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植物源
 
 
植物提取物作为商业化植物源杀虫剂和“植物产品”防虫的历史、现状和前景

(接6月1号版) 

                         表1  常见的商业化植物源杀虫剂

种(科)

活性成分

商业产品(公司)

作用机制

大蒜(百合科)

硫化合物,如二烯丙基三硫、二烯丙基二硫、甲基烯丙基三硫

AjoNey(ln vernaderos Hidroponicos Neisi,墨西哥);EcoA-Z®, L’EcoMix®或CapsiAlil®(EcofloraAgro,哥伦比亚)

大蒜能驱避靶标鸟和昆虫且对它们无毒

番荔枝(番荔枝科)

多鳞番荔枝辛(番荔枝宁)、去苦味番荔枝子油

ANOSOM®(Agri Life,印度)

作用机制研究显示,董尼酮通过抑制线粒体复合物Ⅲ的活性而具有杀虫和杀真菌作用

印度楝(藜科)

azadirachtin、salannin、nimbin

Molt-X®(BioWorks,Inc.,美国);NeemAzalT/S (Trifolio-M,德国);AZERA (MGK®,美国)

印楝素(和其他四萜类化合物)显著抑制昆虫体内的乙酰胆碱酯酶的活性。乙酰胆碱酯酶-EC是催化神经递质水解,终止神经冲动的关键酶。近期,印楝素被归为抗有丝分裂(细胞分裂的G2/M期)杀虫剂。放射性标记印楝素的研究表明其特异性位于心侧体

辣椒(茄科)

原生物碱,如辣椒素

Hot Pepper Wax(Rincon-Vitova Insectaries,美国); ChileNey(Invernaderos Hidroponicos

Neisi,墨西哥)

辣椒素能引起昆虫代谢紊乱、膜损伤和神经系统衰竭,还具有物理驱虫作用

苦皮藤(卫矛科)

倍半萜吡啶生物碱

CELAN-X SL(Marketing Arm International, Inc,美国)

未确定

甜橙(芸香科)

柠檬烯和芳樟醇

Demize EC(Paragon Professional Pest Control Products,美国);Prev-Am(Oro Agri SA(Pty)Ltd.,南非)

神经毒性作用机制;重要的症状为昆虫多动,然后兴奋过度,快速被击倒而不能动。芳樟醇被鉴定为乙酰胆碱酯酶的抑制剂

除虫菊(菊科)

除虫菊酯(cinerins;

jamolinsand和

pyerethrins)

Spruzit®(Neudorff,德国);PyGanic® Crop Protection EC 5.0或AZERA (MGK®,美国);1.5% Aphkiller AS(北京金博生物科技有限公司,中国)

除虫菊酯通过破坏昆虫神经纤维中钠和钾离子的交换过程,并中断神经传导而发挥其毒性作用。除虫菊酯杀虫剂作用极快,能立即“击倒”昆虫,致其麻痹

Lonchocarpus

spp、鱼藤属(豆科)

鱼藤酮

5%鱼藤酮ME(北京金博生物技术有限公司,中国);Rotenone Dust(Bonide Products,Inc,美国)

鱼藤酮作为细胞呼吸抑制剂(线粒体复合物电子传递抑制剂),导致害虫停止摄食而死亡。死亡发生在暴露后几小时至几天

烟草(茄科)

尼古丁

Nico Dust或Nico Neem(Nico OrgoManures,印度);10%尼古丁AS(北京金博生物科技有限公司)

它与乙酰胆碱(主要的神经递质)竞争,通过与神经突触处的乙酰胆碱受体结合并引起不受控制的神经激发。破坏正常神经脉冲活动,导致昆虫相关功能的丧失

水黄皮(豆科)

水黄皮素、debitterised

DERISION®(Agro Life,印度)

RockEffect(捷克共和国Agro CS a.s.)

