現(xiàn)代細(xì)菌殺蟲劑的特點(diǎn)與分析

李文靜，李 月

（1.新南威爾士大學(xué)，澳大利亞新南威爾士州 4385；2.長春師范大學(xué)，吉林長春 130000）

0 引言

害蟲防治一直是全世界關(guān)注的問題，在過去的幾十年里，這些化學(xué)農(nóng)藥的使用造成了許多環(huán)境問題，對(duì)人類健康造成了危害。大多數(shù)化學(xué)農(nóng)藥難以被自然降解，其毒性可長期存在于土壤和地下水中。此外，農(nóng)藥殘留也會(huì)傷害蚯蚓、蜜蜂等益蟲。由于化學(xué)殺蟲劑的這些明顯缺點(diǎn)，微生物殺蟲劑顯然是一個(gè)更好的選擇，因?yàn)樗菀妆簧锝到猓⑶覍?duì)環(huán)境友好。目前，世界上研究和商業(yè)化的微生物殺蟲劑包括細(xì)菌殺蟲劑、真菌殺蟲劑、病毒殺蟲劑和抗生素殺蟲劑。本文中主要介紹了細(xì)菌殺蟲劑，因?yàn)樗菓?yīng)用最廣泛，產(chǎn)量最高。根據(jù)其作用機(jī)理，微生物農(nóng)藥還可分為兩類：一類是由寄生微生物自身引起的宿主昆蟲疾病和死亡，如蘇云金桿菌、病毒、真菌等。另一類是直接通過微生物代謝物殺死昆蟲，如阿維菌素。

1 細(xì)菌殺蟲劑的原理

1.1 蘇云金芽孢桿菌（Bt）

蘇云金芽孢桿菌是一種好氧革蘭氏陽性芽孢桿菌，以植物形態(tài)廣泛分布于土壤、水、空氣和植被中。它的殺蟲機(jī)制是通過代謝產(chǎn)物殺死飛蛾、蒼蠅和甲蟲等昆蟲。Bt是一種產(chǎn)孢細(xì)菌，在形成孢子的過程中產(chǎn)生有毒蛋白質(zhì)。在這些蛋白質(zhì)中，晶體蛋白δ-內(nèi)毒素（或稱為Cry蛋白）和Cyt蛋白是最關(guān)鍵的，因?yàn)樗鼈冃纬闪税殒呔w[1]，該晶體對(duì)鱗翅目、雙翅目、鞘翅目，等多種昆蟲以及線蟲、原生動(dòng)物等均有特異的殺蟲活性。

Bt細(xì)菌的殺蟲過程可分為5個(gè)過程：溶解、蛋白水解、特異性結(jié)合、孔隙形成和幼蟲死亡。當(dāng)昆蟲食用帶有伴孢晶體的蔬菜時(shí)，內(nèi)毒素就會(huì)進(jìn)入昆蟲的體內(nèi)并移動(dòng)到中腸。堿性腸系膜液體將晶體蛋白溶解為一種前毒素，然后由中腸中的胰蛋白酶水解為一種對(duì)昆蟲具有毒性作用的多肽。多肽與特異性受體結(jié)合，在細(xì)胞質(zhì)膜上形成孔洞或離子通道，造成離子泄漏。隨著ATP的丟失，大量水分進(jìn)入中腸細(xì)胞，導(dǎo)致細(xì)胞的膨脹和解體。此外，由于離子梯度被破壞，干擾了中腸的正常電勢和酸堿平衡，孢子可以很容易地穿透腸道亞膜進(jìn)入昆蟲的血淋巴，在血淋巴中生長繁殖。這可能導(dǎo)致胃腸道不適，使昆蟲停止進(jìn)食，影響營養(yǎng)的吸收，最終導(dǎo)致昆蟲因饑餓和組織破壞而死亡[2]。

1.2 日本金龜子芽孢桿菌（Bp）

當(dāng)被甲蟲幼蟲吃掉時(shí)，日本金龜子芽孢桿菌的孢子在幼蟲的中腸中發(fā)芽。營養(yǎng)體侵入中腸柱狀細(xì)胞，進(jìn)入體腔，使得血淋巴充滿了單鏈或雙鏈營養(yǎng)物質(zhì)，導(dǎo)致血淋巴輕度混亂。慢慢地，孢子失去了它們的發(fā)光特性，昆蟲的血淋巴變得透明。然后血淋巴充滿了具有光周期性質(zhì)的孢子和孢子晶體，呈乳白色。這個(gè)過程需要10～14天。受感染幼蟲無明顯的組織和生理變化[3]。最終，甲蟲幼蟲中充滿了孢子和營養(yǎng)體，這些營養(yǎng)體持續(xù)消耗幼蟲生長所需的必需物質(zhì)。因此，生理饑餓導(dǎo)致甲蟲幼蟲的死亡。

