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中国生物农药建国以来的发展历程与展望

2019-11-14 10:30:29来源:《中国农药》2019年第10期作者:张兴, 马志卿, 冯俊涛, 吴华, 闫合, 韩立编辑:bianji2
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  生物农药在保障农业丰产增收、维护生态和谐、满足食品安全需求等方面均具有重要的作用与意义。自1949年以来,中国生物农药发展迅速,到目前已经形成了较为系统的科学理论与研究方法、成熟的产品开发与产业化体系及稳定的研发团队与机构。新中国成立70年之际,对中国生物农药的发展历史和现状进行回顾与总结,对其发展方向进行展望,具有重要科学意义和实践价值。
  1  生物农药理论体系的构建
  1.1  生物农药的概念及分类
  在中国,传统的生物农药仅指微生物农药。随着科学技术的迅猛发展,生物农药的内涵和外延不断深入与发展,对其概念和类别的探讨非常广泛。
  张兴等于2002年系统地给出了生物农药的概念、分类及特点,并得到了业界的认可。生物农药,是指可用来防除病、虫、草等有害生物的生物体本身及其有效成分源于生物,并可作为“农药”的各种生理活性物质。生物农药包括生物体农药和生物化学农药两类。生物体农药指用来防除病、虫、草等有害生物的商品活体生物,如天敌昆虫、转基因作物、真菌、细菌、病毒、线虫、微孢子虫等;生物化学农药是指从生物体中分离出的、具有一定化学结构的、对有害生物具有控制作用的生物活性物质,该物质若可人工合成,则合成物结构必须与天然物质完全相同(允许所含异构体在比例上的差异),如植物源农药、昆虫信息素及抗生素等。
  中国农药管理部门2017年颁布的《农药管理条例》中并无生物农药的概念,但一般将生物化学农药、微生物农药和植物源农药归类为生物农药。其中,生物化学农药是指同时满足下列两个条件的农药:一是对防治对象没有直接毒性,而只有调节生长、干扰交配或引诱等特殊作用;二是天然化合物,如果是人工合成的,其结构应与天然化合物相同(允许异构体比例的差异)。生物农药主要包括以下类别:① 化学信息物质、天然植物生长调节剂、天然昆虫生长调节剂、天然植物诱抗剂等;② 微生物农药,是指以细菌、真菌、病毒和原生动物或基因修饰的微生物等活体为有效成分的农药;③ 植物源农药,是指有效成分直接来源于植物体的农药
  需要指出的是,农用抗生素是通过微生物发酵生产的,虽然也属于生物农药,但在登记资料要求方面,除部分试验项目因产品特殊性质无法提供外(可申请减免),其他基本等同于化学农药。目前世界上其他国家几乎没有将其作为生物农药对待,但从来源、研究及应用现状来看,抗生素类农药在中国历史上及当下仍然是生物农药中的相当重要的一类。
  1.2  生物农药的特点
  关于生物农药的特点,也有多位学者进行了探讨和分析。目前,较为一致的观点是:专一性强,活性高;对环境安全;不易产生抗药性;对非靶标生物相对安全;开发利用途径多;作用机理不同于常规农药;种类繁多,研发的选择余地大。当然,还表现出作用速度较慢、开发及使用成本较高等劣势。
  1.3  生物农药研发理论
  围绕生物农药的内涵和特点,国内学者相继发表了《试论无公害农药》《试论‘农药无公害化’》《生物农药评述》《天然产物与消化毒剂》等重要文章;在不同历史时期,多位学者均对生物农药研发、应用、管理等方面展开综述;并出版了多部代表性专着,如蒲蛰龙主编的《赤眼蜂研究选译》,刘崇乐等主编的《苏云金杆菌研究的五十年》,梁东瑞等主编的《中国昆虫病毒图谱》,黄寿山等主编的《赤眼蜂寄生生态学与工厂化繁殖应用》,邱德文等主编的《蛋白质生物农药》《糖链植物疫苗研究与应用》及《植物免疫与植物疫苗??研究与实践》,吴文君等主编的《生物农药及其应用》、《生物农药科学使用指南》及《天然产物杀虫剂??原理、方法和实践》,纪明山主编的《生物农药手册》,徐汉虹主编的《杀虫植物与植物性杀虫剂》和《生物农药》,张兴等主编的《生物农药概览》《无公害农药农药无公害化》,杜家纬主编的《昆虫信息素及其应用》等。
  上述文章及专着从生物农药的概念、分类、特点、品种、研究方法、质量评价体系、作用机理、开发流程和应用技术等方面展开了较为系统的归纳与总结,基本构建了生物农药理论和技术体系。其中,邱德文等提出了“植物疫苗”的概念,并丰富了新的一类生物农药??免疫诱抗剂;吴文君基于植物源农药作用机理研究提出了一类新作用靶标的杀虫剂??“消化毒剂”;张兴等在长期对植物源农药研究的基础上提出了无公害农药农药无公害化、生物农药、生物技术农药、植物保健与和谐植保等新概念和理念,对生物农药的发展和应用起到了积极的指导和促进作用。
