现代细菌杀虫剂的特点与分析

李文静，李 月

（1.新南威尔士大学，澳大利亚新南威尔士州 4385；2.长春师范大学，吉林长春 130000）

0 引言

害虫防治一直是全世界关注的问题，在过去的几十年里，这些化学农药的使用造成了许多环境问题，对人类健康造成了危害。大多数化学农药难以被自然降解，其毒性可长期存在于土壤和地下水中。此外，农药残留也会伤害蚯蚓、蜜蜂等益虫。由于化学杀虫剂的这些明显缺点，微生物杀虫剂显然是一个更好的选择，因为它容易被生物降解，并且对环境友好。目前，世界上研究和商业化的微生物杀虫剂包括细菌杀虫剂、真菌杀虫剂、病毒杀虫剂和抗生素杀虫剂。本文中主要介绍了细菌杀虫剂，因为它是应用最广泛，产量最高。根据其作用机理，微生物农药还可分为两类：一类是由寄生微生物自身引起的宿主昆虫疾病和死亡，如苏云金杆菌、病毒、真菌等。另一类是直接通过微生物代谢物杀死昆虫，如阿维菌素。

1 细菌杀虫剂的原理

1.1 苏云金芽孢杆菌（Bt）

苏云金芽孢杆菌是一种好氧革兰氏阳性芽孢杆菌，以植物形态广泛分布于土壤、水、空气和植被中。它的杀虫机制是通过代谢产物杀死飞蛾、苍蝇和甲虫等昆虫。Bt是一种产孢细菌，在形成孢子的过程中产生有毒蛋白质。在这些蛋白质中，晶体蛋白δ-内毒素（或称为Cry蛋白）和Cyt蛋白是最关键的，因为它们形成了伴孢晶体[1]，该晶体对鳞翅目、双翅目、鞘翅目，等多种昆虫以及线虫、原生动物等均有特异的杀虫活性。

Bt细菌的杀虫过程可分为5个过程：溶解、蛋白水解、特异性结合、孔隙形成和幼虫死亡。当昆虫食用带有伴孢晶体的蔬菜时，内毒素就会进入昆虫的体内并移动到中肠。碱性肠系膜液体将晶体蛋白溶解为一种前毒素，然后由中肠中的胰蛋白酶水解为一种对昆虫具有毒性作用的多肽。多肽与特异性受体结合，在细胞质膜上形成孔洞或离子通道，造成离子泄漏。随着ATP的丢失，大量水分进入中肠细胞，导致细胞的膨胀和解体。此外，由于离子梯度被破坏，干扰了中肠的正常电势和酸碱平衡，孢子可以很容易地穿透肠道亚膜进入昆虫的血淋巴，在血淋巴中生长繁殖。这可能导致胃肠道不适，使昆虫停止进食，影响营养的吸收，最终导致昆虫因饥饿和组织破坏而死亡[2]。

1.2 日本金龟子芽孢杆菌（Bp）

当被甲虫幼虫吃掉时，日本金龟子芽孢杆菌的孢子在幼虫的中肠中发芽。营养体侵入中肠柱状细胞，进入体腔，使得血淋巴充满了单链或双链营养物质，导致血淋巴轻度混乱。慢慢地，孢子失去了它们的发光特性，昆虫的血淋巴变得透明。然后血淋巴充满了具有光周期性质的孢子和孢子晶体，呈乳白色。这个过程需要10～14天。受感染幼虫无明显的组织和生理变化[3]。最终，甲虫幼虫中充满了孢子和营养体，这些营养体持续消耗幼虫生长所需的必需物质。因此，生理饥饿导致甲虫幼虫的死亡。

1.3 球形芽孢杆菌（Bs）

球形芽孢杆菌是一种革兰氏阳性细菌，可形成近端扩张的孢子囊和孢子。球形芽孢杆菌对不同蚊幼虫的毒性作用主要是通过这种细菌产生的蚊毒素来实现的。研究表明，在其生长发育过程中可产生三种不同类型的毒素。第一种是二元毒素（Binary t0xin，简称Bin），在所有高毒力菌株和部分中毒力菌株中均存在。第二种是蚊媒毒素（M0squit0cidal t0xin，简称Mtx），表现为低毒和高毒。第三种是最近发现的Cry48Aa和Cry49Aa双组分毒素。

在孢子形成过程中球形芽孢杆菌产生二元毒素，包括Bin A蛋白和Bin B蛋白，其位于孢子的外膜上。孢子与孢子晶体的混合物被蚊子幼虫吞食后，副孢子晶体在碱性环境下溶于中肠，释放出Bin A蛋白和Bin B蛋白。这两种毒素蛋白被中肠蛋白酶激活，形成活性蛋白多肽。这种有毒的多肽会与胃盲肠和肠系膜上皮细胞结合，并穿透肠道，导致幼虫死亡。在幼虫死亡或濒临死亡之前，细菌只分布在围产期的细胞膜上，而不进入血淋巴。昆虫幼虫摄入球芽杆菌10 min后，可局部停止取食。感染的第一个迹象是幼虫失去正常的丰满度和活动性。在感染后的30 min内，可以看到中肠肿胀，随后出现震颤、心律失常、对刺激反应迟缓，最终导致幼虫死亡。

