Biotehnologie și protecția mediului SpringerLink

rezumat

Preocupările privind combaterea dăunătorilor ecologice conduc din ce în ce mai mult la căutarea microorganismelor care pot fi utilizate ca antagoniști împotriva așa-numitelor insecte dăunătoare sau ale căror produse metabolice sunt potrivite ca noi ingrediente active.

În Germania aprox. 10.000 de stații de epurare municipale operate cu etape de purificare biologică.

În Germania, 7,6 milioane de tone de deșeuri biologice sunt utilizate în fiecare an în instalațiile de reciclare biologică.

În general, contribuția utilizării biomasei la producția de energie electrică a crescut de la 222 GWh în 1990 la 5140 GWh în 2003.

„Biotehnologia roșie” (Healthcare Biotechnology): se spune că bioprodusele (proteine, anticorpi, enzime) au deja o cotă de piață a produselor farmaceutice

20% și 50% din noile dezvoltări ar trebui să fie produse ecologice.

„Biotehnologie verde”: utilizarea plantelor modificate genetic, care a început în urmă cu aproximativ 20 de ani, a atins o pondere de 45% pentru porumb, 86% pentru soia și 76% pentru bumbac în SUA în 2004. Dezvoltările actuale vizează utilizarea plantelor (și animalelor) pentru producția rentabilă de produse farmaceutice și materii prime industriale.

„Biotehnologia albă”: utilizarea biotehnologiei ca element de bază pentru o chimie durabilă, rezistentă la viitor („Chimie verde”) și aplicarea acesteia în industria alimentară. Produsele includ produse chimice în vrac și fine, produse alimentare, precum și aditivi alimentari și aditivi furaje, precursori agricoli și farmaceutici, materiale auxiliare pentru industriile de prelucrare, cum ar fi enzime tehnice și biocombustibili. S-a prezis că până în 2010, aproximativ 20% din vânzările din întreaga industrie chimică ar trebui să fie atribuite utilizării biotehnologiei albe.

„Biotehnologie gri”: Astăzi, diagnosticul de mediu s-a alăturat domeniului menționat mai sus al protecției mediului.

Toate domeniile biotehnologiei sunt direct sau indirect legate de domeniile relevante pentru mediu.

18.1 Combaterea dăunătorilor biologici

18.1.1 Bioinsecticide

Microorganisme, viruși și metaboliți ca bioinsecticide

Bacillus thuringiensis (B. t.)

Omizi de lepidoptere, de exemplu sucuri de aur, alb de varză

B. t. subsp. thuringiensis, tulpini producătoare de β-exotoxină

Viermi muscați, de exemplu Musca domestica

Larvele de gandaci, de exemplu gandaci Colorado

Larvele de țânțari, de exemplu Anopheles, speciile Aedes, șerpi de luncă

Grubs japonez (Popillia japonica)

Gărgărițe, de exemplu gărgărițe negre, gândaci de scoarță

Molie molidă (Cydia pomonella)

Molia țigănească (Lymantria dispar)

Diptere pentru extracția de frunze sau sugeți, acarieni

Lepidoptera, Diptera, Blattodea, Coleoptera

a Numele virusului insectelor este derivat din numele latin al insectei și abrevierea pentru tipul de virus

18.1.1.1 Bacillus thuringiensis și B. sphaericus

Bacillus thuringiensis este cea mai bine studiată bacterie patogenă a insectelor. A fost izolat încă din 1901 în Japonia ca agent patogen bacterian care cauzează boala Sotto (lenea) la viermii de mătase. A fost cunoscut ca agent cauzal al bolii omidă a moliei de făină încă din 1911.

În timpul formării endosporilor, Bacillus thuringiensis produce toxine sub formă de cristale care afectează o gamă largă de lepidoptere (fluturi), dar nu și alte animale și oameni. Au fost găsite alte subspecii care au un efect patogen asupra Dipterelor (specii cu două aripi: țânțari, muște) și unele coleoptere (gândaci). Astăzi îi cunoaștem și pe cei cu eficacitate împotriva himenopterelor (himenoptere precum albinele, viespile și furnicile), Homoptera (cicadele, afidele), Orthoptera (lăcustele și greierii), Mallophaga (păduchii de animale precum părul și muștele de pene), nematodele (viermi rotunzi și viermi rotunzi), Acarieni și protozoare (Tab.18.1).

A Reprezentarea schematică a δ-endotoxinei paracristaline în celulele Bacillus thuringiensis și activarea intermediarilor protoxinei prin proteaze specifice din intestinul omizilor pentru a forma peptida toxică, b Atașarea la receptor, rearanjarea toxinei și formarea unui por, c Structura β-exotoxinei în comparație cu nucleozida naturală

Dizolvarea cristalului în intestinul mediu al omidei (pH> 9,5),

clivajul proteolitic al părții N- și C-terminale a protoxinei de către proteazele intestinului mediu,

Legarea toxinei activate de receptorul din membrana celulei epiteliale din intestinul mediu,

Integrarea toxinei în membrană, astfel încât să se formeze canale ionice sau pori și membrana celulară a celulelor epiteliale intestinale să fie afectată ireversibil și

Când bariera intestinală este distrusă, sporii bacterieni intră în organism, germinează și provoacă septicemie.

