生物农药的开发及应用.ppt

农药的概念与发展简史,教学目的,了解农药发展的历史 生物农药的研究进展 生物农药开发研究的理论与方法 了解主要生物农药的作用方式和作用机理 掌握生物农药的应用技术等,绪论,1 农药发展的历史 1.1农药的概念 美国早期“经济毒剂”（economic poison）,欧洲则称之为“农业化学品”（agrochemicals），德国称之为“植物保护剂”（pflanzenschutzmittel）,法国曾称为“植物药剂” (phytopharmacie)， 还有的书刊将农药定义为“除化肥以外的一切农用化学品”。今天农药的英文通用名称为Pesticides, 这个单词是由pest（害物）和-cides(杀死)组成，其含义是对有害生物有杀死作用的物质。,中国农业百科全书农药卷1993对农药的定义为：农药主要是指用来防治危害农林牧业生产的有害生物（害虫、害螨、线虫、病原菌、杂草及鼠类）和调节植物生长的化学药品，但通常也把改善有效成分物理、化学性状的各种助剂包括在内，显然这里农药的定义仍局限在化学药品的范围内。,按中华人民共和国国务院1997年5月发布的中华人民共和国农药管理条例和农业部1999年4月发布施行的中华人民共和国农药管理条例实施办法的规定，农药是指用于预防、消灭或者控制危害农业、林业的病、虫、草和其他有害生物以及有目的地调节植物、昆虫生长的化学合成或者来源于生物、其他天然物质的一种或者几种物质的混合物及其制剂。包括用于不同目的、场所的下列各类：,（1） 预防、消灭或者控制危害农、林、牧、渔业中的种植业病、虫（包括昆虫、蜱、螨），草和鼠、软体动物等有害生物的； （2）预防、消灭或者控制仓储病、虫、鼠和其他有害生物的； （3）调节植物、昆虫生长的；其中调节植物生长是指对植物生长发育（包括萌发、生长、开花、受精、座果、成熟及脱落等过程）具有抑制、刺激和促进等作用的生物或者化学制剂； （4）用于农业、林业产品防腐或者保鲜的； （5）预防、消灭或者控制蚊、蝇、蜚蠊、鼠和其他有害生物的。这里是指用于防治人生活环境和农林业中养殖业用于防治动物生活环境卫生害虫的； （6）预防、消灭或者控制危害河流堤坝、铁路、机场、建筑物和其他场所的有害生物的。 此外，利用基因工程技术引入抗病、虫、草害的外源基因改变基因组构成的农业生物，以及用于防治有害生物的商业化天敌生物和农药与肥料等物质的混合物在生产、经营和使用时也按农药对待。,20世纪90年代以来，随着人们对农药认识的进一步深入以及人们对生态环境的越来越重视，对农药的要求和期望也越来越高。 认为农药应在保障人类健康和不影响合理的生态平衡前提下，使有益生物得到有效的保护，有害生物得到较好的控制，以促进现代农业向可持续农业方向发展。 当然，从农药本身的情况来看，人们对农药根深蒂固的认识还没有改变，还需要进一步来进行改进和提高。,1.2农药的产生与发展简史,农药的开始 农药来源于人们与有害生物的斗争 中国是世界上最早使用农药防治农作物有害生物的国家，远在3000年以前人们就知道用草木灰杀虫，用莽草熏杀蠹虫。在国外，公元前1500年古希腊和古罗马人就使用含砷矿物粉杀虫，公元前9世纪的古希腊诗人Homer曾提到燃烧的硫磺可作为熏蒸剂。,1763年，法国用烟草及石灰粉防治蚜虫，这是世界上首次报道的杀虫剂。 1744年法国开始用硫酸铜消毒种子； 1800年，美国人Jimtikoff发现高加索部族用除虫菊粉杀灭虱、蚤，并于1828年商品化。 1802年就有了石硫合剂的记载； 1807年法国的Prevest 偶然在一种混合物中发现了波尔多液及其类似物的毒性。 1848年T. Oxley生产了鱼藤根粉农药； 1851年用石灰硫磺合剂杀菌。,农药商品发展的三个阶段,第一阶段，天然植物农药及无机农药时期（18601945年前后）。这一时期主要生产以天然植物或矿物为原料，经过简单加工制造出来的农药。特别是以矿物为原料加工的农药，大多数是无机化合物，也叫第一代农药。