水黄皮油是活性物质的混合物,并且难以确定各种提取物或制剂的作用机制。对昆虫的拒食活性最高,但还可用作驱避剂、生长调节剂、产卵(卵沉积)抑制剂或灭菌剂

沙巴藜芦(藜科)

藜芦碱、藜芦定

VERATRAND®(MGK®,美国)

沙巴藜芦含有的生物碱影响昆虫的神经细胞膜的作用,引起神经细胞膜功能的丧失,从而导致神经功能的丧失,昆虫麻痹、死亡

 

  当今常用的另一类商业化植物源杀虫剂是植物精油产品。植物精油被认为是一类适合于开发和生产植物源杀虫剂的植物次生代谢物。目前已知的芳香植物有3000多种,其中约10%在香水和食品工业上分别用作香料和调味剂,人们近期也把它们用于芳香疗法或作为中药。植物精油由单萜、生物酚和倍半萜复杂成分组成,含有几十种物质,主要成分为1~3种物质,它们之间常有协同效应。这一发现为植物源杀虫剂的发展提供重要的理论依据,这不仅可以标准化生产植物源杀虫剂,还可以增强杀虫剂的生物效应。此外,已证实一些芳香族物质可以显著提高合成杀虫剂的杀虫功效,例如将植物精油与拟除虫菊酯混配。市场上已存在几十种以各种植物精油为基础的植物源杀虫剂,每种此类植物源杀虫剂通常含有几种来自不同芳香族植物的植物精油活性物质,因此制造商利用植物精油的协同作用来精确地增强杀虫效果。广泛用于植物源杀虫剂的植物精油来自迷迭香、薄荷、蔺花香矛、银斑百里香、丁香和柑桔,一些获得成功的产品实例见表2。

  植物精油作用十分迅速,不仅具有触杀作用,而且可以通过熏蒸防治贮藏害虫。此外,某些植物精油对包括虫媒昆虫在内的多种昆虫具有显著驱除作用。植物精油及其组分影响昆虫生化过程,干扰其内分泌平衡。它们可能是作为神经毒剂或者是昆虫生长调节剂,干扰昆虫正常的虫态形成。

已对被确定为精油重要组分的几种单萜类化合物(D-苎烯、月桂烯、萜品醇、芳樟醇和吡咯烷酮)对家蝇和德国蜚蠊的神经毒性进行了评估。Singh和Aggarwal发现雪松醇和β-雪松烯对豆象虫有毒性。精油或其组成成分对昆虫和其他节肢动物的作用为神经毒性,最显著的作用症状为昆虫多动,而后兴奋过度,被快速击倒,不动。


                       表2  商业化植物精油杀虫剂产品

商品名(公司)

植物精油含量/%

推荐用途

昆虫驱避剂

(Eco SMART®,美国)

迷迭香0.5、肉桂叶0.5、柠檬草0.5、香叶醇(1.0)

驱逐蚊子、壁虱、蠓虫

杀旅行臭虫剂

(EcoSMART®,美国)

薄荷1.5、迷迭香1.5

防治臭虫

灭蚊烟雾剂

(EcoSMART®,美国)

香叶醇3.0、迷迭香2.0、薄荷0.4

杀灭和趋避蚊子、蠓虫、苍蝇,蛾和其他飞虫

杀飞虫剂

(EcoSMART®,美国)

薄荷2.0、肉桂1.0、芝麻1.0

触杀苍蝇、蠓虫、蚊子、蛾,黄蜂和其他飞虫

家庭害虫防治

(EcoSMART®,美国)

丁香1.0、迷迭香1.0、薄荷1.0、百里香0.5

防治蚂蚁、甲虫、蜈蚣、蜚蠊、蟋蟀、蠼螋、跳蚤、千足虫、厨房害虫、

鼠妇、蠹虫、螨、蜱和其他爬行害虫

Requiem EC

(德国拜尔公司)

土荆芥16.75

防治银叶粉虱、蓟马、木虱

花园用杀虫剂

(EcoSMART®,美国)

迷迭香0.25、薄荷0.25、百里香0.25、丁香0.25

杀灭、趋避花园昆虫和螨;杀灭卵、幼虫和成虫

EcoVia WD

(Rockwell Labs Ltd.,美国)

百里香10.0

防治蚂蚁和白蚁、螫蝇、丽蝇、蝠蝽、臭虫、地毯蛀虫、烟草夜娥、衣、

粗野粉蝇、蜚蠊、拟谷盗、蟋蟀、拟步甲、皮蠹、污水蝇(drain flies)、粪、蝎子、蠹虫、蜘蛛、弹尾虫、蝽象、蜱、黄蜂、蚜虫及其卵、黏虫、蓑虫、日本丽金龟、网蝽、粉蚧、蝼蛄、螨、毛虫、蓟马,粉虱和其卵

 

 