  需要特别强调的是,除上述学者外,赵善欢、陈华奎、尹莘耘、沈寅初、杨怀文、喻子牛、尹宜农、陈捷、杨自文、夏玉先等多位学者对于生物农药理论体系的构建及产业化发展也做出了重要的贡献。
  2  生物农药研发实践
  1949年以来,生物农药新产品创制工作成绩卓着。一批学者、科研团队、重点实验室及农药企业均在新产品创制方面做出了重要贡献,并陆续开发出多个生物农药新产品。
  2.1  生物农药研发平台
  为推动生物农药的创制,相继建立了国家、省部级生物农药创制创新平台。其中代表性的有:国家生物农药工程技术研究中心、微生物农药国家工程研究中心、中科院武汉病毒所、中国农科院生防所、中国农科院植保所、生物防治国家重点实验室、华南农业大学天然农药与化学生物学教育部重点实验室、福建省生物农药工程研究中心、江苏省生物农药工程技术中心、陕西省生物农药工程技术研究中心、陕西省植物源农药重点实验室、重庆大学重庆市杀虫真菌农药工程技术研究中心、甘肃省植物源生物农药工程技术研究中心、辽宁省生物农药工程技术研究中心等。也有部分学者以企业的形式建成生物农药研发平台,借助“农科教、产学研”一体化模式持续推进了生物农药新产品的研发,如西北农林科技大学无公害农药研究服务中心,自1994年起已研发生物农药新产品20多个,转化10余个。
  2013年10月,经科技部审批公示,由中国农业科学院植物保护研究所牵头组织成立了“生物农药与生物防治产业技术创新战略联盟”(以下简称:“联盟”)。截至目前,“联盟”理事会已发展会员单位 150余家,占生物农药生产研发单位总数的50%以上。“联盟”以科技创新为指导,以组织技术研发、成果转化和健全创新体系为重点,带动和促进生物农药产业技术进步,推动产业结构调整和优化升级,提升中国生物农药与生物防治技术产业的国际竞争力和健康快速发展。
  2.2  代表性学者及研究团队
  围绕不同类别的生物农药,一代代的科研人员投入了大量的精力,致力于新农药产品的创制及应用。
  2.2.1  植物源农药领域
  赵善欢院士是中国现代植物源农药研究的先驱,在国内率先开创并引导了现代植物源农药的创制。张兴、吴文君、尚稚珍、罗万春、胡美英、徐汉虹、万树青、曾鑫年、葛喜珍、林开春等学者,及华南农业大学、西北农林科技大学、安徽农业大学、山东农业大学、江苏省农业科学院、北京动物研究所、昆明植物研究所、华南植物研究所、南开大学、北京大学、中国农业大学、北京联合大学、华中农业大学、青岛农业大学、南京林业大学、甘肃农业大学等多个单位均有从事植物源农药研发的代表性学者及团队。西北农林科技大学无公害农药研究服务中心长期致力于植物源农药的创制,有20余项科研成果通过省、部级成果鉴定,申请并受理国家农药发明专利130余项,获得授权86件,发表学术论700余篇,开发并转化楝素杀虫乳油、藜芦碱杀虫剂、苦参碱杀菌剂、苦豆子生物碱杀虫剂等10多个植物源农药新产品。
  2.2.2  生物化学农药领域
  广东省昆虫研究所的何复梅等、中科院动物所的刘孟英等、上海昆虫所的杜家纬等均为昆虫信息素研究方面的杰出代表。邱德文、杜昱光等学者及团队先后研发出蛋白类、寡糖类等新品种,且在激发子受体、诱导免疫反应的信号通路等分子机制研究亦取得突破性进展。中国农科院植保所、中科院大连化物所、南京农业大学、浙江大学、中科院微生物所、中科院动物所、中科院上海昆虫所、广东省昆虫所等多个单位均为中国从事生物化学农药研发的代表性单位。
  2.2.3  农用抗生素领域
  沈寅初院士成功研发出中国第一个用量低、环境安全、对人畜无毒害的农用抗生素??井冈霉素,并得到广泛推广,建厂60多家,为中国抗生素农药产业的建立奠定了基础。其他代表性人物主要有尹莘耘、胡吉成、胡厚芝等,代表性单位有中科院微生物所、中科院成都生物所、浙江农科院微生物所、上海农科院植保所、中科院上海植生所、上海农药研究所、江苏省农药研究所、浙江省化工研究院、湖南化工研究院、南开大学等。
  2.2.4  微生物农药领域
  蒲蛰龙、曹骥、刘崇乐、张履鸿、彭中允等先驱开创了中国细菌类杀虫剂的研发,尤其是对Bt的研究。华中农业大学喻子牛和孙明等、中科院武汉病毒所李荣森等、福建农林大学关雄等、湖北农科院谢天健等、中国农科院黄大?等、中科院动物所王瑛等和中山大学庞义等均是国内从事Bt研究的代表性学者,除产品开发外,还进行了大量的Bt资源收集、鉴定、新基因挖掘和作用机理研究等。棉铃虫核型多角体病毒是中国最具代表性的昆虫病毒类农药,中科院武汉病毒所、中科院动物所、武汉大学、浙江大学等单位的蔡秀玉、梁东瑞、孙修炼等学者在昆虫病毒类生物农药研发方面做出了重要贡献。原福建农学院林伯欣最早在国内开展真菌类杀虫剂研发,徐庆丰、李运帷、吕昌仁、曾省邓庄、王中康、夏玉先和陈捷等陆续开展了真菌类生物农药的生物学特征及应用等研究。上海交通大学、安徽农业大学、重庆大学、中科院上海植生所、浙江大学、西南大学等国内多家研究机构先后组建了各具特色的真菌生物农药研究团队,在白僵菌、绿僵菌、木霉菌等真菌类生物农药产业化和应用方面均达到了国际先进水平。
