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中國生物農藥建國以來的發展歷程與展望

作者:張興 馬志卿 馮俊濤 吳華 閆合 韓立榮 更新時間:2019-10-18 點擊量:434

生物農藥在保障農業豐產增收,維護生態和諧,滿足食品安全需求等方面均具有重要的作用與意義。自建國以來,中國生物農藥發展迅速,到目前已經形成了較為系統的科學理論與研究方法、成熟的產品開發與產業化體系及穩定的研發團隊與機構。在建國70年之際,對中國生物農藥的發展歷史和現狀進行回顧與總結,對其發展方向進行展望,具有重要科學意義和實踐價值。

 

生物農藥理論體系的構建

1.1  生物農藥的概念及分類

在中國,傳統的生物農藥僅指微生物農藥。隨著科學技術的迅猛發展,生物農藥的內涵和外延也在不斷深入與發展,對其概念和類別的探討非常廣泛。

 

張興等于2002年系統地給出了生物農藥的概念、分類及特點,并得到了業界的認可。生物農藥,是指可用來防除病、蟲、草等有害生物的生物體本身及源于生物,并可作為“農藥”的各種生理活性物質。生物農藥包括生物體農藥和生物化學農藥兩類。生物體農藥指用來防除病、蟲、草等有害生物的商品活體生物,如天敵昆蟲、轉基因作物、真菌、細菌、病毒、線蟲、微孢子蟲等;生物化學農藥是指從生物體中分離出的具有一定化學結構的,對有害生物有控制作用的生物活性物質,該物質若可人工合成,則合成物結構必須與天然物質完全相同(但允許所含異構體在比例上的差異),如植物源農藥、昆蟲信息素及抗生素等。

 

中國農藥管理部門2017年頒布的《農藥管理條例》中并無生物農藥的概念,但一般將生物化學農藥、微生物農藥和植物源農藥歸類為生物農藥。其中,生物化學農藥是指同時滿足下列兩個條件的農藥:一是對防治對象沒有直接毒性,而只有調節生長、干擾交配或引誘等特殊作用;二是天然化合物,如果是人工合成的,其結構應與天然化合物相同(允許異構體比例的差異)。主要包括以下類別:① 化學信息物質、天然植物生長調節劑、天然昆蟲生長調節劑、天然植物誘抗劑等。② 微生物農藥,是指以細菌、真菌、病毒和原生動物或基因修飾的微生物等活體為有效成分的農藥。③ 植物源農藥,是指有效成分直接來源于植物體的農藥。

 

需要指出的是,農用抗生素是通過微生物發酵生產的,雖然也屬于生物農藥,但在登記資料要求方面,除部分試驗項目因產品特殊性質無法提供外(可申請減免),其他基本等同于化學農藥。目前世界上其他國家幾乎沒有將其作為生物農藥對待,但從來源、研究及應用現狀來看,抗生素類農藥在中國歷史上及當下仍然是生物農藥中的相當重要的一類。

1.2  生物農藥的特點

關于生物農藥的特點,也有多位學者進行了探討和分析。目前,較為一致的觀點是:專一性強,活性高;對環境安全;不易產生抗藥性;對非靶標生物相對安全;開發利用途徑多;作用機理不同于常規農藥;種類繁多,研發的選擇余地大。當然,還表現出作用速度較慢,開發及使用成本較高等特點。

 

1.3  生物農藥研發理論

圍繞生物農藥的內涵和特點,國內學者相繼發表了“試論無公害農藥”、“試論‘農藥無公害化’”、“生物農藥評述”、“天然產物與消化毒劑”等重要文章;在不同歷史時期,多位學者均對生物農藥研發、應用、管理等方面展開綜述;并出版了多部代表性專著,如蒲蟄龍主編的《赤眼蜂研究選譯》,劉崇樂等主編的《蘇云金桿菌研究的五十年》,梁東瑞等主編的《中國昆蟲病毒圖譜》,黃壽山等主編的《赤眼蜂寄生生態學與工廠化繁殖應用》,邱德文等主編的《蛋白質生物農藥》、《糖鏈植物疫苗研究與應用》及《植物免疫與植物疫苗--研究與實踐》,吳文君等主編的《生物農藥及其應用》、《生物農藥科學使用指南》及《天然產物殺蟲劑—原理、方法和實踐》,紀明山主編的《生物農藥手冊》,徐漢虹主編的《殺蟲植物與植物性殺蟲劑》和《生物農藥》,張興等主編的《生物農藥概覽》、《無公害農藥與農藥無公害化》,杜家緯主編的《昆蟲信息素及其應用》等。

 

上述文章及專著從生物農藥的概念、分類、特點、品種、研究方法、質量評價體系、作用機理、開發流程和應用技術等方面展開了較為系統的歸納與總結,基本構建了生物農藥理論和技術體系。其中,邱德文和杜昱光等提出了“植物疫苗”的概念,并豐富了生物農藥中新的一類—免疫誘抗劑;吳文君基于植物源農藥作用機理研究而提出了一類新作用靶標的殺蟲劑——“消化毒劑”;張興等在長期對植物源農藥研究的基礎上提出了“無公害農藥”、“農藥無公害化”、生物農藥、生物技術農藥、“植物保健與和諧植保”等新概念和理念,對生物農藥的發展和應用起到了積極的指導和促進作用。

 

特別強調的是,除上述學者外,趙善歡、陳華奎、尹莘耘、沈寅初、楊懷文、喻子牛、尹宜農、陳捷、楊自文、夏玉先等多位學者對于生物農藥理論體系的構建及產業化發展也做出了重要的貢獻。

 