在这一时期作为商品生产和使用的农药主要有：杀虫剂除虫菊粉、鱼藤精、硫酸铜、硫磺、砷酸铅、氟铝酸钠等：杀菌剂一波尔多液、石硫合剂等；除草剂氯化钠、硼砂、氯酸钠等。,巴黎绿,19世纪60年代前后，农药开始进入工厂生产，正式在市场上作为商品销售。1867年，“巴黎绿” 一种不纯的亚砷酸铜作为杀菌剂，标志着作为化学保护系统地科学研究的开始。在美国，主要用于控制科罗拉多甲虫，使用范围十分广泛，早在1900年就成为世界上第一个立法的农药。由于砷在人、畜体内有积累毒性和能在土壤中积累破坏土壤的理化性质而被禁用,波尔多液,1882年Millardat发现了波尔多液对葡萄霜霉病的防治效果。波尔多液又名碱式硫酸铜 CuSO4xCu (OH)2yCa(OH)2zH2O 由于该药的生产可以消耗贵重的铜而被有机杀菌剂代替；当然铜也有毒性，铜化合物的毒性1000多年前中国就有记载。,硫 磺,是最古老的消毒杀菌剂。1802年就有了石硫合剂的记载；1833、1888年进一步明确了石硫合剂对白粉病的防治效果。1891年，首次土壤消毒成功的例子是来自硫磺。石硫合剂（lime sulphur）是多硫化钙，CaSSx ，硫磺至今仍在大量使用。今天仍是在世界50大销售额的农药品种之列，2002年排在26位，年销售额2.02亿美元。,第一代农药的特点,（1）杀虫、防病或除草的作用对象都很单一。例如，砷制剂和氟制剂都只有胃毒作用，仅对咀嚼式口器害虫有效；铜制剂和硫磺制剂是在病菌还没有接触到寄主植物，或在病菌侵入寄主之前作为保护剂使用的；而氯化钠等除草剂的作用完全是灭生性的，对农作物没有选择性。,（2）药效低。每亩的使用量（按有效成分计，下同），如砷酸铅、硫酸铜（配制波尔多液）等高达0.51公斤。无机除草剂的用量更大，早期用氯化钠除草时，每亩竟达2.674公斤。故这一时期被称为低效农药时期。 （3）多数农药对哺乳动物的急性口服毒性大，对禽鸟和鱼类亦有毒害。 但是，这类农药的诞生在农作物、果树、蔬菜等病虫草害的防治方面发挥了十分重要的作用。有些农药品种，如硫酸铜、石硫合剂、波尔多液等，由于使用安全、防治效果好，基本上没有残留污染，至今仍作为重要的农药商品在农业生产中大量应用。,第二阶段，有机合成农药时期（19451975年前后）,人们把有机农药称为第二代农药。制碱工业和炼焦工业的兴起，为生产有机氯农药提供了基本原料氯气和苯。20世纪40年代，六六六、滴滴涕农药开始进入大规模工厂化生产。随着现代工业的大发展，农药工业也进入了一个迅速发展的时期。在这期间无论是杀虫剂、杀菌剂还是除草剂，世界农药市场上都出现了大批活性很高的有机化合物品种，逐步取代过去使用的一些无机化合物，使化学农药进入了一个新的发展阶段。它们是高效的有机合成化合物，应用范围广、见效快、使用方便，对农业的高产、稳产、优质起到了重要的作用。,几个标志性的农药是：,1932年，法国获得了谷类作物的除草剂 二硝基邻甲酚的专利。 1931年杜邦公司发现杀菌活性，1934年，第一个二硫代氨基甲酸酯杀菌剂 福美双（thiram）在美国获得专利。,福美双的结构式 四甲基秋兰母二硫化物,DDT,1874年由德国的Zeidler合成，1939年由瑞士科学家波尔弥勒（Paur Muller）发现其杀虫活性。是第一个有机氯杀虫剂，也是有机合成杀虫剂的代表。（20世纪70年代禁用，我国1983年全面禁用六六六和DDT）,二氯二苯三氯乙烷2，2-双（对氯苯基）-1，1，1-三氯乙烷,有机磷杀虫剂,1820年，Lassaigne用乙醇和磷酸反应，从此开始了有机磷化合物的化学。1854年，Clermont用焦磷酸的银盐加卤代烷进行烷基化，合成了四乙基焦磷酸酯，即特普（TEPP）,但到1938年才由德国的Schrader明确特普的杀虫活性。特普是第一个商品有机磷杀虫剂勃拉盾（Bladan）的有效成分。