Применение бактерий рода Bacillus для борьбы с вредоносными насекомыми

Микробиологический метод борьбы с вредоносными насекомыми, именуемый сокращенно микробиометодом, основан на использовании энтомопатогенных микроорганизмов, которые являются возбудителями болезней насекомых или образуют вещества, обладающие энтомоцидным действием. Как правило, микробиометод предполагает использование препаратов живых микроорганизмов. Энтомоцидные продукты жизнедеятельности микроорганизмов не получили пока широкого практического применения.

Современное промышленное производство препаратов микробных инсектицидов основано на использовании в основном двух видов энтомопатогенных бактерий — Вас. thuringiensis и Вас. popilliae.

В 1874 г. Луи Пастер предложил использовать энтомопатогенные бактерии для борьбы с филлоксерой. И. И. Мечников в 1879 г. описал возбудителей бактериальной и грибной болезней хлебного жука и провел успешные опыты по использованию их против этого вредителя. Развивая эти исследования, И. М. Красильщик организовал в 80-х годах прошлого столетия лабораторию по производству и применению микробов, обладавших энтомопатогенным действием; ученый установил губительное действие некоторых микробов на хлебного жука и ряд других вредителей.

В последующие годы были описаны возбудители многих болезней насекомых, некоторые культуры энтомопатогенных микробов использовались с переменным успехом для борьбы с вредоносными насекомыми в широких масштабах. Широкий отклик получили работы Д' Эрелля (1911) по использованию выделенной им культуры неспороносной бактерии для борьбы с саранчой в некоторых странах Южной Америки и Северной Африки.

Для развития микробиометода особенно ценными явились работы С. Метальникова, В. Шорина и К. Туманова. В 1922 —1942 гг. ими было выделено и изучено большое число энтомопатогенных форм спорообразующих бактерий, на основе которых было организовано производство инсектицидных препаратов для борьбы с опасными вредителями кукурузы, винограда и хлопчатника.

В 1941 г. в США, используя культуры возбудителей так называемых молочных болезней насекомых, Датки разработал и успешно применил метод получения нового инсектицидного препарата для борьбы с японским жуком.

В 1949 г. Е. В. Талалаев разработал и внедрил в широкую практику метод борьбы с сибирским шелкопрядом с помощью культуры спорообразующей бактерии, принадлежащей к виду Вас. thuringiensis. Открытие в 1953 г. Хэннейем энтомоцидной природы кристалловидных включений у бактерий этого вида положило начало широким исследованиям по использованию его при получении новых эффективных инсектицидных препаратов. В 1959—1960 гг. в СССР, США, Франции было организовано промышленное производство специальных препаратов бактериальных инсектицидов из культур разновидностей Вас. thuringiensis. Микробные и в первую очередь бактериальные инсектициды прочно входят в систему мероприятий по защите растений и широко используются в борьбе со многими вредителями сельского хозяйства.

На основе использования культуры новой разновидности Вас. thuringiensis была разработана технология получения препарата бактериального инсектицида-энтобактерина, промышленное изготовление которого в нашей стране осуществляется с 1959 г. В настоящее время энтобактерин широко применяется для борьбы со многими видами вредоносных насекомых.

В настоящее время основное внимание уделяется получению высокоэффективных культур энтомопатогенных микроорганизмов. Большое значение имеет выявление природы энто-моцидных веществ из микроорганизмов, изучение их строения, механизмов биосинтеза и специфики действия на насекомых. Особую группу энтомопатогенных бактерий составляют виды, продуцирующие энтомоцид-ные токсины при развитии на обычных питательных средах. Наибольший интерес из этой группы представляют аэробные спорообра-зующие бактерии, объединяемые в вид Вас. thuringiensis. Использование бактерий этого вида составляет основу современной промышленности, выпускающей микробные инсектициды.

Характерной особенностью этих бактерий Вас. thuringiensis является их способность продуцировать специфические кристалловидные токсины, обладающие высокой энтомоцидной активностью. Кристаллы имеют ромбовидную (тетрагональную) форму, обнаружива- ются внутри клеток в процессе споруляции с помощью обычной микроскопии живых препаратов бактерий, и их часто именуют как па-распоральные включения или эндотоксины. После завершения процесса образования спор токсины выделяются в среду и обнаруживаются в свободном виде. Величина кристаллов варьирует в зависимости от вида культур бактерий в пределах 1—3 мкм. Энтомоцидные кристаллы — вещества белковой природы, в их состав входят 18 аминокислот. Энтомоцидный кристалл — термолабильный белок, разрушается при температуре около 60° С. Энтомоцидные кристаллы токсичны для чешуекрылых насекомых лишь при пероральном введении: вызывают паралич средней кишки гусениц. Насекомые гибнут при обработке их растворами токсинов очень малой концентрации — введение 1 : 106 и более.

