Биологические агенты

Значение биологического контроля

Биологический контроль оказывается очень успешным с экономической точки зрения, и даже когда метод оказался менее успешным, он все равно дает соотношение выгод и затрат 11: 1. Было обнаружено, что соотношение выгод и затрат для нескольких успешных биологических контролей составляет от 1: 1 до 250: 1. Кроме того, чистая экономическая выгода от биологической борьбы без разведки по сравнению с обычными инсектицидными средствами борьбы в некоторых местах колебалась от 7,43 до 0,12 доллара за гектар. Это означает, что даже если урожайность при биологическом контроле будет ниже, чем при инсектицидном контроле, на целых 29,3 кг с гектара, биологический контроль не утратит своего экономического преимущества (CNR 2007).

Агенты биологической борьбы не загрязняют окружающую среду и, следовательно, экологически безопасны и приемлемы. Обычно это виды, специфичные для целевых вредителей и сорняков. Биологический контроль препятствует использованию экологически и экологически неприемлемых химикатов, поэтому он всегда приводит к установлению естественного баланса. Проблемы повышенной устойчивости у вредителя не возникнут, поскольку и агенты биологической борьбы, и вредители находятся в сложной гонке эволюционного динамизма. Из-за химической устойчивости, разработанной колорадским жуком (CPB), борьба с ним была достигнута с помощью жуков и жуков (Hein).

Усиливающий биологический контроль

Эта третья стратегия метода биологического контроля включает дополнительное высвобождение естественных врагов. Относительно небольшое количество естественных врагов может быть выпущено в критическое время сезона (прививочное высвобождение) или буквально миллионы могут быть выпущены (массовое высвобождение). Кроме того, система посевов может быть изменена, чтобы благоприятствовать естественным врагам или усиливать их. Эту последнюю практику часто называют манипулированием средой обитания.

Пример высвобождения инокулята происходит при выращивании в теплицах нескольких культур. Периодические выпуски паразитоида, Encarsia formosa, используются для борьбы с тепличной белокрылкой и хищным клещом, Phytoseilus persimilis, используется для борьбы с двухпятнистым паутинным клещом. Оса Encarsia formosa откладывает яйца в молодых «чешуях» белокрылки, которые становятся черными по мере окукливания личинок паразита. В идеале ее вводят как можно скорее после появления первой взрослой белокрылки. Он наиболее эффективен при борьбе с заражениями низкого уровня, обеспечивая защиту в течение длительного периода времени. Хищный клещ, Phytoseilus persimilis, немного крупнее своей добычи и имеет оранжевое тело. Он развивается от яйца до взрослой особи в два раза быстрее, чем красный паутинный клещ, и, будучи установленным, быстро преодолевает заражение.

Жуки-леди, златоглазки или паразитоиды, такие как Трихограмма часто выбрасываются в больших количествах (наводнение) и часто известны как биопестициды. Рекомендуемые скорости выпуска для Трихограмма в овощных или полевых культурах колеблется от 5 000 до 200 000 на акр в неделю в зависимости от уровня зараженности вредителями. Точно так же энтомопаразитические нематоды выпускаются в количестве миллионов и даже миллиардов на акр для борьбы с некоторыми насекомыми-вредителями, обитающими в почве. Энтомопатогенный гриб Metarhizium anisopliae var. acridum, который характерен для видов короткорогих кузнечиков (Acridoidea и Pyrgomorphoidea), широко распространенных в Африке, был разработан как средство биологической борьбы с наводнениями (LUBILOSA 2004).

Среда обитания или манипуляции с окружающей средой — еще одна форма улучшения. Эта тактика включает в себя изменение системы обрезки, чтобы увеличить или повысить эффективность естественного врага. Многие взрослые паразитоиды и хищники извлекают выгоду из источников нектара и защиты, обеспечиваемой убежищами, такими как живые изгороди, покровные культуры и заросли сорняков. Смешанные посадки и создание границ цветения могут увеличить разнообразие местообитаний и предоставить убежище и альтернативные источники пищи. Их легко использовать в приусадебных участках и даже в небольших коммерческих насаждениях, но их труднее использовать в крупномасштабном растениеводстве. Также может возникнуть некоторый конфликт с борьбой с вредителями для крупного производителя из-за сложности борьбы с видами вредителей и использования убежищ насекомыми-вредителями, а также естественными врагами.

Примеры манипулирования средой обитания включают выращивание цветковых растений (источники пыльцы и нектара) возле сельскохозяйственных культур для привлечения и поддержания популяций естественных врагов. Например, взрослые особи парящей мухи могут быть привлечены цветущими зонтичными растениями.

