Биопрепараты на основе микроорганизмов

Биологическими препаратами, биоинсектицидами, называются отравляющие вещества натурального происхождения, которые не представляют опасности для человека, животных и растений, но эффективно уничтожают большинство вредителей [1].

В 30-х годах XX века академик В. П. Поспелов разработал наиболее важные теоретические положения по использованию микроорганизмов для биологической борьбы с вредными насекомыми. Впоследствии учеными разных стран были разработаны основные принципы микробиологической борьбы с применением разных групп патогенов, которые должны отвечать следующим требованиям:

1) безопасность для человека и животных;

2) высокая вирулентность, легкое распространение и высокая смертоносность;

3) быстрое развитие патологического процесса, с тем чтобы насекомые до прекращения питания или гибели не успели нанести серьезный ущерб растениям;

4) экономичное производство биопрепаратов, а также сохранение их жизнеспособности и вирулентности на определенный срок.

Основной источник получения исходных штаммов микроорганизмов – природная среда. Активное начало биопрепаратов (микроорганизмы или биологические агенты) выделяют из погибших и больных насекомых, с поверхности растений или из почвы, где обнаружены погибшие объекты. Из природных штаммов отбирают наиболее активные, селектируют и выделяют в чистую культуру, которую используют для массового размножения и приготовления препаратов. После заражения и гибели хозяина из его тела выделяют биомассу патогена, которую используют для приготовления биопрепаратов. Но прежде чем начать рассматривать биоинсектициды в качестве эффективного средства борьбы, необходимо разобраться в чем их особенности и чем они отличаются от аналогичных им химических препаратов.

Преимущества биопрепаратов:

· Вещества, содержащиеся в биологических препаратах, не накапливаются в тканях растений, при этом эффективно подавляют определенные болезни растений и не причиняют вреда человеку и животным;

· Препараты не нужно периодически заменять новыми, потому что возбудители болезней и насекомые к ним не привыкают;

· Некоторые средства не только борются с инфекциями или насекомыми, но даже укрепляют иммунитет садово-огородных культур;

· Как правило, чтобы справиться с проблемой, достаточно небольшого количества биопрепарата [5].

Все приведенные выше преимущества доказывают, что биоинсектициды являются безопасным и эффективным средством. Теперь можем приступить к изучению самих препаратов. В зависимости от микроорганизма, на основе которого разработан биопрепарат, выделяют следующие три вида препаратов: вирусные, бактериальные, грибные.

Начнем с характеристики вирусных препаратов.Трудность производства связана с проблемой содержания насекомых-хозяев, свободных от скрытых (латентных) или хронических инфекций.

В качестве биологических средств защиты наиболее эффективны вирусы ядерного полиэдроза и гранулеза. Их использование в практических целях возможно в двух направлениях – путем интродукции и применения вирусных препаратов по типу инсектицидов. Интродукция бывает эффективна лишь в случаях, если энтомопатогенный вирус не встречается в популяции насекомого. При этом достаточно однократного внесения небольших количеств вируса в популяцию для возникновения эпизоотии. Однако широкое распространение вирусов в природных популяциях насекомых значительно ограничивает возможность интродукции. При использовании вирусных препаратов необходимы хорошее покрытие ими защищаемых растений и повторные обработки, а также требуется хорошо налаженное производство вирусных препаратов. Для промышленного производства вирусных препаратов необходимы эффективные штаммы и насекомые-хозяева, позволяющие их накапливать, так как вирусы могут размножаться только в клетках живых организмов. Повышение эффективности природных штаммов достигается различными путями, в том числе и в процессе пассажей вируса одного насекомого через организм другого, не свойственного ему хозяина. Такие штаммы называют экспериментальными в отличие от природных.

Вирусные препараты обладают исключительной видоспецифичностью, их действие направлено на одного вредителя, что отражено в названии препарата. Вирин КШ – жидкий препарат, который применяют путем однократного опрыскивания плодовых культур в период вегетации против, гусениц младших возрастов кольчатого шелкопряда с нормой расхода 0,2 л/га. Вирин ЭКС – сухой порошок. Применяют двукратное опрыскивание капусты в период вегетации с интервалом 8—10 дней против каждого поколения капустной совки с нормой расхода 0,1—0,15 кг/га. Вирин ЭНШ – жидкий препарат. Разрешен для однократного опрыскивания садозащитных полос в период вегетации против кладок яиц непарного шелкопряда в очагах размножения вредителя с нормой расхода 0,02 мл на 1 кладку яиц. Вирин ГЯП–жидкий препарат. Разрешено опытно-производственное применение путем двукратного опрыскивания яблони в период вегетации в начале и во время массового отрождения гусениц в районах с одним поколением вредителя, норма расхода 0,3 л/га [9].

