综述：可持续农业的生物农药：采用成本效益策略的可行选择

《Frontiers in Sustainable Food Systems》：Biopesticides for sustainable agriculture: feasible options for adopting cost-effective strategies

这篇综述系统阐述了生物农药在可持续农业中的关键作用，指出其与绿色化学、One Health和可持续发展目标（SDGs）高度契合。文章分析了生物农药（包括微生物农药、植物源农药等）在综合害虫治理（IPM）中的优势（如靶标特异性、可生物降解性），并探讨了其技术瓶颈（如货架期短、成本高）及改进策略（如缓释技术、CRISPR基因编辑）。通过多案例研究，作者强调了利用易得生物农药（如杀虫植物、天然产物）对促进传统和小农耕作系统IPM的重要性，并为优化政策与实施策略提供了见解。

　　

1 引言

生物农药因其与绿色化学、One Health 倡议、可持续发展目标（SDGs）以及可持续农业的紧密联系，已成为当代政策和科学讨论的核心焦点。除了在综合害虫治理（IPM）中的既定作用外，它们还是构建有韧性农业系统的关键驱动力。然而，其广泛应用受到技术局限性和与精制配方相关的高成本的限制。

与常带来生物累积性、毒性和抗性发展风险的合成农药不同，生物农药利用天然来源的活性化合物，如微生物病原体、植物源代谢物和昆虫信息素，在优化靶向害虫抑制的同时，最大限度地减少意外的生态后果。作为绿色化学的组成部分，生物农药的运作基于强调生物可降解性、选择毒性和降低环境持久性的原则。One Health 框架认识到人类健康、动物福利和环境稳定性之间的相互关联，这种方法直接适用于生物农药的实施。

2 生物农药的特性

2.1 生物农药：定义与类型

生物农药是天然来源的无机材料、有机化合物或活体生物及其副产品，用于控制、减轻或消灭对植物和动物有害的害虫。根据美国环境保护署（EPA），生物农药主要分为三类：微生物农药、生化农药和植物内置保护剂（PIPs）。此外，某些害虫控制生物，如活体植物和天然敌人，可归类为宏观生物农药。因此，生物农药可大致分为四类：微生物农药、宏观生物农药、生化农药和植物内置保护剂。

2.2 生物农药的作用模式

生物农药以其多样化的作用模式而闻名，这显著降低了抗性发展的风险。非生命体生物农药化合物表现出多种作用模式。例如，高岭土通过覆盖植物表面形成物理屏障。硅藻土通过产生表皮微创伤导致害虫脱水死亡。壳聚糖作为一种带正电的生物聚合物，采用多种生化策略，包括抗生作用、金属螯合和诱导植物免疫力。

病毒、原生动物和细菌生物农药的一个常见作用模式是肠道破坏。例如，病毒生物农药如核多角体病毒（NPV）和颗粒体病毒（GV）在昆虫碱性中肠内溶解并触发感染。真菌生物农药主要通过角质层降解起作用，例如球孢白僵菌（Beauveria bassiana）分泌白僵菌素毒素。细菌生物农药，如苏云金芽孢杆菌（Bacillus thuringiensis, Bt），产生晶体（Cry）毒素、营养期杀虫蛋白（Vip毒素）等，在昆虫中肠激活后结合受体，导致细胞破裂。藻类生物农药则通过形成生物保护屏障、抗生作用等方式起作用。植物源提取物、信息素等生化农药通过驱避、拒食、抑制关键生理过程等方式控制害虫。

2.3 生物农药的优势：合成农药风险的解决方案

合成农药是持久性有机化学品，对环境、人类和动物健康、生物多样性及基本生态功能构成严重威胁。生物农药提供了更安全、环境友好的替代方案，有效减轻这些有害影响，同时促进农业可持续性。它们降解迅速，最大限度地减少环境污染，降低对野生动物的毒性风险，并减少土壤、水和空气中有害残留。其选择性靶向害虫保护了传粉媒介和天然捕食者，确保了生态平衡并支持生物多样性。微生物农药通过刺激有益微生物增强土壤肥力。与加速抗性发展的合成农药不同，生物农药利用具有多种作用模式的天然病原体和生化物质，使害虫更难产生抗性。它们更安全的特性降低了农场工人和消费者的有毒暴露风险。