  尽管芳族萜烯对昆虫快速起效,但是植物精油仍具有一些不足之处,特别是这些活性物质在环境中很不稳定,快速弥漫在环境中,故持久性下降。目前对植物精油采取各种封装方式来解决此问题。

  在少数情况下,以大蒜、番荔枝、辣椒、苦皮藤、Lonchocarpus spp.、鱼藤属、烟草、水黄皮、沙巴藜芦(表1)提取物生产植物源杀虫剂。已有文献介绍了这些植物和其防治害虫的情况。在这些植物中,印度植物水黄皮的种油产品似乎有很大的发展前景。此油含有5%~6%类黄酮,而其中主要成分是呋喃黄酮——水黄皮素(约2%)。它使水黄皮油层有杀虫、抗产卵、拒食及抑制活性的作用,因此,利用水黄皮(水黄皮素)油得到的产品能够有效防治所有植食性害虫。

 

3.植物源杀虫剂的展望

 

  植物源杀虫剂具有许多即使是合成杀虫剂的倡导者们也不能忽视的积极方面,对环境友好是其最主要的优势。虽然对此类杀虫剂持反对意见者提出植物源杀虫剂可能含有某些非选择性物质,这些物质可能会对非靶标生物产生负面影响,但许多研究表明,正确使用植物源杀虫剂其活性物质对许多非靶标生物体非常安全。由于这些活性物质是植物的天然次生代谢产物,植物源杀虫剂残留会通过自然降解机制很容易快速降解掉,特别是对于没有使用外来载体和乳化剂的“植物产品”更是如此。植物源杀虫剂的另一个优点是(除了特殊情况外)其含有的植物提取物对温血动物没有毒性。表3是一些最常用的植物源杀虫剂活性物质的毒理学数据。植物提取物产品通常是具有不同作用机制的活性物质混合物,这些物质具有增效作用(表4),能够阻止害虫种群抗药的产生。另一有趣而且重要的发现为用植物提取物处理作物相较于合成杀虫剂处理,田间生物具有更加丰富的多样性,传粉昆虫和害虫天敌频繁出现。

  这些优势更加坚定了人们的信心:植物源杀虫剂在防治害虫方面将发挥重要的作用。科学家又开始注重植物源杀虫剂的研究,每年都发布一些植物代谢物杀虫活性的最新信息。在对具有杀虫作用的植物物质大量研究的基础上,商业化植物源杀虫剂将会在市场中占有重要地位。虽然人们对植物次生代谢物的研究越来越多,其应用已开始复兴,但可用于实践中的科学知识却少之又少,这是由于以下几个原因:


 3  几种植物源杀虫剂活性成分的毒性(mg/kg)

名称

口服LD50

真皮LD50

烟碱

50~60

50

鱼藤酮

60~1500a

940~3000

藜芦碱

4.000

-

鱼尼丁

750~1.200

4.000

除虫菊酯

1200~1500

>1800

D-柠檬烯

>4000

>5000

芳樟醇

2440~3180

3578~8374

印楝油

>5000

>2000

水黄皮油

>4000

>2000

注:a毒性的变化很大,主要取决于用作载体的溶剂类型。

   

  (1)缺乏合适的植物材料

  许多适宜制取植物源杀虫剂的植物难以种植,难以获得充足的用于分离活性物质的高品质材料。因此,大多数商业产品产自少数产量非常高的植物品种。

 

  (2)缺乏政府的支持

  潜在及现有的植物源杀虫剂生产商遇到的最大问题就是产品开发成本高,注册过程漫长。包括欧盟国家在内的一些国家已经制定出了非常严格的农药登记标准;为了避免出现环境和健康问题,这些标准越来越严格。植物源杀虫剂即使含有与常用草药茶或香料相同物质,但其仍与合成活性物质一样被批判看待。一方面,在全球,有机食品得到人们的支持并且越来越受到消费者的喜爱。但另一方面,该领域缺少适当的规则,无法使中小企业迅速向市场销售足够多的植物源杀虫剂。

与之相反的是在欧盟,许多植物精油(如丁香、薄荷、香茅)已被批准用作“驱避剂”,这对想要找到更天然的物质来替代传统杀虫剂的欧洲人来说,无疑是个好消息。目前欧洲食品安全局正在考虑将某些植物制剂定为“低危险活性物质”(LES)或欧盟(EC)第1107/2009号条例所定义的“基本物质”。其活性成分不具有神经毒性、免疫毒性,不干扰内分泌,不致癌,不诱导有机体突变,且没有腐蚀性,对皮肤没有致敏性,这为能达到这些标准的植物制剂提供了清晰便捷的监管渠道。