Бактериальные препараты обладают более замедленным действием, но имеют метатоксический эффект и при определенных условиях могут вызывать эпизоотии у насекомых. Гибель насекомого может наступить только через 24 – 72 ч, иногда позднее, но вредитель прекращает питание в первые часы после поглощения препарата. Эффективность бактериальных препаратов снижается под влиянием неблагоприятной погоды – затяжных дождей, смывающих препарат, ультрафиолетового излучения, а также низкой температуры воздуха, ослабляющей активность питания вредителей. Поэтому общие условия для использования большинства препаратов – это применение их в утренние или вечерние часы при отсутствии осадков и среднесуточной температуре от 13 до 35 °С. Все бактериальные препараты не влияют на запах или вкус обработанных растений, безопасны для человека и теплокровных животных, а также пчел и имаго энтомофагов, срок ожидания – один день. В то же время, по мнению многих специалистов, нецелесообразно использование бактериальных препаратов совместно с пониженными дозировками инсектицидов, так как эти препараты и в чистом виде дают высокий эффект в борьбе с восприимчивыми к ним насекомыми, а добавление сублетальных дозировок инсектицидов не только приводит к гибели энтомофагов, но и способствует появлению резистентных (устойчивых) к инсектицидам популяций вредителей [33].

В качестве примера рассмотрим один из самых популярных и используемых бактериальных препаратов – энтобактерин. Он был разработан Всесоюзным институтом защиты растений на основе споровой бактерии Bacillus thuringiensis var. galleriae. Культура бактерии выделена из большой пчелиной огневки Galleriamelonella. Выпускается промышленностью в виде светло-серого порошка, состоящего из спор бактерии, токсических белковых кристаллов и инертного наполнителя. На организм насекомого воздействуют как споры, так и белковые кристаллы, вызывающие отравление, или токсикоз. Препарат попадает в организм насекомого вместе с кормом. Если количество поглощенного белкового эндотоксина достаточно высокое, то насекомое в течение суток погибает. Если доза эндотоксина не смертельна, то насекомое впадает в паралич и прекращает питаться или питается незначительно и поэтому не наносит растению существенного вреда. В этом случае из спор, попавших вместе с препаратом, в кишечнике насекомого начинают размножаться бактерии. Они заполняют ткани, и насекомое гибнет по истечении определенного периода времени. В результате ослабления организма обычная кишечная микрофлора насекомого также активизируется и становится патогенной. В зависимости от разнообразия кишечной микрофлоры отмечается разная устойчивость насекомых к энтобактерину. Поэтому для разных видов вредителей требуются разные нормы расхода препарата. Снижение норм расхода энтобактерина может быть достигнуто применением его в сочетании с пониженными дозами ядохимикатов, вызывающими физиологическое ослабление насекомых. Энтобактерин в разной степени эффективен против более 50 видов листогрызущих вредителей овощных, плодово-ягодных культур, садово-парковых и лесных насаждений. Наименее устойчивы к этому препарату горностаевые моли, молипестрянки, пяденицы, белянки. Сравнительно высокой устойчивостью обладают совки. Энтобактерин можно применять в любой период вегетации, в том числе во время цветения культуры и уборки урожая. Препарат безвреден для человека, растений, теплокровных животных и полезных насекомых. Однократная обработка препаратом может быть достаточно эффективной против ряда вредителей, начало развития которых происходит неодновременно. Так, например, обработка против яблонной моли в период цветения яблони обеспечивает также уничтожение непарного шелкопряда, златогузки и других вредителей, которые начинают развиваться позднее [11].

Грибные препараты обладают широким спектром инфекционности. Они действуют на вредителей контактно, поэтому могут поражать насекомых и в непитающейся фазе. Энтомопатогенные грибы легко культивируются на искусственных питательных средах в лабораторных условиях и на биофабриках. В лесных питомниках против вредителей корневых систем растений и насекомых, зимующих в почве, применяют боверин, против сосущих вредителей вертицеллин и микоафидин[14].

