生物除草剂剂型研究进展_赵航

专论与综述

Reviews

收稿日期:　2005-01-11 修订日期:　2005-05-20基金项目:　国家自然科学基金资助(30370942);浙江省科技厅项目(2004C32003,2005C22018)＊通讯作者

生物除草剂剂型研究进展

赵　航,　周勇军,　刘小川,　余柳青

＊

(中国水稻研究所,浙江杭州　310006)

摘要　生物除草剂由于受到生物因素、环境因素和技术因素的影响,使其开发受到一定限制。生物除草剂固体剂型与液体剂型在一定程度上克服了对湿度的依赖性,使其保证了生物活性,使用时在目标植物上能保持湿润,在田间适宜条件下发挥其优良效果;由于若干新型添加剂和先进技术的应用,使其液体剂型得到进一步开发。本文介绍了生物除草剂一些新的固体和液体剂型的研究进展。关键词　农药学;　生物除草剂;　剂型;　植物性活性物质中图分类号　S 482.4

Advances in bioherbicide formulation

ZHAO Hang ,　Z HO U Yong -jun ,　LI U Xiao -chuan ,　YU Liu -qing (China National Rice Research I nstitute ,Hangz hou 310006,China )

Abstract Reducing dew dependence is a principal aim in the formulatio n of many po tential bio herbicides .In the present paper ,the research attempting in part to overcome this problem via the development of novel solid and liquid fo rmulations is described .Ty pically solid formulations must be able to survive the field co nditions and remain inactivated until suitable conditions appear .Liquid formulatio ns have the po tential to function soon after application provided they remain moist on the target plant surface .Several a ttempts to improve w ater -holding capacity in liquid formula tio ns have been ex amined .T he use of multiple emulsions o f w ater in oil has recently show n promise .

Key words pesticide sciences ;　bioherbicides ;　formula tio n ;　phy to -activ e substances

20世纪中晚期,科学家提出利用植物病原菌控制杂草的新观念。当时应用特殊真菌病原体孢子作为真菌除草剂,在可控试验条件下其防除杂草效果受到了科学家们的关注。

自从真菌除草剂Devine ?[1]和Collego ?[2]分别于1981年和1982年在美国注册后,另外6种产品也先后在国际上注册。其中Cam perico ?是细菌除草剂,其剂型研制技术广泛用于同类型产品的研制开发。但与此领域中的研究成本投入相比较,新产品的数量增长缓慢。原因之一是尽管确定了一个对于某种杂草有效并具潜力的新病原菌种,但是其后的研究发展过程却漫长而复杂。因此,能看到相当数量的文章明确了具有潜力的菌种,但却只有相对少的论文报道生物除草剂的规模生产、剂型、贮存和应用等技术,有许多因素限制了生物除草剂的

发展。

1　生物除草剂发展的限制因素

限制生物除草剂发展的因素可分为生物因素、环境因素、技术因素和商业因素。生物限制因素包括寄主的生长变化和抗性增加,这种限制通常在方案实施的早期就被人们所认识,如果其影响较大,则会导致研究的失败;环境限制因素包括温度、湿度等。湿度是最主要的影响因子,它影响生物除草剂的除草效果;技术限制因素包括大规模生产和剂型工艺,这些知识通常超出了杂草学家和病理学家的研究领域,而聘请生物剂型和发酵工艺的工程专家需花费较高的成本;特定的病原菌只能防除特定种类的杂草,使得生物除草剂产品的杀草谱有限,从而影响进入市场。

为了获得对杂草的高感染率,大多数植物病原菌需要在高湿或叶片湿润的特殊时期施用。一些商品除草剂以喷雾方式应用于水田,另一些产品则在机械划伤杂草后,以伤口感染的方式防除杂草。

2　生物除草剂病原菌的感染方式在机械外力划伤杂草后,使用生物除草剂可迅速促使杂草伤口感染,不但克服了病原菌侵染障碍,而且给病原菌提供了湿润的增殖环境。在生物除草剂剂型上,可将接种体与水和少量琼脂混合,BioChon?、S tumpout?、Hakatak?产品都是由真菌孢子制成的胶状、糊状制剂,通过涂抹植物伤口表面使杂草感病。Hakatak?也能够制成颗粒状制剂。

Camperico?制剂是通过伤口接种用于防治冬季杂草[3]。在被割过的区域喷施生物除草剂雾剂,结果表明,接近茎部的伤口越多,效果越好。同样接菌处距伤口愈近,效果愈佳。割过或其他形式如耙过导致的伤口,会增强生物除草剂的杀草效果。伤口接种生物除草剂在控制大型灌木杂树中起到很好的作用。

