Новые технологии, основанные на природных химикатах, открывают более безопасные для окружающей среды способы борьбы с вредителями, которые поедают нашу пищу и наносят вред нашему здоровью.
В 1940-х годах ученые открыли способность синтетических химических соединений, включая ДДТ, хлордан и линдан, убивать насекомых. Такие продукты были дешевы в производстве и очень эффективны для защиты урожая и борьбы с болезнями, переносимыми насекомыми. Но к 1960-м годам стало очевидно, что эти химические вещества, которые могут сохраняться в природе еще долгое время после первоначального использования, накапливаются в окружающей среде. Более того, многие из них были опасны для птиц, рыб, рептилий и млекопитающих.
Многое из этого стало известно благодаря разоблачительной книге Рэйчел Карсон «Безмолвная весна», опубликованной в 1962 году, но ученые уже начали искать менее токсичные альтернативы борьбе с вредителями. Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли и Калифорнийского университета в Риверсайде определили в 1959 году принципы того, что позже будет названо комплексной борьбой с вредителями (IPM) - экологически чувствительный подход к борьбе с насекомыми и другими вредителями, основанный на сочетании инструментов.. Сегодня биопестициды являются частью набора инструментов IPM.
Биопестициды - это пестициды, изготовленные из веществ, встречающихся в природе, которые представляют собой менее токсичную альтернативу искусственным химическим веществам. Как класс они использовались в течение долгого времени, но большинство традиционных биопестицидов не могли конкурировать с синтетическими пестицидами по стоимости и эффективности. Исследователи по всему миру работают над тем, чтобы изменить это, манипулируя химическими веществами, содержащимися в растениях, животных, бактериях и грибах. Они открывают новые способы использования природного арсенала для создания лучших биопестицидов и, таким образом, уменьшают потребность в менее экологически безопасных средствах борьбы с вредителями.
Нишевый рынок
Многие новаторские исследования биопестицидов были сосредоточены на феромонах насекомых - химических веществах, которые насекомые используют для общения друг с другом, - говорит Джим Сейбер, почетный профессор пищевой науки и экологической токсикологии Калифорнийского университета в Дэвисе. Использование этих химикатов для изменения поведения насекомых при распылении на сельскохозяйственные культуры или в качестве ловушек-приманок, например, работало в некоторой степени, но не так хорошо, как синтетические инсектициды. «Большинству людей нравятся мгновенные результаты, - говорит Зайбер. «Вы можете распылить ДДТ, увидеть мертвых насекомых и сосчитать их. Вы не сможете получить такие же результаты с биопестицидами».
В результате биопестициды стали нишевым рынком, на который сегодня приходится примерно 3 процента мирового годового рынка пестицидов. Однако было несколько успешных коммерческих проектов. Например, популярный инсектицид спиносад был получен из почвенных бактерий, обнаруженных на заброшенном заводе по производству рома в 1980-х годах.
Большинству людей нравятся мгновенные результаты. Вы можете распылить ДДТ и увидеть там мертвых насекомых и сосчитать их. Вы не сможете получить такие же результаты с биопестицидами.
К 1990-м годам ученые документировали растущие проблемы с синтетическими материалами. Некоторые из них использовались настолько широко, что у насекомых выработалась резистентность. Биохимик Гленн Кинг обратился к паукам в поисках потенциального решения.
«Пауки - профессиональные убийцы насекомых», - говорит Кинг, профессор Университета Квинсленда, Австралия. Яд пауков, скорпионов, змей и других хищных животных содержит смесь биологически активных соединений, называемых пептидами. Эти маленькие молекулы убивают добычу различными способами. Некоторые влияют на нервную систему. Другие повреждают клетки и повреждают живые ткани в других частях тела. Некоторые специфичны для определенных животных-жертв.
Идея заключалась в том, что, в отличие от искусственных химикатов, ядовитые пептиды не оставляют остатков, которые могут сохраняться в окружающей среде годами, а поскольку они нацелены на определенные виды насекомых, они не причинят вреда рыбам, рептилиям, птицам. или млекопитающие. Кинг обнаружил несколько молекул в яде воронкового паука австралийских Голубых гор, которые могут убивать определенных насекомых, но не причиняют вреда другим насекомым или позвоночным. В 2005 году он основал биотехнологическую компанию Vestaron, чтобы превратить эти небольшие молекулы в биопестициды, которые фермеры могли бы использовать для защиты своих культур. Идея заключалась в том, что, в отличие от химических веществ, созданных человеком, пептиды яда не оставляют остатков, которые могут сохраняться в окружающей среде в течение многих лет, и, поскольку они нацелены на определенные виды насекомых, они не причинят вреда рыбам, рептилиям, птицам или млекопитающим.