  2.2.5  天敌生物农药领域
  长期以来昆虫天敌一直是生物防治的主要手段之一,20世纪80年代后,随着人工繁育技术的成熟及对农药管理的加强,国际上很多国家均将其作为生物农药进行管理。蒲蛰龙、邱式邦、杨怀文、张礼生、臧连生、张艳璇和杨忠岐等为中国昆虫天敌类生物农药的研发和应用做出了重要贡献。中国农科院、中国林科院、中山大学、中科院动物所、广东昆虫研究所、广东农科院、吉林农科院、福建农科院、河北农林科学院等单位均为该领域的优势单位。
  2.3  代表性成果
  生物农药领域除新产品外,代表性的成果还包括省部级以上的奖项、重要论着等。论着部分已结合生物农药研发理论进行了概述,不再赘述。1949年以来,本领域获得的部分重要奖项包括:
  尹莘耘先生的多效霉素于1978年获得国家技术发明三等奖。1984年,胡吉成等研发的公主岭霉素获得国家技术发明二等奖。沈寅初院士研发的井冈霉素在20世纪80年代初获上海市首届科技进步一等奖、国家科技进步二等奖;浏阳霉素获得“七五”攻关奖,阿维菌素获得国家科技进步二等奖。郑裕国院士以高纯度井冈霉素生物催化生产井冈霉醇胺的产业化技术开发获得国家技术发明二等奖。邓子新院士实现了井冈霉素及其直接医药前体的异源生物合成,获得国家自然科学二等奖。1990年和1991年,“苏云金芽孢杆菌制剂效价检测标准化技术”和“苏云金芽孢杆菌杀虫剂生产与应用新技术”先后获得农业部科技进步二等奖。1995年,“中国苏云金杆菌杀虫剂商品化生产、质量标准及应用”获得国家科技进步二等奖,1996年,该项技术成果荣获“两委一部”国家重大科技成果表彰奖励。在天敌生物农药领域,1995年杨忠岐获得国际林联科学成就奖,并于2006年其研究成果“重大外来侵入性害虫??美国白蛾生物防治技术研究”获得国家科技进步二等奖。2008年,张艳璇团队的“以螨治螨”成果??“天敌捕食螨产品及其农林害螨生物防治配套技术的研究与应用”获得国家科学技术进步二等奖。2009年夏玉先团队的“杀虫真菌农药共性关键技术研究与产品研制”获重庆市技术发明一等奖,同年,“真菌杀虫剂产业化及森林害虫持续控制技术”获国家科技进步二等奖。华南农业大学的印楝素杀虫剂荣获国家首届发明创业奖、国家环境保护科技进步一等奖,鱼藤酮杀虫剂的研究荣获国家科技进步二等奖。吴文君主持的“杀虫植物苦皮藤的研究”获1991年商业部科技进步二等奖,“植物杀虫剂苦皮藤素研究与开发”获2003年陕西省科学技术一等奖,2006年获得国家科技进步奖二等奖。吴云峰主持完成的“多羟基双萘醛植物源病毒抑制剂的筛选与研制”获得2007年陕西省科学技术奖一等奖。张兴主持完成的“楝素杀虫乳油”“油酸烟碱系列杀虫剂”等成果先后获得陕西省和甘肃省科技进步二等奖。
  2.4  生物农药产业化现状
  截至2019年4月,中国登记生物农药有效成分125个,产品3 790个,分别占农药总有效成分和总产品数量的17%和9.8%。
  据国家统计局2018年数据显示,全国生物农药生产企业大约200家,生物农药产量14万吨,约占全国农药生产企业的6.7%,年产值约216.27亿元,占整个农药总产值的8%左右。某些明星产品如井冈霉素、赤霉素、阿维菌素、Bt 这4个品种的年产值均超过1亿元,且中国是井冈霉素、赤霉素和阿维菌素的最大生产国。苦参碱、阿泰灵、壳寡糖和芸苔素内酯等产品发展迅猛,市场份额逐年扩大。印楝素、鱼藤酮、白僵菌、绿僵菌、木霉菌等推广应用效果良好。害虫天敌的生产与利用技术达国际领先水平,例如赤眼蜂的年繁蜂量100亿头左右,应用面积133.3万公顷以上,中国是全球应用面积最大的国家。从2014年开始,政府在部分地区开展了低毒低残留农药示范补贴试点,鼓励农民使用生物农药,极大地推动了生物农药的应用。
  3  中国农用抗生素的发展概况
  3.1  研发历史
  中国农用抗生素的研究始于20世纪50年代初。1953年,中国农科院着名植物病理学家、农用抗生素学科创始人尹莘耘率先从土壤放线菌中筛选出5406抗生菌。该菌对农作物具有促生、抗病、抗冻、抗旱以及提高品质等功效,六七十年代在全国推广,面积达数千万公顷,随后又研发出内疗素和多效霉素。中国农科院土肥所1957年开始进行农抗120的研究,中科院微生物所先后研制了杀稻瘟菌素S、春雷霉素和多抗霉素。这些产品的创制,标志着新中国农用抗生素研究拉开序幕。
