Глава 6. Биотехнологические

АЛЬТЕРНАТИВЫ

В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ

Эффективность сельскохозяйственных технологий в производстве про-

дуктов питания зависит от многих факторов, включая эколого-географи-

ческие, экономические, а также от возобновляемых биологических ресур-

сов, таких, как культурные растения, домашние животные, микроорганиз-

мы. Повышение биологической продуктивности в сельском хозяйстве яв-

ляется предметом активных исследований комплекса различных биологи-

ческих наук. Биотехнологические методы традиционно используются в

сельском хозяйстве для повышения плодородия почв, борьбы с вредите-

лями и возбудителями болезней культурных растений и животных, приго-

товления продовольственных продуктов, их консервирования и улучше-

ния питательных свойств. При этом удельный вес биотехнологии для раз-

вития и повышения эффективности традиционных сельскохозяйственных

технологий постоянно возрастает. В настоящее время особые перспективы

в создании и распространении новых культивируемых сортов растений

обещает применение новейших методов биотехнологии – клеточной и

генетической инженерии. Усилия биотехнологов направлены на увеличе-

ние выхода продукции и повышение ее питательности, усиление устойчи-

вости культивируемых биологических видов к неблагоприятным условиям

внешней среды, патогенам и вредителям. При этом остается актуальной

проблема поддержания разнообразия среди культивируемых видов и со-

хранения генетических ресурсов в целом.

6.1. Биопестициды

Практически одновременно с развитием животноводства и растение-

водства возникла проблема защиты культурных растений и домашних

животных от вредителей и болезней. Сначала человек использовал прими-

тивные средства истребления и отлова вредных животных, затем для

уничтожения стал применять хищных животных (собак, кошек, птиц).

Постепенно, с развитием сельскохозяйственных технологий способы

борьбы совершенствовались; появились первые примитивные химические

средства уничтожения насекомых и грызунов с использованием отваров,

настоев, древесной золы и пр. Бурное развитие химии и переход сельского

хозяйства на интенсивные технологии привело к появлению и примене-

нию огромного разнообразия химических веществ для борьбы с вредите-

лями и болезнями культивируемых видов. Первоочередное место заняли

пестициды – ядовитые химические вещества, используемые для борьбы с

вредителями, болезнями и сорняками. Однако только небольшая часть

178

(около 10 %) применяемых и вносимых в окружающую среду пестицидов

достигает цели; основная же масса этих веществ вызывает гибель полез-

ных организмов, аккумулируется в биологических объектах, нарушает

равновесие в природных экосистемах и биоценозах, загрязняет почвы,

водоемы, воздух. Химические пестициды не обеспечили при этом полную

защиту сельскохозяйственных культур; большое число насекомых и сор-

няков остались неконтролируемыми и продолжают наносить огромный

вред сельскому хозяйству. Более того, вредители начинают приобретать

резистентность к пестицидам. Появились данные о том, что для уничто-

жения некоторых вредителей приходится применять сверхвысокие дозы

пестицидов, в тысячи раз превосходящие начальные дозы токсикантов в

первые годы их применения. В настоящее время в литературе описаны

сотни видов членистоногих, резистентных к различным пестицидам (ДДТ,

карбаматам, пиретроидам, фосфорорганическим соединениям). Таким

образом, применение пестицидов вступило в явное противоречие с гло-

бальной проблемой защиты окружающей среды.

Это вызывает необходимость поиска других, более эффективных

средств и методов защиты, не оказывающих отрицательного воздействия

на человека и окружающую среду в целом. Большие перспективы среди

разрабатываемых подходов имеют биологические методы.

Биологические агенты применяли для уничтожения вредителей с древ-

нейших времен. Например, китайцы использовали фараоновых муравьев

для уничтожения вредителей в зернохранилищах. Во времена Аристотеля

в период интенсивного одомашнивания пчел и тутового шелкопряда чело-

век сталкивался с массовыми заболеваниями этих насекомых. Этот период

можно считать началом зарождения микробиологических методов борьбы

с вредителями. Но только в конце XIX века работами Л. Пастера и И.И.

Мечникова была заложена научная основа этого направления. Мечникову

удалось выделить возбудителя болезни хлебного жука – мускаридный

гриб (Metarrisium anisopliae), и он рекомендовал использовать данную

культура для борьбы с жуком – вредителем злаковых. Пастер предложил

применять бактерию – возбудитель куриной холеры для борьбы с дикими

кроликами; Мечников этого же возбудителя – для уничтожения сусликов.

С тех пор направление, основанное на использовании микроорганизмов –

природных патогенов, для борьбы с возбудителями болезней и вредите-

лями культурных биологических видов в природных условиях, непрерыв-

но совершенствуется. Выделено и описано множество микроорганизмов,

патогенных для грызунов и насекомых, и на их основе созданы и продол-

жают разрабатываться эффективные препараты.

