气调杀虫在储粮害虫防治中的研究与应用进展

许俊亚, 吕建华, 白春启, 唐培安, 郭 超, 张来林

(河南工业大学粮食和物资储备学院;粮食储藏安全河南省协同创新中心1,郑州 450001)(南京财经大学食品科学与工程学院2,南京 210023)(广东省粮食科学研究所3,广州 510050)

民以食为天,食以粮为先,粮食是人类生存和发展所必需的基本物质,其营养物质极其丰富。因此,粮食安全始终是全世界关注的重要问题。我国作为农业大国,虽然粮食总产量居世界首位[1],但由于人口众多,人均所拥有的粮食数量在世界上的排名并不靠前,粮食安全仍为国家首要关注的问题。据有关资料统计,粮食在储存过程中时常遭受储粮害虫为害,造成严重损失[2],全球每年由储粮害虫为害造成的粮食损失占总储量的10%～40%,如何科学有效防治储粮害虫对安全储粮至关重要[3]。目前国内外主要采用化学方式防治储粮害虫,但长期不规范使用化学药剂已导致许多害虫产生较强的抗药性,同时还伴有农药残留、环境污染、人畜中毒等一系列负面问题[4]。因此,寻求一种安全、高效、绿色可持续的储藏期害虫防治方式来替代化学防治至关重要。

气调是国内外公认的安全有效、经济环保的储粮害虫防治技术,既能延缓储藏物品质劣变、抑制虫霉孳生、减少化学药剂污染,还能显著提高企业经济效益和社会效益,是符合我国国情的绿色储粮技术之一。为科学高效利用气调杀虫技术防治粮食储藏与加工场所的害虫,本文对气调杀虫的发展历程、气调杀虫机理、气调杀虫的影响因素和应用情况等方面进行综述,以期为今后采用气调技术对储粮害虫进行高效防治有所裨益。

1 气调杀虫概述

气调(MA)是通过人为改变粮食储存环境中大气成分比例,将N2/CO2/O2控制在一定范围内并维持一段时间,从而抑制害虫为害。害虫的呼吸是维持其进行正常生命活动的基本条件,其生存环境中任何一种气体成分(尤其是O2含量)改变对害虫生命活动都会产生重要影响[5]。多年以来,人为控制大气组成的气调杀虫技术对于安全储粮的重要性一直得到国内外学者及粮食仓储行业工作者的广泛关注。

2 气调杀虫的发展历程

2.1 国内

气密储藏在我国历史悠久。远在仰韶文化时期已有气密性的缸、坛、窖藏,到隋唐时期有规模宏大的地下仓气密储粮,如洛阳近郊的含嘉仓。我国的现代气调储粮技术在20世纪60年代末和70年代初有了较大发展。在“六五”“七五”国家科技攻关课题中对气调储粮技术进行了系统实验研究和实仓实验[6]。我国气调储粮曾分别进行缺氧气密储藏、人工气调等多种气调技术研究,特别是“十五”期间先后在四川绵阳、江苏南京、上海、江西九江等地建造了我国第一批大型CO2气调储粮仓,标志着气调储粮在我国开始进入商业性应用阶段[7]。虽然CO2气调储粮杀虫效果较好,但所用的仓房气密处理费用高、外购气源CO2成本高,限制了该技术推广应用;2005—2007年随着充氮技术替代CO2技术应用,气源费用降低、用大气囊密封粮面替代整仓密闭使仓房密封费用大为降低,限制气调技术推广的瓶颈问题得到很好解决。由此,气调技术在国内得到飞速发展。“十一五”期间推行充N2气调,以空气为原料、采用碳分子筛/膜分离制氮技术获得高浓度氮气[8]。2008年,在成都召开的第八届国际储藏物气调与熏蒸大会上,中储粮总公司在充氮气调储粮技术推广应用方面的突出成果得到了参会专家、学者高度评价[9]。迄今为止,充氮气调已应用于稻谷、玉米、大豆、小麦等多个储藏粮种,且推广应用区域由我国南方高温高湿地区逐步向中部地区扩展,使我国气调储粮技术实现跨越式发展[10]。

