一种喷雾干燥的微胶囊化苏云金芽孢杆菌库尔斯塔奇亚种制剂,具有良好的环境稳定性,同时仍能保持对鳞翅目害虫的杀虫效果

《Crop Protection》:A spray-dried microencapsulated Bacillus thuringiensis subsp. kurstaki formulation with enhanced environmental stability while maintaining insecticidal efficacy against lepidopteran pests

【字体: 时间:2026年09月04日 来源:Crop Protection 3.3

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  摘要本研究开发了一种基于喷雾干燥淀粉-蛋白质的微胶囊化可湿性粉末制剂(SP-Btk-WP),该制剂源自当地分离的Bacillus thuringiensis亚种kurstaki(Btk-Bn1),并对其物理化学性质、环境稳定性以及在实验室和田间对抗主要鳞翅目害虫的效果进行了评估。

  

摘要

本研究开发了一种基于喷雾干燥淀粉-蛋白质的微胶囊化可湿性粉末制剂(SP-Btk-WP),该制剂源自当地分离的Bacillus thuringiensis亚种kurstaki(Btk-Bn1),并对其物理化学性质、环境稳定性以及在实验室和田间对抗主要鳞翅目害虫的效果进行了评估。初步生长评估表明,在接近中性的pH值和30°C条件下,细菌生长良好。该制剂具有较高的孢子活性(3 × 1010 CFU/g)、可接受的含水量(8.01%)、快速的润湿性(15秒)和高悬浮性;扫描电子显微镜确认了孢子和晶体的成功微胶囊化。在54 ± 1°C的加速储存实验中,SP-Btk-WP制剂的热稳定性显著优于未经处理的喷雾干燥制剂。同样,在长时间紫外线B照射后,该制剂仍保持较高的孢子活性和相对存活率,这表明淀粉-蛋白质基质具有增强的光保护能力。针对Spodoptera littoralis幼虫的实验室生物测定证实,尽管其急性毒性略低于未处理孢子,该制剂仍具有显著的杀虫活性。田间试验进一步证明了该制剂在番茄温室中对Tuta absoluta和在葡萄园中对Lobesia botrana的强效性。在最高测试施用剂量下,SP-Btk-WP的田间效果与相应商业参考处理无显著差异。总体而言,这些发现表明,将喷雾干燥技术与淀粉-蛋白质微胶囊化相结合可以提高物理化学质量、热储存稳定性和对紫外线B的防护能力,同时保持有效的田间效果,支持将其作为基于Bt的生物农药用于可持续管理鳞翅目害虫的潜力。

引言

在农业中控制昆虫害虫以及管理传播人类和动物疾病的昆虫媒介传统上依赖大量使用合成化学杀虫剂。尽管这些化合物能提供有效的短期抑制效果,但其集约化和经常不加选择的使用导致了严重的生态和健康问题,包括环境污染、生物多样性丧失、害虫抗性的进化,以及对人类和动物健康的潜在风险,如致癌性和免疫系统紊乱(Devine和Furlong, 2007; Nicolopoulou-Stamati等, 2016)。因此,人们越来越需要既有效又可持续的环保型害虫管理工具。
微生物杀虫剂因其靶标特异性、可生物降解性和与综合害虫管理计划的兼容性而成为有前景的替代品。然而,其更广泛的应用受到几个实际限制的制约,包括宿主范围狭窄、田间持久性不稳定,以及对于紫外线(UV)辐射、高温和储存相关生存能力下降的敏感性(Lacey等, 2015; Ragasruthi等, 2024)。因此,开发能够增强微生物稳定性、耐受环境压力和田间效果的改进配方仍然是推进微生物生物农药技术的关键要求。
在微生物控制剂中,革兰氏阳性、产孢细菌Bacillus thuringiensis(Bt)是研究最深入且商业应用最广泛的昆虫病原体。基于Bt的产品是微生物害虫管理的基石,已广泛应用于对抗鳞翅目、双翅目和鞘翅目昆虫(Raymond等, 2010; Sanahuja等, 2011; van Frankenhuyzen, 2013)。在孢子形成过程中,Bt会产生含有杀虫δ-内毒素的晶状内含物,主要由基因编码的Cry和Cyt蛋白组成,这些是负责杀虫活性的主要毒力因子(Agaisse和Lereclus, 1995; Bravo等, 2011; Palma等, 2014)。
易感幼虫摄取Bt晶状内含物后,这些内含物在碱性中肠中溶解,释放出前毒素,前毒素通过蛋白酶激活。激活的毒素与中肠上皮膜上的特定受体结合,插入膜中形成孔洞,导致细胞裂解、肠道麻痹、败血症和幼虫死亡(H?fte和Whiteley, 1989; Bravo等, 2005, 2007; Adang等, 2014; Palma等, 2014)。这种作用机制在鳞翅目昆虫中研究最为详细,也是B. thuringiensis亚种kurstaki制剂在生物防治蛾类害虫中持续重要的基础。
尽管具有生物学优势,传统的Bt制剂在田间条件下由于紫外线辐射、热应力、冲刷和其他环境压力因素往往很快失去活性。因此,开发了喷雾干燥、聚合物包封和基于生物聚合物的微胶囊化等配方技术,以提高Bt基产品的物理保护性、储存稳定性和操作性能。在可用的壁材中,淀粉因其可生物降解性、生物相容性、成膜能力、低氧气渗透性和物理捕获活性成分的能力而受到广泛关注,从而减少了其在加工、储存和田间施用过程中暴露于环境压力的风险(Montoya-Yepes等, 2024)。最近的研究进一步表明,喷雾干燥微胶囊化的B. thuringiensis制剂在干燥和储存过程中提高了孢子的存活率,增强了对紫外线辐射的耐受性,并保持了杀虫活性,同时不会显著影响Cry蛋白的溶解、激活或受体相互作用(Duraisamy等, 2023; de Oliveira等, 2024)。总的来说,这些发现强调了合理配方设计对于提高Bt基微生物农药的环境稳定性和田间效果的重要性。
欧洲葡萄蛾Lobesia botrana Den.-Schiff.(鳞翅目:卷蛾科)和番茄叶矿虫Tuta absoluta(Meyrick)(鳞翅目:潜叶蛾科)是葡萄和番茄最重要的鳞翅目害虫。幼虫取食会对植物的繁殖和营养组织造成严重损害,导致产量和品质大幅下降。此外,由于对化学杀虫剂的抗性普遍增加,人们对基于生物的治理策略产生了更大兴趣,特别是基于Bacillus thuringiensis的生物杀虫剂,以实现对这些害虫的可持续控制(Han等, 2019; ?zdem等, 2022; Ke?eci, 2023)。因此,选择L. botrana和T. absoluta作为代表性经济重要的鳞翅目目标害虫,分别评估在葡萄园和温室条件下开发的Btk制剂的田间效果。
本研究旨在开发并评估一种基于喷雾干燥淀粉-蛋白质的微胶囊化可湿性粉末制剂,该制剂源自当地的Bacillus thuringiensis亚种kurstaki Bn1分离株。评估了该制剂的初步生长特性、物理化学性质、孢子活性、热储存稳定性、UV-B光稳定性、对模型鳞翅目幼虫的实验室杀虫活性,以及在葡萄园中对L. botrana和番茄温室中对T. absoluta的田间效果。因此,本研究旨在评估该制剂在受控和农业条件下的物理化学性质、环境稳定性和杀虫效果,包括在温室和葡萄园试验中使用的相应施用程序下的田间效果,而制剂在田间条件下的持久性和防雨性能不在本研究的范围内。

