Biotechnológia a ochrana životného prostredia SpringerLink

Zhrnutie

Obavy z kontroly škodcov ohľaduplné k životnému prostrediu čoraz viac vedú k hľadaniu mikroorganizmov, ktoré môžu byť použité ako antagonisty proti takzvanému škodlivému hmyzu alebo ktorých metabolické produkty sú vhodné ako nové účinné látky.

V Nemecku je v prevádzke asi 10 000 komunálnych čističiek odpadových vôd s etapami biologického čistenia.

V Nemecku sa každý rok v zariadeniach na biologickú recykláciu použije 7,6 milióna ton biologického odpadu.

Príspevok využívania biomasy na výrobu elektriny celkovo vzrástol z 222 GWh v roku 1990 na 5140 GWh v roku 2003.

„Červená biotechnológia“ (Healthcare Biotechnology): Hovorí sa, že bioprodukty (proteíny, protilátky, enzýmy) už majú trhový podiel farmaceutických výrobkov

20% a 50% nového vývoja by mali byť ekologické výrobky.

„Zelená biotechnológia“: Využívanie geneticky modifikovaných rastlín, ktoré sa začalo približne pred 20 rokmi, dosiahlo v USA v roku 2004 podiel 45% v prípade kukurice, 86% v prípade sóje a 76% v prípade bavlny. Súčasný vývoj sa zameriava na využitie rastlín (a zvierat) na nákladovo efektívnu výrobu farmaceutických výrobkov a priemyselných surovín.

„Biela biotechnológia“: Využitie biotechnológie ako stavebného kameňa udržateľnej chémie odolnej voči budúcnosti („Zelená chémia“) a jej aplikácie v potravinárskom priemysle. Medzi tieto výrobky patria hromadné a jemné chemikálie, potraviny, ako aj potravinové prísady a prísady do krmív, poľnohospodárske a farmaceutické prekurzory, pomocné materiály pre spracovateľský priemysel, ako sú technické enzýmy a biopalivá. Predpovedalo sa, že do roku 2010 by asi 20% tržieb v celom chemickom priemysle malo byť pripísaných použitiu bielej biotechnológie.

„Šedá biotechnológia“: K vyššie uvedenej oblasti ochrany životného prostredia sa dnes pripojila environmentálna diagnostika.

Všetky oblasti biotechnológie priamo alebo nepriamo súvisia s environmentálne relevantnými oblasťami.

18.1 Biologická kontrola škodcov

18.1.1 Bioinsekticídy

Mikroorganizmy, vírusy a metabolity ako bioinsekticídy

Bacillus thuringiensis (B. t.)

Húsenice lepidoptera, napríklad zlaté šťavy, kapusta biela

B. t. subsp. thuringiensis, kmene produkujúce β-exotoxín

Lietajú červy, napríklad Musca domestica

Larvy chrobákov, napríklad chrobáky z Colorada

Larvy komárov, napríklad Anopheles, druhy Aedes, hady lúčne

Ryby japonského chrobáka (Popillia japonica)

Nosatce, napríklad čierne nosatce, podkôrny hmyz

Codling mol (Cydia pomonella)

Cigánska mora (Lymantria dispar)

Diptery alebo prísavky na miazgu, roztoče, ktoré ťažia listy

Lepidoptera, Diptera, Blattodea, Coleoptera

a Názov vírusu hmyzu vyplýva z latinských názvov hmyzu a zo skratky pre typ vírusu

18.1.1.1 Bacillus thuringiensis a B. sphaericus

Bacillus thuringiensis je najlepšie študovaná patogénna baktéria hmyzu. Bol izolovaný už v roku 1901 v Japonsku ako bakteriálny patogén spôsobujúci morušu Sotto (ospalosť). Od roku 1911 je známy ako pôvodca choroby húsenice múčnej múky.