  之后中国进入农用抗生素发展高峰期,先后研制成功井冈霉素、宁南霉素和金核霉素等抗生素杀菌剂。进入20世纪90年代,农用抗生素的研制开始引入基因工程、细胞工程等生物技术,促进了产品产量和质量的提升。当然,也陆续开发出抗生素类新产品,如申嗪霉素等。
  3.2  产业化发展及现状
  中国自1985年恢复农药登记以来,1985?1989年先后正式登记农用抗生素品种有井冈霉素、农抗120、多抗霉素和公主岭霉素等7个产品;1990年以后,相继临时登记10多种新的抗生素,如中生菌素、宁南霉素、阿维菌素。上海农药研究所沈寅初院士研究开发的井冈霉素先后在海南、江西、上海、广东农科院等60多个农药厂生产。吉林省农科院植保所研发的公主岭霉素由吉林省延边农药厂批量生产。中科院成都生物所胡厚芝团队研发的宁南霉素由黑龙江强尔生化技术开发有限公司工业化生产。
  目前,中国主要登记生产的农用抗生素品种有春雷霉素、多抗霉素、多杀霉素、井冈霉素、四霉素、中生菌素、宁南霉素、阿维菌素、申嗪霉素、依维菌素、甲氨基阿维菌素苯甲酸盐。大规模生产的最大品种是阿维菌素,其次是井冈霉素。主要生产企业有浙江钱江生化、升华拜克、海正药业、梧桐汇丰、河北威远、华北制药、吉林延边春雷、江苏无锡玉祁、陕西麦可罗(原绿盾)、武汉科诺、上海农乐、黑龙江强尔等。
  阿维菌素一直由美国默克公司在世界范围内主导产品。20世纪80年代起,沈寅初院士团队围绕阿维菌素菌种诱变、发酵工艺和提取精制等方面开展深入研究,使其发酵水平达到了国际先进水平,被数家企业引进并投产。2007?2009年,中科院微生物所通过合成生物学技术,将阿维菌素的单位产量提高了1 000倍,内蒙古新威远及阿维菌素产业联盟成员企业引入该技术并规模化生产,使阿维菌素市场价格由过去的2万元/kg降低到500元/kg,迫使默克公司退出阿维菌素历史舞台。中国对该产品的技术革新引领了农用抗生素产业的迅速发展,并为其它天然产物生物制品的改良提供了思路和方法。
  4  中国细菌类生物农药产业发展概况
  1949年以来,细菌类生物农药产业快速发展,目前登记的品种有:枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、荧光假单胞杆菌、蜡质芽孢杆菌、沼泽红假单胞菌PSB-S、多粘类芽孢杆菌、坚强芽孢杆菌、海洋芽孢杆菌、甲基营养型芽孢杆菌、苏云金杆菌、解淀粉芽孢杆菌、短稳杆菌、球形芽孢杆菌和侧孢短芽孢杆菌A60等。上述品种中,苏云金杆菌、枯草芽孢杆菌、蜡质芽孢杆菌、多粘类芽孢杆菌等登记产品均在10个以上,且有多个厂家生产,如枯草芽孢杆菌产品多达71个,由55家企业登记。当然,在各类细菌类生物农药中,对Bt的研究最为深入,其产品、产量及应用规模最具代表性。截至2019年4月有239个产品被130家企业登记生产。对该类农药以Bt为代表简要介绍其研发历史及现状。
  4.1  Bt研发历史
  中国的Bt研究大概可以分为2个的阶段:① 20世纪90年代前收集资源、菌株鉴定、生产发酵等研究的常规阶段;② 20世纪90年代后以分子生物学等现代技术手段全面介入的新阶段,大量新基因的发现、转基因新成果不断涌现。
  早在1941年,蒲蛰龙就在中国南方进行了细菌防治菜粉蝶的试验。1955年,曹骥应用法国引进的Bt菌粉防治玉米螟,这也是中国首次有关Bt研究的正式报道。1959年,刘崇乐从捷克引进菌株防治多种害虫,同年张履鸿也从前苏联引进菌株开展试验,1961年,彭中允从前苏联带回菌株进行应用。1962年,刘崇乐等撰写了《苏云金杆菌研究的五十年》一书,系统介绍了这一领域的现状,标志着中国Bt研究全面展开。
  自1968年开始,中国科学院武汉病毒研究所和华中农业大学一直坚持从资源基础生物学到产品开发的全方位研究。中山大学和广东省微生物研究所等机构也进行了Bt血清学鉴定和简易生产,还提出用家蚕初孵幼虫作为Bt毒力测定的方法。福建农林大学自1980年开始开展相关研究,对提高产品效价发挥了重要作用,促进了中国Bt产品的出口。
  1990年以来,国内工作主要集中在Bt分子生物学、细胞工程菌的培育、基因工程菌的构建和转基因植物等高新领域。其中,华中农业大学微生物农药国家工程研究中心在Bt工程菌构建、Bt基因的挖掘以及杀植物线虫Bt产品的研究与开发等方面取得了突破性进展。
  近20年以来中国在Bt研究领域成就卓着。迄今已经分离到Bt 8 000株以上,鉴定了13个新亚种。全世界ICPs基因共75类751种,其中中国发现新基因39类272个。国际上Bt内毒素命名委员会命名了VIPs基因105个,其中中国发现39个。全世界在NCBI注册Bt几丁质酶基因102条,其中由中国登记的为30条,注册量仅次于美国。
