Biotechnológia és környezetvédelem SpringerLink

Összegzés

A környezetbarát kártevőirtás aggályai egyre inkább olyan mikroorganizmusok felkutatásához vezetnek, amelyek antagonistaként alkalmazhatók az úgynevezett káros rovarok ellen, vagy amelyek anyagcseretermékei alkalmasak új hatóanyagként.

Németországban mintegy 10 000 települési szennyvíztisztítót működtetnek biológiai tisztítási szakaszban.

Németországban évente 7,6 millió tonna biohulladékot használnak fel a biológiai újrahasznosító üzemekben.

Összességében a biomassza felhasználásának villamosenergia-termeléshez való hozzájárulása az 1990-es 222 GWh-ról 2003-ban 5140 GWh-ra emelkedett.

„Piros biotechnológia” (Egészségügyi biotechnológia): Állítólag a biotermékek (fehérjék, antitestek, enzimek) már rendelkeznek piaci részesedéssel a gyógyszeripari termékekben

Az új fejlesztések 20% -ának és 50% -ának bioterméknek kell lennie.

„Zöld biotechnológia”: A körülbelül 20 évvel ezelőtt megkezdett géntechnológiával módosított növények használata 2004-ben az USA-ban elérte a kukorica 45% -át, a szója 86% -át és a gyapot 76% -át. A jelenlegi fejlesztések célja a növények (és állatok) felhasználása a gyógyszeripari termékek és az ipari nyersanyagok költséghatékony előállításához.

„Fehér biotechnológia”: A biotechnológia használata a fenntartható, jövőbiztos kémia („zöld kémia”) építőelemeként és alkalmazása az élelmiszeriparban. A termékek közé tartoznak az ömlesztett és finom vegyszerek, az élelmiszerek, valamint az élelmiszer-adalékanyagok és takarmány-adalékanyagok, a mezőgazdasági és gyógyszerészeti prekurzorok, a feldolgozóipar számára szolgáló segédanyagok, például a technikai enzimek és a bioüzemanyagok. Az előrejelzések szerint 2010-re az egész vegyipar értékesítésének mintegy 20% -át a fehér biotechnológia használatának kell tulajdonítani.

„Szürke biotechnológia”: Ma a környezeti diagnosztika csatlakozott a fent említett környezetvédelem területéhez.

A biotechnológia minden területe közvetlenül vagy közvetve kapcsolódik a környezet szempontjából releváns területekhez.

18.1 Biológiai kártevőirtás

18.1.1 Bioinszekticidek

Mikroorganizmusok, vírusok és metabolitok, mint bioinszekticidek

Bacillus thuringiensis (B. t.)

Lepidoptera hernyók, pl. Arany fiatalok, káposzta fehér pillangó

B. t. subsp. thuringiensis, β-exotoxint termelő törzsek

Röpcök, például a Musca domestica

Bogár lárvák, például Colorado bogarak

Szúnyoglárvák, például Anopheles, Aedes fajok, réti kígyók

Japán bogárcsutka (Popillia japonica)

Zsizsik, például fekete zsizsik, kéregbogár

Molylepke (Cydia pomonella)

Cigánylepke (Lymantria dispar)

Levélbányászó dipterák vagy nedvszívók, atkák

Lepidoptera, Diptera, Blattodea, Coleoptera

a A rovarvírus neve a rovarok latin nevéből és a vírustípus rövidítéséből származik

18.1.1.1. Bacillus thuringiensis és B. sphaericus

Bacillus thuringiensis a legjobban vizsgált rovar patogén baktérium. Japánban már 1901-ben izolálták, mint selyemhernyókban Sotto-kórt (álmosságot) okozó bakteriális kórokozót. A lisztmoly hernyóbetegség kórokozójaként 1911 óta ismert.