Специалисты по биологическому контролю в Калифорнии продемонстрировали, что посадка чернослива на виноградниках обеспечивает улучшенную среду обитания для зимовки или убежище для основного паразитоида-вредителя винограда. На черносливовых деревьях есть альтернативный хозяин для паразитоидов, который раньше мог перезимовать только на больших расстояниях от большинства виноградников

С этой тактикой следует проявлять осторожность, потому что некоторые растения, привлекательные для естественных врагов, также могут быть хозяевами определенных болезней растений, особенно вирусов растений, которые могут переноситься насекомыми-вредителями на урожай. Хотя эта тактика кажется многообещающей, лишь несколько примеров были адекватно исследованы и разработаны

Устойчивое сельское хозяйство с биологическими агентами контроля

Несколько полезных биологических агентов широко используются в сельском хозяйстве на коммерческом уровне:

1) Биоудобрения выполняют особую задачу по улучшению усвоения питательных веществ,

2) Биозащитные средства подавляют некоторые заболевания растений,

3) Биостимуляторы стимулируют производство фитогормонов.

Многие бактериальные роды, Pseudomonas, Bacillus, Paenibacillus, Streptomyces, Agrobacterium и Bukholderia и некоторые виды грибов также используются для той же цели. Различные антагонистические грибы были использованы для борьбы с несколькими заболеваниями растений, причем 90% применений были с использованием различных штаммов Trichoderma, например T. harzianum, T. virens, T. viride (Benitez et. Аль., 2004). Широкий спектр агентов биологического контроля был использован для разработки коммерческих продуктов микофунгицидов (Benitez et. Аль., 2004, Kim and Hwang, 2004, Fravel, 2005). Они подавляют заболевание растений с помощью различных механизмов, таких как ISR, MIR, производство сидерофоры или антибиотиков и т.д. (Рис.2).

Биоудобрения также доступны для увеличения потребления азота растениями из азотфиксирующих бактерий (Azospirillum) и для поглощения железа из бактерий, продуцирующих сидерофор (Pseudomonas). Борьба с различными почвенными и другими болезнями Streptomyces используется в качестве перспективного средства в сельском хозяйстве и смежных отраслях. Они также производят ряд фитогормонов, которые включают индол-уксусную кислоту, цитокинины, гиббереллины и ингибиторы производства этилена. Эти исследования внесли свой вклад в разработку новых биоудобрений, которые используют природные антимикробные соединения, полученные различными антагонистами.

Хорошо известный пример специфического подавления представлен стратегией, используемой для управления одним из организмов, которые вызывают демпфирование offRhizoctonia solani. Там, где они присутствуют при прохладных температурах и влажных почвенных условиях, Ризоктония убивает молодые всходы.

Полезный гриб Trichoderma находит Ризоктонию через химическое вещество, выделяемое патогеном, а затем атакует его. Полезные грибковые нити (гифы) опутывают патоген и высвобождают ферменты, которые обезвоживают клетки Ризоктонии, в конечном итоге убивая их. В настоящее время культуры Trichoderma продаются в качестве биологической обработки семян для ослабления болезней у нескольких культур для коммерческих источников Trichoderma и других полезных организмов.

Мировое производство продовольствия должно идти в ногу с постоянно растущим населением планеты, что приводит к увеличению использования химических пестицидов. Однако использование биологических средств контроля для снижения заболеваемости растений открыло новые возможности для замены химических пестицидов на рынках микробными продуктами. Но коммерческое применение биологических агентов контроля происходит медленно, главным образом, из-за различных реакций агента при переменных условиях окружающей среды в полевых условиях. Чтобы улучшить коммерциализацию технологии биоконтроля, необходимо разработать биоуправляемые микроорганизмы с ориентированной на определенное поле степенью устойчивости и выживаемости. В этом направлении следует проводить больше исследований по некоторым аспектам биоконтроля, включая влияние различных факторов окружающей среды на агенты биоконтроля, разработку составов, в которых биоагент может выживать дольше, массовое производство микроорганизмов биоконтроля и использование биотехнологий и нанотехнологий в совершенствовании механизмов и стратегий биоконтроля.

Окружающая среда, почвы и общие заболевания

Почвенные патогены растений — распространенный и важный фактор снижения урожайности и качества как овощей, так и сельскохозяйственных культур. Патогенные микроорганизмы являются более сложными, по сравнению с другими патогенными микроорганизмами в почвенной экологии (Рис.3), потому что они способны выживать в почвенной среде в течение многих лет и могут влиять на урожай, быстро повреждая его. Любые овощи и посевы могут быть восприимчивы ко многим видам патогенов, приводящих к комплексу заболеваний. Чаще всего от болезней, вызываемых почвенными патогенами, страдают корни, поражаются нижние ткани, происходит загнивание семян, демпфирование проростков и сосудистые увядания, инициированные корневыми инфекциями.