  4.2  产业化发展及现状
  1964年中国在武汉兴建的第一个中试车间正式开始生产Bt。1965年底,湖北武汉染料厂青虫菌车间生产的“三五牌”和湖南长沙微生物所生产的“424”苏云金杆菌商品在中国上市,这是中国第一批Bt商品制剂。20世纪七八十年代,全国各地小型Bt厂进行的半固体发酵遍地开花,形成群众运动式的生产。在“七五”和“八五”期间,Bt杀虫剂正式列入国家科技攻关计划,全国科研大协作,解决了菌种、发酵技术、后处理工艺等一系列难题,使得中国Bt产品踏上了一个新的台阶。
  在Bt产业化进程中,湖北科诺、康欣以及福建绿安等生物农药公司一直统领全国Bt原药研发。其中,亚洲最大的生物农药基地??武汉科诺Bt生物农药基地走在中国各企业前列。目前,中国正规生产Bt的厂家近70家,年产量超过3万吨,产品剂型以液剂、乳剂、可湿粉剂、悬浮剂等为主,用于粮、棉、果、蔬、林等作物上的20多种害虫的防治,使用面积达300万公顷以上。
  5  中国昆虫病毒类生物农药发展概况
  5.1  研发历史
  中国昆虫病毒研究始于20世纪50年代中期,高尚荫、曹诒荪等开展家蚕核型多角体病毒病的研究。近50年来,昆虫病毒-昆虫细胞离体培养系统、昆虫病毒资源的识别鉴定、昆虫病毒分子生物学、昆虫病毒生物防治技术等研究领域得到很大的发展,并在国际上产生重要影响。
  中国早期的昆虫病毒研究始于“三蚕”(即家蚕、柞蚕和蓖麻蚕)脓病病毒。20世纪60年代,谢天恩、蔡秀玉和张立人等对粘虫核型多角体病毒研究已涉及到病毒组织病理学、病毒生物学性质和病毒形态结构。
  20世纪七八十年代是中国昆虫病毒研究发展最快的时期,昆虫病毒研究队伍迅速壮大。蒲蛰龙等在广东首次发现马尾松毛虫CPV,并以其防治松毛虫取得明显成效。武汉病毒所在国内首次分离出单核衣壳核多角体病毒,1993年,棉铃虫核多角体病毒杀虫剂获得登记,是中国第一个病毒杀虫剂。彭银辉、秦启联、尹宜农、张忠信、孙修炼等学者的研究成果,及武汉大学、中山大学、浙江大学、中科院动物所等在昆虫病毒新种发现、产品研制、中试及工厂化生产等方面的成果,推动了昆虫病毒杀虫剂产业发展。
  5.2  产业化发展及现状
  棉铃虫核多角体病毒杀虫剂是中国第一个被登记的昆虫病毒类产品,先后有11个厂家生产,年产量300~500吨,江西新龙、武大绿洲、河南济源和江西宜春等占据主体地位。迄今为止,中国已开发出超过32种病毒杀虫剂。目前处于登记状态的产品有:棉铃虫核型多角体病毒、苜蓿银纹夜蛾核型多角体病毒、斜纹夜蛾核型多角体病毒、粘虫颗粒体病毒、小菜蛾颗粒体病毒、松毛虫质型多角体病毒、茶尺蠖核型多角体病毒、甘蓝夜蛾核型多角体病毒、蟑螂病毒、菜青虫颗粒体病毒、甜菜夜蛾核型多角体病毒。年产制剂约1 600吨,占全国杀虫剂总产量的0.2%。
  6  中国真菌类生物农药发展概况
  6.1 研发历史
  中国利用真菌防治病虫害的研究从20世纪50年代开始。林伯欣、徐庆丰、李运帷、吕昌仁、林伯欣、曾省和邓庄等相继开展了白僵菌、淡紫拟青霉和玫烟色拟青霉的早期研究。20世纪70年代杀虫真菌的研究主要集中在真菌培养、大量生产和防治害虫等方面。随后20年,真菌类生物农药的基础研究明显加强,研究内容包括分类、鉴定和侵染致病机制等内容。
  进入21世纪后,中国在该领域的基础和应用研究进入分子时代。王成树、夏玉先、冯明光、李增智和陈捷等团队在白僵菌、绿僵菌和木霉菌的资源挖掘、毒力基因鉴定、分子相互作用、遗传改造、应用技术等方面取得了显着的成果,极大地促进了中国真菌农药产业的发展。
  经过几十年的发展,在上海交通大学、安徽农业大学、重庆大学、中科院上海植生所、浙江大学、西南大学等团队的努力下,中国在真菌生物农药领域的研究水平处于世界前列。
  6.2  产业化发展及现状
  1969年,农林部组织南方各省在广东省新会县召开了利用白僵菌防治松毛虫现场交流会,大力推广新会县“土法生产”白僵菌大面积防治松毛虫的经验。会后,在政府的支持下规模不一的白僵菌厂在各省不断涌现,通过固体发酵大量生产白僵菌粉剂,产品主要是自产自用而无需登记。本次会议大力推动了中国真菌杀虫剂产业的发展,使得中国利用白僵菌防治松毛虫和亚洲玉米螟的应用面积达到了世界第一。
  随后20年,白僵菌、绿僵菌、木霉菌等真菌类生物农药在工业化生产工艺、安全性评价、剂型及企业标准等方面均取得了一定的进展,但始终未能实现工业化生产。1997年5月8日国务院颁发的《农药管理条例》,促进了微生物农药产业的规范化发展。自2000年重庆大学夏玉先、王中康等研制的“杀蝗绿僵菌母粉”及“杀蝗绿僵菌油悬浮剂”是中国第一个获得杀虫真菌类新农药登记的原药和制剂。陈捷团队研发的哈茨木霉菌等产品相继被山东泰诺、上海大井等企业转化。目前,真菌类生物农药登记的品种有:假丝酵母、淡紫拟青霉、木霉菌、厚孢轮枝菌、嗜硫小红卵菌HNI-1、球孢白僵菌、金龟子绿僵菌、大孢绿僵菌等,其中白僵菌、绿僵菌和木霉菌是优势产品。