3 生物农药的局限性与改进机遇

3.1 生物农药的局限性

生物农药通常表现出比合成农药更短的货架期，这是由于其对热、光、湿度等环境因素敏感。其有效性通常取决于微生物繁殖体（如孢子或细胞）的存活性。不同类别的生物农药稳定性各异，信息素最不稳定，微生物农药中孢子形成者（如Bt）更稳定。另一个主要限制是其作用相对缓慢，许多微生物和植物源药剂需要时间感染、定殖或破坏害虫生理机能。虽然Bt和印楝素作用相对较快，但真菌和病毒生物农药可能需要数天至数周。作用速度可视为一个连续体：Bt和植物源药剂（相对较快）→ 真菌和病毒（较慢，基于感染）→ 信息素（间接，行为性，长期）。

生物农药的采用还受到其相对较高成本的限制，这源于生产、配方、储存和应用等多个因素。微生物制剂需要受控发酵、培养和下游加工。配方和稳定化成本进一步推高了价格。监管和法律障碍也构成了主要瓶颈，尽管生物农药通常更安全，但它们需要遵循与化学农药相同的严格框架，导致注册过程缓慢、复杂且昂贵。

3.2 生物农药改进策略与缓释

解决生物农药的局限性需要在效力、环境稳定性和成本效益之间取得平衡。缓释概念，即活性物质随时间的受控和持续释放，与此目标密切相关。

3.2.1 先进的配方技术

微囊化和纳米涂层等技术可以保护孢子和代谢物免受热、紫外线辐射、干燥和微生物竞争的影响，从而延长储存期而无明显效力损失。壳聚糖纳米凝胶等可生物降解聚合物提供了封装基质，不仅延长了存活性，还调节了释放动力学。商业产品如BotaniGard^? ES（球孢白僵菌）和Met52^? EC（金龟子绿僵菌）现在可保持12-18个月的存活性。

3.2.2 先进的干燥技术

喷雾干燥、冷冻干燥、喷雾冷冻干燥和电喷雾等先进干燥技术通过生产浓缩、有弹性的粉末来增强微生物农药的稳定性。喷雾干燥适用于大规模生产耐热孢子形成者，而冷冻干燥能有效保存热敏感菌株。

3.2.3 智能递送系统

缓释越来越多地与智能递送系统相关联，这些系统采用刺激响应载体，如pH敏感聚合物、湿度膨胀水凝胶、酶促不稳定的外壳或复合颗粒，以保护生物农药制剂，直到环境条件有利于其效力，然后有效载荷以受控方式释放。例如，湿度响应水凝胶和油分散基质已被开发用于保护虫生真菌免受干燥和紫外线胁迫。

3.2.4 生物优化策略

通过选择和基因工程（如CRISPR-Cas9）来优化更具毒力的微生物菌株，可以增强缓释性能。在Bt中，CRISPR已被用于产生表达多种杀虫蛋白的菌株。球孢白僵菌等虫生真菌可以被修饰以改善附着、穿透和耐紫外线辐射能力。

3.2.5 生物农药的适时应用

生物农药的适时应用对于最大化其有效性和支持可持续害虫治理至关重要。由于生物农药通常残留活性短且对环境条件敏感，它们在害虫最脆弱阶段（如早期幼虫、若虫或侵染前阶段）应用最为有效。将生物农药与合成农药有效整合在实现缓释害虫治理策略方面起着至关重要的作用，该策略平衡了即时抑制与长期可持续性。

4 生物农药意识的全球趋势

生物农药的使用正在扩大，并已融入可持续农业实践。随着可持续农业获得动力，对生物农药的需求正在上升：它们目前约占600亿美元农药市场的5%，预计年增长率约为15%?20%。微生物农药占生物农药市场的45%?63%，其中细菌类产品占主导地位。从2010年（生物农药显著认可的起点）到2024年，全球生物农药需求激增了80%以上。北美是主导者，占全球市场需求的43%，亚太地区是第二大消费者。