Несколько патогенных микроорганизмов обитают в почвенной части в активной, а некоторые в пассивной форме, когда они находят подходящего хозяина, они переходят в активное состояние. Они могут находиться в почве длительное и короткое время, в зависимости от их жизненного цикла или среды обитания. Некоторые бактерии и грибы выживают в виде склероций, которые неактивны при определенных условиях окружающей среды.

Грибы считаются наиболее серьезными патогенами растений. Примерами таких почвенных грибов являются Fusarium, Rhizoctonia и Verticillium, Pythium и Phytophthora (Koike et. Аль., 2003).

Бактерии также являются болезнетворными биологическими агентами. Бактерии вызывают меньше болезней, переносимых почвой, чем грибковые патогены. Например, Erwinia, Rhizomonasи Streptomyces (Koike et. Аль., 2003). Патогены из групп Xanthomonas и Pseudomonas в обычно сохраняются в течение короткого времени в почвенной среде. Существует несколько почвенных переносчиков вирусных патогенов, которые вызывают заболевания у растений. Симптомами вирусного заболевания являются обесцвечивание тканей и деформация листвы и плодов, задержка роста растений и др. (Koike et. — ал., 2003).

Нематоды являются почвенными паразитами растений, которые проводят большую часть жизни в почве, либо в качестве внешних кормушек на корнях растений, либо в качестве жителей внутри корней. Нематоды поражают растения, снижая их рост. Корневые узлы нематоды (Meloidogyne) вызывают общее снижение энергии многих видов растений и могут вызвать серьезные поражения и отеки корней.

Этическая сторона вопроса

В 1997 году ЮНЕСКО выпустила Всеобщую декларацию о геноме человека и его правах, рекомендовав мораторий на генетическое вмешательство в зародышевую линию человека, а в декабре 2015 года на международном саммите по геномному редактированию человека изменение гаметоцитов и эмбрионов для генерации наследственных изменений у людей было объявлено безответственным.

Российское сообщество генетиков в большинстве своем считает, что такие эксперименты на данный момент преждевременны и требуют более глубокого исследования и обсуждений.

«Вопрос клонирования уже давно стоит на горизонте. Этично ли выращивать клонов, чтобы потом забирать их органы для трансплантации человеку… Большой вопрос. Само собой, это абсолютно нормально, что нет единой точки зрения, ведь смысл подобных дискуссий как раз в том, чтобы найти правильные формулировки и отрегулировать потенциально спасительное, но при этом очень опасное знание», — говорит Алевтина Федина.

Страх неизвестности

Вариантов развития событий в области генной инженерии существует множество, и далеко не все они изучены и, в принципе, известны. Поэтому они должны быть последовательно зафиксированы и регламентированы.

Естественно, больше всего опасений вызывают плохие сценарии развития событий. Как правило, все начинается с помощи людям и изобретения новых лекарств. Но потом человек может прийти к желанию сделать своего ребенка светловолосым и зеленоглазым или создать армию универсальных солдат, не боящихся боли и не ведающих страха.

Олег Долгицкий, социальный философ, отмечает, что современное общество настолько неоднородно в культурном и экономическом плане, что любые методы, способные существенно изменить геном, могут создать условия не только для классового, но и видового расслоения, где представители «первого мира» смогут существенно продлевать свою жизнь и не бояться никаких болезней, в отличие от менее богатых людей. Это является серьезнейшей почвой для конфликтов и столкновений.

Эксперты убеждены, что генная инженерия — это будущее медицины. Возможность избавить младенца от пожизненного гнета заболевания, излечить людей от рака, найти лекарство против ВИЧ — за всем этим будет стоять генная инженерия. При этом желание человека изменить, например, цвет глаз или предотвратить наследственное заболевание, несмотря на все риски, будет только расти. И похоже, что остановить этот процесс уже не представляется возможным.

3. Особенности поражающего действия токсинов.

Микробные токсины — продукты жизнедеятельности некоторых видов бактерий, обладающие высокой токсичностью. При попадании с пищей, водой в организм человека, животных эти продукты вызывают тяжелые, часто со смертельным исходом отравления.