2 细菌杀虫剂的优点

2.1 较小的环境危害

相比于传统的化学杀虫剂，细菌杀虫剂对环境的危害较小。首先，细菌杀虫剂具有很高的药效，即小剂量的细菌杀虫剂就可以达到目的。其次，农药分解迅速，不会残留在土壤或地下水中，从而破坏环境。最后，与化学杀虫剂相比，细菌杀虫剂的毒性较小。因此，在相同的暴露条件下，细菌农药对生态环境和人类健康的潜在危害较小。

2.2 具有靶向性

传统杀虫剂的一个重大缺点是不能靶向。这意味着它们会对许多生物产生负面影响，比如鸟类、益虫和一些哺乳动物。相比之下，细菌杀虫剂有特定的目标，这意味着它们不会伤害其他不相关的生物。美国环境保护署的研究表明，种植Bt作物和种植非Bt作物的农田之间的土壤微生物群落没有变化。由此可见，细菌毒素对生物多样性的负面影响较小。

2.3 对人体健康危害较小

细菌杀虫剂有两个特性，使它们对人类健康的危害较小。首先，如上所述，细菌杀虫剂具有靶向性，仅对某些害虫有毒性。美国多所高校联合开展的农药信息项目——外延毒理学网（Ext0xnet）开展了对Bt蛋白的毒理学研究，并取得了一定的成果：18个人连续5天每天服用1 g Bt后，没有人给予负面反馈。此外，该蛋白在体外可被人的胃液快速降解。与之相比，传统农药的化学成分对人体有潜在的危害，使用风险更大。其次，细菌杀虫剂没有残留，这是消费者最关心的问题，尤其是在水果和蔬菜上使用传统杀虫剂时。Bt蛋白虽然在土壤中有一定的持久性，但不随地下水迁移或渗透。当Bt蛋白暴露在阳光下，它很快就会被紫外线破坏。研究数据表明，Bt作物对非目标土壤生物没有不良影响，尽管这些生物接触的Bt量远远高于作物自然生长条件下的接触量。

3 细菌杀虫剂的缺点及可能的解决方案

虽然细菌杀虫剂有很多优点，但也存在一些缺陷。首先，由于技术不成熟，其应用范围不广，未来需要在生产、配方等方面进行更深入的研究，以促进细菌杀虫剂的商业化。而且，细菌农药的药效受环境条件的影响较大，包括生物因素（宿主条件、营养状况、病原体）和非生物因素（温度、湿度、相对湿度）。细菌杀虫剂的杀虫能力不足通常是由于细菌难以在其应用的环境中生存和繁殖，因为其适应性在田间条件下受到限制，杀虫细菌很难取代根深蒂固的本地微生物群落。

提高杀虫细菌在植物环境中的竞争力是提高其生物防治能力的关键步骤，可以使用不同的策略。一种策略基于细菌杀虫剂的营养增强，以促进杀虫细菌在植物环境中的繁殖并抑制竞争性微生物的生长。据报道，某些化学物质与抑制具有竞争性或拮抗性的土著微生物群的杀虫剂菌株结合使用，或在杀虫剂配方中添加营养素，可以提高细菌的存活率和适应性，并且增强生物防治在几种真菌植物病原体中的功效。例如，通过添加甘氨酸和吐温80可以提高荧光假单胞菌对火疫病的生物防治效率，而对支链淀粉菌的感染潜力没有影响。类似地，一些在根际中作为启动子的化合物已经被用于选择性地诱导有益基因的原位表达，例如脯氨酸在荧光假单胞菌菌株中的作用。另一种策略是改变细菌杀虫剂的生理条件，以使其适应自然环境（包括土壤，根际，叶际）后的不利状况，例如通过物理或化学方法诱导细菌突变，培养耐热或耐寒细菌。此外，目前使用的细菌杀虫剂只针对有限数量的害虫，因此需要不断寻找新的生物分子。为提高已知细菌杀虫剂的效率，还可以应用几种创新的方法，例如重组DNA技术。

4 结语

由于传统化学杀虫剂的缺点，微生物杀虫剂越来越受到人们的重视。而细菌杀虫剂是目前应用最广泛、发展最快的微生物杀虫剂，它可以通过细菌的代谢物或致病菌本身杀死害虫。本文以苏云金芽孢杆菌、日本金龟子芽孢杆菌和球形芽孢杆菌为例说明细菌杀虫剂的具体作用机制。此外，本文还分析了细菌杀虫剂的优势，并与传统化学农药进行了比较。然而，细菌农药也存在着环境要求高、技术不成熟等缺点，这些问题需要结合基因工程等新技术进行进一步的研究来改善。