5 生物农药的应用与采用

5.1 生物农药的应用方法

生物农药的有效性部分取决于其效力、配方和应用方法。有几种应用方法：

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  种子处理：在播种前用有益细菌、真菌或病毒等生物制剂包覆种子，创造保护屏障。
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  幼苗蘸根：在移栽前用营养丰富或具有生物活性的溶液处理幼苗根部，以增强植物建立、早期生长和对土传疾病的抵抗力。
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  土壤浇灌：通过水基溶液将生物农药直接施用到根区，确保有益微生物或生物活性化合物渗透土壤，靶向害虫、病原体和线虫。
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  微灌施药：通过灌溉系统引入有益微生物和虫生线虫，抑制有害病原体，改善土壤健康。
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  树干注射：将害虫控制剂直接注入木本植物的树干或茎干，通过蒸腾流确保全身保护。
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  空中应用：使用飞机或无人机分散农业处理剂，实现大型农场的广泛覆盖。
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  叶面喷雾：将生物衍生物质直接施用于植物叶片，实现快速吸收。

5.2 案例研究场景中主要类型生物农药的应用

案例研究表明，生物农药（包括微生物农药、植物源农药、虫生线虫、天然敌人、活体杀虫植物、RNAi技术和Bt作物）能够有效抑制害虫和疾病压力，可适应不同的农业生态背景和农场规模预算，跨越地缘政治边界，并提供可行的合成农用化学品替代方案。观察到一个常见的性能指标趋势，即害虫减少百分比（↓I%） > 合成农药使用减少百分比（↓P%） > 产量增加百分比（↑Y%），这被表述为IPY趋势。

6 成本效益型生物农药的选择

案例研究中评估的生物农药类别，包括植物提取物、杀虫植物（RBT植物）和虫生线虫（EPNs），显示出融入低投入农业系统的巨大潜力。这些生物控制剂特别适合传统和小农耕作背景。对于经济能力和生物技术基础设施增强的农民，他们越来越有能力利用商业微生物农药、生化农药（包括信息素）和植物内置保护剂（PIPs）。在农场附近建立生物农药生产设施可以通过降低分销成本、增强供应链效率和确保配方的及时可用性来显著缓解市场准入障碍。

7 生物农药在综合害虫治理（IPM）中的作用

案例研究表明，基于自然的解决方案可以强化IPM的原则。IPM是一个整体的、基于生态系统的害虫控制方法，强调在施用化学农药之前使用预防性和非化学方法。IPM的八个原则中，有六个涉及直接应用害虫缓解策略。其中五个与生物农药整合兼容，占可操作干预措施的83.3%。重要的是，这五个生物农药相关组成部分中有三个（不包括先进的微生物配方和信息素技术）可以通过现有的农艺实践和本土知识系统为当地农民所利用。这表明，在IPM操作领域内，约52.1%的生物农药应用可以成本效益地实施并在当地适应。

8 建议与结论

8.1 未来研究建议

关于生物农药在IPM框架内的资源丰富性和渗透性的反思，强调了它们在可持续害虫抑制中的关键作用。生物农药负担能力与市场动态的悖论源于其天然可及性与先进合成配方商业主导地位之间的对比。解决这一差距需要采取多管齐下的方法：扩大生产能力、加强供应链、实施政策激励和促进农民教育。

8.2 结论

生物农药在现代农业中占据关键但未充分利用的领域，尤其是在综合害虫管理框架内。尽管植根于传统农业技术实践，但其当代版本常常被误解为新颖的，被合成农药的工业主导地位所掩盖。其理论上的可负担性和实际上的难以获得之间的悖论反映了系统性的挑战。通过将历史知识与现代农业技术相结合，并协调研究、工业和政策方面的努力，生物农药作为可持续、成本效益高的害虫控制剂的全部潜力是可以实现的。