В июле компания Vestaron из Мичигана начала продавать свой первый биопестицид, полученный из этих пептидов. Spear-T убивает тлю, клещей, трипсов и белокрылок - обычных вредителей овощей и декоративных растений, выращиваемых в теплицах. Генеральный директор Анна Рат говорит, что Vestaron планирует в ближайшие несколько лет вывести на рынок семейство биопестицидов на основе пептидов для использования на полевых культурах.
Компания также обращается к бактериям, чтобы помочь расширить области применения их продуктов, говорит Рат. Недавно компания вставила ген для производства пептида, убивающего гусениц, полученного из яда паука, в белок, полученный из бактерии под названием Bacillus thuringiensis (Bt). Когда гусеницы жуют листья, опрысканные продуктом, они съедают немного белка, который проделывает крошечные отверстия в их кишечнике, помогая увеличить проникновение инсектицидного пептида.
Ботаники и грибы
Другие исследователи работают над манипулированием химическими веществами из растений и грибов для создания лучших биопестицидов.
В течение последних нескольких десятилетий фермеры по всему миру использовали эфирные масла, в том числе масло нима - экстракт азиатского дерева нима - в качестве инсектицидных растительных средств. Эфирные масла, включая ним, быстро разлагаются в природе. Это делает их экологически безопасными, но не очень эффективными. Недавно ученые начали экспериментировать с инкапсулированием этих растительных компонентов в наночастицы, которые могли бы помочь защитить активные соединения от быстрого распада - идея, которая была успешно опробована с некоторыми лекарствами в человеческом организме.
Грибы являются еще одним особенно многообещающим источником биопестицидов. Многие эволюционировали, чтобы паразитировать на определенных насекомых-хозяевах, изобретая ужасные методы для их уничтожения.
Грибы являются еще одним особенно многообещающим источником биопестицидов. «Они являются основными возбудителями болезней в природе», - говорит Рэймонд Джон Сент-Леджер, энтомолог из Университета Мэриленда. Многие эволюционировали, чтобы паразитировать на определенных насекомых-хозяевах, изобретая ужасные методы для их уничтожения. Например, некоторые муравьиные грибы превращают своих хозяев в зомби, заражая мозг муравья и заставляя его перемещаться в область, благоприятную для роста грибка, прежде чем убить его и выпустить грибковые споры через верхнюю часть головы муравья.
Эта природная специфичность является благом, потому что это означает, что ученые могут искать грибок с определенным кругом хозяев - например, тот, который убивает кровососущих мух, но не пчел или бабочек, говорит Сент-Леже.
Но грибки работают медленно, поэтому Сент-Леже и доктор философии Университета Мэриленда. Кандидат Брайан Ловетт работает над способами генетически модифицировать грибы для более быстрого уничтожения. Они и другие коллеги вставили гены ядовитых пептидов пауков и скорпионов в грибы. Они перенесли свой эксперимент в Африку, где проверяют его эффективность в аэрозольной форме на комарах, вызывающих малярию, в вольере, специально построенном для предотвращения случайного выброса.
Вызовы остаются
Несмотря на научный ажиотаж вокруг новых технологий биопестицидов, большинство из них еще не опробовано на рынке. Когда дело доходит до использования в сельском хозяйстве, «в конце концов, все, что имеет значение, это то, что думают фермеры», - говорит Кинг.
Ни один исследователь не считает биопестициды идеальной заменой синтетическим веществам ни в сельском хозяйстве, ни в здравоохранении.
«Химикаты будут продолжать играть свою роль еще долгое время», - говорит Сен-Леже, который рассматривает недавние инновации в области биопестицидов как создание новых возможностей для борьбы с вредителями, а не единственное решение. Ни один продукт не предлагает долгосрочного лечения, потому что вредители постоянно развивают устойчивость. Эти биопестициды склонны к резистентности, как и любые другие пестициды, поэтому, если они не используются надлежащим образом и не чередуются с другими формами борьбы с вредителями, они - как и синтетические средства до них - могут способствовать появлению более трудных для уничтожения вредителей.
Если история нас чему-то и научила, говорит Сент-Леже, так это тому, что борьба с вредителями требует постоянных инноваций.