获 EPA登记的生物源农药的活性成分
Biochemical Active Ingredients 115
Floral Attractants/Plant Volatiles 18
Natural Insect Growth Regulators 7
Pheromones 31
Plant Growth Regulators and Herbicides 24
Repellents 18
Miscellaneous Biochemicals 17
Microbial Active Ingredients 64
Bacteria 31
Fungi 14
Viruses 7
Virus Coat Proteins 6
Non-Viable Microbial Pesticides 5
Miscellaneous Microbial Pesticides 1
Plant Pesticides 8
Total 187
表2 已获登记的Bt农药
产品 菌种 公司 Insect order 备注
Able kurstaki Thermo Triology L
Agree aizawai Thermo Triology L Transconjugant Bt
Biobit HD1 kurstaki Abbott L
Bactospeine kurstaki Abbott L
Condor kurstaki Ecogen L Transconjugant Bt
Costar kurstaki Thermo Triology L
CryMax kurstaki Ecogen L Recombinant Bt
Cutlass kurstaki Ecogen L Transconjugant Bt
Design aizawai Thermo Triology L Transconjugant Bt
Dipel HD1 kurstaki Abbott L
Foil kurstaki Ecogen L/C Transconjugant Bt
Foray HD1 kurstaki Abbott L
Florbac aizawai Abbott L
Futura kurstaki Abbott L
Javelin HD1 kurstaki Thermo Triology L
Lepinox kurstaki Ecogen L Recombinant Bt
Mattch Pseudomonas Mycogen L EC
Mtrak Pseudomonas Mycogen C EC
Mvp Pseudomonas Mycogen L EC
Novodor tenebrionis Abbott C
Raven kurstaki Ecogen L/C Recombinant Bt
Steward HD1 kurstaki Thermo Triology L
Thuricide HD1 kurstaki Thermo Triology L
Trident tenebrionis Thermo Triology C
Vault HD1 kurstaki Thermo Triology L
Xentari aizawai Abbott L
表3 欧洲商品化的mycoinsecticides产品
产品 真菌 害虫 公司
Mycotal Verticillium lecanii Whitefly and thrips Koppert, Holland
Vertalec V.lecanii Ahids Koppert, Holland
BIO 1020 Metarhizium anisopliae Vine weevil Bayer, Germany
Conidia Beauveria bassiana Coffee berry borer AgroEvo, Germany
Ostrinil B. bassiana Corn borer NNP, France
Boverol B. bassiana Colorado beetle Czech-Slovakia
Boverin B. bassiana Colorado beetle Former USSR
Boverosil B. bassiana Colorado beetle Czech-Slovakia
Betel B.brongniartii Sugar cane white grub NPP, France
Engerlingspilz B.brongniartii Cockchafer Andermatt, Switzerland
Schweizer-beauveria B.brongniartii Cockchafer Eric Scweizer, Switzerland
Melocont B.brongniartii Cockchafer Kwizda, Austria
Green Muscle M. flavoviride Locusts, grasshoppers CABI, UK
PreFeRal Paecilomyces flumosoroseus Whitefly Biobest, Belgium
表4 防治作物土壤疾病的商品化生物源杀菌剂
细菌 产品
Agrobacterium radiobacter: Galltrol-A, Nogall, Diegall, Norbac 84C
Bacillus subtilis: Epic, Kodiak , Rhizo Plus , Serenade , System_3
Burkholderia cepacia: Intercept
Pseudomonas fluorescens: BlightBan A506, Conquer, Victus
Pseudomonas syringae: Bio-save100, Bio-save 110
Streptomyces griseoviridis: Mycostop
Fungi
Ampelomyces quisqualis: AQ10
Candida oleophila: Aspire
Coniothyrium minitans: Contans , KONI
Fusarium oxysporum: Biofox C, Fusaclean
Gliocladium virens: SoilGard
Gliocladium catenulatum: PreStop, Primastop
Phlebia gigantea: Rotstop, P.g. Suspension
Pythium oligandrum: Polygandron
Trichoderma harzianum and other spp.: Bio_Fungus, Binab_T, RootShield, T-22G, T-22 (Planter Box, Bio-Trek), Supresivit, Trichodex, Trichopel, Trichoject, Trichodowels, Trichoseal , Trichoderma 2000