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农药残留方法学

发布时间:2021-07-15 来源: 英格尔集团 点击:189
   多年来,农药对提高农业生产率和农民收入都做出了巨大贡献,尽管如此,人们对一些农药产品的安全性一直存在担忧。日益严格的农产品农药残留规定,也反映了人们对高质量和安全食品的需求在不断增长。生物农药与传统的化学合成农药相比,通常其毒性更低,一般只影响目标害虫及其密切相关的有机体,往往用量相对较少,分解更快,从而其暴露更少。

  在过去的几年里,生物农药作为一种更安全的害物防治方法被并入到有害生物综合治理项目中,引起了全球的关注。在过去十年,IPM方案的采用大大提高了有害生物管理的效率,减少了农药的使用,从而减少了对化学合成农药的需求。近年来,随着法规越来越严格,一些农药产品被淘汰出局,新的化学合成农药的开发大幅下降,导致可供选择的化学农药更加有限,故生物农药成为更可行的选择。许多国家还不断降低进口农产品的农药最大残留限量,越来越有必要探索有害生物防治方法的多元性,以减少对化学合成农药的依赖。

  目前,生物农药仅占全球作物保护市场的一小部分(5-6%),价值介于30亿美元和40亿美元之间。这在一定程度上得益于许多国家和地区努力实施法规,采用环保产品用于农业生产。最近报道了一些有前景的产品,如蝶豆植株提取物,木霉菌产品,黄蓝状菌菌种,氧化苦参碱,干酪乳杆菌菌株LPT-111的发酵产物,苏云金芽孢杆菌黄粉虫变种的菌株Xd3(Btt-Xd3)产品,橄榄油厂副产物,从葡萄藤提取物中分离得到二苯乙烯类等。虽然这些物质很有潜力,但在不同的种植体系中,它们对特定害物的作用仍然不清晰。

  因更强的环保和健康意识、可持续发展、监管压力和零售商的需求等多方因素推动,生物农药的市场正在迅速扩大。过去,生物农药只由当地或地区的小公司生产,这些公司在严格的法规流程中挣扎,无法扩大市场份额;目前,大型跨国农化公司正在这一领域大力投资,因此,预计持续增长的生物农药市场将在未来20-30年里在市场规模上赶上化学农药。然而,采用率的不确定性,特别是在发展中国家,可能会影响此预估。

  03

  开发和商业化生物农药的前景和挑战

  监管、研究、政策和产业

  生物农药的定义和分类以及生物农药法规的严格程度在不同的国家、地区、监管机构甚至科学界都有所不同。例如,美国环保署认可了植物组合剂,即将转移到植物体内的基因(如Bt基因)所产生的杀虫物质作为生物农药。另一方面,在欧盟,“生物控制剂”一词被用来代替“生物农药”一词;而PIPs不被认为是生物农药。这些差异使得企业很难应对监管过程,包括Arora(2016)和Balog等人(2017)在内的几篇评论文章已经讨论过这些差异。尽管有许多生物活性物质已经被分离和制剂化了,但由于许多国家冗长而官僚的监管程序,很少有能完成登记。目前除了在美国等少数国家之外,生物农药的监管过程往往是类似于化学农药的,并没有专门制定适合生物农药的监管模式。


农药残留方法学

  风险评估是生物农药登记的关键要求。然而,尽管这种评估应通过以科学证据为基础的程序进行,但在一些国家提交报告的程序比较冗长。因此,需要修改登记要求,以促进对生物农药活性物质的有效评估。阻碍生物农药登记的另一个因素是新药剂登记的高成本。建议监管部门根据合理和适当的规定,加快生物农药产品的登记程序,使新产品能够快速进入市场,从而产生收入。

  许多研究通常是在生物农药开发的早期阶段进行的,从而产生了大量关于“潜在的”生物农药的文章。有人建议,这些物质应该被称为生物控制剂,只有被批准用于商业用途后才被标注为生物农药。

  从研究项目到产品实现的转变需要各个领域的专业知识。有必要对生物农药研究进行协调,从而形成“生物农药创新链”和/或集中研究、开发和提供生物农药。

  生物农药的发展,正如其他所有的研究和开发工作一样,需要有技能的人力,充足的基础设施,与一个或多个中小企业协作,在研究的早期阶段和整个开发过程提供投入,确保开发的产品的商业化潜力。还需要与农药工业以外的配套部门加强互动。像大公司那样,为创新申请专利以获得收益,对小公司而言也是非常重要。自然存在的有机体不可能申请专利,但是专利法能够区分发现和发明,而发明只要符合《与贸易有关的知识产权》(TRIPS)第27条规定的可专利性标准(新颖性、发明步骤和工业适用性)就可以申请专利保护。从消费者的角度来看,与生物农药使用相关的主要挑战是需要加强管理和接受其药效比化学农药的略差。