生物農藥研發實踐

建國以來,生物農藥新產品創制工作遍地開花、欣欣向榮、成績卓著。一批學者、科研團隊、重點實驗室及農藥企業均在新產品創制方面做出了重要貢獻,并陸續開發出多個生物農藥新產品。

 

2.1  生物農藥研發平臺

為推動生物農藥的創制,相繼建立了國家、省部級生物農藥創制創新平臺。其中代表性的有:國家生物農藥工程技術研究中心、微生物農藥國家工程研究中心、中科院武漢病毒所、中國農科院生防所、中國農科院植保所、生物防治國家重點實驗室、華南農業大學天然農藥與化學生物學教育部重點實驗室、福建省生物農藥工程研究中心、江蘇省生物農藥工程技術中心、陜西省生物農藥工程技術研究中心、陜西省植物源農藥重點實驗室、重慶大學重慶市殺蟲真菌農藥工程技術研究中心、甘肅省植物源生物農藥工程技術研究中心、遼寧省生物農藥工程技術研究中心等。也有部分學者以企業的形式建成生物農藥研發平臺,借助“農科教、產學研”一體化模式持續推進了生物農藥新產品的研發,如西北農林科技大學無公害農藥研究服務中心,自1994起至今已研發生物農藥新產品20多個,轉化10余個。

 

另外,2013年10月,經科技部審批公示,由中國農業科學院植物保護研究所牽頭組織成立了“生物農藥與生物防治產業技術創新戰略聯盟”。截至目前,“聯盟”理事會已發展會員單位 150余家,占生物農藥生產研發單位總數的50%以上。“聯盟”以科技創新為指導,以組織技術研發、成果轉化和健全創新體系為重點,帶動和促進生物農藥產業技術進步,推動產業結構調整和優化升級,提升中國生物農藥與生物防治技術產業的國際競爭力和健康快速發展。

 

2.2  代表性學者及研究團隊

圍繞不同類別的生物農藥,一代代的科研人員投入了大量的精力致力于新農藥產品的創制及應用。

 

2.2.1  植物源農藥領域

趙善歡院士是中國現代植物源農藥研究的先驅,在國內率先開創并引導了現代植物源農藥的創制。張興、吳文君、尚稚珍、羅萬春、胡美英、徐漢虹、萬樹青、曾鑫年、葛喜珍、林開春等一批學者,及華南農業大學、西北農林科技大學、安徽農業大學、山東農業大學、江蘇省農業科學院、北京動物研究所、昆明植物研究所、華南植物研究所、南開大學、北京大學、中國農業大學、北京聯合大學、華中農業大學、青島農業大學、南京林業大學、甘肅農業大學等多個單位均有中國從事植物源農藥研發的代表性學者及團隊。西北農林科技大學無公害農藥研究服務中心長期致力于植物源農藥的創制,有20余項科研成果通過省、部級成果鑒定,申請并受理國家農藥發明專利130余項,獲得授權86件;發表學術論700余篇,開發并轉化楝素殺蟲乳油、藜蘆堿殺蟲劑、苦參堿殺菌劑、苦豆子生物堿殺蟲劑等10多個植物源農藥新產品。

 

2.2.2  生物化學農藥領域

廣東省昆蟲研究所的何復梅等、中科院動物所的劉孟英等、上海昆蟲所的杜家緯等均為昆蟲信息素研究方面的杰出代表。邱德文、杜昱光等學者及團隊先后研發出蛋白類、寡糖類等新品種,且在激發子受體、誘導免疫反應的信號通路等分子機制研究亦取得突破性進展。中國農科院植保所、中科院大連化物所、南京農業大學、浙江大學、中科院微生物所、中科院動物所、中科院上海昆蟲所、廣東省昆蟲所等多個單位均為中國從事生物化學農藥研發的代表性單位。

 

2.2.3  農用抗生素領域

沈寅初院士成功研發出中國第一個用量低、環境安全、對人畜無毒害的農用抗生素—井岡霉素,并得到廣泛推廣,建廠60多家,為中國抗生素農藥產業的建立奠定了基礎。其他代表性人物主要有尹莘耘、胡吉成、胡厚芝等,代表性單位有中科院微生物所、中科院成都生物所、浙江農科院微生物所、上海農科院植保所、中科院上海植生所、上海農藥研究所、江蘇農藥研究所、浙江化工研究院、湖南化工研究院、南開大學等。

 

2.2.4  微生物農藥領域

蒲蟄龍、曹驥、劉崇樂、張履鴻、彭中允等先驅開創了中國細菌類殺蟲劑的研發,尤其是對Bt的研究。華中農業大學喻子牛和孫明等、中科院武漢病毒所李榮森等、福建農林大學關雄等、湖北農科院謝天健等、中國農科院黃大昉等、中科院動物所王瑛等和中山大學龐義等均是國內從事Bt研究的代表性學者,除產品開發外,還進行了大量的Bt資源收集、鑒定、新基因挖掘和作用機理研究等。棉鈴蟲核型多角體病毒是中國最具代表性的昆蟲病毒類農藥,中科院武漢病毒所、中科院動物所、武漢大學、浙江大學等單位的蔡秀玉、梁東瑞、孫修煉等學者在昆蟲病毒類生物農藥研發方面做出了重要貢獻。原福建農學院林伯欣在國內最早開展真菌類殺蟲劑研發,徐慶豐、李運帷、呂昌仁、曾省鄧莊、王中康、夏玉先和陳捷等陸續開展了真菌類生物農藥的生物學特征及應用等研究。上海交大、安徽農大、重慶大學、中科院上海植生所、浙江大學、西南大學等國內多家研究機構先后組建了各具特色的真菌生物農藥研究團隊,在白僵菌、綠僵菌、木霉菌等真菌類生物農藥產業化和應用方面均達到了國際先進水平。

