Органические инсектициды: природная защита урожая зерновых от насекомых вредителей

Инсектицидные препараты на основе летучих органических веществ выделяемых растениями могут стать более экологичной и эффективной альтернативой синтетическим препаратам. Но до сих пор сложности разработки и испытаний не позволяли вывести на рынок успешные коммерческие продукты.

Чистота среды зернохранилищ, их защита от насекомых вредителей — одно из основных условий здоровья и качественного хранения зерна. Применение синтетических пестицидов, способных защитить продукцию от насекомых, провоцирует появление новых проблем, связанных с их фитотоксичным действием. Отсутствие биоразлагаемости и высокая стоимость препаратов, побуждают искать более безопасную и эффективную альтернативу. 

До открытия хлорорганических и органофосфатных инсектицидов в конце 1930-х – начале 1940-х годов, основным оружием фермеров против насекомых вредителей были инсектициды растительного происхождения. Особые требования безопасности для инсектицидов, применяемых для защиты зерна в хранилищах и бункерах, могут способствовать появлению продуктов на основе летучих органических соединений.

Фитогенные летучие органические соединения растений включают: алканы, алкены, спирты, альдегиды, эфиры, сложные эфиры и карбоновые кислоты. Инсектицидные свойства соединений позволяют учёным рассматривать их как возможную альтернативу синтетическим инсектицидам, широко применяемым сегодня. 

Насекомые-вредители главная причина послеуборочных потерь зерна

Зерновые и зернобобовые культуры — наиболее потребляемые и наиболее часто хранимые пищевые продукты в мире. Ущерб, наносимый насекомыми, вызывает послеуборочные потери в размере от 5% до 30% от общего объёма производства в зависимости от климатической зоны и условий хранения.

Насекомые могут наносить вред, поедая зёрна, либо снижать качество зерна, делая его непригодным для употребления. К потере продукции и созданию оптимальных условий в камерах хранения для появления инвазивных грибков приводит накопления детрита насекомых. 

Причиняемый насекомыми ущерб измеряется не только в потере урожая, но и недополученной прибыли от продажи продукции. Ожидая потерь зерна из-за заражения вредителями, многие аграрии вынуждены сбывать урожай сразу после сбора урожая, прежде чем на него установится хорошая цена.

В последние годы исследователи стали активнее изучать использование летучих органических соединений растений (plant volatile organic compounds, PVOC) в качестве основного способа защиты урожая от насекомых-вредителей.

Нехимические и химические методы борьбы

Во второй половине XIX и первой половине XX веков, до изобретения ДДТ, для защиты урожая активно использовались экстракты растений. В качестве естественных инсектицидов применяли никотин, ротенон и пиретрум.

• Никотин — алкалоид, содержащийся в растениях семейства паслёновых (преимущественно в табаке). Для защиты растений никотин применялся в виде чистого вещества (токсичен и для млекопитающих), сульфата и табачной пыли. Со временем в сельском хозяйстве активнее стали применяться синтетические аналоги никотина.

• Пиретрум — инсектицид на основе пиретрина, экстрагированного из цветочных головок Chrysanthemum cinerariifolium (хризантема ценарариилистная), очень эффективен против моли и личинок. 

• Ротенон обладает минимальной токсичностью для млекопитающих и людей, однако чрезвычайно токсичен для насекомых. Инсектицид получают экстракцией корней и стеблей растений рода Lonchocarpus или Derris. Ротенон обладает неселективным действием и может использоваться для борьбы с широким спектром насекомых-вредителей.

Химизация отрасли в XX веке привела к замене органических инсектицидов на синтетические. Синтетические фумиганты используются для уничтожения насекомых-вредителей на всех стадиях хранения зерна. Наиболее часто применялись бромистый метил и фосфин. 

• Бромистый метил активно применялся до 1993 года, когда он был внесён в список озоноразрушающих веществ.

• Фосфин — газообразный фумигант, высокотоксичный для насекомых и млекопитающих. Недостатки его использования для фумигации: токсичность для людей и нецелевых организмов, истощение озонового слоя, фальсификация препаратов и нестабильные поставки, резистентность целевых насекомых к действию фумиганта, вторичные нашествия вредителей, а также высокая стоимость препарата.

Летучие органические соединения

Среди причин выделения растениями летучих органических соединений учёные называют защиту от экстремальных условий роста (в том числе от воздействия насекомых). Источником фитохимических веществ в растениях могут быть: листья, корневища, цветы, семена, фрукты, корнеплоды и другие органы. Инсектицидными свойствами селективного действия обладают более 2000 видов растений.