,1941年，Schrader用二甲基氨基磷酰二氯合成了八甲磷，是内吸性杀虫剂的前驱，后被内吸磷取代。,八甲磷,内吸磷,对硫磷（1605）,1944年，Schrader合成 对硫磷的杀虫活性高，杀虫谱极广，引起了世界各国的重视，促进了有机磷的迅速发展，同时，也是有机磷杀虫剂构效关系研究的开始。我国黄瑞林教授1950年合成对硫磷，1956年天津农药厂开始生产。,乙基对硫磷就叫对硫磷（1605） 如果是甲基取代就是甲基1605,1948年，Schrader合成了高效内吸磷 以后又发现了敌百虫等许多有机磷杀虫剂,有机磷杀虫剂品种多、药效高、用途广，作用方式多种多样，一部分对人畜低毒，一部分高毒。目前，有机磷原药可达300-400种，加工品种上万种，因此，有机磷杀虫剂仍有很强的生命力。,氨基甲酸酯类杀虫剂,17、18世纪，尼日利亚，爱菲克斯人的统治者利用毒扁豆制做的神裁毒药“esere”行死刑。后来欧洲人发现“esere”的毒性成分是生物碱，并于1864年分离出毒扁豆碱（physostigmine），1925年确定了分子式，是人类发现的第一个天然氨基甲酸酯类化合物。毒扁豆碱本身是箭毒的解毒剂，可以使瞳孔收缩，能治疗青光眼，用量过多会使人呼吸困难以致死亡，但不能用于杀虫。人们受氨基甲酸酯毒性的启示，开始了氨基甲酸酯类农药的研究。,杜邦公司1931年发现四乙基硫代氨基甲酰硫化物对蚜虫有触杀毒性。此外，福美双有拒食作用，可以保护植物不受天幕毛虫，日本甲虫，墨西哥豆甲虫等为害。第一个真正的氨基甲酸酯类杀虫剂是由瑞士嘉基公司Gysin博士在1946年左右合成的异索威（选择性内吸杀蚜剂）。,异索威,毒扁豆碱,美国联合碳化物公司1953年合成了甲萘威，1957年命名为西维因并商品化生产。之后氨基甲酸酯类杀虫剂得到快速发展。,应该说：大规模的农药工业的建立始于第二次世界大战的末期，其主要标志是具有选择性的苯氧乙酸除草剂。随后才是有机氯和有机磷杀虫剂进入商品应用阶段。其后，1955-1960年间，在瑞士开发了三氮苯类除草剂，在英国发展了季胺盐类除草剂。 1968年，内吸杀菌剂苯菌灵（benomyl）被发明，以及不久后在美国发现了通过土壤作用的除草剂草甘磷（glyphosate）。标志着杀菌剂和除草剂的更大发展。,来源于天然产物的除草剂种类不多，最成功的事例无疑是草甘磷。它是由Streptomyces hygroscopicus 产生的双丙氨磷得来。草甘磷是2002年世界上销售额最大的品种，销售额为47.05亿美元。,草甘磷,双丙氨磷,这一阶段的主要特点是： （1）作用对象多样化。对病、虫、草等有害生物常兼具多种除杀作用。 （2） 药效高。以杀虫剂为例，有机氯类的用量为0.1-0.2kg亩，有机磷类的为0.05-0.1kg亩，氨基甲酸酯类的为0.01kg亩左右：杀菌剂中的二硫代氨基甲酸盐类（如代森锌、代森锰等）和二甲酰亚胺类（如克菌丹、灭菌丹等）的每亩用量在0.1kg左右。药效比无机类杀虫剂和杀菌剂提高约510倍，除草剂中，如2.4-D的用量为0.05-0.15kg亩；除草醚为0.13-0.14kg亩，其用量约为无机除草剂的1/10。所以这一时期的农药又称为高效农药。 （3）化学性质稳定，容易产生残留毒性，长期大量使用会给环境带来污染。,第三阶段，“超高效”农药阶段 （1975年前后至今）,从20世纪60年代开始，人们从菊科植物体中提取出了具有杀虫活性的化合物，经过结构鉴定，然后模拟合成了拟除虫菊酯类杀虫剂。这类化合物比有机磷类和氨基甲酸酯类等高效杀虫剂的药效又高出510倍。与此同时，在杀菌剂和除草剂中，亦同样出现了一些超高效的有机合成化合物，如杀菌剂中的三唑酮（粉锈宁）、甲霜灵等，这些药剂每亩只需0.0083-0.0167kg，约为代森锌、克菌丹等的16112；除草剂中的禾草灵，每亩用量仅为0.06-0.07kg，比70年代前后那些高效除草剂的药效高出510倍。故有人称它们为“超高效”农药，又叫第三代农药。