 

2.2.5  天敵生物農藥領域

長期以來昆蟲天敵一直是生物防治的主要手段之一,至上世紀80年代后,隨著人工繁育技術的成熟及對農藥管理的加強,國際上很多國家均將其作為生物農藥進行管理。蒲蟄龍、邱式邦、楊懷文、張禮生、臧連生、張艷璇和楊忠岐等為中國昆蟲天敵類生物農藥的研發和應用做出了重要貢獻。中國農科院、中國林科院、中山大學、中科院動物所、廣東昆蟲研究所、廣東農科院、吉林農科院、福建農科院、河北農林科學院等單位均為該領域內優勢單位。

 

2.3  代表性成果

生物農藥領域除新產品外,代表性的成果還包括省部級以上的獎項、重要論著等。論著部分已結合生物農藥研發理論進行了概述,不再贅述。建國以來,本領域獲得的部分重要獎項包括:

 

尹莘耘先生的多效霉素于1978年獲得國家技術發明三等獎。1984年,胡吉成等研發的公主嶺霉素獲得國家技術發明二等獎。沈寅初院士研發的井岡霉素在80年代初獲上海市首屆科技進步一等獎,國家科技進步二等獎;瀏陽霉素獲得“七五”攻關獎,阿維菌素獲得國家科技進步二等獎。鄭裕國院士以高純度井岡霉素生物催化生產井岡霉醇胺的產業化技術開發獲得國家技術發明二等獎。鄧子新院士實現了井岡霉素及其直接醫藥前體的異源生物合成,獲得國家自然科學二等獎。1990年和1991年,“蘇云金芽孢桿菌制劑效價檢測標準化技術”和“蘇云金芽孢桿菌殺蟲劑生產與應用新技術”先后獲得農業部科技進步二等獎。1995年,“中國蘇云金桿菌殺蟲劑商品化生產、質量標準及應用”獲得國家科技進步二等獎,1996年,該項技術成果榮獲“兩委一部”國家重大科技成果表彰獎勵。在天敵生物農藥領域,1995年楊忠岐獲得“國際林聯科學成就獎”,并于2006年其研究成果“重大外來侵入性害蟲--美國白蛾生物防治技術研究”獲得國家科技進步二等獎。2008年,張艷璇團隊的“以螨治螨”成果“天敵捕食螨產品及其農林害螨生物防治配套技術的研究與應用”獲得國家科學技術進步二等獎。2009年夏玉先團隊的“殺蟲真菌農藥共性關鍵技術研究與產品研制”獲重慶市技術發明一等獎,同年,“真菌殺蟲劑產業化及森林害蟲持續控制技術”獲國家科技進步二等獎。華南農業大學的印楝素殺蟲劑榮獲國家首屆發明創業獎,國家環境保護科技進步一等獎,魚藤酮殺蟲劑的研究榮獲國家科技進步二等獎。吳文君主持的“殺蟲植物苦皮藤的研究”1991年獲商業部科技進步二等獎,主持的“植物殺蟲劑苦皮藤素研究與開發”2003年獲陜西省科學技術一等獎,2006年獲得國家科技進步獎二等獎。吳云峰主持完成的“多羥基雙萘醛植物源病毒抑制劑的篩選與研制”獲得2007年陜西省科學技術獎一等獎。張興主持完成的“楝素殺蟲乳油”、“油酸煙堿系列殺蟲劑”等成果先后獲得陜西省和甘肅省科技進步二等獎。

 

2.4  生物農藥產業化現狀

截至2019年4月,中國登記生物農藥有效成分125個,產品3790個,分別占農藥總有效成分和總產品數量的17%和9.8%。

 

據國家統計局2018年數據顯示,全國生物農藥生產企業大約200家,生物農藥產量14萬噸,約占全國農藥生產企業的6.7%,年產值約216.27億元,占整個農藥總產值的8%左右。某些明星產品如井岡霉素、赤霉素、阿維菌素、Bt四個品種的年產值均超過1億元,且中國是井岡霉素、赤霉素和阿維菌素的最大生產國。苦參堿、阿泰靈、殼寡糖和蕓苔素內酯等產品發展迅猛,市場份額逐年擴大。印楝素、魚藤酮、白僵菌、綠僵菌、木霉菌等推廣應用效果良好。害蟲天敵的生產與利用技術達國際領先水平,例如赤眼蜂的年繁蜂量100億頭左右,應用面積133.3萬hm2以上,是全球應用面積最大的國家。從2014年開始,政府在部分地區開展了低毒低殘留農藥示范補貼試點,鼓勵農民使用生物農藥,極大地推動了生物農藥的應用。

 

中國農用抗生素的發展概況

3.1  研發歷史

中國農用抗生素的研究始于20世紀50年代初。1953年,中國農科院著名植物病理學家、農用抗生素學科創始人尹莘耘率先從土壤放線菌中篩選出5406抗生菌。該菌對農作物具有促生、抗病、抗凍、抗旱以及提高品質等功效,60~70年代在全國推廣,面積達數千萬公頃,隨后又研發出內療素和多效霉素。中國農科院土肥所1957年開始進行農抗120的研究,中科院微生物所先后研制了殺稻瘟素S、春雷霉素和多抗霉素。這些產品的創制,標志著新中國農用抗生素研究拉開序幕。

 

之后中國進入農用抗生素發展高峰期,先后研制成功井岡霉素、寧南霉素和金核霉素等抗生素殺菌劑。進入90年代,農用抗生素的研制開始引入基因工程、細胞工程等生物技術,促進了產品產量和質量的提升。當然,也陸續開發出抗生素類新產品,如申嗪霉素等。

 

