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国内外生物农药发展与展望

     我国是一个农业大国,每年农作物病虫草害受害面积大约2亿公顷(次),每年需要生产和使用农药约25万吨(有效成份)。生物农药具有生产原料来源广泛,对非靶标生物安全、毒副作用小、对环境兼容性好等特点,已成为全球农药产业发展的新趋势。

        1  生产规模

        我国目前大约有200家生物农药生产企业。2004年登记的生物农药活性成分品种为140种,占我国农药总有效成分品种的15%;产品411个,占注册登记农药产品的8%;年产量12~13万吨制剂,约占农药总产量的12%;年产值约3亿美元,占农药总产值的10%左右,使用面积约4亿多亩次。目前,每年新研制成功和登记注册的生物农药品种以4%的速度递增。

        我国生物农药主要品种有Bt杀虫剂、农用抗生素、植物源农药、转基因植物、病毒类农药、真菌类农药、植物生长调节类农药,大宗产品仍以井岗霉素和Bt为主,从品种、剂型、质量和数量上与发达国家相差甚远,还远远不能满足国内外市场的需求。在2001年国家计委高技术产业化示范工程项目中,天然植物源杀虫剂菊酯、年产6000吨“武大绿洲”系列生物病毒杀虫剂、真菌生防制剂、复合微生物活菌制剂和年产5000吨的寡聚糖生物农药5个生物农药项目获得批准。2002年又批准年产3000吨“安徽奥绿”系列生物病毒杀虫剂、年产1万吨宁南霉素、线虫生防制剂和年产3  万吨固体发酵Bt等生物农药项目。 


        2  国内外研究热点及趋势

        中国生物农药的研究起始于50年代初,目前已拥有30余家生物农药研发方面的科研院所、高校、国家及部级重点实验室,以及具备一定工作条件的研究单位,在生物农药的资源筛选评价、遗传工程、发酵工程、产后加工和工程化示范验证方面已自成体系。

        生物农药的主要发展趋势为:以基因重组为核心的战略高技术竞争日趋激烈,关键技术创新显著加快,最新分子生物学手段越来越多地被应用到生物农药研发中去,转基因生物农药新品种不断涌现;其研发和应用向更安全和更环保方向发展;产品更新换代速度加快,生物农药产业已成为涉农工业最具前景的发展领域。

        通过研发安全、高效、环境友好型的、多功能的生物农药新品种,突破生物农药基因工程与发酵工程关键技术,对生物农药的制剂加工、产品质量、环境行为等一系列问题开展研究,为保障农产品安全,保护人类生态环境,实现农业生产的可持续发展。

        2.1  细菌、病毒类杀虫剂

        国内外主要以苏云金杆菌(Bt)为主。Bt杀虫剂研究在我国始于50年代,年产量约4万吨,但与发达国家相比,我国产品的发酵和制剂水平仍存在相当大的差距。国外生产已广泛采用高效广谱的工程菌株,发酵水平较高,发酵产品回收率高;剂型多样,有粉剂、可湿性粉剂、悬浮剂、浓水剂、油乳剂、乳油、颗粒剂、片剂、ES(Emulsifiable  suspension)、缓释剂、生物包被剂等。而国内大部分生产菌株为Bt苏云金杆菌(Bt)k类型,产品剂型仅有可湿性粉剂、悬浮剂2种;液体发酵工艺主要采用批式发酵技术,后提取技术采用离心浓缩工艺,导致发酵液中增效因子等有效成分大量损失。此外,我国目前的喷雾干燥设备也制约了产品回收率的提高。采用基因工程技术构建药效稳定,防治面较广的Bt工程菌剂,是当前Bt生物农药发展的新趋势。

        对目标害虫有持续控制效果的昆虫病毒杀虫剂的研究始于70年代。上世纪棉铃虫的暴发,促进了棉铃虫核型多角体病毒杀虫剂的发展。我国登记注册的15个病毒杀虫剂中有12个是棉铃虫核型多角体病毒,可见目前我国昆虫病毒杀虫剂品种单一。

        新型杀虫微生物制剂:以叶甲类鞘翅目害虫、甜菜夜蛾等鳞翅目害虫为主要防治对象,进行高效广谱Bt制剂的研制和应用研究。充分利用我国极其丰富的微生物资源,分离有自主知识产权和重要应用价值的新的抗虫和抗病蛋白基因。通过杀虫蛋白基因组合,分子进化、不同结构域中氨基酸定点诱变、融合、互换等分子设计手段进一步提高杀虫毒力,扩大杀虫谱。