Неоспоримым преимуществом этих препаратов является отсутствие токсического действия на энтомофаги и полезную энтомофауну. Так, они безвредны для медоносной пчелы. Препараты кристалловидных токсинов безвредны для теплокровных животных, рыб и растений. Кроме кристалловидных токсинов, бактерии некоторых разновидностей Вас. thuringiensis выделяют в среду растворимые в воде Энтомоцидные вещества, из которых наибольший интерес представляет термостабильный токсин, или бета-экзотоксин. В отличие от энтомоцид-ных кристаллов это вещество не разрушается даже при 100—120 °С. Оно является сравнительно низкомолекулярным соединением нук-леотидной природы. В составе термостабильного экзотоксина обнаружены два родственных вещества, названных турингиензииами,— А и В. Энтомоцидное действие термостабильного экзотоксина менее специфично — он активен по отношению ко многим видам насекомых. Практический интерес представляет его энтомоцид-ное действие на мух, комаров, совок и некоторых других вредных насекомых. Препараты экзотоксина безвредны для теплокровных животных, рыб и растений.

Микробиологическая промышленность изготовляет инсектицидные препараты из культур некоторых разновидностей Вас. thuringiensis. В нашей стране известны препараты энтобак-терин-3, дендробациллин, инсектин; за границей — биотрол, турицид, агритрол, бактан, ди-пел, спореин и др. Бактериальные инсектициды чаще всего выпускаются в виде порошка. Порошки более эффективны, транспортабельны, удобны для хранения и сохраняют свою активность в течение нескольких лет.

Несомненным преимуществом обладают гранулированные и инкапсулированные формы бактериальных препаратов, с успехом использованные против ряда вредителей. Так, применяются препараты в гранулах с кукурузной мукой, которые эффективны против кукурузного мотылька. Такая форма препаратов позволяет избежать возможное пагубное влияние инсектицидов на полезную энтомофауну.

При производстве инсектицидных препаратов применяются разнообразные добавки (растека-тели, прилипатели или распылители), которые значительно повышают эффективность используемого бактериального инсектицида. Энтомо-цидная активность таких препаратов превышает исходную при одинаковом содержании спор и энтомоцидных кристаллов.

Энтомоцидное действие препаратов из культур бактерий Вас. thuringiensis распространяется в основном на чешуекрылых; число чувствительных к действию Вас. thuringiensis насекомых превышает 150 видов. Насекомые из отрядов перепончатокрылых, двукрылых и жуков нечувствительны к действию этих бактерий. К наиболее вредоносным насекомым, подверженным действию препаратов Вас. thuringiensis, относятся яблонная, черемуховая, плодовая, бересклетовая, магалебская, ореховая, рябиновая, сиреневая, капустная моли; капустная и репная белянки, боярышница, ивовая волнянка, сосновый, сибирский, кольчатый, непарный шелкопряды, златогузка, листовертки, розанная, почковая, всеядная, плодовая, капустная, мельничная огневки, зимняя кустовая, желтоусая пяденица, американская белая бабочка, яблонная плодожорка, вишневый слизистый пилильщик, кукурузный мотылек, мальвовая моль, табачный бражник, коробочный червь хлопчатника. Безвредность бактериальных инсектицидов для растений позволяет применять препараты в любую фазу вегетации растений. Норма расхода препаратов зависит от вида насекомых-вредителей, метеорологических условий, размеров обрабатываемых растений, а также характера опрыскивания. Для порошковидных препаратов энтобак-терина установлены следующие дозировки: обработка овощных культур — 1,0—3,0 кг на 1 га, садовых и других культур — 3,0—5,0 кг на 1 га.

Перспективно совместное использование бактериальных инсектицидов с различными химическими средствами. При этом отмечается синергизм их энтомоцидного действия; спектр энтомоцидного действия препаратов расширяется, уменьшаются нормы их расхода.

Иммунитет и привыкание к действию энтомоцидных кристаллов и других бактериальных токсинов у чувствительных видов насекомых не отмечаются. При проникновении в кишечник насекомых достаточных доз этих соединений отмечается 100-процентная гибель вредителей.

В природе основным условием проявления вирулентных свойств энтомопатогенных микроорганизмов является массовое развитие бактерий в кишечнике чувствительных видов насекомых. Это развитие происходит во всех случаях нарушения физиологии насекомых, неблагоприятного воздействия на них внешней среды и наличия в кишечнике условий, способствующих развитию этих бактерий.

