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农用抗生素

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  农用抗生素(agricultural antibiotics)指由微生物生命活动过程中产生的,对植物病原菌、害虫、螨类、线虫、有害植物(杂草)等其他生物,能在很低浓度下显示特异性药理作用的天然有机物,统称为农用抗生素(简称农抗)。

  农用抗生素简称农抗,是指由微生物发酵产生、具有农药功能、用于农业上防治病虫草鼠等有害生物的次生代谢产物。放线菌、真菌、细菌等微生物均能产生农用抗生素,其中放线菌产生的农用抗生素最多。目前广泛应用的许多重要农用抗生素都是从链霉菌属中分离得到的放线菌所产生的。

  系列用微生物所产生的活性物质作为农药。最早的农用抗生素为链霉素,并由此推动了抗生素农业上的应用,20世纪70年代后得到了迅速的发展。目前,农用抗生素已几乎遍及杀虫剂杀菌剂除草剂植物生长调节剂等农药所有领域,其中较为突出的有杀虫剂土霉素;杀菌剂井冈霉素春雷霉素;除草剂双丙氨膦;植物生长调节剂赤霉素等。

  农用抗生素由于易被土壤微生物分解而不污染环境,其对人畜安全,选择性高,故很有发展前途。

  20世纪90年代以来,许多专家对生物农药的定义都有不同的见解,归纳为6种。

  ①生物农药是由生物产生的具有农药生物活性的化学品,和具有农药生物作用作为农药应用的活性物体(沈寅初,2002年);

  ②生物农药是可用来防除病、虫、草等有害生物的物体本身及源于生物,并可作为“农药”的生物活性物质,更要在生产、加工、使用及对环境的安全性等方面符合有关“农药”的法规(张兴,2002年);

  ③生物农药是指用来防治病虫草害等有害生物的生物活体及其代谢产物和转基因产物,并可以制成商品上市流通的生物源制剂,包括微生物源

  (细菌、病毒、真菌及其次级代谢产物农用抗生素)、植物源、动物源和抗病虫草害的转基因植物等(朱昌雄,2002年);

  ④生物源农药即利用生物资源开发的农药,狭义上指直接利用生物产生的天然活性物质或生物活体作为农药(徐伟松,2002年);

  ⑤生物农药系指含非人工合成、具有杀虫杀菌或抗病能力的生物活性物质或生物制剂,包括生物杀虫剂、杀菌剂、农用抗生素、生态农药等(林敏,2003年);

  ⑥生物农药是指利用生物资源开发的农药;根据其来源大致可分为植物农药、微生物农药和抗生素等(顾宝根,2000年)。

  根据上述专家对生物农药的定义,可以看出农用抗生素应当属于生物农药的范畴。

  一类由微生物发酵产生的具有农药效能的抗生素,按用途区分,有杀菌剂、杀虫剂、杀螨剂、除草剂和植物生长调节剂(见表)。与一般化学合成农药相比,农用抗生素具有以下特点:①结构复杂;②活性高、用量小、选择性好;③易被生物或自然因素所分解,不在环境中积累或残留;④生产原料为淀粉、糖类等农产品,属于再生性能源;⑤采用发酵工程生产,同一套设备只要改变菌种即可生产不同的抗生素,生产菌大多是土壤中的放线菌,也有线]

  农用抗生素是在20世纪40年代医用抗生素发展的基础上研究开发的。最初,将某些医用抗生素如链霉素、土霉素、灰黄霉素等用于防治农作物病害,取得了一定的效果。同时也筛选出一些农业专用的抗生素如放线酮、抗霉素和一些多烯类抗生素。50年代以来,广泛使用化学农药带来了环境污染问题,这促进了寻找比较安全的生物源农药的研究,因此农用抗生素得到较快的发展,日本在这方面处于领先地位。1961年,日本开发了杀稻瘟素-S用于防治稻瘟病,是世界上第一个大规模生产的农用抗生素,它成功地取代了公害严重的有机汞制剂。60~70年代,日本又开发了春日霉素、多氧霉素、有效霉素等高效品种。70年代以来,一些具有防治昆虫、螨、动物寄生原虫和蠕虫、除草和调节动植物生长功能的农用抗生素,不断研究开发出来,扩大了农用抗生素的应用领域。原来,欧美国家的一些科学家担心抗生素在农业上应用,可能引起人类病原菌对医用抗生素产可生抗药性,因而持慎重态度。自从日本率先开发许多化学类型与医用抗生素不同的农业专用抗生素以后,这种担心已逐渐消除,美国、西欧、苏联都已重视和加强了农用抗生素的研究开发。70年代后期,日本农用抗生素的年总产量已达到400t以上(按有效成分计)。

  中国从50年代起研究开发农用抗生素,在20多年里陆续投产了赤霉素、灭瘟素、春雷霉素、多抗霉素和井冈霉素等品种。其中产量最大的是井冈霉素,到80年代年产量已接近 1kt(有效成分)、占全国农用抗生素产量的95%以上,成为防治水稻纹枯病首选的安全有效的药剂。

  农用抗生素是现代生物技术和化学工程结合发展的产品。由于自然界微生物种类繁多,从中寻找有特殊生理活性的物质还有很大潜力。随着生物工程新技术,特别是遗传工程和细胞工程的发展,现有的生产菌种将获得更高的生产能力,以提高工业的经济效益;还可能选育出产生新农用抗生素的新种微生物,以解决农业上难治病虫害的防治问题。