1.3 球形芽孢桿菌（Bs）

球形芽孢桿菌是一種革蘭氏陽性細(xì)菌，可形成近端擴(kuò)張的孢子囊和孢子。球形芽孢桿菌對(duì)不同蚊幼蟲的毒性作用主要是通過這種細(xì)菌產(chǎn)生的蚊毒素來實(shí)現(xiàn)的。研究表明，在其生長發(fā)育過程中可產(chǎn)生三種不同類型的毒素。第一種是二元毒素（Binary t0xin，簡稱Bin），在所有高毒力菌株和部分中毒力菌株中均存在。第二種是蚊媒毒素（M0squit0cidal t0xin，簡稱Mtx），表現(xiàn)為低毒和高毒。第三種是最近發(fā)現(xiàn)的Cry48Aa和Cry49Aa雙組分毒素。

在孢子形成過程中球形芽孢桿菌產(chǎn)生二元毒素，包括Bin A蛋白和Bin B蛋白，其位于孢子的外膜上。孢子與孢子晶體的混合物被蚊子幼蟲吞食后，副孢子晶體在堿性環(huán)境下溶于中腸，釋放出Bin A蛋白和Bin B蛋白。這兩種毒素蛋白被中腸蛋白酶激活，形成活性蛋白多肽。這種有毒的多肽會(huì)與胃盲腸和腸系膜上皮細(xì)胞結(jié)合，并穿透腸道，導(dǎo)致幼蟲死亡。在幼蟲死亡或?yàn)l臨死亡之前，細(xì)菌只分布在圍產(chǎn)期的細(xì)胞膜上，而不進(jìn)入血淋巴。昆蟲幼蟲攝入球芽桿菌10 min后，可局部停止取食。感染的第一個(gè)跡象是幼蟲失去正常的豐滿度和活動(dòng)性。在感染后的30 min內(nèi)，可以看到中腸腫脹，隨后出現(xiàn)震顫、心律失常、對(duì)刺激反應(yīng)遲緩，最終導(dǎo)致幼蟲死亡。

2 細(xì)菌殺蟲劑的優(yōu)點(diǎn)

2.1 較小的環(huán)境危害

相比于傳統(tǒng)的化學(xué)殺蟲劑，細(xì)菌殺蟲劑對(duì)環(huán)境的危害較小。首先，細(xì)菌殺蟲劑具有很高的藥效，即小劑量的細(xì)菌殺蟲劑就可以達(dá)到目的。其次，農(nóng)藥分解迅速，不會(huì)殘留在土壤或地下水中，從而破壞環(huán)境。最后，與化學(xué)殺蟲劑相比，細(xì)菌殺蟲劑的毒性較小。因此，在相同的暴露條件下，細(xì)菌農(nóng)藥對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類健康的潛在危害較小。

2.2 具有靶向性

傳統(tǒng)殺蟲劑的一個(gè)重大缺點(diǎn)是不能靶向。這意味著它們會(huì)對(duì)許多生物產(chǎn)生負(fù)面影響，比如鳥類、益蟲和一些哺乳動(dòng)物。相比之下，細(xì)菌殺蟲劑有特定的目標(biāo)，這意味著它們不會(huì)傷害其他不相關(guān)的生物。美國環(huán)境保護(hù)署的研究表明，種植Bt作物和種植非Bt作物的農(nóng)田之間的土壤微生物群落沒有變化。由此可見，細(xì)菌毒素對(duì)生物多樣性的負(fù)面影響較小。