            4  植物源杀虫剂作用机制(修订自Rattan 2010)

作用靶标

作用机制

化合物

植物来源

胆碱受体

抑制乙酰胆碱酯酶活性(AChE)

烟碱型乙酰胆碱受体激动剂/拮抗剂

植物精油、α-卡茄碱

烟碱

薄荷属、薰衣草属

烟草属、盐角梭梭、Stemona japonicum

GABA受体

GABA门控氯离子通道

麝香草酚、silphinenes、

香荆芥酚

百里香(Thymus vulgaris)、Senecio palmensis

线粒体

钠钾离子交换受阻

细胞呼吸抑制剂(线粒体复合物I的电子传递抑制剂(METI)

影响钙离子通道

影响神经细胞膜功能

除虫菊酯

鱼藤酮

兰尼碱

藜芦碱

除虫菊、红花除虫菊、

Lonchocarpus spp.、鱼藤属

鱼尼丁属

沙巴藜芦

章鱼胺受体

章鱼胺受体

通过酪胺受体级联阻断章鱼胺受体

植物精油

麝香草酚

雪松属、松属、香茅属、桉属

百里香、牛至、美国薄荷属

其他

破坏激素平衡

印楝素、20-羟基蜕皮激素

印度楝、Leuzea carthamoides

 

  (3)植物源杀虫剂制剂的质量

  只有提高植物源杀虫剂制剂的质量,才能确保产品的质量、稳定性以及持效期。一些科学家目前正集中精力进行此方面的研究。对于提高植物源杀虫剂的生物活性,纳米微粒的各种所谓的绿色合成法似乎有着不错的发展前景,Benelli认为其可显著增强植物提取物的杀虫功效。在过去的几年里,Chung等人研究发现微纳米封装法能控制植物源杀虫剂的释放,延长植物源杀虫剂的货架期。此外,植物源杀虫剂的控制释放还要求在生产植物源杀虫剂中加入的特定元素不挥发和生物特征不变。除了利用最新的生物安全间隔区和制剂法,更好地掌握植物源杀虫剂中各个成分的行为和生物活性有助于控制制剂中特定元素的有效性和活性。

 

4.结 论

 

  生物农药和植物源杀虫剂越来越受到食品生产商和消费者的好评。许多专家预测,在未来10年植物制剂的销售量将大幅增长。生物农药将从目前所占全球农药市场的4%~5%增加到2025年的20%。而植物制剂的增长幅度可能会更大,从当前的1%~2%,可能增加到7%。

  对植物源农药的进一步研究强度也会和其市场占有率趋势相一致,最起码会和目前保持一样的水平。增强使用“植物产品”的农民意识也很重要,特别在发展中国家,目前制定了长期项目,意在培训种植者让其掌握“植物产品”生产的基本技能。

  在过去的几年里,美国与中国一直是植物源杀虫剂商业化的领导者,这主要是由于他们制定了有关监管法规,鼓励和有利于“低风险”产品上市取代较不理想的传统杀虫剂。据文献可知印度也对植物源制剂进行了大量研究,登记许多植物源杀虫剂,其中包括一些其他国家没有使用过的产品。欧盟有可能成为植物源杀虫剂最大的市场,但只有制定“低风险活性物质”的新标准,才能够有助于更新、更好的产品获得监管部门的批准。

  虽然科学家们不断发现有广阔前景的植物源杀虫物质,其中许多不乏商业潜力,但是在缺乏适宜的产品登记法规的情况下,特别是适合小型生产商的,众多的研究成果只会是后者研究的灵感之源。

  尽管如此,目前所产生的植物源杀虫剂至少在某种程度上减少了由合成杀虫产品应用所带来的环境和健康问题。

  植物源杀虫剂除了被用于防治动物体外寄生虫外,还应被纳入一些农业部门,特别是用于高价值果蔬作物的病虫害综合治理。城市化也将为植物源杀虫剂带来市场,如用于专业害物防治、消费品以及虫媒管理。

 

 刘晓 高菊芳 编译,张翼翾 校

(上海师范大学生命与环境科学学院,上海  200234)

 
 
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