,拟除虫菊酯类杀虫剂（pyrethroid insecticides）,最先来自天然除虫菊素。1908年起研究其化学结构。1923年日本的山本第一次证实除虫菊素中的酯含有“三碳环结构”，其杀虫效果很好，但是持效性太差，在光照下很快氧化，药效维持不到1d，只能用于室内防治卫生害虫。第一次人工合成的拟除虫菊酯是丙烯菊酯（allethrin）是由美国的Laforge和Schechter于1947年合成成功，于1949年商品化。,丙烯菊酯仍然具有光不稳定性。包括随后出现的苄菊酯，苄呋菊酯，胺菊酯等。 有代表意义的是苯醚菊酯的出现，虽然苯醚菊酯的杀虫活性并不强大，但由于比较稳定的苯环结构（苯氧基苄醇）代替了醇部分的不饱和结构，光稳定性有了改进。 日本住友公司又在此基础上，在分子中引入了氰基，毒力大为提高，这一醇部分的改造具有很大意义，因为这一改造，即改善了光稳定性，又使毒力提高，住友公司特将这个醇称为“住友醇”。这个醇的出现是后来发展农用除虫菊酯类杀虫剂的基础。,丙烯菊酯,苯醚菊酯,1972年英国的Elliott博士用氯代菊酸与苯氧苄醇成功合成的二氯苯醚菊酯（permethrin），并于1977年商品化，是第一个农用除虫菊酯，药效比DDT高几十倍，持效期达7-10d。,二氯苯醚菊酯,新烟碱类杀虫剂 从天然烟碱的结构出发，可以合成出一类具有新型杂环结构的超高效杀虫剂。20世纪80年代中期，德国拜耳公司开发出吡虫啉，与1991年投放市场，现在已在超过80个国家60种农作物上使用，对同翅目害虫高效。20世纪80年代末，日本曹达公司开发成功了氯代烟碱类杀虫剂吡虫清（乙虫脒），1998年在日本实现商品化。该药是广谱性杀虫剂，除对同翅目害虫有效外，对菜蛾、潜蝇、食心虫、天牛、蓟马等害虫也有效。特点是活性高、用量少、持效长又速效，内吸性强，还可以作为种子处理剂。此外还有Thiacloprid(拜耳公司)，Nitenpyram（吡虫氨，日本武田药品公司），等6个已经报道的品种。,吡虫啉,吡虫清,目前，农药已进入到“超高效”时代，但产品仍以有机化合物为主，而且化学结构比过去的要复杂得多。为了对有害生物有更大的杀伤力，在制造工艺上采用了（过去没有的）对不同异构体的拆分、差向异构、立体选择合成等一系列高难度技术。由于这类农药在大田的用量很少，其毒性、残留、污染等问题大大地减轻了。有些甚至可以说对环境几乎没有什么问题了。所以这个“超高效”农药阶段，必然会持续一个较长的时期。但是它们既然对病菌、害虫、杂草等有更高的杀伤作用，故对哺乳动物仍然或多或少地会造成伤害，并不能完全解决它们对人、畜的毒害和环境污染的问题。,Strobilurin类农药 Strobilurin类农药是在天然产物-甲氧基丙烯酸基酯的基础上发现的，最简单的天然-甲氧基丙烯酸基酯类衍生物为1969年Musilex从某种担子菌Oudemansiella mucida中发现的Oudemansin A和1977年从另一种担子菌Strobilurus tenacellusz 中分离得到Strobilurin A。在对这些天然结构改造过程中，目前已经得到了12种杀菌剂和3种杀螨剂，我国的沈阳化工研究院的刘长令等也合成出一种新的这类化合物,获得国家科技进步二等奖。这类化合物独特的作用机制（主要是抑制真菌线粒体的呼吸）；广泛的杀菌谱、杰出的杀菌效果，对作物良好的选择性以及对环境的相容性而引起广泛关注。嘧菌酯（Azoxystrobin）2002年世界销售额第3的一种杀菌剂。具有这类结构的其它化合物还有杀虫、杀螨剂（fluacrypyrim,嘧螨酯2001年底上市）和除草活性，开发前景非常诱人。,嘧菌酯,嘧螨酯,近40年来，我国在农药研究方面也取得了长足进步，相继开发了包括杀菌剂、农用抗菌素、除草剂、杀虫剂和植物生长调节剂在内的15个新农药品种。,乙基大蒜素,多菌灵,杀虫双,农药发展史上的第四阶段 非杀生性农药的提出与第二代农药,以上三个阶段都是以农药对有害生物杀伤力的高低来划分的。