  在生产和应用方面,重庆重大生物技术发展有限公司、重庆聚立信生物工程有限公司等均为中国代表性的真菌生物农药生产企业,年产能达到万吨级。山东泰诺也在木霉菌的生产应用中取得了显着的经济和社会效益。
  7  中国植物源农药发展概况
  7.1  研发历史
  植物源农药历史悠久。20世纪50年代,中国进行了较为广泛的农用植物普查,并编着了《中国土农药志》,该书较为详细地记载了大量具有农药活性的植物。
  赵善欢院士自20世纪30年代起就对中国西南各省的杀虫植物种类及分布及应用状况作了广泛的调查。20世纪50年代,他又以鱼藤根粉对蔬菜、茶树害虫进行防治试验及大面积推广应用。之后,对楝科等40余种植物的杀虫作用开展了系统研究,并从非洲成功引种印楝至广东和海南。他主持的“植物性杀虫剂的开发利用研究”在国内处于领先地位,并得到了国际上有关专家的重视。他一手创建的华南农业大学杀虫植物标本园是国内唯一的杀虫植物展示平台。
  20世纪80年代起,国际上印楝素的成功开发,带动了中国植物源农药研发的再次兴起。研发涉及到资源的筛选、活性成分的分离、作用方式与机理探讨、产品开发与应用等。国内多位学者对中国境内3 000多种植物进行了农药活性的筛选,发现了豆科、茄科、菊科等40余科植物及植物精油的农药活性值得深入研究;对川楝、苦参、雷公藤、沙地柏、苦皮藤、银杏、蛇床子、大黄、黄连等一批植物的农用活性进行了系统研究;开发出了苦参碱、烟碱、除虫菊素、鱼藤酮、蛇床子素、大黄素甲醚、丁子香酚等20多个植物源农药新产品;还在苦皮藤素、川楝素等植物源农药作用机理研究方面取得了突破性进展。
  7.2  产业化发展及现状
  秉承赵善欢院士的事业,华南农业大学长期致力于植物性杀虫剂的研究和推广应用,研制出鱼藤酮乳油、印楝素乳油、烟碱?苦参碱乳油(跳甲净乳油)等10余个商品化植物性农药产品。西北农林科技大学自1994年起先后开发出川楝素、苦皮藤素、油酸烟碱、苦豆子生物碱、甾烯醇等20多个植物源农药新产品,取得了较好的经济、社会和生态效益。其中,张兴教授基于对川楝素的研究及产品创制,于1992年建立了中国第一个“无公害农药厂”。
  近20年来,中国植物源农药产业化取得了长足进展。截至2019年4月中国植物源农药产品有343种,有效成分36种,主要有:烟碱、苦参碱、小檗碱、印楝素、鱼藤酮、藜芦碱、柠檬烯、芸苔素内酯、樟脑、除虫菊素、蛇床子素、苦皮藤素、桉油精、八角茴香油、大黄素甲醚、狼毒素、雷公藤甲素、香芹酚、大蒜素、右旋樟脑、莪术醇、补骨脂种子提取物、银杏果提取物、博落回提取物、甾烯醇、萜烯醇等。有100多家植物农药生产企业,其中北京清源保、杨凌馥稷、山西德威、成都新朝阳、成都绿金等为行业龙头企业。在上述产品中,产量较大的产品有鱼藤酮、苦参碱、印楝素、除虫菊素等。有89家企业登记苦参碱产品114厂次,16家企业登记鱼藤酮产品23厂次,17家企业登记印楝素产品23厂次,17家企业登记樟脑产品24厂次,13家企业登记除虫菊素产品26厂次,13家企业登记蛇床子素产品17厂次。年产量最高的为苦参碱,约为7 000吨;其次为印楝素,年产量约为2 000吨。
  需要说明的是,部分品种如羊角拗苷、辣椒碱、楝素、苦豆子生物碱、百部碱、莨菪碱、乌头碱、马钱子碱等,在先前已有登记,但后期未能续展。另外,孜然(主要活性成分为枯茗酸、枯茗醛等)、雷公藤(有效成分为雷公藤生物碱)、大花金挖耳(有效成分为天明精内酯酮)等几种植物源农药已完成了基础和相关的应用基础研究,具备开发价值和产业化前景,有望在3~5年内陆续获得登记。
  8  中国生物化学农药发展概况
  对于生物化学农药,主要阐述昆虫信息素及天然诱抗剂的发展概况。
  8.1 昆虫信息素类产品研发及应用
  对于昆虫信息素的研究,国内始于1966年,北京动物所开始研究马尾松毛虫性信息素,到20世纪70年代研究工作全面展开。多年来,中国昆虫信息素的研究在生物学、生理学、行为学、生态学、分子机理、化学、产品开发及应用技术等方面都取得了丰硕成果。杜家纬、杜永均等在昆虫信息素鉴定、合成与使用新技术上取得突破性进展。到目前为止,先后鉴定了100多种中国农林主要害虫的信息素化学结构,合成了50多种信息素和引诱剂,研究出一批适于测报的诱捕器和各种剂型。中科院上海昆虫所、中科院动物所、广东省昆虫所、中国科学院长春应用化学研究所、中国林业科学研究院、中山大学、华南农业大学、南京林业大学、浙江大学、山东省农药科学研究院、中国农业大学、吉林省林业科学研究院、西北农林科技大学等单位均在该领域取得了骄人的成绩。