Использование микроорганизмов в качестве биопестицидов – сравни-

тельно новое направление биотехнологии, но уже имеющее существенные

достижения. В настоящее время бактерии, грибы, вирусы находят все бо-

лее широкое применение в качестве промышленных биопестицидов. Тех-

179

нология производства этих препаратов весьма различна, как различна при-

рода и физиологические особенности микроогранизмов-продуцентов. Од-

нако имеется ряд универсальных требований, предъявляемых к биопести-

цидам, основными среди них являются: селективность и высокая эффек-

тивность действия, безопасность для человека и полезных представителей

флоры и фауны, длительная сохранность и удобство применения, хорошая

смачиваемость и прилипаемость. В настоящее время для защиты растений

и животных от насекомых и грызунов применяются, помимо антибиоти-

ков, около 50 микробных препаратов, относящихся к трем группам: это

бактериальные, грибные и вирусные препараты.

Бактериальные препараты

К настоящему времени описано свыше 90 видов бактерий, инфициру-

ющих насекомых. Большая их часть принадлежит к семействам Pseudomonadaceae,

Enterobacteriaceae, Lactobacillaceae, Micrococcaceae, Bacillaceae

(табл. 6.1). Большинство промышленных штаммов принадлежит к

роду Bacillus, и основная масса препаратов (свыше 90 %) изготовлена на

основе Bacillus thuringiensis (Bt), имеющих свыше 22 серотипов. Штам-

мы Bt используют для борьбы с различными вредителями – гусеницами,

комарами, мошкой.

Впервые Bt была выделена в 1915 г. Берлинером из больных гусениц

мельничной огневки. Штаммы Bacillus thuringiensis, помимо образования

спор, которые при попадании внутрь насекомого вызывают септицемию,

синтезируют также ряд экзо- и эндотоксинов. Первый токсин, идентифи-

цированный у Bt, – α-экзотоксин (фосфолипаза С), является продуктом

растущих клеток; предполагают, что эффект данного токсина, летальный

для насекомых, связан с распадом в тканях незаменимых фосфолипидов.

Второй токсин – β-экзотоксин, состоящий из аденина, рибозы и фосфора.

Предполагают, что его молекула представляет собой нуклеотид, сложно

связанный через рибозу и глюкозу с аллослизиевой кислотой, а его токси-

ческое воздействие состоит в прекращении синтеза насекомыми РНК.

Третий токсин – γ-экзотоксин. Его структура и действие мало изучены;

предполагают, что он относится к фосфолипидам. Четвертый токсин –

кристаллический δ-эндоксин, образуется одновременно со спорой и выде-

ляется в среду. Интактные кристаллы нетоксичны, но при попадании в

пищеварительный тракт насекомых под воздействием щелочных протеаз

разрушаются с образованием действующего токсина. Кристаллические

эндотоксины полипептидной структуры классифицированы в четыре

группы: токсины, активные в отношении чешуекрылых (молекулярная

масса 130–160 кД); активные в отношении чешуекрылых и двукрылых

(70); активные в отношении к жесткокрылым (72 кД) и активные по от-

ношению к личинкам двукрылых (состоят из нескольких активных белков

молекулярной массы от 27 до 130 кД). Специфичность протеаз насекомых

180

различных видов определяет разницу воздействия токсина. Не все насе-

комые обладают протеазами, способными разрушать данный токсин, чем

и определяется его избирательность.

Препараты на основе Bt относятся к токсинам кишечного действия.

Типичными последствиями их воздействия являются паралич кишечника,

прекращение питания, развитие общего паралича и гибель насекомого.

Кристаллы варьируют между различными серотипами и изолятами Bt и

обладают широким спектром активности против различных насекомых.

Бактерии группы Bacillus thuringiensis эффективны в отношении 400

видов насекомых, включая вредителей полей, леса, садов и виноградни-

ков; наибольший эффект от применения данных препаратов получают при

борьбе с листогрызущими вредителями. Известно более 100 штаммов Bt,

объединенных в 30 групп по серологическим и биохимическим призна-

кам. Микробиологическая промышленность многих стран выпускает раз-

личные препараты на основе Bt, способных образовывать споры, кристал-

лы и токсические вещества в процессе роста.

Технология получения биопестицидов на основе энтомопатогенных

бактерий представляет собой типичный пример периодической гомоген-

ной аэробной глубинной культуры, реализующейся в строго стерильных и

контролируемых условиях. Цель процесса – получение максимального

урожая бактерий и накопление токсина. Основу питательной среды со-

ставляет дрожжеполисахаридная смесь и пеногаситель (кашалотовый

жир). Длительность ферментации при 28–30°С в режиме перемешивания и

аэрации (0.2 л О2/л среды⋅мин.) составляет 35–40 часов до накопления в

культуральной жидкости 5–10 % свободных спор и кристаллов от общего

их количества (при титре культуры не менее 1 млрд. спор в 1 мл). Далее

Т а б л и ц а 6 .1

Наиболее распространенные инсектопатогенные бактерии

и инфицируемые ими насекомые (по G. A. Hardy, 1986).

Бактерии Насекомые

Pseudomonas aeruginosa Саранчи

Pseudomonas septica Жук-навозник, жук-древесинник