Наиболее опасным из известных бактериальных токсинов является ботулинический токсин, приводящий при отсутствии своевременного лечения к смертельным исходам в 60-70% случаев. Токсины, особенно в высушенном виде, довольно устойчивы к замораживанию, колебаниям относительной влажности воздуха и не теряют в воздухе своих поражающих свойств до 12 ч. Разрушаются токсины при длительном кипячении и воздействии дезинфицирующих веществ.

При попадании в организм определенного количества токсина он вызывает форму заболевания, называемую отравлением или интоксикацией.

Проникновение токсинов в организм происходит в основном тремя путями: через желудочно-кишечный тракт, раневую поверхность и легкие. Из места первичного проникновения они разносятся кровью по всем органам и тканям. Находящийся в крови токсин частично подвергается обезвреживанию специальными клетками иммунной системы или специфическими антителами, которые вырабатываются организмом в ответ на внедрение токсина. Кроме этого, процесс детоксикации идет в печени, куда токсин попадает с током крови. Выведение обезвреженного токсина из организма в большинстве случаев осуществляется почками.

Проявления токсического действия микробных токсинов различны и связаны с преимущественным поражением ими тех или иных органов и теми изменениями в организме, которые возникают из-за нарушения функции этих органов.

Отдельные токсины, поражают нервную ткань, блокируют проведение импульсов по нервным волокнам, нарушая регулирующее влияние нервной системы на мышцы, в результате чего развиваются параличи.

Другие токсины, действующие преимущественно в кишечнике, нарушают в нем процесс всасывания жидкости, которая наоборот, выходит при этом в просвет кишки, вследствие чего развиваются поносы и обезвоживание организма.

Кроме этого, токсины действуют на различные внутренние органы, куда проникают с кровью, нарушая сердечную деятельность, функции печени, почек. Ряд токсинов, находясь в крови, способен оказывать прямое повреждающее действие на клетки крови и кровеносные сосуды, нарушать процессы свертывания крови.

1. Основные свойства биологических средств. Особенности их воздействия на организм человека, животных и растения.

Биологическое оружие — это специальные боеприпасы и боевые приборы со средствами их доставки к цели, снаряженные биологическими средствами; оно предназначено для массового поражения людей, сельскохозяйственных животных и посевов сельскохозяйственных культур.

Основу поражающего действия биологического оружия (БО) составляют биологические средства (БС) — специально отобранные для боевого применения биологические агенты, способные при своем проникновении в организм людей (животных, растений) вызывать тяжелые заболевания (поражения).

Особенности поражающего действия биологического оружия:

биологическое оружие избирательно поражает, в основном, живую материю, оставляя неповрежденными материальные ценности, которые затем могут быть использованы нападающей стороной. Кроме того, одни биологические средства способны поражать только людей, другие — сельскохозяйственных животных, третьи — растения. Лишь отдельные агенты опасны и для человека, и для животных;
биологическое оружие обладает высокой боевой эффективностью, так как вызывающие заражение дозы биологических средств ничтожно малы, значительно превосходя в этом наиболее токсичные отравляющие вещества;
биологическое оружие способно поражать живую силу на площадях в десятки тысяч и более квадратных километров, что позволяет использовать его для поражения сильно рассредоточенной живой силы и при отсутствии данных о ее точной дислокации;
поражающее действие биологического оружия проявляется через определенный, так называемый инкубационный (скрытый) период, который продолжается от нескольких часов до нескольких дней и даже недель. Инкубационный период может сокращаться или удлиняться в зависимости от различных факторов. К ним относятся величина проникшей в организм дозы биологических средств, наличие в организме специфического иммунитета, своевременность применения средств медицинской защиты, физическое состояние и предшествующее облучение организма ионизирующими потоками. В инкубационном периоде личный состав полностью сохраняет боеспособность;
биологическое оружие характеризуется продолжительностью действия, обусловленной свойством некоторых биологических средств вызывать заболевания, способные к эпидемическому распространению. С другой стороны, некоторые биологические средства длительное время сохраняются во внешней среде в жизнеспособном состоянии (месяцы и годы). Увеличение продолжительности действия биологического оружия также связано с возможностью распространения некоторых биологических средств искусственно зараженными кровососущими переносчиками. В этом случае возникает опасность формирования стойкого природного очага инфекции, нахождение в котором будет являться опасным для личного состава;
возможность скрытного применения биологического оружия и затруднения в своевременной индикации и идентификации биологических средств;
биологическое оружие оказывает сильное психологическое воздействие. Угроза применения противником биологического оружия или внезапное появление опасных заболеваний (чума, оспа, желтая лихорадка) могут вызвать панику, депрессию, тем самым снизить боеспособность войск и дезорганизовать работу тыла;
большой объем и сложность работ по ликвидации последствий применения биологического оружия, при этом возможно возникновение серьезных экологических последствий. Биологические средства поражают людей, животный и растительный мир, микроорганизмы. Это может вести к массовой их гибели, снижению численности до такого уровня, при котором они не смогут продолжать свое дальнейшее существование как виды. Исчезновение в экологическом сообществе одного или группы биологических видов серьезно нарушает экологическое равновесие. Создавшийся вакуум может быть заполнен биологическим видом — носителем опасной инфекции, приобретенной в естественных условиях или в результате применения биологического оружия. В свою очередь это приведет к образованию обширных районов стойкой природной очаговости, обитание в которых для человека опасно.

