Феромоны насекомых – настоящее и будущее

4.04.2011: Будучи сравнительно молодой областью знаний, феромоны насекомых за несколько десятилетий получили стремительное развитие. Возникли новые направления фундаментальных исследований на стыке химии и энтомологии. Со времени определения химической структуры феромона у первого вида – тутового шелкопряда в 1959 г. (А.Бутенандт) к настоящему времени установлена структура феромонов нескольких тысяч насекомых.

Ю.Б.Пятнова, кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник, ЗАО "Щелково Агрохим"

Будучи сравнительно молодой областью знаний, феромоны насекомых за несколько десятилетий получили стремительное развитие. Возникли новые направления фундаментальных исследований на стыке химии и энтомологии. Со времени определения химической структуры феромона у первого вида – тутового шелкопряда в 1959 г. (А.Бутенандт) к настоящему времени установлена структура феромонов нескольких тысяч насекомых.
Процесс идентификации повлек за собой разработку ювелирных методов выделения феромонов из желез бабочек; развитие хромато-масс-спектрометрии, как метода, позволяющего определять структуру компонентов феромонов, имея в руках вещество из одной самки или из «облачка» над живой активной самкой. Изучаются ферментные системы, ответственные за биосинтез и метоболизм феромонов, в последнее время большое внимание уделяется изучению взаимоотношений насекомого и растения-хозяина. Развиты методы синтеза феромонов насекомых, позволяющие получать изомерно- и энантиомерно-чистые вещества, разработаны технологии крупномасштабного синтеза феромонов, позволившие перейти к практическому использованию их.

Полезные свойства феромонов позволили им стать важной частью в системе интегрированной защиты растений. Интегрированная защита растений предусматривает точные сведения о популяции насекомых. Эти сведения могут быть получены наблюдением за насекомыми с помощью ловушек с феромонами. Интегрированная защита растений предполагает использовать избирательные средства воздействия на популяции. Феромонные препараты, как нельзя лучше, позволяют управлять насекомыми, не затрагивая другие организмы в биоценозе. Феромоны малотоксичны, к тому же применяются в малых дозах и отравление ими невозможно. Феромоны – это летучие вещества и к тому же, достаточно лабильны и разрушаются под действием солнечного света, влаги и температуры. Поэтому, они не накапливаются на обработанной территории.

Все эти качества сразу открыли большие перспективы использования феромонов в защите растений и привлекли внимание многих химиков и энтомологов к решению практических задач.

Наиболее глубоко изучены феромоны и их применене в защите растений экономически значимых видов, таких как яблонная плодожорка (Cydia pomonella), восточная плодожорка (C. molesta), сливовая плодожорка (C.funebrana), хлопковая совка (Heliothis armigera), хлопковая моль (Pectinofhora gossypiella), другие совки, лесные вредители: короед типограф (Ips tipographus),шелкопряд-непарный, сосновый, шелкопряд монашенка и другие.

Получили развитие три основных направления применения феромонов в защите растений: отлов самцов в ловушки с целью мониторинга, массовый отлов самцов с целью снижения численности популяции и дезориентация самцов с целью прерывания половой коммуникации насекомых.

Мониторинг. Феромонные ловушки отлавливают целевой вид, даже если популяция имеет очень низкую численность. Поэтому они используются для раннего предупреждения появления вредителя. Мониторинг особенно важен, если численность вредителя быстро нарастает от года к году, или, если ожидается миграция. С помощью ловушек могут быть установлены новые участки расселения насекомых на ранней стадии, предсказана динамика развития популяции, определено распределение насекомых по зараженному участку. Мониторинг используют для прогноза сроков появления и численности насекомых, определяют оптимальные периоды применения средств защиты растений, выпуска энтомофагов. При повреждениях культур несколькими видами насекомых феромонный мониторинг позволяет установить экономически наиболее опасный вид и определить стратегию защиты.

Мониторинг позволяет изучать ранее неизвестные стороны биологии насекомых, выявлять новые виды.

Однако, качественный мониторинг, по которому можно было бы учесть все факторы воздействия на популяцию, еще не разработан для многих видов. По числу отловленных насекомых часто не удается предсказать количество отложенных самками яиц, гусениц и экономический ущерб. Следует учитывать влияние природных факторов на развитие популяции. Так, неблагоприятные погодные условия могут снизить количество яиц и гусениц, и при высоком отлове самцов повреждение растений может быть небольшим. В некоторых случаях к феромону или к отловленным самцам привлекаются энтомофаги. Их деятельность может снизить повреждение растений. И, наоборот, феромон может привлекать самцов из вне обследуемых участков и, таким образом, давать ошибочную информацию о численности популяции.