3.2  產業化發展及現狀

中國自1985年恢復農藥登記以來,1985—1989年先后正式登記農用抗生素品種有井岡霉素、農抗120、多抗霉素和公主嶺霉素等7個產品;1990年以后,相繼臨時登記10多種新的抗生素,如中生菌素、寧南霉素、阿維菌素。上海農藥研究所沈寅初院士研究開發井岡霉素先后在海南、江西、上海、廣東農科院等60多個農藥廠生產。吉林省農科院植保所研發的公主嶺霉素由吉林省延邊農藥廠批量生產。中科院成都生物所胡厚芝團隊研發的寧南霉素由黑龍江強爾生化技術開發有限公司工業化生產。

 

目前,中國主要登記生產的農用抗生素品種有:春雷霉素、多抗霉素、多殺霉素、井岡霉素、四霉素、中生菌素、農抗120、寧南霉素、阿維菌素、申嗪霉素、依維菌素、甲氨基阿維菌素苯甲酸鹽。大規模生產的最大品種是阿維菌素,其次是井岡霉素。主要生產企業有浙江錢江生化、升華拜克、海正藥業、梧桐匯豐、河北威遠、華北制藥、吉林延邊春雷、江蘇無錫玉祁、陜西麥克羅(原綠盾)、武漢科諾、上海農樂和黑龍江強爾等。

 

阿維菌素一直由美國默克公司在世界范圍內主導產業化。20世紀80年代起,沈寅初院士團隊圍繞阿維菌素菌種誘變、發酵工藝和提取精制等方面開展深入研究,使其發酵水平達到了國際先進水平,被數家企業引進并投產。2007—2009年,中科院微生物所通過合成生物學技術,將阿維菌素的單位產量提高了1 000倍,內蒙古新威遠及阿維菌素產業聯盟成員企業引入該技術并規模化生產,使阿維菌素市場價格由過去的2萬元/kg降低到500元/kg,迫使默克公司退出阿維菌素歷史舞臺。中國對該產品的技術革新引領了農用抗生素產業的迅速發展,并為其它天然產物生物制品的改良提供了思路和方法。

 

中國細菌類生物農藥產業發展概況

建國以來,細菌類生物農藥產業快速發展,目前登記的品種有:枯草芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌、熒光假單胞桿菌、蠟質芽孢桿菌、沼澤紅假單胞菌PSB-S、多黏類芽孢桿菌、堅強芽孢桿菌、海洋芽孢桿菌、甲基營養型芽孢桿菌、蘇云金桿菌、解淀粉芽孢桿菌、短穩桿菌、球形芽孢桿菌和側孢短芽孢桿菌A60等。上述品種中,蘇云金桿菌、枯草芽孢桿菌、蠟質芽孢桿菌及多粘類芽孢桿菌等登記產品均在10個以上,且有多個廠家生產,如枯草芽孢桿菌產品多達71個,由55家企業登記。當然,在各類細菌類生物農藥中,對Bt的研究最為深入,其產品、產量及應用規模最具代表性。截止2019年4月有239個產品被130家企業登記生產。對該類農藥以Bt為代表簡要介紹其研發歷史及現狀。

 

4.1  Bt研發歷史

中國的Bt研究大概可以分為兩個的階段:第一階段是20世紀90年代前的收集資源、菌株鑒定、生產發酵等研究的常規階段;第二階段是20世紀90年代后以分子生物學等現代技術手段全面介入的新階段,大量新基因的發現、轉基因新成果不斷涌現。

 

早在1941年,蒲蟄龍就在中國南方進行了細菌防治菜粉蝶的試驗。1955年,曹驥應用從法國引進的Bt菌粉防治玉米螟,這也是中國首次有關Bt研究的正式報道。1959年,劉崇樂從捷克引進菌株防治多種害蟲,同年張履鴻也從前蘇聯引進菌株開展試驗,1961年,彭中允從前蘇聯帶回菌株進行應用。1962年,劉崇樂等撰寫了《蘇云金桿菌研究的五十年》一書,系統介紹了這一領域的現狀,標志著中國Bt研究全面展開。

 

自1968年開始,中國科學院武漢病毒研究所和華中農業大學一直堅持從資源基礎生物學到產品開發的全方位研究。中山大學和廣東省微生物研究所等機構也進行了Bt血清學鑒定和簡易生產,還提出用家蠶初孵幼蟲作為Bt毒力測定的方法。福建農林大學自1980開始開展相關研究,對提高產品效價發揮了重要作用,促進了中國Bt產品的出口。

 

1990年以來,國內工作主要集中在Bt分子生物學、細胞工程菌的培育、基因工程菌的構建和轉基因植物等高新領域。其中,華中農業大學微生物農藥國家工程研究中心在Bt工程菌構建、Bt基因的挖掘以及殺植物線蟲Bt產品的研究與開發等方面取得了突破性進展。

 

中國近20年以來在Bt研究領域成就卓著。迄今已經分離到Bt 8 000株以上,鑒定了13個新亞種。全世界ICPs基因共75類751種,其中中國發現新基因39類272個。國際上Bt內毒素命名委員會命名了VIPs基因105個,其中中國發現39個。全世界在 NCBI 注冊Bt幾丁質酶基因102條,其中由中國登記的為30條,注冊量僅次于美國。

 

4.2  產業化發展及現狀

中國正式開始生產Bt是1964年在武漢興建的第一個中試車間。1965年底,湖北武漢染料廠青蟲菌車間生產的“三五牌”和湖南長沙微生物所生產的“424”蘇云金桿菌商品在中國上市,這是中國第一批Bt商品制劑。20世紀7080年代,全國各地小型Bt廠進行半固體發酵遍地開花,形成群眾運動式的生產。在“七五”和“八五”期間,Bt殺蟲劑正式列入國家科技攻關計劃,全國科研大協作,解決了菌種、發酵技術、后處理工藝等一系列難題,使得中國Bt產品踏上了一個新的臺階。