2.2 国外

早期,国外储粮技术采用地下窖储备粮食。西班牙及埃及等国家通过排空空气营造一个密闭环境实现粮食的长期储藏。19世纪初期,有学者阐明气调储粮原理,之后气调技术便迅速发展到世界各地,实现了从地下气密储粮到地上气调仓储粮的突破。采用提高仓内CO2浓度的方法有效解决了脱粒玉米害虫为害问题[11]。随后,气调技术成功应用在阿根廷、肯尼亚等国的害虫防治中。20世纪50年代,有学者运用气调技术实现了杀虫和安全储粮的目的[12]。随后,由于气调杀虫对气密性要求较高和化学药剂的快速发展而停滞不前。直到20世纪70年代,由于储粮害虫对农药的抗性日益增强,引起各国对食品安全的重视,气调杀虫技术才取得快速发展。随后,意大利、澳大利亚、以色列、加拿大等国多次召开国际气调储粮学术研讨会,掀起了气调储粮技术在世界范围内研究新高潮。

3 气调杀虫机理

与所有好氧生物一样,昆虫通过有氧呼吸产生ATP 为生命活动提供能量。当氧气供应不足时,其呼吸代谢受阻,ATP合成减少,活性分子增多,引起机体细胞氧化应激反应,致使组织损伤甚至死亡[13]。当昆虫面临短期气调处理时,通过调节气门开闭次数、气管通气量及气体交换模式扩大外界环境O2的供给,从而导致虫体内水分过量流失、神经麻痹,如蝗虫在气调胁迫时通过增加气管通气量增加氧气供给[14]。当昆虫遭遇长期气调胁迫时,可抑制生长发育、繁殖等生命活动降低ATP消耗,促使自身由有氧代谢向无氧代谢转换。昆虫还可通过ILS和HIF通路等分子机制来调节基因表达,在基因调控下通过缩小自身的体型或补偿性气管增生来适应低氧环境[15]。

N2气调和CO2气调的杀虫机制不尽相同。N2对害虫没有毒性,其主要机制是害虫缺氧而窒息死亡。CO2除替换O2外,其本身也会对储粮害虫产生威胁。 CO2对储粮害虫的主要影响是害虫气门的永久打开,加快其呼吸速率,造成水分大量散失。高浓度CO2抑制害虫体内呼吸酶的活性,导致苹果酸等积累,抑制三羧酸循环[16]。高浓度CO2可引起害虫体内碳酸含量增加,与体内的乳酸共同引起酸中毒使储粮害虫造成过氧化性损伤[17]。由于神经元细胞膜通透性改变,CO2还会导致储粮害虫内部体液酸化和不同代谢途径改变,如绿豆象在气调环境下通过激活乙醛酸循环将脂肪酸转化为糖类用于能量代谢,从而提高对气调的耐受能力[18]。基础代谢水平的改变往往会影响转录水平的变化,HIF是昆虫低氧应答过程中的关键转录因子,且大多低氧调控因子都与线粒体的功能相关。有关研究表明高原飞蝗和平原飞蝗在实验室低氧环境下,其细胞色素C氧化酶的活性受HIF1调控,通过提高线粒体活性来维持细胞对O2的摄取[19]。一部分低氧响应基因的改变影响了昆虫对低氧的适应能力,如与氧气供应相关的呼吸蛋白(Glob)和卵细胞形成密切相关,可能受HIF调控,但其调控机制尚不明确。国际上对昆虫低氧适应性机制的研究多以模式昆虫果蝇为主,而对非模式类的储粮害虫研究较少。研究证实,低氧处理能够增强赤拟谷盗糖酵解途径,抑制三羧酸循环,糖酵解产生的丙酮酸经过无氧呼吸变成乳酸释放能量。而桔小实蝇在低氧条件下脂质代谢上调,通过糖异生获取能量[20]。不同昆虫存在不同代谢响应机制,昆虫可能会依据所处环境来调控代谢方向,加强对低氧的适应性。