Prin urmare, efectul dăunător primar provine de la δ-endotoxină. Bacillus thuringiensis este doar ușor infecțios și, prin urmare, nu se răspândește epidemic. Preparatele Bacillus thuringiensis sunt, prin urmare, utilizate ca biopesticide asemănătoare unui insecticid chimic și diferă astfel de mijloacele de combatere a dăunătorilor biologici, care se răspândesc autocatalitic în populația de insecte dăunătoare până când numărul de indivizi a devenit prea mic pentru transmitere.

În plus față de ot-endotoxina, alte exotoxine, cum ar fi β-exotoxina cu greutate moleculară mică, sunt formate din câteva tulpini de Pathovars thuringiensis. Structura nucleotidei neobișnuite este prezentată în Fig. 18.1c. Este un antimetabolit al ARN polimerazei dependente de ADN. Deoarece efectul său este nespecific, acționează și asupra vertebratelor. Tulpinile care, pe lângă δ-endotoxina, produc β-exotoxina, au fost testate ca agenți împotriva viermilor cu muște. Preparatele sunt adăugate la hrana vitelor, trec prin intestine fără nici o leziune acută și ajung astfel în excrementele în care trăiesc viermii cu muște.

Preparatele Bt au fost aprobate ca produse fitosanitare în Germania din 1964 și sunt disponibile pe piață sub diferite denumiri. Sunt utilizate în principal în cultivarea porumbului, cartofului, legumelor și fructelor. Ele au o importanță mai mare în agricultura ecologică. Preparatele Bt disponibile în comerț constau din spori bacterieni uscați și toxina cristalină. Bacteriile cultivate în fermentator pe mediu simplu sunt separate de mediul nutritiv și formulate cu adezivi și stabilizatori de lumină. Pentru o utilizare reușită, trebuie să se țină seama de faptul că numai omidele sau larvele care mănâncă ingeră preparatele.

Dacă se compară viteza de acțiune a preparatelor Bt cu cea a altor insecticide, devine clar că sunt necesare perioade mai lungi de timp înainte ca bioinsecticidul să intre în vigoare.

Cu ajutorul ingineriei genetice, capacitatea de a produce δ-endotoxină a fost transferată bacteriilor rizosferei, cum ar fi Pseudomonas fluorescens, cu scopul de a combate viermii de sol.

Genele toxinei Bt (plâns) izolate din Bacillus thuringiensis au fost transferate plantelor. Acestea produc acum substanța activă, care este toxică pentru dăunători, ele însele. Diferite variante ale genelor Bt au fost utilizate pentru a genera rezistență la insecte modificată genetic, cum ar fi cry1Ab, cry1Ac și cry9c la porumb. Acestea diferă atât prin lungime, cât și prin promotorii utilizați. În funcție de varianta genei Bt, soiurile de porumb transgenic diferă atât prin cantitatea de toxină Bt, cât și prin distribuția sa în plantă. Primele plante de porumb Bt cultivate comercial conțineau niveluri ridicate de toxină Bt în toate părțile plantei (polen, tulpini, știuleți de porumb), care erau mai mari decât era necesar pentru a obține efectul dorit. Soiurile mai noi de porumb Bt produc nu numai cantități mai mici de toxine Bt, ci și acolo unde sunt necesare, adică în tulpină. Acest lucru se realizează prin furnizarea genelor plânsului cu promotori specifici țesutului care „încep” doar în anumite părți ale plantei.

În cazul porumbului, conceptul Bt pare a fi deosebit de atrăgător, deoarece este primul care combate forajul european de porumb în permite plantei. Genele Bt nu au fost transferate doar în porumb, ci și în alte variante în bumbac sau cartofi.

În 2004, plantele OMG (OMG = organisme modificate genetic) au fost recoltate pe o suprafață de 81 de milioane de hectare în întreaga lume. 19% din aceasta s-a datorat plantelor Bt rezistente la insecte și încă 9% unei combinații de rezistență la erbicide și insecte. Rezistența la erbicide este trăsătura dominantă la 72%.

Cultivarea porumbului Bt în SUA a fost de 10 milioane de hectare în 2004 și a reprezentat aproximativ 45% din cultivarea porumbului. Alte țări în care se cultivă porumb Bt sunt Argentina, Canada, Spania și Africa de Sud.

Bumbacul bt a fost cultivat pe aproximativ 2,5 milioane de hectare în SUA în 2004, care reprezenta aproximativ 76% din suprafața cultivată. Bumbacul Bt este cultivat și în Argentina, Australia, China, India, Indonezia, Mexic și Africa de Sud.