 

Bt產業化進程中,湖北科諾、康欣以及福建綠安等生物農藥公司一直統領全國Bt原藥研發。其中,亞洲最大的生物農藥基地-武漢科諾Bt生物農藥基地走在中國各企業前列。目前,中國正規生產Bt的廠家近70家,年產量超過3萬噸,產品劑型以液劑、乳劑、可濕粉、懸浮劑等為主,用于糧、棉、果、蔬、林等作物上的20多種害蟲的防治,使用面積達300萬公頃以上。

 

中國昆蟲病毒類生物農藥發展概況

5.1  研發歷史

中國昆蟲病毒研究始于二十世紀50年代中期,高尚蔭、曹詒蓀等對家蠶核型多角體病毒病的研究。近五十年來,在昆蟲病毒—昆蟲細胞離體培養系統、昆蟲病毒資源的識別鑒定、昆蟲病毒分子生物學、昆蟲病毒生物防治技術等研究領域得到很大的發展,并在國際上產生重要影響。

 

中國早期的昆蟲病毒研究始于“三蠶”(即家蠶、柞蠶和蓖麻蠶)膿病病毒。60年代,謝天恩、蔡秀玉和張立人等對粘蟲核型多角體病毒研究已涉及到病毒組織病理學、病毒生物學性質和病毒形態結構。

 

20世紀70年代和80年代,是中國昆蟲病毒研究發展最快的時期,昆蟲病毒研究隊伍迅速壯大。蒲蟄龍等在廣東首次發現馬尾松毛蟲CPV,并以其防治松毛蟲取得明顯成效。武漢病毒所在國內首次分離出單核衣殼核多角體病毒,1993年,棉鈴蟲核多角體病毒殺蟲劑獲得登記,是中國第一個病毒殺蟲劑。彭銀輝、秦啟聯、尹宜農、張忠信、孫修煉等學者,及武漢大學、中山大學、浙江大學、中科院動物所等在昆蟲病毒新種發現、產品研制、中試及工廠化生產等方面的成果推動了昆蟲病毒殺蟲劑產業發展。

 

5.2  產業化發展及現狀

棉鈴蟲核多角體病毒殺蟲劑是中國第一個被登記的昆蟲病毒類產品,先后有11個廠家生產,年產量約300~500噸,江西新龍、武大綠洲、河南濟源和江西宜春等占據主體地位。迄今為止,中國已開發出超過32種病毒殺蟲劑。目前處于登記狀態的產品有:棉鈴蟲核型多角體病毒、苜蓿銀紋夜蛾核型多角體病毒、斜紋夜蛾核型多角體病毒、黏蟲顆粒體病毒、小菜蛾顆粒體病毒、松毛蟲質型多角體病毒、茶尺蠖核型多角體病毒、甘藍夜蛾核型多角體病毒、蟑螂病毒、菜青蟲顆粒體病毒、甜菜夜蛾核型多角體病毒。年產制劑約1600噸,占全國殺蟲劑總產量的0.2%。

 

中國真菌類生物農藥發展概況

6.1 研發歷史

中國利用真菌防治病蟲害的研究從20世紀50年代開始。林伯欣、徐慶豐、李運帷、呂昌仁、林伯欣、曾省和鄧莊等相繼開展了白僵菌、淡紫擬青霉和玫煙色擬青霉的早期研究。20世紀70年代殺蟲真菌的研究主要集中在真菌培養、大量生產和防治害蟲等方面。隨后二十年,真菌類生物農藥的基礎研究明顯加強,研究內容包括分類和鑒定、侵染致病機制等內容。

 

進入21世紀后,中國在該領域的基礎和應用研究進入分子時代。王成樹、夏玉先、馮明光、李增智和陳捷等團隊對白僵菌、綠僵菌和木霉菌的資源挖掘、毒力基因鑒定、分子相互作用、遺傳改造、應用技術等方面取得了顯著的成果,極大的促進了中國真菌農藥產業的發展。

 

經過幾十年的發展,在上海交通大學、安徽農業大學、重慶大學、中科院上海植生所、浙江大學、西南大學等團隊的努力下,中國在真菌生物農藥領域的研究水平處于世界前列。

 

6.2  產業化發展及現狀

1969年,農林部組織南方各省在廣東省新會縣召開了利用白僵菌防治松毛蟲現場交流會,大力推廣新會縣“土法生產”白僵菌大面積防治松毛蟲的經驗。會后,在政府的支持下規模不一的白僵菌廠在各省不斷涌現,通過固體發酵大量生產白僵菌粉劑,產品主要是自產自用而無需登記。本次會議大力推動了中國真菌殺蟲劑產業的發展,使得中國利用白僵菌防治松毛蟲和亞洲玉米螟的應用面積達到了世界第一。

 

隨后二十年,白僵菌、綠僵菌、木霉菌等真菌類生物農藥在工業化生產工藝、安全性評價、劑型及企業標準等方面均取得了一定的進展,但始終未能實現工業化生產。1997年5月8日國務院頒發的《農藥管理條例》,促進了微生物農藥產業的規范化發展。自2000年重慶大學夏玉先、王中康等研制的“殺蝗綠僵菌母粉”及“殺蝗綠僵菌油懸浮劑”是中國第一個獲得殺蟲真菌類新農藥登記的原藥和制劑。陳捷團隊研發的哈茨木霉等產品相繼被山東泰諾、上海大井等企業轉化。目前,真菌類生物農藥登記的品種有:假絲酵母、淡紫擬青霉、木霉菌、厚孢輪枝菌、嗜硫小紅卵菌HNI-1、球孢白僵菌、金龜子綠僵菌、大孢綠僵菌等,其中白僵菌、綠僵菌和木霉菌是優勢產品。