章节摘录

细菌菌株

Bacillus thuringiensis亚种kurstaki Bn1分离株(Btk)之前被鉴定为携带基因(Kati等, 2007),来自土耳其卡拉德尼兹工业大学生物学系的微生物实验室培养收藏。该分离株常规在Tryptic Soy Broth(TSB)中培养,培养温度为30°C,并进行振荡处理。
对于实验研究,首先在含有TSB的100毫升Erlenmeyer烧瓶中准备过夜种子培养。

Bn1分离株的初步生长评估

在16小时的监测期间,B. thuringiensis亚种kurstaki的Bn1分离株在不同营养和环境条件下表现出明显的早期生长反应(图1)。比较OD600曲线显示,所有测试培养基都支持细菌生长,尽管随时间观察到了生长动态的显著差异。在所评估的培养基中,TSB通常在指数生长阶段促进更快的早期生物量积累。

Bn1分离株的初步生长特性

初步生长评估表明,Btk-Bn1分离株能够在相对广泛的营养和物理化学条件下生长,尽管在不同处理之间观察到了早期营养生长模式的显著差异。在所评估的培养基中,TSB通常在指数生长阶段促进更快的生物量积累,而NB在后期培养期间产生较高的OD600值。这些发现

结论

本研究成功地开发了一种基于喷雾干燥淀粉-蛋白质的微胶囊化可湿性粉末制剂(SP-Btk-WP),该制剂源自当地的Bacillus thuringiensis亚种kurstaki Bn1分离株。与未经处理的喷雾干燥制剂(UF SD-Btk)相比,该制剂具有优良的物理化学性质、高孢子活性、更好的热储存稳定性和更强的UV-B耐受性。
SP-Btk-WP在实验室条件下仍保持显著的杀虫活性

CRediT作者贡献声明

UMUT Toprak:写作 – 审稿与编辑,撰写原始草稿,监督,资源管理,项目管理,资金争取,概念化。G?khan S?ylemezo?lu:项目管理,资金争取。Kaz?m Sezen:撰写原始草稿,监督,项目管理,概念化。Mehmet Derin:资源管理。Ali Mehrvar:撰写原始草稿,方法学研究,调查。Ebru Güney Ayd?n:调查。?slam Y?ld?z:撰写原始草稿,调查

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文报道工作的财务利益或个人关系。

Kaz?m Sezen|?slam Y?ld?z|Ebru Güney Ayd?n|Ali Mehrvar|Mehmet Derin|G?khan S?ylemezo?lu|Umut Toprak
土耳其特拉布宗卡拉德尼兹工业大学理学院生物学系
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