  昆虫性信息素类产品主要用于害虫预测预报、大量诱捕、交配干扰、配合治虫(如用性信息素加病毒制成的诱芯)等。早在20世纪80年代,中国就广泛开展了利用性信息素进行虫情监测与防治的工作,效果十分显着。随后,该类产品开发较快,如陕西省生物工程技术研究中心对苹果蠹蛾、大豆食心虫等昆虫的性信息素合成、诱芯研发、诱捕器设计等均取得明显突破,开发出性诱剂产品近10个,且在田间应用中取得了良好的监测及防治效果;中捷四方主营150余种昆虫信息素产品及20余种配套诱捕器。
  中国首个昆虫信息素原药??诱虫烯的登记是中国昆虫信息素产业化的成功标志。目前中国登记的昆虫性诱剂产品有:诱虫烯、梨小食心虫性信息素、地中海实蝇引诱剂、二化螟性诱剂、绿盲蝽性信息素等。实际生产应用的昆虫性诱剂产品近200个,在小菜蛾、苹果蠹蛾、柑桔小实蝇、大豆食心虫等30余种农林害虫防治中大面积推广应用。
  8.2  天然源诱抗剂产品研发及应用
  天然源诱抗剂是近年兴起的新型生物农药品种,相对成熟的诱抗剂产品有糖类和蛋白类。目前国内登记的产品主要有:极细链格孢激活蛋白、菇类蛋白多糖、香菇多糖、氨基寡糖素、几丁聚糖、葡聚烯糖、低聚糖素、超敏蛋白等。
  中国对寡糖类植物免疫诱抗剂的研究始于20世纪90年代,主要由中科院大连化物所及成都生物所进行。1999年登记了第一个氨基寡糖素生物农药。随着研究的深入和应用技术的完善,2008年之后糖类生物农药的登记和应用进入了迅速发展时期。截至2019年4月,中国已登记糖类农药有效成分5个,产品159个。海南正业、山东凯利、山东圣鹏等企业是糖类农药主要生产企业。
  中国农科院植保所率先围绕蛋白类诱抗剂的活性筛选、蛋白分离与鉴定、生产工艺、制剂加工等方面开展了研究,先后研发出“3%极细链格孢激活蛋白可湿性粉剂”和“6%寡糖链蛋白”。其中2009年“3%极细链格孢激活蛋白可湿性粉剂”获得临时登记,标志着中国蛋白类植物免疫诱抗剂的研发和应用取得了阶段性的突破;2014年“6%寡糖链蛋白”获得临时登记,2017年获得正式登记。目前,该产品在全国28个省市的蔬菜、水稻等作物上推广应用面积达5 000多万亩次,发展潜力巨大,产业化成果整体处于国际同类研究先进水平。北京中保绿农生物科技有限公司是蛋白类农药诱抗剂主要生产企业。
  9  中国天敌类生物农药发展概况
  9.1  研发历史
  中国早在20世纪三四十年代就开始了赤眼蜂的利用研究。新中国成立以来应用优势天敌控制农业害虫的工作一直都在开展。20世纪50年代,广东发明了用蓖麻蚕卵大量繁蜂的技术,并应用赤眼蜂防治甘蔗螟虫。20世纪60年代,中国学者研究出以柞蚕的剖腹卵为中间寄主繁殖松毛虫赤眼蜂获得成功。1978年,蒲蛰龙院士创建了中山大学昆虫学研究所,该所是中国害虫生物防治的重要研究基地之一。1980年,邱式邦院士创建了中国农业科学院生物防治研究室(后发展为生物防治研究所,2006年并入植物保护研究所),成为中国第一个国家级的天敌研究机构。1984年在中国农业科学院生物防治研究所成立了中国第一个天敌引种检疫实验室,1998年农业部又在该所建立了中国唯一的天敌资源研究与利用重点开放实验室。与此同时,中科院动物所和武汉病毒所、广东昆虫研究所、广东省农业科学院都组织起颇具实力的科研团队开展害虫生物防治的研究。
  赤眼蜂人工卵及人工卵制卵机的研制成功是中国生防工作者对赤眼蜂应用的一大贡献,此发明获得国际同行的一致赞誉。从20世纪80年代起,广东省昆虫研究所、武汉大学、广东省农业科学院等单位先后开展了赤眼蜂人工卵研究,突破了人工卵的卵浆、卵壳、人工卵的污染控制、人工卵卵卡机等技术难题。1992年广东研制出国内外第一台用微电脑控制的GD?5型自动控制人工卵卡机,该人工卵卡机在“九五”期间,共生产出人造卵赤眼蜂卡25万多张,在全国多地、多种害虫释放控害效果与昆虫卵相当。
  除赤眼蜂外,对中国一些重要的天敌昆虫开展了基本生物学、生态学、行为学和繁育技术等研究,如中红侧沟茧蜂、丽蚜小蜂、周氏啮小蜂、肿腿蜂、大草蛉、异色瓢虫、智利小植绥螨、胡瓜钝绥螨、捕食性甲虫等。这些工作对于中国天敌类生物农药产品的开发奠定了扎实的基础。
  9.2  产业化发展及现状
  早在20世纪80年代,中国对赤眼蜂的释放应用非常广泛,用于水稻、玉米棉花、甘蔗、果树、蔬菜、森林等害虫的防治。自1990年以来已放赤眼峰2 433亿头,防治面积近133.33万公顷。