  简而言之,未来生物农药的开发需要各学科之间更广泛的协作,并确保行业投入从研发物质的早期筛选、研发过程,直到确定最合适的商业和融资模式。

  04

  利用病毒生物农药的机会

  现状和未来

  已知有几种病毒可以感染昆虫,但只有杆状病毒科(一种高度专化的病毒)的病毒被开发出来用于防治害虫。这是因为它们具有良好的安全性和高特异性。然而,直到最近,由于其缓慢的杀虫作用和商业化离体生产的技术困难,它们作为生物农药的应用一直受到限制,这个情况因巴西农业研究公司的弗拉维奥博士的巨大努力,得以改变。如今,许多国家都增加了受杆状病毒保护的作物面积,如印度、中国、巴西和南非等。巴西于1980年代初引进了一项控制大豆夜蛾的方案,在2003/2004年的季节,用核多角体病毒防治大豆夜蛾的面积约200万公顷。目前,巴西的大豆、玉米和棉花田受到棉铃虫核多角体病毒的保护,免受棉铃虫的侵害,面积约130万公顷,而大面积的木薯田则喷洒了木薯天蛾颗粒体病毒的制剂。

  以下两种旨在扩大杆状病毒生物农药的应用的方案将在未来实施:一是在限制使用转基因生物的国家,将主要是在诊断水平、离体生产和改变生物农药配方等方面予以改进;二是通过对杆状病毒基因组与另一自然病原体的基因进行基因修饰,以增强杆状病毒的杀虫活性。

  05

  植物源农药——研究现状与展望

  植物源农药是指用于防御各种害虫的源于植物的有机农药。其通过驱避、抗取食、抗保幼激素活性、产卵/孵化威慑、抗生育或生长中断等机制来控制害虫。这些生物农药对真菌、病毒和细菌也有效。以抗保幼激素活性为例:从洋甘菊精油中提取的抗保幼激素,它干扰昆虫分泌保幼激素的腺体的功能,从而在蜕皮阶段抑制了昆虫的生长。拒食剂的作用机理主要是针对昆虫的味觉细胞,或者通过刺激味觉感受器,或者阻止进食刺激物,还有被认为会引起神经系统不稳定的电脉冲,干扰了昆虫的进食。植物制剂作为杀虫剂的使用效率通常不高,因此在非洲野外使用的程度有限。因此,有必要优化它们的药效,并生成相关的药效和安全方面的数据。

  植物源农药研发的一个关键挑战是,植物的粗提取物是属于不同化学类别的化学分子的混合物,所有这些化学分子可能都不具有生物活性,因此,要使植物源农药有效,必须有化学标准化过程来识别和浓缩具有活性成分的化学分子。从积极的方面来说,植物源农药在几天甚至几个小时内就会降解得很快,所以大多数植物源农药对环境是安全的。但是,也正因此,它们的施用次数会增加,使用成本也更高。

  简而言之,由于诸多障碍,只有很少的植物源农药被商业化,这些障碍包括:大规模生产的植物材料短缺,标准化化学复合物提取比较困难,监管部门的要求严格,植物农药的药效缓慢,缺乏残留数据,以及市场上有很多更具成本优势的竞争产品。然而,鉴于一些合成农药的负面影响,有必要解决这些挑战,使植物源农药的制剂能够商业化并进入市场。

  06

  生物除草剂的生产和田间应用的限制

  杂草对作物的严重影响威胁着全球粮食供应和农业经济。这些杂草主要是通过施用化学除草剂来控制的。然而,化学除草剂的过度使用、施用和管理不当,造成环境污染,对包括人类在内的非目标生物造成危害。

  为此,研究人员已经开发出生物除草剂,即从活的生物体中提取的除草剂。风险更低,在环境中的持久性也更短。此外,它们有多种作用模式,可以降低杂草抗性发展的风险。目前,只有一些生物除草剂已在市场上获得成功,这可归因于一些挑战,包括有限的宿主特异性、不正确的配方和缺乏田间持效性等。要使生物除草剂成为重要的除草剂,需要采取扩大寄主范围、改进配方和田间持效性、增强除草特性和采用先进技术等策略。

  用于控制杂草的真菌被称为真菌除草剂。许多真菌可以作为植物病原体和未来的生物防治剂,但只有很少一部分被商业化了。在细菌中,野油菜黄单胞菌和荧光假单胞菌显示出作为生物防治剂的潜力。烟草花叶病毒等也被研究用作生物除草剂。在世界上大约有24种基于微生物的生物除草剂已被注册为商业用途,还有其他尚处于评估阶段的微生物种类将作为商业产品进行登记注册和开发。

  在生物除草剂的开发过程中,由于大多数的产品都具有宿主特异性,所以宿主的范围是一个复杂的问题。由于植物系统发育与病原菌特异性之间的关系缺乏明确的证据,宿主范围试验中微生物种类的选择比较困难。

  生物除草剂微生物定植对植株产生的风险,需要在选择生物除草剂之前对其进行评估;由于潜在的定植在自然中发生,妨碍了其商业化的可能性。微生物之间对营养、空间的竞争和拮抗作用可能减少微生物的数量,植物滤液中的有毒物质可能对生物除草剂的药效产生负面影响。

  环境条件在决定生物除草剂的药效方面也起着重要作用,如初始侵染、侵染扩展和扩散到杂草的速度等,目标杂草的二次感染率也会受最佳环境因素控制。生物除草剂的商业化开发主要取决于大规模生产一种活的、致病的和遗传稳定的繁殖体(如微生物孢子、碎片或颗粒)的可行性。需要具体的技术和政策手段,使生物除草剂既经济又能受农民欢迎。研究人员应该考虑克服生物除草剂发病机理的生物学和环境限制的重要性,使它们成为有潜力的商业产品。

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