虽然它们在药效上有低效、高效或“超高效”之分，但实质上并没有根本的差异，皆属于杀生性农药。随着人们认识的深入，特别是可持续发展的观念引进到植物保护领域之后，人们对农药的认识有了更大的变化，而且预测今后农药商品的发展，必须走向一个“非杀生性”的新时期。 “非杀生性”农药是从对人类安全和保护环境的角度出发，着重挖掘天然活性物质，进而人工合成仿生农药及其类似物，研究和筛选有特异性生理活性的物质，从而达到能够控制或改变有害生物的生活习性、形态、生长、繁殖规律等，使其对农作物等造成的危害限制在允许的限度内，而不一定要把它们杀死。目前正在研究开发的昆虫激素、性信息素、新拒食剂、几丁质合成抑制剂、黑色生物化合物抑制剂、以及转基因的抗虫植物等，都属于“非杀生性”农药。,“非杀生性农药” 具有以下特点： （1）对目标有害生物具有选择性，对非目标生物具有安全性； （2）有效剂量很低，可使毒剂进入环境的量降至较低的水平； （3）仅对目标有害生物有适当特效，随后即适度地降解。 因而“非杀生性农药”既能够有效地防治农作物病、虫、草、鼠害等，又大大降低农药的残毒量，增加了对环境和人、畜等的安全性，显示出极为广阔的发展前景。 附：2002年世界销售额最大的10个农药品种 草甘磷（47.05），吡虫啉（9.2），嘧菌酯（4.72），马拉硫磷（4.12），醚菌酯（4.08），百草枯（4.05 ），氟虫腈（3.66），二甲戊乐灵（3.5），乙酰甲胺磷（3.3），2，4-D（3.25）。,二甲戊乐灵（除草通）,Pendimethalin,二硝基苯胺类，选择性触杀型土壤处理剂。用于玉米、大豆、花生、棉花、蔬菜等作为田间防除禾本科杂草和部分阔叶杂草。 氟虫腈（锐劲特） 是苯基吡唑类新型杀虫剂，是一种作用于-氨基丁酸来影响神经系统的活性，可以克服其它杀虫剂产生的抗性。每公顷只需要几十克就可以有效控制刺吸类和咀嚼式口器的害虫 醚菌酯 新型的甲氧基丙烯酸基酯类衍生物杀菌剂，在我国目前只有山东京博集团生产30%的醚菌酯可湿性粉剂来防治白粉病和黑腥病。,生物农药的悄然兴起,由于植物农药的缺点，导致了化学农药的发展 由于化学农药的缺点导致生物农药的发展 赤霉素是最早的微生物农药产品，来源于植物，后经微生物培养、发酵制得。20世纪50年代初大量生产。 同时一些医用的抗生素也被用于农业上防治植物病害。如链霉素、氯霉素等。,20世纪6070年代，有机汞、有机砷的毒性问题，促进了微生物农药的日本的大规模开发 除虫菊酯类农药的开发成功导致生物农药受挫 20世纪90年代，全世界又掀起生物农药的开发热潮，包括把生物农药作为先导化合物，通过结构改造来开发化学农药。 目前每年产值以1020%的速度递增，1997年占农药市场的1%左右，1999年78%，2002年有人估计1020%，当然包括转基因植物。,1.3 农药发展的展望,半个世纪以来，有机合成农药的发展历史表明，尽管目前农药仍然存在许多明显的缺点，特别是对环境的污染，进而造成对人类健康的威胁是不容忽视的，但它给人类带来的好处更为明显。在20世纪60年代，美国作家Carlson以其名著寂静的春天为先导，在世界范围内掀起非难农药，甚至主张取消农药的浪潮。但农药并未被取消，而是得到更快的发展，原因主要有三点：一是农药的毒性；二是农药的持久性；三是农药的无选择性。,今天，使用不使用农药的争论仍在继续，然而，这种争论却从另一个方面促进了农药的开发和进一步的研究。其发展呈现以下几个方面的特点：一是力求开发那些于生态环境相协调的农药；二是进一步强化农药的安全使用技术；三是生物农药和植物性杀虫剂的开发十分活跃；四是转基因植物抵御病虫害方面日渐显示其极大的昧力。,人们对农药的认识是在不断深化的。今天，农药的概念，特别是杀虫剂的概念已发生了深刻的变化，对害虫不是注重于杀死，而是更注重于调节，有些化学农药已改变了过去化学农药的含义，对于靶标生物不再是“毒物”，而仅仅是增强了作物对有害