  进入21世纪,国家对具备了大量繁殖技术的优势天敌的商品化予以了扶持,如在吉林省农科院建设了具有生产防治害虫133.3万公顷赤眼蜂能力的机械化繁蜂工厂,推动了中国寄生蜂的商品化;在河北省农林科学院旱作农业研究所建立了天敌繁殖基地,年生产赤眼蜂、丽蚜小蜂、食蚜瘿蚊等多种各类天敌能力约达150亿头。
  目前中国已登记的天敌类生物农药品种主要有松毛虫赤眼蜂、平腹小蜂和异色瓢虫。从事赤眼蜂生产企业约15个,捕食螨的生产公司约10家,规模较大的企业包括:福建艳璇生物防治技术有限公司、吉林省绿丰生物开发有限公司、吉林省农院生物制剂实验厂等。
  10  前景与展望
  1949年以来,尽管生物农药发展极为迅速,然而在其研发、应用及管理中均存在一些问题:① 新材料、低成本材料严重不足,导致生物农药新产品种类少、成本高;② 活性测定、效果评判及产品质量标准尚不够严谨,限制了新产品研发速度;③ 在产业化及应用中,工艺较为复杂或产率低、生产周期长、剂型不够丰富、施药技术落后、成本较高等问题限制了生物农药新产品的产量及推广应用;④ 相关法律的缺失、政策保障缺乏以及知识产权的侵权等是生物农药管理中存在的严重问题。
  针对上述问题,我们认为生物农药重点研发方向有如下几个方面:
  (1)活性生物资源的筛选。活性生物资源的筛选是生物农药新品种创制的重要源头,也是活性化合物新结构类型变化的重要来源,坚持从不同的环境中筛选活性微生物菌株和植物资源将为生物农药新产品的持续开发奠定坚实的基础。
  (2)生物农药新品种的创制与产业化。根据中国的资源优势,有针对性地开展生物农药新产品创制与转化,并通过工程化配套,生产出具有市场竞争力的生物农药新产品,为粮食安全生产和食品安全保驾护航。
  (3)高毒力、高产、高稳定性工程菌株选育与构建及毒力(素)基因挖掘。高产活性生物菌株稳定的遗传性是微生物农药产业化的重要基石,开展高毒力、高产、高稳定性工程菌株选育、毒力(素)基因鉴定,为微生物农药提供产业化保证。
  (4)生物农药活性物质生物合成途径及生物反应器研究。由于植物源农药资源的有限性极大的限制了其应用与发展,生物合成技术在解决植物资源大规模生产上有广阔的应用前景。细胞培养、发状根培养及基因工程技术的发展,必将在植物源农药的研究开发和应用中发挥决定性的作用,与此相匹配的生物反应器研究为其产业化和规模化生产提供有效途径。合成生物学在理论上的突破,也为微生物发酵代谢产物的效价大幅度提高提供技术手段。
  (5)天然产物挥发物的研发与利用。利用精油类化合物易挥发、易降解、毒性低、环境相容性好、害虫不易产生抗性等优点,研制和开发符合人们需求的无公害化纯天然源产品。植物源卫生害虫防控剂新产品、新剂型和新工艺在公共卫生安全方面具有重要的研究价值,而植物源保鲜剂的研究与开发为保障鲜食性果蔬、经济农副产品品质展现广阔的应用前景。
  (6)微生物组技术研究与应用。微生物组技术(土壤改良剂、种衣剂、杀线剂等)在种植业中可以降解农药种子包衣、土壤酸化、盐碱化修复、土壤病虫害防治与保护农作物免受有害生物为害,将逐渐凸显其不可替代的作用。
  (7)以生物农药为主的作物有害生物全程防控技术集成与应用。针对特定作物上可能发生的病、虫、草等制定出系统的防治方案,建立与应用以作物为主的全程病虫害生物农药防控技术体系,有效减少化学农药化肥等投入品的使用,进而提升特色经济作物品质。
  (8)生物农药新剂型及专用植保器械装备的应用研究。生物农药新剂型的研发应当遵循生物农药的特点,以安全、水基、控缓释、精准等为主,且应满足无人机施药的技术要求。植保无人机载液量较小,多采用低量喷洒技术,用水量少甚至可不用水,航空施药高度相对较低,飘移少,可空中悬停,与GPS系统配合,因此生物农药新剂型的研发应与上述特点相一致。此外,生物农药专用器械装备研究能大幅度提高杀虫、抑菌和除草的应用效率,但是施用剂量、浓度、时间和场地等方面值得深入研究。
  (9)生物农药残渣综合利用及药肥水一体化研究。采用堆肥等方法处理生物农药残渣,并添加合适的微生物菌株,堆制出可防治多种植物病害的多功效有机药肥,以实现资源的循环利用。同时,将废物综合利用、农业措施与生物防治有机地结合起来,形成防治地下病虫害的一个新途径。在应用上,还应考虑药肥水一体化应用技术,以达到高效、节能、精准、智能化等目标。
  随着中国“农产品安全和环境安全”战略需求的稳步推进,IPP理论(综合农业生产与保护)也将日益受到重视,而作为农业生产的重要投入品生物农药在IPP理论的实践中占有举足轻重的地位,在解决上述生物农药产业关键瓶颈和重大发展难题的基础上,生物农药产业必将迎来新的发展契机,更应有其广阔的存在和发展空间。
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