По мере того, как многие страны будут стремиться уменьшить свою зависимость от агрохимикатов в системе земледелия в течение следующих 10 лет и далее, возникает важный вопрос: что их заменит? Сельскохозяйственная биотехнология может дать на это ответ.
[penci_related_posts title=»Вам также может быть интересно» number=»4″ style=»list» align=»none» displayby=»cat» orderby=»random»]
Использование агрохимикатов — пестицидов, удобрений и стимуляторов роста растений — было критически важным для человечества в течение прошлого столетия. Они позволили продуктивности сельского хозяйства идти в ногу с самым резким периодом роста населения в нашей истории и спасли миллиарды от голода. Тем не менее, их влияние на окружающую среду стало слишком глубоким, чтобы его игнорировать и они все чаще рассматриваются как инструменты прошлого века, которые не подходят для задач 21-го века.
Признавая этот сдвиг, ЕС недавно наметил ряд целей, чтобы резко сократить количество химических веществ, используемых на европейских фермах к 2030 году. Они включают в себя сокращение на 50% использования химических и опасных пестицидов, а также сокращение использования удобрений на 20%.
Достижение этих целей без значительного снижения урожайности будет значительной победой. Обращение к инновационной сельскохозяйственной биотехнологии может решить эту проблему и сделать переход от использования агрохимикатов гораздо менее болезненным.
Исторически сложилось так, что агробиотехнологии имели сложные отношения с регуляторами ЕС. Давнее сопротивление Европейской комиссии в отношении принятия генетически модифицированных культур разочаровало многих исследователей и компании на всем континенте, которые рассматривают такие штаммы в качестве важнейших инструментов развития более продуктивной, более устойчивой и более устойчивой сельскохозяйственной системы.
Тем не менее, сельскохозяйственная биотехнология простирается гораздо дальше, чем просто генетически модифицированные культуры: ученые применили биотехнологию для создания ряда биологических решений для улучшения способов выращивания сельскохозяйственных культур, не нарушая существующих правил, касающихся генетической модификации самих культур.
Феромоны для борьбы с вредителями
Химические инсектициды — это тупые инструменты, предназначенные для борьбы с насекомыми-вредителями, просто массово убивая их. Этот метод выжженной земли, когда он используется в течение десятилетий, вызывает серьезные экологические проблемы. Эти инсектициды часто являются неточными и длительными, воздействуя не только на целевые виды вредителей, но и на более широкое биоразнообразие района. Предполагается, что этот побочный ущерб является основной движущей силой вызывающего тревогу глобального сокращения численности насекомых, в том числе таких важных видов опылителей, как пчелы.
BioPhero, филиал Технического университета Дании, впервые использует феромоны насекомых в качестве устойчивой альтернативы химическим инсектицидам. Компания специально нацелена на мотыльков, которые являются значительным вредителем в различных культурах.
«Феромоны — это природные сигнальные молекулы, используемые насекомыми, которые нетоксичны, непостоянны и достигают цели защиты сельскохозяйственных культур, путая насекомых и предотвращая их спаривание, а не убивая их», — пояснила Ирина Бородина, основатель BioPhero и технический директор.
«Кроме того, защита растений на основе феромонов зависит от вида, что означает, что он ограничен основными целевыми вредителями, оставляя биоразнообразие нетронутым.»
Вмешательство BioPhero в феромоны сбивает с толку мужских мотыльков, маскируя истинное местоположение самки под потоком ложных сигналов. В связи с тем, что в настоящее время откладывается меньше моли (и, соответственно, их яиц), количество личинок, жующих урожай, сохраняется на более низком, гораздо более управляемом уровне. Этот подход также имеет дополнительное преимущество, заключающееся в том, что, поскольку он не является летальным, он с меньшей вероятностью будет стимулировать возникновение резистентности — основной проблемы с обычными инсектицидами.
«Сельскохозяйственные инновации в основных сельскохозяйственных культурах на протяжении столетия стимулировались разработкой новых способов уничтожения насекомых. «Мертвые жуки» были ожидаемым доказательством эффективности, а простота применения и уничтожения химических инсектицидов стала стандартом», — сказал Кристиан Эббенсгаард, генеральный директор компании. «Мы считаем, что сейчас самое время направить сельское хозяйство на путь к более устойчивому будущему».
Использование феромонов для борьбы с насекомыми до сих пор было нишевым рынком в сельском хозяйстве. До сих пор это было экономически выгодно только для сельскохозяйственных культур, таких как фрукты и орехи, из-за дорогостоящего процесса химического производства феромонов.
Чтобы преодолеть это препятствие доступности, компания BioPhero разработала процесс ферментации, похожий на пивоварение, где инженерные дрожжи производят феромоны моли. Это обеспечивает дешевое промышленное производство феромонов, что делает этот метод устойчивой защиты сельскохозяйственных культур экономически жизнеспособным для менее дорогих, но более широко выращиваемых «пропашных культур», таких как соя, кукуруза и рис.
Процесс производства феромонов в BioPhero
Белковый биоконтроль
Вредители и патогенные микроорганизмы бывают разных форм и размеров, а также из разных царств жизни; не только животные, такие как насекомые, но и грибы и бактерии. Это создает огромную проблему для разработки биоконтролирующих подходов, которые являются как высокоцелевыми, так и адаптируемыми для ряда различных организмов. Biotalys (ранее Agrosavfe), подразделение Института биотехнологии Фландрии, предлагает решить эту проблему с помощью одной из самых универсальных биомолекул природы: белков.
Бельгийская биотехнология, основанная в 2013 году, разрабатывает «агробеломы» — небольшие белки, предназначенные для борьбы с конкретными вредителями и патогенами. Эти белки вдохновлены замечательными природными качествами антител ламы.