Az endospórák kialakulása során a Bacillus thuringiensis toxinokat termel kristályok formájában, amelyek a Lepidoptera (lepkék) széles körét érintik, más állatokat és embereket azonban nem. További alfajokat találtak, amelyek patogén hatást gyakorolnak a Dipterára (kétszárnyú: szúnyogok, legyek) és néhány Coleopterára (bogarak). Ma már ismerjük azokat is, amelyek hatékonyak a Hymenoptera (hymenoptera, pl. Méhek, darazsak és hangyák), Homoptera (cicadas, levéltetvek), Orthoptera (szöcskék és tücskök), Mallophaga (állati tetvek, például szőr és toll tetvek), fonálférgek (gömbférgek és gömbférgek) ellen., Atka és protozoonok (18.1. Táblázat).

a A parakristályos δ-endotoxin sematikus ábrázolása a Bacillus thuringiensis sejtjeiben és a protoxin intermedierek specifikus proteázok általi aktiválása a hernyók belében a toxikus peptid kialakulásához, b Csatlakozás a receptorhoz, a toxin átrendeződése és pórusképződés, c A β-exotoxin szerkezete a természetes nukleozidhoz képest

A kristály feloldódása a hernyó közepén (pH> 9,5),

a protoxin N- és C-terminális részének proteolitikus hasítása a belbél proteázok által,

Az aktivált toxin kötése a középbél hámsejt membránjában lévő receptorhoz,

A toxin integrálása a membránba, így ioncsatornák vagy pórusok keletkeznek, és a bél hámsejtjeinek sejtmembránja visszafordíthatatlanul károsodik, és

A bélgát lebontásával a baktériumspórák bejutnak a szervezetbe, csíráznak és szeptikémiát okoznak.

Az elsődleges káros hatás tehát a δ-endotoxinból származik. A Bacillus thuringiensis csak enyhén fertőző, ezért járványosan nem terjed. A Bacillus thuringiensis készítményeket ezért biopeszticidként használják, hasonlóan egy kémiai rovarölő szerhez, és így különböznek a biológiai kártevők elleni védekezés eszközeitől, amelyek autokatalitikusan terjednek a kártevő rovar populációban, amíg az egyedek száma nem lesz túl alacsony az átvitelhez.

A δ-endotoxin mellett néhány egyéb Pathovars thuringiensis törzs képez más exotoxinokat, például kis molekulatömegű β-exotoxint. A szokatlan nukleotid szerkezetét a 18.1c. Ábra mutatja. A DNS-függő RNS-polimeráz antimetabolitja. Mivel hatása nem specifikus, gerincesekre is hat. Azokat a törzseket, amelyek a δ-endotoxin mellett termelik a β-exotoxint, hatóanyagként tesztelték a légyszarka ellen. A készítményeket hozzáadjuk a szarvasmarha-takarmányhoz, akut károsodás nélkül átjutnak a beleken, és így azok a ürülékbe kerülnek, amelyben a légyminták.

A Bt készítményeket 1964 óta engedélyezik növényvédő szerekként Németországban, és különféle néven vannak forgalomban. Elsősorban kukorica-, burgonya-, zöldség- és gyümölcstermesztésben használják őket. Ezek nagyobb jelentőséggel bírnak az ökológiai gazdálkodásban. A kereskedelemben kapható Bt készítmények szárított baktériumspórákból és kristályos toxinból állnak. A fermentorban egyszerű közegben tenyésztett baktériumokat elválasztjuk a tápközegtől, és ragasztókkal és könnyű stabilizátorokkal állítjuk elő. A sikeres felhasználáshoz figyelembe kell venni, hogy csak az étkezési hernyók vagy lárvák fogyasztják el a készítményeket.

Ha összehasonlítjuk a Bt-készítmények hatásának sebességét más rovarölő szerekkel, akkor világossá válik, hogy hosszabb időre van szükség, mielőtt a bioinszekticid hatni kezd.