 

在生產和應用方面,重慶重大生物技術公司、重慶聚立信生物工程有限公司等均為中國代表性的真菌生物農藥生產企業,年產能達到萬噸級。山東泰諾也在木霉菌的生產應用中取得了顯著的經濟和社會效益。

 

中國植物源農藥發展概況

7.1  研發歷史

植物源農藥的起源歷史悠久。建國初期,中國進行了較為廣泛的農用植物普查,并編著了《中國土農藥志》,該書較為詳細地記載了大量具有農藥活性的植物。

 

趙善歡院士自20世紀30年代起就對中國西南各省的殺蟲植物種類及分布及應用狀況作了廣泛的調查。50年代,他又以魚藤根粉對蔬菜、茶樹害蟲進行防治試驗及大面積推廣應用。之后,對楝科等40余種植物的殺蟲作用開展了系統研究,并從非洲成功引種印楝至廣東和海南。他主持的“植物性殺蟲劑的開發利用研究”在國內處于領先地位,并得到了國際上有關專家的重視。一手創建的華南農業大學殺蟲植物標本園是國內唯一一個殺蟲植物展示平臺。

 

20世紀80年代起,國際上印楝素的成功開發,帶動了中國植物源農藥研發的再次興起。研發涉及到資源的篩選、活性成分的分離、作用方式與機理探討、產品開發與應用等。國內多位學者對中國3000多種植物進行了農藥活性的篩選,發現了豆科、茄科、菊科等40余科植物及植物精油的農藥活性值得深入研究;對川楝、苦參、雷公藤、沙地柏、苦皮藤、銀杏、蛇床子、大黃、黃連等一批植物的農用活性進行了系統研究;開發出了苦參堿、煙堿、除蟲菊素、魚藤酮、蛇床子素、大黃素甲醚、丁子香酚等20多個植物源農藥新產品;還在苦皮藤素、川楝素等植物源農藥作用機理研究方面取得了突破性進展。

 

7.2  產業化發展及現狀

秉承趙善歡院士的事業,華南農業大學長期致力于植物性殺蟲劑的研究和推廣應用,研制出魚藤酮乳油、印楝素乳油、煙堿•苦參堿乳油(跳甲凈乳油)等10余個商品化植物性農藥產品。西北農林科技大學自1994年起先后開發出川楝素、苦皮藤素、油酸煙堿、苦豆子生物堿、甾烯醇等20多個植物源農藥新產品,取得了較好的經濟、社會和生態效益。其中,張興教授基于對川楝素的研究及產品創制,于1992年建立了中國第一個“無公害農藥廠”。

 

近20年來,中國植物源農藥產業化取得了長足進展。截止2019年4月中國植物源農藥產品有343種,有效成分36種,主要有:煙堿、苦參堿、小檗堿、印楝素、魚藤酮、藜蘆堿、檸檬烯、蕓苔素內酯、2,4-表蕓苔素內酯、樟腦、除蟲菊素、蛇床子素、苦皮藤素、桉油精、八角茴香油、大黃素甲醚、狼毒素、雷公藤甲素、香芹酚、大蒜素、右旋樟腦、莪術醇、補骨脂種子提取物、銀杏果提取物、博落回提取物、甾烯醇、萜烯醇等。有100多家植物農藥生產企業,其中北京清源保、楊凌馥稷、山西德威、成都新朝陽、成都綠金等為行業龍頭企業。在上述產品中,產量較大的產品有魚藤酮、苦參堿、印楝素、除蟲菊素等。有89家企業登記苦參堿產品114廠次,16家企業登記魚藤酮產品23廠次, 17家企業登記印楝素產品23廠次,17家企業登記樟腦產品24廠次,13家企業登記除蟲菊素產品26廠次,13家企業登記蛇床子素產品17廠次。年產量最高的為苦參堿,約為7 000噸;其次為印楝素,年產量約為2 000噸。

 

需要說明的是,部分品種如羊角拗苷、辣椒堿、楝素、苦豆子生物堿、百部堿、莨菪堿、烏頭堿、馬錢子堿等,在先前已有登記,但后期未能續展。另外,孜然(主要活性成分為枯茗酸、枯茗醛等)、雷公藤(有效成分為雷公藤生物堿)、大花金挖耳(有效成分為天明精內酯酮)等幾種植物源農藥已完成了基礎和相關的應用基礎研究,具備開發價值和產業化前景,有望在3~5年內陸續獲得登記。

 

中國生物化學農藥發展概況

對于生物化學農藥,主要闡述昆蟲信息素及天然誘抗劑的發展概況。

 

8.1 昆蟲信息素類產品研發及應用

對于昆蟲信息素的研究,國內始于1966年,北京動物所開始研究馬尾松毛蟲性信息素,到70年代研究工作全面展開。多年來,中國昆蟲信息素的研究在生物學、生理學、行為學、生態學、分子機理、化學、產品開發及應用技術等方面都取得了豐碩成果。杜家緯、杜永均等在昆蟲信息素鑒定、合成與使用新技術上取得突破性進展。到目前為止,先后鑒定了100多種中國農林主要害蟲的信息素化學結構,合成了50多種信息素和引誘劑,研究出一批適于測報的誘捕器和各種劑型。中科院上海昆蟲所、中科院動物所、廣東省昆蟲所、中國科學院長春應用化學研究所、中國林業科學研究院、中山大學、華南農業大學、南京林業大學、浙江大學、山東省農藥科學研究院、中國農業大學、吉林省林業科學研究院、西北農林科技大學等單位均在該領域取得了驕人的成績。