Тем не менее, применение синтетических половых феромонов для мониторинга нашло широкое распространение в развитых странах Европы, в США, в Японии в защите садов, виноградников и хлопчатника. Это позволило перейти от сплошных обработок к очаговым и сократить расходы на защиту в два-три раза.

В нашей стране феромонные ловушки находят повсеместное применение при выявлении карантинных объектов. Станции защиты растений, питомники, фермерские хозяйства используют феромонный мониторинг для определения сезонной динамики лета бабочек, для прогнозирования поврежденности плодов гусеницами, для определения сроков наиболее эффективного использования инсектицидов. Год от года увеличивающиеся заявки на феромонные ловушки для яблонной плодожорки и других листоверток, поступающие в ЗАО «Щелково Агрохим», говорят о распространении феромонного мониторинга в Нечерноземной зоне РФ, в Поволжье, в Татарии, в восточных областях РФ. Благодаря работам Великолукской сельскохозяйственной академии мониторинг яблонной плодожорки и комплекса листоверток находит распространение на Северо-западе нашей страны (В.А.Емельянов, З.В.Николаева, 2002г). В Ставропольском крае ведется слежение за развитием, распространением, динамикой численности непарного шелкопряда, шелкопряда монашенки, зеленой дубовой листовертки.

К сожалению, по экономическим причинам в последние годы прервалась связь между химиками, которые продолжают исследования и выпуск феромонов во ВНИИХСЗР, в ЗАО «Щелково Агрохим», во ВНИИБЗР (г. Краснодар), энтомологами и специалистами, которые практически применяют феромоны. Ушли в небытие комплексные программы, которые координировали научные разработки. Все это резко сократило объем исследований по феромонам и все, что сейчас находит применение, основано на старых разработках, выполненных в 70-90 годы прошлого века.

Массовый отлов. Массовый отлов самцов может сдерживать увеличение роста популяции, когда начальная численность низкая и когда удается отловить большую часть популяции. Идеальными видами для массового отлова являются насекомые, которые не впадают в диапаузу, поэтому уязвимы в регионах с холодной зимой, и первое поколение их малочисленно.

Известно большое число примеров успешного применения массового отлова. Так, многолетние исследования ВНИТИКиЗР (Н.М.Атанов,1993) феромонных составов для восточной плодожорки показали 88-90% эффективность массового отлова этого вида на фоне низкой численности перезимовавшего поколения в изолированных персиковых садах при размещении 50 ловушек на гектар.

Положительный результат получен в садах Северо-западного региона России в снижении численности яблонной плодожорки, которая развивается в этом регионе в двух поколениях (В.А.Емельянов, З.В.Николаева,2002г). За 7 лет отлова самцов с размещением 20-30 ловушек на гектар численность бабочек снижена с 12-30 экз. на ловушку в неделю до 1+0,1экз., а поврежденность яблок составила 0,2-0,5%.

На ограниченных участках, например в теплицах в Краснодарском и Ставропольском крае, элиминация жуков-щелкунов позволила снизить численность до экономически безопасного уровня, а поврежденность томатов и огурцов снижена с 9-32% до 0,03-0,5% (В.Г.Коваленков, В.Я.Исмаилов, Н.М.Тюрина, 2000г).

Однако, нередко с одним и тем же видом получают разные результаты не только в разных местах, но и на одних и тех же участках в разные годы. Метод массового отлова имеет ряд ограничений и трудностей при применении. Результат может быть сведен к нулю оплодотворенными самками, мигрирующими с необработанных участков, расположенных поблизости. Это часто наблюдается, если для защиты выбран участок небольшой площади. Массовый отлов на больших площадях, например на хлопковых полях, требует много времени и сил при наблюдении за ловушками. Он использовался в Египте, где применялся дешевый труд, в том числе и детский, при отлове хлопковой совки ( Spodoptera littoralis).

Не разработаны критерии достоверной оценки результатов метода. Часто используемые данные по снижению общего числа отловленных бабочек от года к году не могут рассматриваться как результат действия одних только феромонных ловушек. Природные факторы, неблагоприятные погодные условия, деятельность энтомофагов также могут влиять на снижение численности популяции.

Таким образом, для достижения успеха в массовом отлове необходимы изолированные участки, низкая плотность популяции целевого вида, окружение соседними культурами , которые не повреждаются этим видом.
Перспективным представляется метод отлова самцов в ловушки на феромон, совмещенный с инсектицидом. Побывав в ловушке в контакте с инсектицидом, самцы улетают и погибают вне ловушки.