Биопрепарат боверин представляет собой порошок серого цвета. В нем содержатся споры мускардинного гриба Beauveria bassiana, вызывающего болезнь – белую мюскардину вредных насекомых. Его рекомендуется применять в смеси с малыми дозами различных инсектицидов для борьбы с колорадским жуком, яблонной плодожоркой и некоторыми другими вредителями. Добавление инсектицидов обеспечивает устойчивую эффективность боверина, так как вызывает физиологическое ослабление насекомых.

Вертициллин – инсектицид, приготовленный на основе спор гриба Verticillium lecanii. Это препарат применяется в борьбе с белокрылкой. Действие его заключается в том, что конидии или бластоспоры гриба проникают сквозь покровы насекомого и внедряются в его тело, разрастаясь и поражая его органы. Грибы Verticillium lecanii особенно хорошо размножаются при высокой влажности воздуха, поэтому перед применением препарата следует хорошенько опрыскать почву. Перед применением препарата за 12-24 часов, его замачивают в воде, чтобы ускорить прорастание спор. Препарат наиболее эффективно действует на яйца белокрылки и нимф (личинки) младшего поколения. Грибок может поражать и взрослых насекомых. В этом случае гифы грибка полностью обвивают тело насекомого и удерживают его на поверхности листа, создавая таким образом новый очаг заражения для других особей.

Микоафидин получается из грибов семейства Entomophthoraceae. Представители этого семейства относятся преимущественно к специализированным паразитам. Попадая на поверхность тела насекомых, клещей, конидии и споры прорастают, грибница проникает в ткани. После гибели хозяина на поверхности его тела образуется налет из конидиеносцев с конидиями, которые при определенной влажности (близкой к абсолютной), рассеиваются на значительные расстояния. Их жизнеспособность сохраняется не более 3 дней. При попадании в воду споры прорастают. При неблагоприятных условиях в теле погибших хозяев формируются споры с двойной оболочкой, способные сохраняться в почве и на растительных остатках много лет.

Мы рассмотрели еще один биологический метод – бактериальный, подразумевающий использование вирусов, бактерий и грибов. Ученые разрабатывают на их основе биопрепараты, которые предотвращают массовое размножение вредителей, тем самым регулируя их численность. Правильное и рациональное использование биоинсектицидов не приносит вреда человеку, растениям и другим животным. Но наука не стоит на месте и движется вперед с невероятной скоростью. Исследования в данной области не ограничиваются только разработкой и выпуском биологических препаратов. Ученые научились менять генетический код насекомых. Как и каким образом это помогает бороться с вредителями, будет изложено в следующем разделе.

Генетический метод

Генетическая регуляция вредных насекомых по праву включается в систему биологического подавления популяций. В начале XX в. было обнаружено, что высокие дозы рентгено­вского облучения убивают насекомых, а низкие уменьшают их репродуктивную способность. В 1926 г. американский ученый Меллер доказал, что под действием рентгеновских лучей при опреде­ленных дозах облучения можно добиться прекращения упорядо­ченного деления хромосом в яйцеклетках и сперматозоидах, в то время как остальные процессы жизнедеятельности остаются ненарушенными. Подобные изменения были названы доминантными летальными му­тациями.

Идея же регулирования численности вредных насекомых путем нарушения их генетического кода принадлежит крупнейшему отечественному генетику А. С. Серебровскому. Автор идеи еще в 1939 г. предложил путем транслокации нарушать хромосомный аппарат клетки насекомых. По расчетам автора, выпуск таких насекомых в определенном соотношении с природными популяциями должен привести к снижению численности вредных насекомых и постепенному их вымиранию.

В основу генетического метода борьбы положено насыщение природной популяции вредного организма генетически неполноценными особями того же вида. Недостаточно жизнеспособные или бесплодные особи, полученные путем отбора или воздействия какими-либо факторами, при скрещивании с особями природной популяции вызывают снижение численности и в конечном счете вымирание вредителя. Иными словами, естественное свойство насекомых к воспроизводству потомства используется человеком для самоуничтожения вредителя. Поэтому генетический метод защиты растений называют также автоцидным методом.

Генетические методы многообразны, к ним относятся: лучевая и химическая стерилизация, использование внутривидовой несовместимости, получение получение бездиапаузных популяций и т. д. Рассмотрим основные из них.