 

昆蟲性信息素類產品主要用于害蟲預測預報、大量誘捕、交配干擾、配合治蟲(如用性信息素加病毒制成的誘芯)等。早在80年代,中國就廣泛開展了利用性信息素進行蟲情監測與防治工作,效果十分顯著。隨后,該類產品開發較快,如陜西省生物工程技術研究中心對蘋果蠹蛾、大豆食心蟲等昆蟲的性信息素合成、誘芯研發、誘捕器設計等均取得明顯突破,開發出性誘劑產品近10個,且在田間應用中取得了良好的監測及防治效果;中捷四方主營150余種昆蟲信息素產品及20余種配套誘捕器。

 

中國首個昆蟲信息素原藥—誘蟲烯的登記是中國昆蟲信息素產業化的成功標志。目前中國登記的昆蟲性誘劑產品有:誘蟲烯、梨小食心蟲性信息素、地中海實蠅引誘劑、二化螟性誘劑、綠盲蝽性信息素等。實際生產應用的昆蟲性誘劑產品近200個,在小菜蛾、蘋果蠹蛾、柑桔小實蠅、大豆食心蟲等30余種農林害蟲防治中大面積推廣應用。

 

8.2  天然源誘抗劑產品研發及應用

天然源誘抗劑是近年興起的新型生物農藥品種,相對成熟的誘抗劑產品有糖類和蛋白類。目前國內登記的產品主要有:極細鏈格孢激活蛋白、菇類蛋白多糖、香菇多糖、氨基寡糖素、幾丁聚糖、葡聚烯糖、低聚糖素、超敏蛋白等。

 

中國對寡糖類植物免疫誘抗劑的研究始于上世紀90年代,主要由中科院大連化物所及成都生物所進行。1999年登記了第一個氨基寡糖素生物農藥。隨著研究的深入和應用技術的完善,2008年之后糖類生物農藥的登記和應用進入了迅速發展時期。截止2019年4月,中國已登記糖類農藥有效成分5個,產品159個。海南正業、山東凱利、山東圣鵬等企業是糖類農藥主要生產企業。

 

中國農科院植保所率先圍繞蛋白類誘抗劑的活性篩選、蛋白分離與鑒定、生產工藝、制劑加工等方面開展了研究,先后研發出“3%極細鏈格孢激活蛋白可濕性粉劑”和“6%寡糖鏈蛋白”。其中“3%極細鏈格孢激活蛋白可濕性粉劑”2009年獲得臨時登記,標志著中國蛋白類植物免疫誘抗劑的研發和應用取得了階段性的突破;“6%寡糖鏈蛋白”2014年獲得臨時登記,2017年獲得正式登記。目前,該產品在全國28個省市的蔬菜、水稻等作物上推廣應用面積達5 000多萬畝次,發展潛力巨大,產業化成果整體處于國際同類研究先進水平。北京中保綠農生物科技有限公司是蛋白類農藥誘抗劑主要生產企業。

 

中國天敵類生物農藥發展概況

9.1  研發歷史

中國早在20世紀30~40年代就開始了赤眼蜂的利用研究。新中國成立以來應用優勢天敵控制農業害蟲的工作一直都在開展。20世紀50年代,廣東發明了用蓖麻蠶卵大量繁蜂的技術,并應用赤眼蜂防治甘蔗螟蟲。20世紀60年代,中國學者研究出以柞蠶的剖腹卵為中間寄主繁殖松毛蟲赤眼蜂獲得成功。1978年,蒲蟄龍院士創建了中山大學昆蟲學研究所,該所是中國害蟲生物防治的重要研究基地之一。1980年,邱式邦院士創建了中國農業科學院生物防治研究室(后發展為生物防治研究所,2006年并入植物保護研究所),成為中國第一個國家級的天敵研究機構。1984年在中國農業科學院生物防治研究所成立了中國第一個天敵引種檢疫實驗室,1998年農業部又在該所建立了中國唯一的天敵資源研究與利用重點開放實驗室。與此同時,中科院動物所和武漢病毒所、廣東昆蟲研究所、廣東省農業科學院都組織起頗具實力的科研團隊開展害蟲生物防治的研究。

 

赤眼蜂人工卵及人工卵制卵機研制成功是中國生防工作者對赤眼蜂應用的一大貢獻,此發明獲得國際同行的一致贊譽。從20世紀80年代起,廣東省昆蟲研究所、武漢大學、廣東省農業科學院等單位先后開展了赤眼蜂人工卵研究,突破了人工卵的卵漿、卵殼、人工卵的污染控制、人工卵卵卡機等技術難題。1992年廣東研制出國內外第一臺用微電腦控制的GD5型自動控制人工卵卡機,該人工卵卡機在“九•五”期間,共生產出人造卵赤眼蜂卡25萬多張,在全國多地、多種害蟲釋放控害效果與昆蟲卵相當。

 

除赤眼蜂外,對中國一些重要的天敵昆蟲開展了基本生物學、生態學、行為學,繁育技術等的研究,如中紅側溝繭蜂、麗蚜小蜂、周氏嚙小蜂、腫腿蜂、大草蛉、異色瓢蟲、智利小植綏螨、胡瓜鈍綏螨、捕食性甲蟲等。這些工作對于中國天敵類生物農藥產品的開發奠定了扎實的基礎。

 

9.2  產業化發展及現狀

早在20世紀80年代,中國對赤眼蜂的釋放應用非常廣泛,用于水稻、玉米、棉花、甘蔗、果樹、蔬菜、森林等害蟲的防治。自1990年以來已放赤眼峰2433億頭,防治面積近133.33萬hm2。