Таким образом, не требуется трудоемкая очистка или замена вкладышей. В широких полевых опытах в Узбекистане на посевах хлопчатника при отлове хлопковой совки (Heliothis armigera) в такие ловушки достигнута 100% гибель бабочек и общая эффективность метода была 87-92% (Ш.Т.Ходжаев, А.Б.Учаров, Ш.Курязов, 2002г).

Препарат, выпускаемый фирмой «Novartis Crop Protection» содержит 0,16% феромона яблонной плодожорки и 6% перметрина или циперметрина. Этот состав в виде раствора или вязкой пасты наносится каплями на растение. Каждая капля содержит 0,09мг феромона и 3,42мг инсектицида, на гектар расходуется 1200-2000 капель, за сезон проводят 2-3 обработки, привлечение самцов продолжается 4-5 недель, гибель самцов 100%.

Опыты совместного использования феромонов и хемостерилянтов или регуляторов роста и развития насекомых хотя и были успешными в ряде стран, в том числе и в нашей стране, однако практического использования не получили.

Дезориентация. Сегодня еще не ясен механизм дезориентации самцов. Еще не установлено, является ли дезориентация результатом адаптации рецепторов в условиях высокой концентрации феромона или привлечением к искусственному сильному источнику феромона по ложному следу. Тем не менее известно, что для достижения эффекта дезориентации необходимо создать высокий уровень концентрации феромона на участке в течение всего периода лëта насекомых. Поддержание постоянной концентрации в течение длительного периода обеспечивается диспенсером. Для этой цели используются полые волокна, которые представляют собой капилляры с одним запаянным концом. Феромон внутри удерживается капиллярными силами и медленно испаряется через открытый конец. Равномерность испарения обеспечивается площадью внутреннего отверстия капилляра. Применяются также трехслойные пластинки, в которых феромоном импрегнирован внутренний слой, находящийся между непроницаемыми пластинками. Выделение феромона происходит с поверхности торцов среднего слоя.

Для производства и применения удобны микрокапсулы. Процесс микрокапсулирования давно отработан в других отраслях техники, например в производстве фармацевтических препаратов. Изменением размера микрокапсул и толщины стенок можно изменять эмиссию феромонов в значительных пределах.

Все эти диспенсеры для достижения эффекта дезориентации требуют большой дозы действующего вещества, часто 100 г и больше. Учитывая, что компоненты феромона – дорогостоящие вещества, метод дезориентации не выдерживает экономических требований. При использовании этих типов диспенсеров большая часть феромона выделяется бесполезно в воздух в часы, когда активность насекомых отсутствует. Потери феромона происходит как за счет активной эмиссии в теплое время дня, так и за счет разложения под действием температуры, солнечного света, влаги. Для стабилизации в феромонные составы вводят антиоксиданты, УФ-экранирующие компоненты.

Для удешевления препаратов делаются попытки применить для дезориентации феромоны, содержащие примеси. Например, японская фирма Shin-Etsu Chem. Corp. в опытном объеме производит модифицированные феромонные препараты. В препарате для дезориентации совки (Spodoptera exigua) присутствие в ацетате спиртового компонента в небольших количествах повышает эффект. Примеси спирта в примышленной технологии феромонов-ацетатов спиртов присутствуют всегда. Тщательная очистка от них трудоемка, сопряжена с потерями феромона и сильно удорожает продукт.

В некоторых случаях не требуется освобождаться от геометрических и позиционных изомеров, которые присутствуют как балласт и не снижают эффективность препарата для дезориентации. Но некоторые виды насекомых, напротив, очень остро реагируют на присутствие примесей в феромоне. И это открывает возможности использовать примесные компоненты для создания препаратов, ингибирующих восприятие феромона. Часто эти соединения более просты по структуре и, следовательно, более дешевы.

Жизнеспособность метода дезориентации заставляет искать принципиально новые пролонгирующие эмиссию феромона средства и устройства. Например, успешной оказалась попытка использовать спрей, обеспечивающий в 20 раз большую скорость эмиссии феромона, чем традиционные диспенсеры. Распространение феромона достигается передвигающимся устройством, снабженным таймером, что позволяет использовать феромон только в часы активности насекомых и только в тех участках, где обнаружено скопление насекомых. Используется 4-5 таких приспособлений для обработки 1 гектара. Такими препаратами в 2000-2002 годах в Италии проводилась борьба с яблонной, восточной плодожорками и другими листовертками, расход феромона 160-220г за сезон, результаты дезориентации – на уровне стандартных технологий защиты инсектицидами.