В качестве инсектицидов могут использоваться вторичные метаболиты растений, участвующие в их защите, но не участвующие напрямую в росте, развитии и воспроизводстве. Эти фитохимические вещества (терпеноиды, фенольные соединения, алкалоиды) обладают высоким потенциалом действия в качестве биопестицидов. Вторичные метаболиты могут действовать на насекомых как аттрактант или репеллент, влиять на их рост и развитие, брачное поведение, фертильность. Идентифицированные защитные химические вещества растительного происхождения безопаснее для человека и окружающей среды, чем синтетические вещества. Вероятность развития у насекомых-вредителей устойчивости к органическим инсектицидам низкая, поскольку они содержат смесь сложных химических компонентов. 

При создании коммерческих продуктов, компоненты растений содержащих фитохимические вещества могут использоваться для приготовления водных экстрактов, порошков, суспензий, летучих веществ, масел или применяться в виде измельчённых сегментов. Могут взаимодействовать с целевым организмом контактным способом или в качестве фумиганта.

Вторичные фенольные соединения, продуцируемые растениями, имеют контактную токсичность и приводят к гибели насекомых-вредителей. Растительные продукты с сильным инсектицидным действием могут быть использованы для борьбы с насекомыми в зернохранилищах.

Фумиганты обычно применяются в закрытых помещениях (складах, зерновых бункерах, хранилищах) и действуют, проникая в организм насекомых через дыхательную систему.  Специфичность действия биофумигантов сводит к нулю опасность перекрёстной резистентности. 

Механизм действия летучих органических соединений растений

Фитохимические вещества воздействуют на насекомых разными способами: оказывая токсическое воздействие, провоцируя поведенческие реакции (регулирующие рост, плодовитость и проявления репродуктивного поведения). 

Регуляторы роста

фитохимические вещества влияют на рост, развитие и метаморфоз насекомых. Они могут вызывать необратимые изменения физиологии и поведения насекомых, в том числе удлинение личиночных и куколочных стадий. Разные летучие вещества растений оказывают стерилизующий эффект, уменьшают процент окукления личинок.

Гормональный регулятор

Растительные экстракты способны нарушать постадийное развитие насекомых. Экстракты растений водяного гиацинта содержат аналог ювенильного гормона, который вызывает аномальную линьку и метаморфоз насекомых-вредителей. Ингибировать линьку, вызывать морфогенетические аномалии, приводящие к гибели личинок хрущака малого мучного, может соласодин.

Сдерживание откладки яиц

Летучие вещества растений обычно используются откладывающими яйца самками для определения местонахождения растения-хозяина. Защитный механизм растения — продуцирование химических веществ, предотвращающих откладывание яиц. Инсектициды на основе этих веществ обладают огромным потенциалом предотвращения заражения насекомыми-вредителями. Некоторые из них задерживают откладку и период развития, вызывают деформации при метаморфозе насекомых.

Антифиданты

Антифиданты (химические препараты, отпугивающие насекомых от пищи) — защитные метаболиты растений, нарушающие поведение насекомых, делая растения (или обработанный ими корм) непривлекательными для питания. Присутствие определенных химикатов в растениях не позволяет насекомым питаться ими. При контакте с такими веществами целевые насекомые не погибают, но теряют интерес к питанию. Эти летучие органические соединения обладают высокой специфичностью.

Репелленты

Как и антифиданты, репелленты защищают зерновые, делая их непривлекательными для насекомых-вредителей. Их действие направлено на взрослых особей, которые избегают контакта с обработанным зерном.

Овицидные свойства

Многие растения обладают овицидными свойствами — они способны убивать яйца насекомых-вредителей. Применение растительных препаратов для уничтожения яиц насекомых подавляет развитие потомства и появление взрослых особей. Овицидное действие заключается в токсичном воздействии, либо физическом изменении свойств (изменении поверхностного натяжения внутри яйца).

Хемостерилянты

Хемостерилянты — это вещества, обладающие стерилизующим действием (лишающие насекомых способности к размножению). Они вызывают стерильность, не влияя на брачное поведение или продолжительность жизни. Яйца поражённых насекомых могут не откладываться, не вылупляться, личинки могут не окукливаться, развитие куколки может быть неполным.

Поведенческие расстройства

Инсектициды растительного происхождения могут вызывать изменения в поведении насекомых, стимулируя, либо уменьшая подвижность, вызывая физиологические изменения. Как правило, насекомые стремятся покинуть зону воздействия инсектицидов, после обнаружения присутствия токсичных соединений. 

Проблемы коммерциализации продуктов

Несмотря на изученность инсектицидных свойств летучих органических веществ до их массового использования аграриями пока далеко. Многие проведённые научные исследования не имели целью промышленное применение веществ, большинство исследований ограничивались лабораторными условиями и не прошли полевых испытаний. Кроме того у потенциальных разработчиков нет уверенности в устойчивом спросе со стороны аграриев.

Без полевых испытаний невозможно определить эффективность препарата на которую могут влиять: стадия развития целевого насекомого, условия окружающей среды, фенологическая фаза растения.

По материалам исследования: sciencedirect.com.