  农用抗生素的工业生产,通常采用液体深层通气培养的发酵工程,世界上生产农用抗生素用的发酵罐容积最大的已达300m3。各种农用抗生素生产过程的发酵工序大体相同,而分离和纯化工序则因品种而异,有的有效成分存在于发酵液中,有的则存在于菌丝体中,要采用不同的分离纯化流程来制取。例如:井冈霉素存在于发酵液中,过滤后浓缩、萃取纯化,再加入助剂调制即成为制剂产品。

  作用于病原菌细胞壁:多氧霉素(polyoxins)是首个被发现的几丁质酶合成抑制剂。多氧霉素D及其类似物均与几丁质合成酶的底物尿二磷-N-乙酰葡萄糖胺结构类似,从而竞争性地抑制该酶活性,导致敏感细胞几丁质不能合成而起到杀菌作用。

  作用于菌体细胞膜:细胞膜是 一种 半透性膜,它为细胞的生物屏障有些抗生素可作用于细胞膜,从而破坏其屏障功能。

  作用于蛋白质合成系统:过抑制菌体蛋白质合成过程中的肽键形成而起到防治细菌病害的作用

  作用于能量代谢系统:通过抑制水稻纹枯病菌的海藻糖酶活性,使得纹枯病菌的主要储存糖——海藻糖不能分解为葡萄糖,阻止了纹枯病菌从菌丝基部向顶端输送养分从而抑制菌丝体的生长发育。

  抑制核酸合成:在低于完全抑制病菌生长浓度时可引起菌丝螺旋形成等异常发育。

  通过提高植物的抗病力而防病治病:通过提高植株自身的免疫抗病能力而起到防病治病作用的。

  作用于神经系统:作用于昆虫神经元突触或神经肌肉突触的GABA系统,激发神经末梢放出抑制性神经传递介质,致使神经膜处于抑制状态,从而阻断神经冲动传导而使昆虫麻痹、拒食、死亡。

  (1)原料液中常存在可降解目标产物的杂质,如可水解目标产物的蛋白酶,因此要采用快速的分离纯化方法除去影响目标产物稳定性的杂质;

  (2)生物物质的生理活性大多是在体内的温度和条件下发挥作用的,对温度、pH值和化学试剂非常敏感,常因环境条件的变化而降低活性或失活,因此对分离纯化提出了较为苛刻的要求;

  (3)生物大分子常存在着分子式或分子结构相同、理化性质极其相似的分子及异构体,造成了常用方法难于分离的混合物。因此要用特殊的高效分离技术纯化目标产物;

  (4)生物产品——农用抗生素一般与人类生命息息相关。因此要求分离纯化的过程必须除去原料中含有的热源及具有免疫性的异源蛋白等对人体有害的物质,并防止这类物质在操作过程中从外界混入,但允许无害的少量杂质存在,要根据目标产物的使用目的。完全除去妨碍其性能发挥的杂质,但不像电子材料和无机材料要求得非常高的纯度;

  (5)原料中目标产物的浓度一般都很低,有时甚至是极其微量的,这样就有必要对原料进行高度浓缩,因此下游加工过程的成本显著增大,如酒精的浓度最高为10%。氨基酸为1%~5%,抗生素为0.1%~3%,工业酶为0.01%~0.1%,单克隆抗体为0.0001%~0.01%。通常产品的成本和售价同产品的原始浓度成反比,资料表明,生物产品分离纯化费用通常占制造总成本的40%~60%;

  (6)分离纯化困难,不少生物产品,由于没有开发出技术上先进、经济上可行的提取方法或提取收率太低、成本过高而不能投产。

  (1)预处理和固液分离:主要技术有过滤和离心,目的是去除高价无机离子和蛋白质以及发酵液中的不溶性固形物杂质和菌体细胞。过滤和离心相比。无论是投资费用还是运转费用,前者都要小得多。因而首选方法应是过滤。但因发酵液中的不溶性固形物和菌体细胞均是柔性体,细胞个体很小,特别是细菌,过滤时形成的滤饼均是高度可压缩性的,所以造成过滤困难。絮凝技术、助滤剂和合适的过滤设备是技术关键,近年来菌体细胞过滤技术进展较大。离心有离心沉降和离心过滤之分。如果产物在细胞内,收集细胞后就还要进行细胞的破碎和细胞碎片的分离,细胞碎片比细胞更难分离。

  (2)提取(初步分离):提取的目的是除去与产物性质差异较大的杂质,为后道精制工序创造有利条件。提取操作中,通常是目的产物要求有较大浓缩比的过程,根据原理不同抗生素的提取方法一般分为沉淀法、溶媒萃取法、柱层析法、吸附法等。

  (3)精制(高度纯化):目的是除去与产物的物理化学性质比较接近的杂质。发酵滤液经粗提后,须进一步精制。上述的萃取、吸附、离子交换法当然也能用于精制,但技术上有所发展。目前抗生素精制还主要是借助色谱技术。按照分离机理,色谱法可分为吸附色谱(液固色谱)、分配色谱、离子交换色谱和排阻色谱(凝胶色谱、分子筛色谱)。除了这几种主要的色谱精制方法外,还有盐析法、分子筛法、中间盐转移法、结晶和重结晶和晶体洗涤法等。最后的精制成品还需干燥。干燥的方法也很多,如真空干燥、冷冻干燥、红外线)成品制作:成品形式与产品的最终用途有关,有液态产品也有同态产品。