Биологические средства способны вызывать заболевания, попав внутрь организма через органы дыхания вместе с воздухом, через желудочно-кишечный тракт с пищей и водой, через кожные покровы (через ссадины и раны и при укусах зараженных насекомых).

Паразитоидные насекомые

Большинство насекомых-паразитоидов — это осы или мухи. Например, паразитоид Gonatocerus ashmeadi (Hymenoptera: Mymaridae) был введен для управления стекляннокрылым снайпером. Homalodisca vitripennis (Hemipterae: Cicadellidae) во Французской Полинезии и успешно контролировал около 95 процентов плотности вредителей (Hoddle et al. 2006). Паразитиоды включают в себя широкий спектр насекомых, откладывающих яйца на теле насекомого-хозяина или в теле насекомого-хозяина, которое затем используется в качестве пищи для развития личинок. Паразитическим осам требуется гораздо больше времени, чем хищникам, чтобы поедать своих жертв, поскольку, если личинки будут есть слишком быстро, у них закончится еда, прежде чем они станут взрослыми. Такие паразиты очень полезны в органическом саду, потому что они очень эффективные охотники, всегда занятые поиском захватчиков вредителей. Во взрослом возрасте им требуется высокоэнергетическое топливо, поскольку они летают с места на место и питаются нектаром, пыльцой и соком, поэтому посадка большого количества цветущих растений, особенно гречихи, зонтичных и композитных материалов, будет стимулировать их присутствие.

Четыре из наиболее важных групп:

Ихневмонидные осы: (5–10 мм) Питаются в основном гусеницами бабочек и мотыльков.
Браконидные осы: крошечные осы (до 5 мм) нападают на гусениц и широкий спектр других насекомых, включая зеленых мух. Это обычный паразит гусеницы белокочанной капусты, проявляющийся в виде скоплений серно-желтых коконов, вырывающихся из обрушившейся кожи гусеницы.
Халкидные осы: одни из самых маленьких насекомых (3 мм). Паразитирует на яйцах / личинках зеленокожих, белокрылок, гусениц капусты, щитовок и мотылька земляничной.
Тахиниды: паразитируют на большом количестве насекомых, включая гусениц, взрослых и личиночных жуков, настоящих жуков и других.

Экологический подход к преодолению болезней растений

Мировое сельское хозяйство заинтересовано в снижении зависимости от химических факторов производства, поэтому можно ожидать, что биологическое управление болезнями растений будет играть важную роль в системах органического и комплексно го управления вредителями (IPM). В связи с растущим интересом к сокращению производства химических веществ число компаний, занимающихся производством и маркетингом агентов биоконтроля, должно расти

Исследования привели к развитию небольшого, но важного коммерческого сектора, который производит ряд продуктов биоконтроля. Большая часть коммерческой продукции биоконтроля обрабатывается относительно небольшими компаниями с общим объемом продаж порядка 10-20 миллионов долларов США в год

В настоящее время несколько продуктов биоконтроля, хотя они еще не зарегистрированы в качестве таковых, циркулируют в качестве растительных усилителей или стимуляторов роста без каких-либо конкретных претензий в отношении контроля заболеваний.

В то время как биологический контроль болезней растений развивался в основном как академическая дисциплина более пятидесяти лет назад, в настоящее время он поддерживается как государственным, так и частным сектором. В настоящее время огромное количество научных работ опубликовано в фитопатологических журналах или других изданиях, специально посвященных биологическому контролю. Достижения науки в области вычислительной техники, молекулярной биологии, аналитической химии модернизируют подходы к повторному поиску и проясняют вопросы, касающиеся структуры и функций агентов биоконтроля наряду с растениями и патогенами на определенных уровнях. Таким образом, темы исследований и разработок в области биоконтроля, связанные с экологией растений, открытием новых эффективных штаммов, разработкой более эффективных процедур применения и практической интеграцией в сельскохозяйственные системы являются важными параметрами для перехода от теории к практике в сфере биологического управления болезнями растений.