Исключительно перспективны для производства инсектицидных препаратов культуры возбудителей молочных болезней, в особенности Вас. popilliae. Культуры этого вида — очень эффективное средство борьбы с японским жуком — опаснейшим вредителем, поражающим около 300 видов растений. Бактерии выращивают непосредственно в организме личинок японского жука. Погибших, высушенных личинок вносят в почву, где споры бактерий долгое время остаются жизнеспособными и вирулентными для жука. Выращивание Вас. popilliae в организме насекомых — весьма трудоемкий процесс. В последние годы достигнут значительный успех в изучении физиологических и биохимических особенностей культур этой группы бактерий, что послужит основой для поисков способов выращивания их на искусственных питательных средах.

Методы выращивания Вас. popilliae на искусственных средах позволят получить препараты бактериальных инсектицидов для борьбы с особо вредоносными насекомыми, в том числе с жуками, хрущами и другими видами, против которых практически нет эффективных средств борьбы. Бактериальные инсектицидные препараты качественно отличны от химических инсектицидов. Они не обладают контактным действием, более специфичны и активны, кратность их применения значительно меньше, чем химических средст-в, привыкание к ним насекомых не отмечено. Вместе с тем повышение эффективности при совместном использовании бактериальных и химических инсектицидов служит основанием для разработки единой системы интегрированной борьбы с вредоносными насекомыми.

Среди микробных метаболитов, которые могут быть применены в качестве инсектицидных препаратов, определенное значение имеют токсические антибиотики. Выделен ряд антибиотиков (антимицин А, пиерицидин, деструксины и др.), обладающих широким спектром инсектицидного действия.

Порядок хламидобактерии (CHLAMYDOBACTERIALES)

К хламидобактериям относят гетеротрофные бактерии, растущие обычно в виде нитей и образующие чехлы (влагалища), где аккумулируются гидраты окиси железа. Молодые клетки, выходящие из чехла, подвижны, облададают полярным или субтерминальным жгутиком. Микроорганизмы этого порядка широко распространены в природе и бурно развиваются в тех местах, где происходит постоянное загрязнение воды и почвы пищевыми отходами.

Семейство хламидобактерии (CHLAMYDOBACTERIACEAE)

Характерными представителями порядка Сhlаmydobacteriales являются организмы, относимые к семейству Chlamydobacteriaceae. Наиболее типичным среди этих организмов является род сферотилюс (Sphaerotilus). Представители этого рода — типичные обитатели сточных вод. Растут в загрязненной проточной воде, в отстойниках сахарных заводов, на плотинах и градирнях, на твердых поверхностях, где образуют наросты, напоминающие густой мех. Трубы, отстойники, сточные канавы, ямы в короткий срок забиваются этими бактериями. Типовой вид — Sphaerotilus natans — грамотрицательная бактерия с полярным жгутиком. Растет в форме нитей, формируя цепочки клеток, окруженных трубчатым чехлом, состоящим из полисахарида (чехол — разновидность капсулы).

Рис. 66. Многоклеточные бактерии Beggiatoa, выделенные из разных источников (по Броку, 1970).

Клетки размножаются внутри чехла поперечным делением, после чего наружу выходят подвижные формы.

Представители другого рода — лептотрикс (Leptothrix), называемые также «охровыми бактериями», развиваются в воде, богатой железом, в канавах, дренажных трубах и болотах. В местах обитания органические вещества часто связаны с железом (комплексы). Поэтому их чехлы пропитаны железом. Сходной морфологией обладают также нитчатые бесцветные серные бактерии (род Beggiatoa) и представители других родов (Leucothrix, Thiothrix). Они отличаются от других хламидобактерий крупными размерами клеток и способностью окислять минеральные соединения серы, что послужило основанием для выделения этих нитчатых бактерий в порядок Beggiatoales (рис. 66).

Порядок кариофановые (CARYOPHANALES)

В этот порядок М. А. Пешков (1957) выделяет входившие ранее в порядок Chlamydobacteriales гетеротрофные нитчатые бактерии, сходные с сине-зелеными водорослями, но бесцветные. В отличие от хламидобактерий у Caryopha-nales жгутики расположены перитрихиально. Наиболее характерным родом семейства является кариофанон (Caryophanon), впервые описанный М. А. Пешковым. Отдельные клетки этой бактерии обладают жгутиками, и вся многоклеточная особь активно подвижна. Эти грамположительные палочки выделяются обычно из коровьего навоза. Близкие к ней по строению с крупными трихомами (члениками) представители рода осциллоспира (Oscillospira) образуют споры (рис. 67).