3　剂型

令人满意的生物除草剂产品,其剂型通常应具有贮藏期长、使用简便、成本低和高效的特点。生物除草剂产品含有活体微生物,对剂型的要求更高。

许多真菌生物除草剂在使用前可以以干孢子粉的形式在常温下贮存1～2年。孢子是在液体或固体基质上发酵培育的,经过机械收获孢子和烘干处理,可加工成孢子粉制剂备用。在近期研究中剂型成为首要问题[4～6],从剂型入手可以减少生物除草剂对露水的依赖。

3.1　固体剂型

许多种谷物被用做真菌生长载体和生物除草剂的生产使用材料,包括稻、大麦、粟、小麦等[7～10]。真菌在其中经过一段时间的培养之后,将培养物质干燥磨碎精炼后使用。

Walker和Connick发明了一种新的方法,将生物除草剂真菌装入藻酸钙胶囊中,真菌繁殖体溶解于藻酸钠溶液,然后将混合液逐滴加入氯化钙溶液中。每滴藻酸钙液滴中包含了真菌繁殖体。干燥后的颗粒可直接作为制剂,也可作为真菌孢子制剂的载体用于其他剂型生产。这种技术已经广泛地应用,并在试验中得到进一步改进[11]。

Connick等研制了另一种新颖的面糊包埋方法[12],称之为“Pesta”。真菌悬液混合了小麦粉和高岭土形成团状,加工压成薄层后制成颗粒。这一技术改进措施包括使用不同的面粉,添加菜籽油、淀粉、叶蜡石、蛭石,或采用不同的压制、硫化床干燥程序等。

Quimby等报道了另一种固体剂型,采用吸水淀粉、蔗糖粉、含水硅石等材料,称为“S tabileze工艺”[13]。Baker等描述的复合包装方法是采用无离子聚合物颗粒,将孢子悬液浸入6mol/L山梨醇,与含5%乙烯聚合物的乙醇混合,在-30℃喷入正己烷中形成颗粒[14]。近期,Chittick等报道在使用Phomopsis sp.防治藏红花蓟时,将菌丝片段制成干粉对水喷雾使用[15]。

固体形式生物除草剂的主要缺点是施用后必须遇到适宜的湿度条件才能使生物除草剂中杂草病原菌生长并感染植物。在此期间杂草病原菌必须能够在田间存活,并要防止蚂蚁搬食。

通常在不需要紧急防除如草原、牧场、自然生态系统中的杂草时,应用生物除草剂固体剂型较为适合。然而对于作物来说,及时防治杂草使灾害降至最低非常关键,生物除草剂的剂型研究重点应放到类似常规喷雾方式应用的除草剂剂型上。

3.2　液体剂型

Collego?是许多有潜力的生物除草剂的发展典范。DeVine?和Collego?这两种除草剂商品都是在生物反应器(发酵罐)中发酵繁殖的。DeVine?产品为液体,贮存期短。而Collego?则是收集孢子干粉制成,喷雾前需重新水化。

最简单的液体剂型是孢子水悬液,通常加入0.1%吐温20做湿润剂。这种制剂通常作为标准对照和新的复杂剂型比较。在病原真菌感染杂草的理想条件下,这种简单的水悬液也可取得良好效果。湿润剂如吐温可帮助菌悬液在叶片表面扩展,硅树脂-聚酯共聚物如Silwet L-77则能帮助小的孢子渗透进入植物的气孔、皮孔。可是,湿润剂一方面减少了菌悬液的表面张力,另一方面却增大了

水的蒸发率。

人们试验了大量能够减少液体剂型水损失率的物质,其中包括简单的保湿剂如丙三醇和山梨醇,然而结果证明仅使用保湿剂并未取得显著效果。复合多聚糖曾被试图用作黏合剂,但实践中却未得到广泛采用,而把它作为聚合物用作了保湿材料。

3.2.1　聚合体

Shabana等评价了8种亲水性的聚合物,包括藻酸盐、树脂、聚丙烯酰胺、纤维素类等。受控环境下实验证明在链格孢属(Alternaria eichhormeae)的菌丝接种液中加入Gellan树脂、聚丙烯酰胺均能增强菌悬剂的致病性[16]。