 

進入21世紀,國家對具備了大量繁殖技術的優勢天敵的商品化予以了扶持,如在吉林省農科院建設了具有生產防治害蟲133.3萬hm2赤眼蜂能力的機械化繁蜂工廠,推動了中國寄生蜂的商品化;在河北省農林科學院旱作農業研究所建立了天敵繁殖基地,年生產赤眼蜂、麗蚜小蜂、食蚜癭蚊等多種各類天敵能力約達150億頭。

 

目前中國已登記的天敵類生物農藥品種主要有:松毛蟲赤眼蜂、平腹小蜂和異色瓢蟲。從事赤眼蜂生產約15個企業左右,捕食螨的生產公司約10家,規模較大的企業包括:福建艷璇生物防治技術有限公司、吉林省綠豐生物開發有限公司、吉林省農院生物制劑實驗廠等。

 

10  前景與展望

建國以來,盡管生物農藥發展極為迅速,然而在其研發、應用及管理中均存在一些問題:新材料、低成本材料嚴重不足,導致生物農藥新產品種類少,且成本高;活性測定、效果評判及產品質量標準尚不夠嚴謹,限制了新產品研發速度;在產業化及應用中,工藝較為復雜或產率低、生產周期長、劑型不夠豐富、施藥技術落后、成本較高等問題限制了生物農藥新產品的產量及推廣應用;相關法律的缺失、政策保障缺乏以及知識產權的侵權等是生物農藥管理中存在的嚴重問題。

 

針對上述問題,我們認為生物農藥重點研發方向有如下幾個方面:

 

(1)活性生物資源的篩選。活性生物資源的篩選是生物農藥新品種創制的重要源頭,也是活性化合物新結構類型變化的重要來源,堅持從不同的環境中篩選活性微生物菌株和植物資源將為生物農藥新產品的持續開發奠定堅實的基礎。

 

(2)生物農藥新品種的創制與產業化。根據中國的資源優勢,有針對性的開展生物農藥新產品創制與轉化,并通過工程化配套,生產出具有市場競爭力的生物農藥新產品,為糧食安全生產和食品安全保駕護航。

 

(3)高毒力、高產、高穩定性工程菌株選育與構建及毒力(素)基因挖掘。高產活性生物菌株穩定的遺傳性是微生物農藥產業化的重要基石,開展高毒力、高產、高穩定性工程菌株選育、毒力(素) 基因鑒定為微生物農藥提供產業化保證。

 

(4)生物農藥活性物質生物合成途徑及生物反應器研究。由于植物源農藥資源的有限性極大的限制了其應用與發展,生物合成技術在解決植物資源大規模生產上有廣闊的應用前景。細胞培養、發狀根培養及基因工程技術的發展,必將在植物源農藥的研究開發和應用中發揮決定性的作用,與此相匹配的生物反應器研究為其產業化和規模化生產提供有效途徑。合成生物學在理論上的突破,也為微生物發酵代謝產物的效價大幅度提高提供技術手段。

 

(5)天然產物揮發物的研發與利用。利用精油類化合物易揮發、易降解、毒性低、環境相容性好、害蟲不易產生抗性等優點,研制和開發符合人們對無公害化的純天然源產品。植物源衛生害蟲防控劑新產品、新劑型和新工藝在公共衛生安全方面具有重要的研究價值,而植物源保鮮劑的研究與開發為保障鮮食性果蔬、經濟農副產品品質具有廣闊的應用前景。

 

(6)微生物組技術研究與應用。微生物組技術(土壤改良劑、種衣劑、殺線劑等)在種植業中可以降解農藥、種子包衣、土壤酸化、鹽堿化修復、土壤病蟲害防治與保護農作物免受有害生物為害,將逐漸凸顯其不可替代的作用。

 

(7)以生物農藥為主的作物有害生物全程防控技術集成與應用。針對特定作物上可能發生的病、蟲、草等制定出系統的防治方案,建立與應用以作物為主的全程病蟲害生物農藥防控技術體系,有效減少化學農藥和化肥等投入品的使用,進而提升特色經濟作物品質。

 

(8)生物農藥新劑型及專用植保器械裝備的應用研究。生物農藥新劑型的研發應當遵循生物農藥的特點,以安全、水基、控緩釋、精準等為主,且應滿足無人機施藥的技術要求。植保無人機載液量較小,多采用低量噴灑技術,用水量少甚至可不用水,航空施藥高度相對較低,飄移少,可空中懸停,與GPS系統配合,因此生物農藥新劑型的研發應與上述特點相一致。此外,生物農藥專用器械裝備研究能大幅度提高殺蟲、抑菌和除草的應用效率,但是施用劑量、濃度、時間和場地等方面值得深入研究。

 

(9)生物農藥殘渣綜合利用及藥肥水一體化研究。采用堆肥等方法處理生物農藥殘渣,并添加合適的微生物菌株,堆制出可防治多種植物病害的多功效有機藥肥,以解決資源的循環利用。同時,將廢物綜合利用、農業措施與生物防治有機地結合起來,形成防治地下病蟲害的一個新途徑。在應用上,還應考慮藥肥水一體化應用技術,以達到高效、節能、精準、智能化等目標。

 

隨著中國“農產品安全和環境安全”戰略需求的穩步推進,IPP理論(綜合性農業生產與保護)也將日益受到重視,而作為農業生產的重要投入品生物農藥在IPP理論的實踐中占有舉足輕重的地位,在解決上述生物農藥產業發展關鍵瓶頸和重大發展難題的基礎上,生物農藥產業必將迎來新的發展契機,更應有其廣闊的存在和發展的空間。

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