4 气调杀虫效果的影响因素

气调技术已成功应用于多种粮食作物的储藏。从粮食储藏生态学的角度分析,气调防治储粮害虫的效果主要取决于仓房气密性、浓度、时间、温湿度及害虫本身等多种因素。

4.1 仓房气密性

良好的仓房气密性是保证气调杀虫成功的关键因素。国际上对气密性评价指标是以充气到一定程度后仓内压力衰减到一半所需的时间来衡量,一般称其为“压力半衰期”。不同国家对气密性标准的具体评判数值要求不同。澳大利亚规定空仓初始压力从2 500 Pa降至1 500 Pa所需时间≥5 min者为一级仓;从1 500 Pa降至750 Pa的时间≥5 min者为二级仓;从500 Pa降至250 Pa的时间≥5 min者为三级仓[6]。我国储粮仓房的气密性评价也采用压力半衰期,考虑到我国平房仓房结构特点,规定气调一级仓压力范围从500 Pa降至250 Pa的压力半衰期≥5 min;二级仓的压力半衰期为4 min ≤t<5 min;三级仓的压力半衰期为2 min≤t<4 min[21]。气调杀虫要求仓房的气密性比熏蒸杀虫高。为保证气调杀虫效果,必须严格做好仓房气密性。

4.2 浓度

气体浓度是影响杀虫效果的主要因素。通过改变储粮环境中的气体组成,使储粮害虫暴露在不利环境中,抑制害虫生长发育,达到粮食安全储存的目的。因此,确定合适的气体比例能够高效、经济地防止害虫为害。采用90%、95%和98%体积分数的氮气对锈赤扁谷盗Cryptolestesferrugineus、赤拟谷盗Triboliumcastaneum和书虱气调处理测试其耐受性,90%体积分数的氮气不能有效防治这3种储粮害虫,而95%、98%体积分数的氮气对所有成虫均表现出较好的防治效果,且氮气浓度越高,防治效果越好[22]。除N2外,CO2也常应用于气调储粮杀虫过程中。Hashem等[23]研究了含有20%、40%、60% 和 80%体积分数的CO2气调对锯谷盗Oryzaephilussurinamensis防治效果。结果表明,锯谷盗的LT50和LT95值随CO2浓度增加显著降低,且高浓度CO2会导致锯谷盗供氧不足,其体内三磷酸腺苷含量降低。

4.3 时间

气调时间是影响气调防治效果的重要因素之一。若气调时间不足,储粮害虫体内的酶活性变化不显著,无法形成害虫致死的体内环境,降低杀虫效果;若气调时间过长,会造成不必要的经济支出。锯谷盗各虫态暴露在CO2气调中的死亡率随气调时间的延长而增加[24]。CO2气调对杂拟谷盗Triboliumconfusum、米象Sitophilusoryzae、谷蠹Rhyzoperthadominica、印度谷螟Plodiainterpunctella、烟草甲Lasiodermaserricorne等储粮害虫的防治也得出类似结论[25]。有研究表明害虫体内谷胱甘肽转移酶活性随CO2气调时间的延长而增加[26]。此外,CO2气调时间的延长有助于提高咖啡豆象Araecerusfasciculatus体内羧酸酯酶、酸性磷酸酯酶和谷胱甘肽转移酶的酶活力[27]。

4.4 温度

温度也是影响防治储粮害虫的一个重要因素,气调温度与储藏物害虫死亡率、致死时间密切相关。一般情况下,储藏物害虫死亡率随气调温度升高而升高,致死时间随温度升高而缩短。高浓度充氮气调中温度显著影响米象各虫态的发育历期和致死时间,米象不同虫态的LT50和LT99随气调温度升高而缩短[28]。采用低O2高CO2对玉米象Sitophiluszeamais进行气调处理,其水分活度随温度升高而降低。玉米象可在14 ℃和 17 ℃下存活但不会产生后代,而24 ℃时,玉米象无法存活[29]。高温增加了谷斑皮蠹Trogodermagranarium老龄幼虫在低O2高N2气调中的耗氧量,抑制其呼吸代谢和发育速率,从而促进死亡[30]。此外,在对谷斑皮蠹滞育幼虫研究中也得出相似结论[31]。