Počas tvorby endospór produkuje Bacillus thuringiensis toxíny vo forme kryštálov, ktoré pôsobia na širokú škálu motýľov (Lepidoptera), ale nie na iné zvieratá a ľudí. Zistili sa ďalšie poddruhy, ktoré majú patogénny účinok na dvojkrídlovce (dvojkrídlové: komáre, muchy) a niektoré druhy Coleoptera (chrobáky). Dnes tiež poznáme také, ktoré majú účinnosť proti blanokrídlom (blanokrídlovcom, ako sú včely, osy a mravce), homopterám (cikády, vošky), orthopterám (kobylky a cvrčky), mallofágam (vši ako sú chlpy a mušky), hlístam (škrkavky a škrkavky), Roztoče a prvoky (Tab.18.1).

a Schematické znázornenie parakryštalického δ-endotoxínu v bunkách Bacillus thuringiensis a aktivácia protoxínových medziproduktov špecifickými proteázami v čreve húseníc za vzniku toxického peptidu, b Pripojenie k receptoru, nové usporiadanie toxínu a tvorba pórov, c Štruktúra β-exotoxínu v porovnaní s prírodným nukleozidom

Rozpustenie kryštálu v strede húsenice (pH> 9,5),

proteolytické štiepenie N- a C-terminálnej časti protoxínu proteázami v strede čreva,

Väzba aktivovaného toxínu na receptor v bunkovej membráne epitelu v strede čreva,

Integrácia toxínu do membrány tak, že sa vytvárajú iónové kanály alebo póry a bunková membrána črevných epitelových buniek je nenávratne poškodená a

Keď je črevná bariéra zničená, bakteriálne spóry vstupujú do tela, klíčia a spôsobujú septikémiu.

Primárny škodlivý účinok preto pochádza z δ-endotoxínu. Bacillus thuringiensis je len mierne infekčný, a preto sa nešíri epidemicky. Prípravky Bacillus thuringiensis sa preto používajú ako biopesticíd podobný chemickému insekticídu a líšia sa tak od prostriedkov na biologickú kontrolu škodcov, ktoré sa v populácii škodcov rozširujú autokatalyticky, až kým počet jedincov nie je príliš nízky na prenos.

Okrem δ-endotoxínu sú ďalšie exotoxíny, ako napríklad nízkomolekulárny p-exotoxín, tvorené niekoľkými kmeňmi Pathovars thuringiensis. Štruktúra neobvyklého nukleotidu je znázornená na obrázku 18.1c. Je to antimetabolit DNA-dependentnej RNA polymerázy. Pretože je nešpecifický, pôsobí aj na stavovce. Kmene, ktoré okrem δ-endotoxínu produkujú p-exotoxín, sa testovali ako látky proti červom červeným. Prípravky sa pridávajú do krmiva pre dobytok, prechádzajú črevami bez akútneho poškodenia a končia tak vo výkaloch, v ktorých žijú červy.

Prípravky Bt sú v Nemecku ako prípravky na ochranu rastlín schválené od roku 1964 a na trhu sú dostupné pod rôznymi názvami. Používajú sa hlavne pri pestovaní kukurice, zemiakov, zeleniny a ovocia. Majú väčší význam v ekologickom poľnohospodárstve. Komerčne dostupné Bt prípravky pozostávajú zo sušených bakteriálnych spór a kryštalického toxínu. Baktérie kultivované vo fermentore na jednoduchom médiu sa oddelia od živného média a zmiešajú sa s lepidlami a stabilizátormi svetla. Pre úspešné použitie je potrebné vziať do úvahy, že prípravky požierajú iba požierajúce húsenice alebo larvy.

Ak sa porovná rýchlosť účinku prípravkov Bt s rýchlosťou iných insekticídov, je zrejmé, že na to, aby bioinsekticid začal účinkovať, sú potrebné dlhšie časové úseky.

Pomocou genetického inžinierstva sa schopnosť produkovať δ-endotoxín preniesla na rhizosférické baktérie, ako je Pseudomonas fluorescens, s cieľom bojovať proti dážďovkám.