A géntechnológia segítségével a δ-endotoxin termelésének képességét átterjesztették a rizoszféra baktériumokra, például a Pseudomonas fluorescensre, a talajférgek elleni küzdelem céljából.

A Bacillus thuringiensis-ből izolált Bt toxin géneket (kiáltás) növényekre vittük. Ezek most maguk állítják elő a kártevőkre mérgező hatóanyagot. A Bt gének különféle variánsait használtuk géntechnológiával módosított rovarrezisztencia, például cry1Ab, cry1Ac és cry9c előállítására kukoricában. Ezek hosszában és az alkalmazott promóterekben egyaránt különböznek. A Bt génváltozattól függően a transzgénikus kukoricafajták mind a Bt toxin mennyiségében, mind a növényben való eloszlásában különböznek. Az első kereskedelmi forgalomban termesztett Bt kukorica növények a növény minden részében (pollen, szárak, kukoricacsutka) magas Bt toxint tartalmaznak, ami magasabb volt, mint ami a kívánt hatás eléréséhez szükséges. Az újabb Bt kukoricafajták nemcsak alacsonyabb Bt toxinmennyiséget termelnek, hanem csak ott, ahol szükség van rájuk, vagyis a szárba. Ezt úgy érik el, hogy a kiáltó géneket olyan szövet-specifikus promóterekkel látják el, amelyek csak a növény bizonyos részeiben "indulnak".

A kukorica esetében a Bt koncepció különösen vonzónak tűnik, mivel ez az első, amely az európai kukoricabogárral küzdött megengedi a növénynek. A Bt gének nemcsak a kukoricában, hanem a gyapotban vagy a burgonyában más variánsokat hordoztak.

2004-ben GMO-növényeket (GMO = géntechnológiával módosított szervezetek) szüreteltek világszerte 81 millió hektár területen. Ennek 19% -át a rovarrezisztens Bt növények, további 9% -át a herbicid és a rovarrezisztencia kombinációja okozta. A herbicid-rezisztencia a domináns tulajdonság 72% -nál.

Az Egyesült Államokban a Bt kukoricatermesztés 2004-ben 10 millió hektár volt, és a kukorica termesztésének mintegy 45% -át tette ki. Más országok, ahol a Bt kukoricát termesztik, Argentína, Kanada, Spanyolország és Dél-Afrika.

A Bt gyapotot 2004-ben az Egyesült Államokban mintegy 2,5 millió hektáron termesztették, ami a megművelt terület mintegy 76% -át tette ki. A Bt pamutot Argentínában, Ausztráliában, Kínában, Indiában, Indonéziában, Mexikóban és Dél-Afrikában is termesztik.

Körülbelül 30 növényfajon dolgoznak azon, hogy Bt gének átadásával rezisztenciát teremtsenek a különféle tápláló rovarokkal szemben.

A Bt toxin egyik előnye a hatás pontossága (specificitás). Megtámadja az adott kártevőket és megkímél más állatokat, különösen a jótékony rovarokat. Az elvárások nem mindig tűnnek igaznak. Idővel az etető rovarok ellenállást fejtenek ki a felhasznált rovarölőkkel szemben. A klasszikus Bt készítményekkel ez néhány esetet leszámítva még nem történt meg. Félő azonban, hogy a Bt növények nagyüzemi termesztése felgyorsítja a rezisztencia kialakulását: „Mivel a hatóanyag a teljes vegetációs időszakban jelen van a génnövényekben, a kártevők könnyebben kialakíthatják a rezisztenciát, mintha a gazdák csak alkalmanként permeteznék az inszekticidet. „Az USA-ban a Bt növények termesztését kötelező rezisztenciakezelés kísérte. Eszerint a Bt-toxint nem tartalmazó hagyományos fajtájú földrészeket menedékhelyként kell ültetni annak elkerülése érdekében, hogy a „vad növények” „BT-növényekké” váljanak.