În aproximativ 30 de specii de plante, se lucrează pentru a genera rezistență la diferite insecte care se hrănesc prin transferul genelor Bt.

Un avantaj al toxinei Bt este acuratețea sa de acțiune (specificitate). Atacă dăunătorii respectivi și menține alte animale, în special insectele benefice. Așteptările nu par întotdeauna adevărate. În timp, hrănirea insectelor dezvoltă rezistență la insecticidele utilizate. Cu preparatele clasice Bt, acest lucru nu s-a întâmplat încă, în afară de câteva cazuri. Cu toate acestea, se tem că cultivarea pe scară largă a plantelor Bt accelerează dezvoltarea rezistenței: „Deoarece ingredientul activ este prezent în plantele genetice pe întreaga perioadă de vegetație, dăunătorii pot dezvolta rezistență mai ușor decât dacă fermierii pulverizează insecticidul doar ocazional. „În SUA, cultivarea plantelor Bt a fost însoțită de un management obligatoriu al rezistenței. În conformitate cu aceasta, părți ale terenului cu soiuri convenționale fără toxină Bt trebuie plantate ca refugii pentru a evita ca „plantele sălbatice” să devină „plante BT”.

Bacteriile patogene ale țânțarilor sunt cunoscute încă din anii 1960, când au fost primele izolate ale Bacillus sphaericus cu proprietăți larvicide au fost descoperite. Izolate de la muște negre adulte au fost găsite în Nigeria în jurul anului 1980, care împreună cu Bacillus thuringiensis subsp. israelensis a obținut o importanță deosebită în controlul biologic al țânțarilor și al muștelor negre.

Ca și în cazul B. thuringiensis, efectul toxic al B. sphaericus se bazează pe formarea cristalelor de proteine parasporale, care în B. sphaericus sunt situate într-un „complex spor-cristal” învelit de o membrană. Spre deosebire de B. t. subsp. israelensis B. sphaericus are o toxină binară care constă din două proteine cu greutăți moleculare de 51,4 și 41,9 kDa. Ambele sunt necesare pentru efectul toxic al țânțarilor. Se bazează mecanismul de acțiune al toxinelor binare, similar cu cel al B. t. subsp. israelensis, la legarea de receptori. Alte toxine (toxine Mtx) cu o greutate moleculară de până la 100 kDa pot fi produse în celulele vegetative B. sphaericus. Aceste toxine Mtx sunt toxice și pentru larvele de țânțari, dar nici toxinele binare și nici cele ale B.t. subsp. israelensis omolog.

În ultimii ani, B. sphaericus a crescut ca importanță, în principal datorită spectrului său special de activitate și a capacității sale de a fi reutilizate sau persistă în anumite condiții. Reutilizarea poate avea ca rezultat un efect pe termen lung, care crește intervalul de timp pentru re-tratamente.

Organismele țintă sunt reprezentanți ai diferitelor genuri de țânțari, cum ar fi Aedes, Anopheles și Culex. Cu toate acestea, există mari diferențe de sensibilitate între speciile dintr-un gen. Unele specii de țânțari, în special speciile Culex, dar și unele specii de Anopheles sunt deosebit de sensibile la B. sphaericus, în timp ce alte specii, cum ar fi Aedes aegypti, sunt aproape insensibile. Spre deosebire de B. thuringiensis subsp. israelensis nu ucide larvele B. sphaericus ale muștelor negre.

Toxinele proteice B. sphaericus sunt inofensive pentru animalele cu sânge cald și alte organisme nevizate.

18.1.1.2 Bioinsecticide din Actinomicete

Ingrediente active împotriva insectelor de la actinomicete

Abamectina prezintă în principal un efect de hrănire. Activitatea de contact este destul de limitată din cauza degradabilității oxidative rapide pe suprafețele frunzelor. Timpul de înjumătățire plasmatică al abamectinei este mai mic de 4 ore. Modul de acțiune fiziologic la insectă apare prin stimularea eliberării neurotransmițătorului acid γ-aminobutiric în celulele inhibitoare ale nervilor/plăcii musculare, ceea ce duce la paralizie printr-o supresie susținută a contracției musculare. Apare în câteva ore de la administrarea unei doze toxice, este ireversibilă și fatală.

Abamectina este eficientă împotriva tuturor etapelor mobile ale dăunătorilor de insecte care mănâncă țesuturi vegetale sau suge planta de plante, dar nu are efect ovicid. Principalele organisme țintă sunt acarienii și dipterul de extracție a frunzelor. Abamectina este absorbită foarte repede în frunză după tratament, unde este protejată de degradarea prin radiații UV și de a fi spălată de ploaie. Deoarece abamectina este foarte puternic legată de particulele solului, este imobilă în sol și nu prezintă nicio levigare. Nu se bioacumulează și este repartizat rapid de microorganisme din sol. Este insolubil în apă. Defalcarea plantelor are loc în principal pe suprafața frunzelor prin fotoliză.

Viteza de acțiune a insecticidelor