Интересен способ, названный «auto-confusion». Он заключается в том, что самец привлекается к составу, содержащему феромон и электростатический порошок, который имеет свойство налипать на кутикулу и другие части тела насекомых. После контакта с этим составом самец улетает и несет на себе феромон. Феромон на теле самца вызывает адаптацию его рецепторов и нарушение всей сенсорной системы, и самец не находит самку. Обработанные самцы представляют собой мобильные феромонные диспенсеры и создают «фальшивый феромонный след». Нормальные самцы пытаются контактировать с обработанными как с самкой, и берут на себя часть феромонного состава, распространяя таким образом феромон. Этот состав опробован в Англии, Канаде, Испании с положительными результатами снижения численности яблонной плодожорки, рисового долгоносика (Chilo suppressalis).

Метод дезориентации внедрен в программах защиты садов и виноградников от яблонной и восточной плодожорок, виноградной листовертки, защиты хлопчатника от хлопковой моли (Pectinofora gossypiella) в США, странах Европы. В большинстве случаев проводится обработка инсектицидами против первого поколения, а затем дезориентация феромонными препаратами. Это позволяет исключить 3-4 обработки инсектицидами.

В нашей стране в 70-80 годах разработаны препараты аценол К и аценол ШН и технология их применения для дезориентации восточной и сливовой плодожорок. Эти препараты при двукратном развешивании 500 диспенсеров на га надежно защищали персиковые сады без применения инсектицидов. «ЗАО Щелково Агрохим» владеет технологией производства этих препаратов и может предоставлять их по заявкам потребителей.

***

Класс химических соединений, к которому относятся большинство используемых в практике феромонов - непредельные алифатические соединения - малотоксичные вещества. Острая токсичность непредельных спиртов с числом углеродных атомов от 11 до 18 колеблется от 3 до 50 г/кг. Для ацетатов этих спиртов ЛД 50 от более 5 г/кг до 34,6 г/кг. Например, для цис-8-додеценилацетата ЛД 50 более 15г/кг(мыши), 22,5г/кг(крысы, самки), 25г/кг(крысы, самцы), для додеканола ЛД 50 28,24г/кг (крысы, самки), 26,575г/кг (крысы, самцы) (Н.С.Жаркова, И.П.Льгова,1986г). Из-за высокой летучести феромоны не задерживаются на растениях и других природных объектах. Остаточные количества на плодах определить не удается при нанесении более 120 г на акр. Попытка определить остаточные количества феромона выемчатокрылой моли показало, что в день применения на томатах содержалось 21-72 ррm феромона, на 30-й день определялось 0,29-1,2 ррm, после мойки томатов феромон на них не обнаруживался.
Учитывая низкую токсичность феромонов и малые дозы их при применении, в США и в странах Западной Европы не подлежат регистрации феромоны при применении в дозах менее 150г на акр. Не подлежат регистрации феромоны,используемые в ловушках для массового отлова и мониторинга. Если феромон используется совместно с инсектицидом по методу «привлечь и убить», такой препарат регистрируется с учетом опасности инсектицида.

В нашей стране до сих пор требования для регистрации феромонов не отличаются от пестицидов. Многие требования положения о регистрации вообще невозможно отнести к феромонам. Это сильно затрудняет правильное оформление материалов для регистрации. Давно назрела необходимость разработать положение для регистрации феромонов и рассмотреть возможность разрешения применения феромонов для мониторинга в ловушках без регистрации. Кстати положение о регистрации феромонов существовало до 1990 и тогда в списке препаратов, разрешенных для применения, было 26 феромонов. В ныне действующем списке имеется только один-феромон короеда типографа. Даже перерегистрация феромонов яблонной, восточной, сливовой плодожорок, которые уже были зарегистрированы в 1985 году и все время использовались для мониторинга, затягивается на годы по организационным причинам на уровне Госхимкомиссии и Минздрава РФ.

Такое положение в значительной степени сдерживает выпуск и применение феромонов в нашей стране. Производство феромонов имеет определенные особенности. Синтез действующих веществ требует развитой технологической базы, дорогостоящего оборудования, высокой культуры производства, высококвалифицированных специалистов химиков. Для целей мониторинга в объеме нашей страны достаточно синтезировать по несколько десятков или сотен граммов компонентов феромонов. Такой синтез целесообразно осуществлять в лабораторных условиях. Так это и организовано в ЗАО «Щелково Агрохим», который по заявкам организаций может выпускать комплекты ловушек для мониторинга сельскохозяйственных и лесных вредителей, более чем для 25 видов.