A szúnyog-patogén baktériumok az 1960-as évek óta ismertek, amikor ők voltak a Bacillus sphaericus első izolátumai larvicid tulajdonságokkal fedezték fel. Felnőtt fekete legyek izolátumait 1980 körül találták meg Nigériában, amelyek a Bacillus thuringiensis subsp. Az israelensis kiemelkedő fontosságot ért el a szúnyogok és a fekete legyek biológiai védekezésében.

A B. thuringiensishez hasonlóan a B. sphaericus toxikus hatása is paraszporális fehérjekristályok képződésén alapul, amelyek a B. sphaericusban egy membránnal borított "spórakristály-komplexben" helyezkednek el. Szemben a B. t. subsp. Az israelensis B. sphaericus bináris toxint tartalmaz, amely két fehérjéből áll, amelyek molekulatömege 51,4 és 41,9 kDa. Mindkettő szükséges a szúnyog-toxikus hatáshoz. A bináris toxinok hatásmechanizmusa megalapozott, hasonlóan a B. t. subsp. izraelensis, a receptorokhoz való kötődéskor. A vegetatív B. sphaericus sejtekben más, legfeljebb 100 kDa molekulatömegű toxinok (Mtx toxinok) is előállíthatók. Ezek az Mtx toxinok mérgezőek a szúnyoglárvákra is, de sem a bináris toxinok, sem a B.t. subsp. israelensis homológ.

Az elmúlt években a B. sphaericus jelentősége megnövekedett, főként speciális aktivitási spektruma és képessége miatt, hogy bizonyos körülmények között újrafelhasználható vagy fennmaradhat. Az újrafelhasználás hosszú távú hatást eredményezhet, ami megnöveli az újbóli kezelések időintervallumát.

A célszervezetek a különféle szúnyognemzetek képviselői, például az Aedes, az Anopheles és a Culex. Azonban a nemzetségen belül nagy különbségek vannak a fajok közötti érzékenységben. Egyes szúnyogfajok, főleg Culex fajok, de néhány Anopheles faj is különösen érzékeny a B. sphaericusra, míg más fajok, például az Aedes aegypti szinte érzéketlenek. A B. thuringiensis subsp. az israelensis nem pusztítja el a fekete legyek B. sphaericus lárváit.

A B. sphaericus fehérjetoxinok ártalmatlanok a melegvérű állatokra és más nem célszervezetekre.

18.1.1.2. Biozinekticidek Actinomycetesből

Aktív összetevők az aktinomycetes rovarok ellen

Az abamektin főleg tápláló hatást mutat. Az érintkezési aktivitás meglehetősen korlátozott a levélfelületek gyors oxidatív lebonthatósága miatt. Az abamektin felezési ideje kevesebb, mint 4 óra. A rovarok fiziológiai hatásmódja a neurotranszmitter γ-aminovajsav felszabadulásának stimulálásán keresztül megy végbe az idegek/izomlemez sejtjeinek gátlásában, ami az izomösszehúzódás tartós elnyomásán keresztül bénuláshoz vezet. A toxikus dózis bevétele után néhány órán belül jelentkezik, visszafordíthatatlan és végzetes.

Az abamektin hatékony a rovarkártevők minden olyan stádiumában, amelyek növényi szöveteket esznek vagy növényi nedveket szívnak, de nincs ovicid hatása. A legfontosabb célszervezetek az atkák és a levélbányászó dipterák. Az abamektin a kezelés után nagyon gyorsan felszívódik a levélbe, ahol védve van az UV-sugárzás lebomlása és az eső által történő lemosás ellen. Mivel az abamektin nagyon erősen kötődik a talaj részecskéihez, mozdulatlan a talajban, és nem mutat kimosódást. Nem bioakkumulálódik, és a talajban lévő mikroorganizmusok gyorsan lebontják. Oldhatatlan vízben. A növények lebontása főleg a levél felületén történik fotolízissel.

A rovarölő szerek hatásának sebessége