Gény toxínu Bt (cry) izolované z Bacillus thuringiensis sa preniesli do rastlín. Tie teraz sami produkujú účinnú látku, ktorá je toxická pre škodcov. Na generovanie geneticky modifikovanej rezistencie voči hmyzu boli použité rôzne varianty génov Bt, ako napríklad cry1Ab, cry1Ac a cry9c v kukurici. Líšia sa dĺžkou aj použitými promótormi. V závislosti na variante génu Bt sa transgénne odrody kukurice líšia ako v množstve Bt toxínu, tak v jeho distribúcii v rastline. Prvé komerčne pestované rastliny Bt kukurice obsahovali vysoké hladiny Bt toxínu vo všetkých častiach rastliny (peľ, stonky, kukuričné klasy), ktoré boli vyššie, ako je potrebné na dosiahnutie požadovaného účinku. Novšie odrody Bt kukurice nielenže produkujú nižšie množstvo toxínov Bt, ale tiež iba tam, kde sú potrebné, t. J. V stopke. To sa dosiahne poskytnutím génov pre plač tkanivovo špecifickými promótormi, ktoré „štartujú“ iba v určitých častiach rastliny.

V prípade kukurice sa koncept Bt javí ako obzvlášť atraktívny, pretože je prvým v boji proti kukurici európskej v roku umožňuje rastlinu. Gény Bt sa neprenášali iba v kukurici, ale ďalšie varianty sa pestovali v bavlne alebo v zemiakoch.

V roku 2004 sa GMO rastliny (GMO = geneticky modifikované organizmy) vyťažili na ploche 81 miliónov hektárov po celom svete. 19% z toho bolo kvôli Bt rastlinám odolným voči hmyzu a ďalších 9% kvôli kombinácii herbicídov a odolnosti voči hmyzu. Rezistencia na herbicídy je dominantnou vlastnosťou pri 72%.

Pestovanie kukurice Bt v USA predstavovalo v roku 2004 10 miliónov hektárov a predstavovalo asi 45% pestovania kukurice. Ďalšími krajinami, kde sa Bt kukurica pestuje, sú Argentína, Kanada, Španielsko a Južná Afrika.

V roku 2004 sa v USA pestovala Bt bavlna na asi 2,5 miliónoch hektárov, čo predstavovalo asi 76% obrábanej plochy. Bt bavlna sa pestuje aj v Argentíne, Austrálii, Číne, Indii, Indonézii, Mexiku a Južnej Afrike.

V súčasnosti sa pracuje na asi 30 druhoch rastlín, aby sa prostredníctvom prenosu génov Bt vytvorila rezistencia na rôzne druhy kŕmeného hmyzu.

Jednou z výhod Bt toxínu je jeho presnosť pôsobenia (špecifickosť). Napáda príslušných škodcov a šetrí ďalšie zvieratá, najmä užitočný hmyz. Nie vždy sa zdá, že očakávania sú pravdivé. Kŕmiaci sa hmyz si časom vytvorí odolnosť voči použitým insekticídom. Pri klasických Bt prípravkoch sa to až na pár prípadov zatiaľ nestalo. Existuje však obava, že rozsiahla kultivácia rastlín Bt urýchľuje vývoj rezistencie: „Pretože aktívna zložka je prítomná v génových rastlinách počas celého vegetačného obdobia, môžu si škodcovia vyvinúť rezistenciu ľahšie, ako keby poľnohospodári postriekali insekticíd iba príležitostne. „V USA sprevádzalo pestovanie rastlín Bt povinný manažment rezistencie. Podľa toho sa časti pôdy s konvenčnými odrodami bez Bt toxínu musia vysádzať ako útočiská, aby sa zabránilo tomu, že sa z „divokých rastlín“ stanú „BT rastliny“.