        2.2  农用抗生素

        我国农用抗生素占生物农药总产量的90%,但具有自主知识产权实用化的新农抗品种较少。20世纪90年代以来,国内先后筛选报道了一些具有自主知识产权的新农抗品种,其中杀虫抗生素有戒台霉素,杀菌抗生素有宁南霉素等,但目前已实用化的品种仅宁南霉素一种。我国目前杀虫、杀菌抗生素类农药29种,120个产品,生产厂家约100个,年产制剂8万多吨,是生产农用抗生素的大国,  但至今尚未创制出有影响力的新农抗品种。从世界范围看,20世纪80年代发现最有影响力的新的杀虫抗生素Avermectin和除草抗生素Phthoxazollin,90年代发现最有影响力的新的杀虫抗生素Spinosad和杀菌抗生素Strobilurin。其中Avermectin被美国默克等公司开发成目前世界上最好的产品,Phthoxazollin被作为先导化合物合成出目前最好的除草剂-草甘膦系列;Spinocad和Strobilurin正在开发中,有望成为世界上最好的生物杀虫剂和杀菌剂。

        我国“九五”期间登记的宁南霉素,其发酵工艺尚需进一步完善。中生菌素对水稻白叶枯等多种细菌性病害防效显著,目前尚只有水剂和可湿性粉剂两种,还不能满足不同作物和不同生态环境应用需要。

        研制一些针对性强的化学修饰技术,重点改造一些天然的农用抗生素的结构,以增加其用途或提高其药效;加强老品种的研发,通过代谢工程显著提高井冈霉素、南昌霉素和梅岭霉素等的产量,使井冈霉素产生菌的产量超过现有工业生产菌株;通过基因簇系列敲除获得只产生南昌霉素或只产生梅岭霉素的工程菌;利用丰富的抗生素基因资源,通过组合生物合成定向获得新活性衍生抗生素。利用发酵工程技术研究农用抗生素发酵代谢规律,获得大幅度提高发酵水平的新工艺和新剂型加工工艺。

        近几年来对海洋微生物、昆虫病原细菌肠道微生物的研究获得了一定进展,这两类特异生境的微生物能产生特异杀虫或抑菌代谢物。结果表明,嗜线虫致病杆菌北京变种产生的异香豆素衍生物对马铃薯晚疫病、番茄晚疫病、白粉病等重要病害有较好的控制作用。

        2.3  真菌类制剂

        昆虫病原真菌对解决害虫的抗药性问题极具潜力。自20世纪80年代后期以来,国外已有40多个真菌杀虫剂注册登记且大面积应用。开展昆虫病原真菌资源收集、毒力菌株筛选、杀虫真菌侵染机理以及利用基因工程进行毒力菌株改造等方面的研究工作。通过农杆菌介导转化真菌技术,将克隆到的分解昆虫外壳的蛋白酶和几丁酶基因导入白僵菌。筛选对蚜虫等刺吸式害虫防治效果明显提高的重组菌株。建立以蜕皮激素(Ecdysone)为诱导物的调控系统,筛选能在较低湿度与不同温度下促进杀虫真菌孢子萌发与侵染、提高杀虫真菌货架寿命的辅助剂,基因工程技术已成为高效的杀虫真菌菌株选育手段。

        在杀虫真菌农药中,白僵菌研究历史最长,研究队伍最大,每年应用于防治松毛虫和玉米螟面积达1千万亩以上,杀菌真菌农药主要有木霉菌等。自上世纪30年代发现木霉菌对植物病害的防治作用以来,它是研究最多,应用面积最大的真菌杀菌剂,目前产品主要是采用液固两相发酵生产分生孢子。20世纪90年代末期,美国研究出的液体发酵产厚垣孢子工艺有望为木霉菌产业化提供新途径。开展木霉菌产厚垣孢子调控机制研究,进行担子拟青霉等高效菌株筛选和工程菌株的构建,为真菌发酵工艺突破提供技术支持。

        2.4  新型植物激活蛋白

        有关激发植物免疫抗病和增产作用的蛋白激活剂的研究,已引起国内外的广泛关注和重视。2000年由美国EDEN公司从细菌源过敏蛋白中开发出的康壮素(Messenger)农药产品,在美国获得登记,被EPA列为免检残留的农药产品,准许在所有作物上使用。现已在美国、墨西哥等国的烟草、蔬菜和水果上广泛应用。2004年经我国农业部农药检定所(ICAMA)审定通过,康壮素取得了农药临时登记证,首批推荐在番茄、辣椒、烟草和油菜上使用。