«Лама — наш источник вдохновения. Ламы и другие члены семейства Camelidae, а также акулы имеют специфическую иммунную систему с гораздо более простыми антителами, чем человеческие » , — сказал мне Патрис Селлес, генеральный директор Biotalys. «Из этих антител можно идентифицировать небольшие белки [которые] демонстрируют интересные физико-химические свойства и стабильность с эффективными биологическими активностями».
Компания может быстро отобрать и отобрать наиболее эффективные биоактивные белки против каждого целевого вредителя или вида патогенных микроорганизмов, производить их в масштабе путем микробной ферментации и превращать их в удобные для пользователя средства защиты растений.
Технологическая платформа Biotalys для обнаружения и разработки белков для биоконтроля
«Наш целевой и автоматизированный подход на этапе обнаружения и разработки, а также прямой путь регулирования позволяют разрабатывать новые биоконтроли на четыре года быстрее и при значительно более низких затратах по сравнению с производством химических активных ингредиентов», — пояснил Селлес.
Конечными результатами являются белки агротела, которые воздействуют на вредителей или патогенных микроорганизмов, не влияют на почву или другие виды (включая человека) и являются биоразлагаемыми, с течением времени распадающимися на простые аминокислоты, которые растения могут использовать в качестве источника питательных веществ.
Самый передовой продукт Biotalys, Bio-Fun1, нацелен на гриб Botrytis cinerea — патоген, поражающий более 200 видов растений и ежегодно приносящий фермерам десятки миллиардов долларов ежегодных потерь. Компания планирует запустить Bio-Fun1 в 2022 году, а контроль над насекомыми и бактериями планируется провести через несколько лет.
«Цель ЕС по сокращению химических пестицидов на 50%, безусловно, является разумным подходом, только если она сопутствует более широкой цели по внедрению новых технологий», — сказал Патрис.
«Наши новые биоконтроли на основе белков сочетают в себе лучшее из обоих миров: постоянную эффективность химических средств защиты растений и профиль чистоты биологических препаратов, и их можно применять как до, так и после сбора урожая… тем самым увеличивая срок годности, сокращая количество продуктов питания отходы и сокращение химических остатков в пищевых продуктах».
Вербовка почвенных бактерий
В последние годы область исследований в области микробиомов значительно расширилась, что обусловлено значительным прогрессом в нашей способности характеризовать природу и влияние резидентных микробных сообществ на их организм-хозяин. Это тема, которая регулярно попадет в заголовки в отношении кишечных бактерий человека, которые являются биотехнологическими гоночными для жгутов F или терапевтического вмешательства, но это также стало координационным центром в области сельскохозяйственных исследований. В конце концов, растения тоже имеют микробиом.
Пожалуй, самая известная агробиотехнологическая компания, работающая над использованием сети симбиотических отношений между растениями и бактериями, — это калифорнийская Pivot Bio. Флагманский продукт компании, PROVEN, внедряет генно-инженерные бактерии в почву, которые могут выделять азот из воздуха и доставлять его непосредственно в сельскохозяйственные культуры.
Уже второй год на рынке США PROVEN снижает или даже заменяет потребность в синтетических азотных удобрениях, использование которых ЕС стремится сократить на 20%. Азотные удобрения влекут за собой большие экологические издержки, поскольку сток в близлежащие водные системы часто наносит ущерб местной экологии, а их производство и использование являются огромным источником парниковых газов. На самом деле, настолько, что, согласно исследованию 2018 года , они ответственны за 14% выбросов парниковых газов в среднем по ЕС.
Несколько европейских биотехнологий изучают использование микроорганизмов, стимулирующих рост растений, в качестве заменителей агрохимикатов, в том числе Xtrem Biotech в Испании и ApheaBio в Бельгии. Однако успешное внесение полезных микробов в почву в реальных полевых условиях оказалось непростым делом, поскольку факторы окружающей среды часто препятствуют их эффективности и стабильности.
Чтобы преодолеть это ограничение, французская биотехнология Kapsera разработала крошечные биоразлагаемые микрокапсулы из альгината (материал, полученный из водорослей), который может улучшить доставку и эффективность биоудобрений и биопестицидов. Микрокапсулы Капсеры, каждая диаметром 0,1 — 0,5 мм.
«Фермеры ожидают надежности и стабильности — именно то, что мы пытаемся привнести в эти продукты. Натуральные активные ингредиенты, такие как микробы, являются более хрупкими, и их необходимо разрабатывать более разумным способом, чтобы получать стабильные и эффективные продукты в любых полевых условиях», — сказал генеральный директор Kapsera Антуан Древел.
Каждая микрокапсула имеет жидкую сердцевину, которая содержит и защищает микробы, окруженная альгинатной оболочкой, которая обеспечивает обмен питательных веществ и газа. После двух лет лабораторных разработок Kapsera сейчас наращивает производство и ожидает, что технология будет готова к выходу на рынок через несколько лет. Drevelle считает, что эта уникальная технология капсулирования позволит устранить основные узкие места биологических удобрений, которые проложат путь к их массовому внедрению в сельском хозяйстве.
Задача, стоящая перед европейскими фермерами в свете новых целей ЕС, чрезвычайно сложна: продолжать повышать производительность при сокращении использования химических добавок. Эти две цели могут показаться несовместимыми, но появляющийся набор биологических решений доказывает, что устойчивость и производительность не должны быть взаимоисключающими. А в связи с тем, что в 2019 году отрасль сельскохозяйственной биотехнологии ЕС получила инвестиций 245 миллионов евро, что на 21% больше, чем в 2018 году, новая сельскохозяйственная революция может оказаться ближе, чем мы думаем.
Автор: Фархан Митха
Фото: Елена Реско