2.3 對(duì)人體健康危害較小

細(xì)菌殺蟲劑有兩個(gè)特性，使它們對(duì)人類健康的危害較小。首先，如上所述，細(xì)菌殺蟲劑具有靶向性，僅對(duì)某些害蟲有毒性。美國多所高校聯(lián)合開展的農(nóng)藥信息項(xiàng)目——外延毒理學(xué)網(wǎng)（Ext0xnet）開展了對(duì)Bt蛋白的毒理學(xué)研究，并取得了一定的成果：18個(gè)人連續(xù)5天每天服用1 g Bt后，沒有人給予負(fù)面反饋。此外，該蛋白在體外可被人的胃液快速降解。與之相比，傳統(tǒng)農(nóng)藥的化學(xué)成分對(duì)人體有潛在的危害，使用風(fēng)險(xiǎn)更大。其次，細(xì)菌殺蟲劑沒有殘留，這是消費(fèi)者最關(guān)心的問題，尤其是在水果和蔬菜上使用傳統(tǒng)殺蟲劑時(shí)。Bt蛋白雖然在土壤中有一定的持久性，但不隨地下水遷移或滲透。當(dāng)Bt蛋白暴露在陽光下，它很快就會(huì)被紫外線破壞。研究數(shù)據(jù)表明，Bt作物對(duì)非目標(biāo)土壤生物沒有不良影響，盡管這些生物接觸的Bt量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于作物自然生長條件下的接觸量。

3 細(xì)菌殺蟲劑的缺點(diǎn)及可能的解決方案

雖然細(xì)菌殺蟲劑有很多優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些缺陷。首先，由于技術(shù)不成熟，其應(yīng)用范圍不廣，未來需要在生產(chǎn)、配方等方面進(jìn)行更深入的研究，以促進(jìn)細(xì)菌殺蟲劑的商業(yè)化。而且，細(xì)菌農(nóng)藥的藥效受環(huán)境條件的影響較大，包括生物因素（宿主條件、營養(yǎng)狀況、病原體）和非生物因素（溫度、濕度、相對(duì)濕度）。細(xì)菌殺蟲劑的殺蟲能力不足通常是由于細(xì)菌難以在其應(yīng)用的環(huán)境中生存和繁殖，因?yàn)槠溥m應(yīng)性在田間條件下受到限制，殺蟲細(xì)菌很難取代根深蒂固的本地微生物群落。

提高殺蟲細(xì)菌在植物環(huán)境中的競爭力是提高其生物防治能力的關(guān)鍵步驟，可以使用不同的策略。一種策略基于細(xì)菌殺蟲劑的營養(yǎng)增強(qiáng)，以促進(jìn)殺蟲細(xì)菌在植物環(huán)境中的繁殖并抑制競爭性微生物的生長。據(jù)報(bào)道，某些化學(xué)物質(zhì)與抑制具有競爭性或拮抗性的土著微生物群的殺蟲劑菌株結(jié)合使用，或在殺蟲劑配方中添加營養(yǎng)素，可以提高細(xì)菌的存活率和適應(yīng)性，并且增強(qiáng)生物防治在幾種真菌植物病原體中的功效。例如，通過添加甘氨酸和吐溫80可以提高熒光假單胞菌對(duì)火疫病的生物防治效率，而對(duì)支鏈淀粉菌的感染潛力沒有影響。類似地，一些在根際中作為啟動(dòng)子的化合物已經(jīng)被用于選擇性地誘導(dǎo)有益基因的原位表達(dá)，例如脯氨酸在熒光假單胞菌菌株中的作用。另一種策略是改變細(xì)菌殺蟲劑的生理?xiàng)l件，以使其適應(yīng)自然環(huán)境（包括土壤，根際，葉際）后的不利狀況，例如通過物理或化學(xué)方法誘導(dǎo)細(xì)菌突變，培養(yǎng)耐熱或耐寒細(xì)菌。此外，目前使用的細(xì)菌殺蟲劑只針對(duì)有限數(shù)量的害蟲，因此需要不斷尋找新的生物分子。為提高已知細(xì)菌殺蟲劑的效率，還可以應(yīng)用幾種創(chuàng)新的方法，例如重組DNA技術(shù)。

4 結(jié)語

由于傳統(tǒng)化學(xué)殺蟲劑的缺點(diǎn)，微生物殺蟲劑越來越受到人們的重視。而細(xì)菌殺蟲劑是目前應(yīng)用最廣泛、發(fā)展最快的微生物殺蟲劑，它可以通過細(xì)菌的代謝物或致病菌本身殺死害蟲。本文以蘇云金芽孢桿菌、日本金龜子芽孢桿菌和球形芽孢桿菌為例說明細(xì)菌殺蟲劑的具體作用機(jī)制。此外，本文還分析了細(xì)菌殺蟲劑的優(yōu)勢，并與傳統(tǒng)化學(xué)農(nóng)藥進(jìn)行了比較。然而，細(xì)菌農(nóng)藥也存在著環(huán)境要求高、技術(shù)不成熟等缺點(diǎn)，這些問題需要結(jié)合基因工程等新技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的研究來改善。