        目前国内正在研发的有Activator和HarpinXo,目前我国已成功分离和获得了多个植物激活蛋白基因工程菌株。田间试验表明,激活蛋白农药对多种植物病毒病害防效可达70%和增产10%以上,  2004年该成果已通过了农业部成果鉴定,达到同类研究的国际先进水平。

        2.5  生物化学及新型激发子类农药

        上个世纪80年代,学者们发现来源于真菌及植物细胞壁的甲壳素等物质能开启植物中多种信号传导途径,作为一类全新的生物激发子(含寡糖、糖蛋白、多肽和脂肪酸等类物质)生物化学农药的研发、生产及应用已引起国外科技界及国际跨国大公司的高度关注。中国具有丰富的寡糖等生物激发子的资源及研发优势,应高度重视,寡聚糖生物农药不但能十分有效地控制烟草花叶病(防效72%)等多种农作物及经济作物病害,同时可明显提高产量10%~30%。

        最新昆虫生化(消化)酶抑制剂研究表明:小分子蛋白和有机脂肪酸(透明质酸)对昆虫生化(消化)酶具有强烈的抑制作用导致昆虫死亡,还具有兼抗线虫、真菌、细菌和病毒的作用。 


        3  大力发展生物农药可行性分析

        (1)具有丰富的生物资源。我国是一个生物资源大国,拥有全球10%的生物遗传资源。据不完全统计,我国拥有动植物、微生物约26万种,还有着其他国家少有的丰富的人类遗传资源。目前我国保存的农作物种质资料种类达30余万份,位居世界第一,为我国发展生命科学与生物技术提供了丰富材料。这种优势是不可替代的,也是具有独占性的。

        (2)  环境保护和市场需求。据农业部统计,我国农作物病虫害常年发生面积60亿亩左右,每年损失粮食1600万吨,每年需要生产和使用80多万吨化学农药制剂。其中80%为高毒农药,导致20%以上果蔬和10%以上粮食农药残留超标。因此,发展生物农药产业对保证农业可持续发展、保障人们的生命与健康、保护生态环境都十分重要,将为我国农产品出口创造十分有利的条件,极大地增强我国农产品的国际竞争力。我国规划到2015年生物农药占所有农药的份额将由现在的10%增加到30%。

        针对中国入世,发达国家纷纷调整提高了产品进口的技术门槛,农产品受到的影响首当其冲。欧盟于2003年12月31日起正式禁止320种农药在欧盟销售,其中涉及我国产农药达60多个品种,其中杀虫剂31种,其它为杀菌剂和除草剂等,此类农药在我国的生产量和使用范围已具有一定规模。因此,生物农药的研制已成为当务之急,其研发将有效地实现农产品的优质安全生产,提升农产品的经济附加值,扩大我国农副产品外销市场,推进绿色农业产业的发展。

        (3)研究队伍不断成长。在生物农药技术领域,我国形成了一支水平较高的研发队伍和相当的工作基础,创新和开发能力不断增强。目前,我国有30多家生物农药研究机构,约200家生物农药生产企业,生物技术研发人员有2万人,每年还有约4600名生物技术专业的大学生和研究生毕业加入这一行列。在生物技术研究开发方面已经形成了一个初具规模和有一定竞争力的研究队伍。  

        (4)  政府政策的支撑。我国政府非常重视发展无公害农业生产技术。1996年《中国21世纪议程》将生物农药的研发列入首批入选项目。1998年,《2116工程项目》也将生物农药、微生物肥料、植物生长调节剂和微生物降解制剂列入首批重大项目发展规划。中国绿色食品发展中心和有机食品发展中心也相继成立。北京、福建等省市已建立无公害生产条例,明确规定蔬菜生产禁止使用剧毒和部分高毒农药。 

        4  我国生物农药发展方向及需要解决的问题

        生物农药在我国整个农药行业中所占份额相当有限,与发达国家相比还有较大差距。

        针对目前我国生物农药发展存在的突出困难和问题,建议:一是从经济和社会效益双重角度考虑其发展前景,对生物农药的发展给予政策倾斜,加大研发资助,对企业减免税费等,而对剧毒、高毒、高残留的化学农药应该禁止或限制使用。二是应当推动资源优势整合,集成创新,在全国形成若干个既具有开发能力又能规模生产的大型生物农药企业,逐步形成多品种结构的生物农药产业发展格局。三是企业和农技部门共同努力,加强对生物农药的技术推广,使农民能够熟练掌握生物农药的使用技术。
日期:2009-4-25 阅读:2354次
 
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