4.5 昆虫的影响

4.5.1 虫种

不同储粮害虫在气调过程中耐受性显著不同。充氮气调对赤拟谷盗、杂拟谷盗Triboliumconfusum、锈赤扁谷盗、谷蠹和玉米象均有较好杀虫效果,但5种害虫对充氮气调的耐受性差异显著。其中,玉米象耐受性最弱,谷蠹耐受性最强,其LT50分别约为4 d和7 d[32]。此外,绿豆象Callosobruchuschinensis在90%体积分数的CO2下暴露5 d后死亡率可达100%[33],而罗得西亚豆象Callosobruchussubinnotatus在90%体积分数的CO2下处理7 d才能完全致死[34]。

4.5.2 虫期

同一虫种不同虫态对气调环境的耐受性不同。鞘翅目储藏物害虫的前期蛹对气调的忍耐性最强,其次是卵、高龄幼虫、低龄幼虫和成虫[35]。锯谷盗幼虫和成虫对55%、65%、75% 和 85% 体积分数的CO2气调的耐受性低于卵和蛹[36]。另外,锯谷盗卵和蛹对高CO2压强的耐受性较强,锯谷盗蛹在20kg/cm2压强下至少处理30 min才能完全致死,而幼虫和成虫处理15 min时已全部死亡[37]。绿豆象的卵在90% 体积分数的CO2下只需处理48 h就能完全杀死,但绿豆象蛹完全致死需处理120 h[33]。

4.6 湿度

相对于气调浓度、时间、温度及昆虫自身,气调杀虫效果受环境湿度影响较小。在相同气体条件下,不同环境湿度对储粮害虫产生不同的生态效应,通常相对湿度越低,害虫防治效果越好,即不同虫种及虫期的LT50、LT99.5随湿度降低而缩短。在干燥环境下,储粮害虫死亡率受O2含量小幅上升的影响较小[38]。但有研究发现不同相对湿度对Triboliumfreemani卵孵化率、蛹发育历期和存活率均无显著影响[39]。因此,通过确定粮食储存中可能存在的害虫种类及发育阶段,调节合适的环境湿度以获得最佳控制效果。

5 气调杀虫的应用情况

5.1 气调杀虫的方式

气调储粮方式多种多样,主要分为生物降氧和人工气调两大类。生物降氧又分为自然密闭缺氧和微生物降氧。自然密闭缺氧主要利用粮粒、粮堆微生物及储粮害虫等生物群自身的新陈代谢消耗O2,使粮堆趋于缺氧状态;微生物降氧是利用好氧性微生物的呼吸作用降低密闭粮堆内的氧气浓度。已有研究表明不同粮种及粮堆状况的自然降氧能力差异显著,常见粮种的降氧能力由强到弱排序为大米>玉米>小麦>稻谷>大豆。与自然降氧相比,微生物辅助降氧迅速,更适合自然降氧能力差的粮种,如面粉、红薯干等。

人工气调分为充氮气调、充CO2气调、脱氧剂除氧、真空包装气调。充氮气调主要利用变压吸附制氮法/膜分离富氮法从空气中分离出高浓度氮气,置换密闭储粮环境中的氧气。充氮气调杀虫时一般先用气密性好塑料薄膜将粮面密封,最大限度增加仓房气密性,保证气调杀虫效果。充氮气调杀虫常用充气方式有3种:上充下排连续充气、上充下排结合尾气回收利用、上充下排结合环流降氧。CO2气调主要有整仓充CO2气调、密封粮堆充CO2气调、充CO2小包装3种方式。与充氮气气调比,CO2气调气体来源不方便,液态运输成本高,且对仓房气密性要求更高。与CO2气调相比,充氮气气调以空气为原料制取氮气较为方便,成本低。因此,目前充氮气气调被国内外公认为安全有效、经济环保的绿色储粮技术,具有较高的社会经济效益,值得推广应用。脱氧剂能与空气中游离O2结合,降低密闭储藏环境中的氧气,操作简便、经济安全,适用于原粮及成品粮储藏。真空包装主要使用真空设备将储粮空间气体抽空形成负压状态,致使空间氧含量降至低氧或绝氧,从而达到防虫保质目的。该技术早在20世纪60年代用于粮食储藏,现在食品保鲜、粮油小包装方面应用广泛,尤其适用于大米储藏。根据实际储粮环境,选择合适的气调杀虫方式,对今后实际生产应用具有指导意义[5,7]。