Patogénne baktérie komárov sú známe od 60. rokov, keď boli prvými izolátmi Bacillus sphaericus. boli objavené larvicídne vlastnosti. Izoláty z dospelých čiernych mušiek sa našli v Nigérii okolo roku 1980, čo spolu s Bacillus thuringiensis subsp. izraelensis dosiahol mimoriadny význam v biologickej kontrole komárov a čiernych múch.

Rovnako ako v prípade B. thuringiensis, toxický účinok B. sphaericus je založený na tvorbe parazporálnych proteínových kryštálov, ktoré sa v B. sphaericus nachádzajú v „spór-kryštálovom komplexe“ pokrytom membránou. Na rozdiel od B. t. subsp. izraelensis, B. sphaericus má binárny toxín pozostávajúci z dvoch proteínov s molekulovou hmotnosťou 51,4 a 41,9 kDa. Oba sú nevyhnutné pre toxický účinok na komáre. Mechanizmus účinku binárnych toxínov je založený, obdobne ako u B. t. subsp. izraelensis, o väzbe na receptory. Ďalšie toxíny (toxíny Mtx) s molekulovou hmotnosťou do 100 kDa sa môžu produkovať vo vegetatívnych bunkách B. sphaericus. Tieto toxíny Mtx sú toxické aj pre larvy komárov, ale ani binárne toxíny, ani toxíny B.t. subsp. izraelensis homológny.

V posledných rokoch vzrástol význam B. sphaericus, hlavne kvôli jeho špeciálnemu spektru aktivít a schopnosti byť znovu použitý alebo pretrvávať za určitých podmienok. Opätovné použitie môže mať za následok dlhodobý efekt, ktorý predlžuje časový interval pre opakovanú liečbu.

Cieľovými organizmami sú zástupcovia rôznych rodov komárov, napríklad Aedes, Anopheles a Culex. Existujú však veľké rozdiely v citlivosti medzi druhmi v rámci rodu. Niektoré druhy komárov, hlavne druhy Culex, ale aj niektoré druhy Anopheles sú obzvlášť citlivé na B. sphaericus, zatiaľ čo iné druhy, napríklad Aedes aegypti, sú takmer necitlivé. Na rozdiel od B. thuringiensis subsp. izraelensis nezabije larvy čiernych mušiek B. sphaericus.

Proteínové toxíny B. sphaericus sú neškodné pre teplokrvné zvieratá a iné necieľové organizmy.

18.1.1.2 Bioinsekticídy z Actinomycetes

Účinné látky proti hmyzu z aktinomycét

Abamektín vykazuje hlavne kŕmny účinok. Kontaktná aktivita je dosť obmedzená z dôvodu rýchlej oxidačnej odbúrateľnosti na povrchoch listov. Polčas rozpadu abamektínu je menej ako 4 hodiny. K fyziologickému spôsobu pôsobenia u hmyzu dochádza stimuláciou uvoľňovania neurotransmitera kyseliny y-aminomaslovej pri inhibícii buniek nervov/svalovej platničky, čo vedie k paralýze trvalým potlačením svalovej kontrakcie. Vyskytuje sa do niekoľkých hodín po užití toxickej dávky, je nezvratný a je smrteľný.

Abamektín je účinný proti všetkým mobilným štádiám hmyzích škodcov, ktoré požierajú rastlinné tkanivo alebo cmúľajú rastlinné miazgy, ale nemá ovicídny účinok. Najdôležitejšie cieľové organizmy sú roztoče a diptery ťažiace listy. Abamektín sa po ošetrení veľmi rýchlo vstrebáva do listu, kde je chránený pred degradáciou UV žiarením a zmytím dažďom. Pretože sa abamektín veľmi silno viaže na pôdne častice, je v pôde nepohyblivý a nevykazuje žiadne výluhy. Nie je bioakumulatívny a rýchlo sa odbúrava mikroorganizmami v pôde. Je nerozpustný vo vode. K rozkladu rastlín dochádza hlavne pomocou fotolýzy na povrchu listov.

Rýchlosť pôsobenia insekticídov