Chittick和Auld在刺盘孢属生物除草剂中分别加入了3种天然树脂和4种人工合成的亲水聚合体作为助剂,评价了它们对除草效果的影响。试验结果表明,和缺少湿润剂的单一水悬液相比,加了亲水性聚合物的剂型仅有少许增效。加入亲水性聚合物的剂型在低湿度(RH33%)下8h后仍然有少量水残留,且该残存水的活性较高,表明亲水性聚合物具有一定的保湿作用[17]。然而,尽管使用一些聚合物能够使制剂在6～8h后仍能保持一定量的水分,但真菌圆刺盘孢属(Colletotrichum orbiculare)的杀草效果并未得到提高,这是因为聚合物本身对真菌孢子的萌发有阻碍作用[17]。

Shabana等实验结果证明,含聚合物的溶液能够在RH(55±5)%的条件下持水数天。但使用大量聚合物溶液(100g),与Chittick和Auld实验中0.5g 的用量相比,这接近于叶子表面的最大持水量。

3.2.2　简单乳剂

在室内受控条件下研究圆刺盘孢(C.orbiculare)对刺苍耳(X anthium spinosum L.)的防治效果表明,简单的植物油乳剂(含10%油剂和1%乳化剂)能降低圆刺盘孢对露水的依赖,但在田间试验中却得到相反结果[18]。Zhang和Watson采用一种改良的方法,在油相中加入1%(W/V)葡萄糖和0.2% (W/V)羧甲基纤维素,在喷施尖角突脐孢(Exsero-hilum monoceras)试验中得到了对稗草防效90%的结果[19]。另有一些在简单乳剂基础上改良同样取得了显著增效[16,20]。Boyette采用未精炼的谷物油与水1∶1(V/V)混合配制成简单乳剂,在刺盘孢(C.truncatum)防治田菁属[Sesbania exaltata (Raf.)Cory]杂草试验中能减少对露水的依赖[21]。简单乳剂为何能减少对水分的依赖,其机制尚不清楚。Greaves等认为是由于在叶子表面形成转化型乳剂,同时油相渗入叶肉组织并和组织中的水状物组分结合。

3.2.3　改良型乳剂

改良型乳剂是由含有小液滴的连续油相组成。Quimby等首先认识到这种剂型的生产潜力是能够降低生物除草剂的蒸发作用[22]。这种剂型克服了对露水的依赖同时能降低所需病原菌孢子的浓度,但它仍存在缺陷。由于它所需油的含量较高(> 30%),使得成本增加,并增大了制剂的粘稠度,需要特殊的喷洒装置例如空中辅助喷头。此外,高剂量的油可能对植物产生毒害从而影响非靶标植物的生长。

3.2.4　油包水的水乳剂

Auld发明了一种新型的复合型乳液的除草剂剂型并申请到了临时专利,被称为油包水的水乳剂(WOW)[23]。它将含水的细小油滴分散在连续水相而制成的。这种乳液含有至少一种亲脂性表面活性剂和一种亲水性表面活性剂。病原菌孢子可存在于最内层的水相或最外层的水相,或在两水相都有存在。这种乳剂中油的含量可根据需要在1%～5%之间调节。复合型乳剂可以用传统的喷雾装置喷洒。WOW乳液实质上已被人们认识一段时间,尽管已应用于医药、化妆品、食品工业,但未曾用于农业和园艺方面。在可控环境下进行反复试验,将C. orbiculare应用于防治田菁属杂草,表明WOW乳液减少了对露水的依赖,同水悬液和露水13h处理相比,在缺少露水的田间WOW乳液防治效果并无显著差异。

3.2.5　其他液体剂型

人们试图用长链脂肪醇作外层包裹剂来减少水分蒸发,但问题在于外层包裹物对污染物敏感、易分解。病原菌孢子萌发刺激物如铁螯合剂、营养物质等都能缩短病原菌对低湿度的敏感期。植物毒素和一系列酶及酶抑制剂可作为助剂使用,后者通常对任何病原菌及除草化合物都具有特效。

3.3　特殊剂型

在一些特殊环境条件下需要特殊的剂型。例如:分散性剂型适用于水生杂草和稻田杂草。Go-hbara和Tsukamoto介绍了一种新的分散型剂型,杀

草微生物包裹于乳剂中,外层再覆以体积小具特殊重力的粉末[24]。分散型剂型是以NaHCO3和柠檬酸以2∶1(V/V)混合液、浓缩孢子悬液、以及含亲脂性表面活性剂的植物油组成。

4　展望

近期生物除草剂在固体剂型和油包水水乳剂研究取得的进展显示了生物除草剂液体剂型的良好发展前景。在生物除草剂的研究中,加强菌种遗传改良以获得更多的优良工程菌株,并促进剂型改进,提高生物除草剂的除草效果。

在同一剂型中联合使用多种杂草病原菌或选用一种广谱病原菌这一新思路将扩大生物除草剂的市场应用范围。

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