5.2 CO2气调对储粮害虫的防控效果

CO2气调对赤拟谷盗、锯谷盗、玉米象、印度谷螟、粉斑螟等储粮害虫均有较好防治效果(表1)。在(25±1)℃、99.9% 体积分数的CO2气调环境下,赤拟谷盗幼虫、蛹和成虫达到99%死亡率需处理78.4、153.9、29.3 h[40]。Wong-Corral等[15]研究了四纹豆象Callosobruchusmaculatus、菜豆象Acanthoselidesobtectus和巴西豆象Zabrotessubfasiatus各虫态分别在50%、70%、90% 体积分数的CO2气调下全部致死所需的暴露时间。结果表明,高浓度CO2对害虫各虫态的致死率与其代谢速率密切相关。成虫对氧气需求量大,代谢速率快,高浓度CO2阻碍了其对O2的利用,从而抑制其呼吸酶,导致其对CO2较敏感。

表1 气调对重要储藏物害虫的防控效果

5.3 N2气调对储粮害虫的防控效果

N2气调对储粮害虫各个虫态均有较好防治效果(表1),特别是在高温下,对储粮害虫的致死效果更加显著[41]。在38～43 ℃、高纯N2(99.1%体积分数N2和0.9%体积分数O2)条件下,烟草粉螟Ephestiaelutella和锯谷盗所有虫态均可被完全控制[42]。高氮气调下印度谷螟各虫态死亡率随温度降低而增加缓慢, 即温度降低延长其完全致死时间。28 ℃下处理12 d可完全致死印度谷螟各虫态,而23 ℃和18 ℃下则分别需要16 d和20 d[43]。也有研究证实在98%体积分数以上高氮低氧环境下蛀食性害虫如谷蠹、米象和谷象比粉食性害虫如赤拟谷盗、锈赤扁谷盗和锯谷盗具有更强的耐低氧能力[44]。

5.4 N2/CO2气调与其他杀虫方式联合使用对储粮害虫的防控效果

尽管 N2气调具有较好的杀虫效果,但在实际生产中由于现有仓房的气密性等级较低,制约了气调杀虫的推广应用。大量研究表明,N2与化学杀虫剂等联合使用可提高气调杀虫效果。将N2气调与PH3熏蒸联合应用于赤拟谷盗防治中,当N2浓度维持在95%体积分数以上,使用200 mL/m3以上PH3联合熏蒸时,可取得优于单独气调或PH3熏蒸的防治效果[45]。与N2气调不同,CO2需要通过复杂的工艺设备制备,且运输、储存等环节要求苛刻。在较低CO2浓度下,气调对储粮害虫的防治效果不明显。为此,通过将CO2气调与其他杀虫方式联合以降低害虫防治成本和风险。研究发现臭氧(O3)对CO2气调防治玉米象有增效作用,且O3浓度越高,增效作用越强[46]。此外,一些高CO2含量废气也可替代纯CO2。通过对比bio-CO2(CO2≥98%, CH4≤2.0%,)与纯CO2(纯度:99.9%)防治效果,结果发现,bio-CO2对谷蠹防治效果明显优于纯CO2[47]。

6 总结与展望

与传统化学防治相比,气调 (MA)具有绿色可持续发展的天然优势。目前,气调技术在我国储藏物害虫防治中已广泛应用。通过气调能在短时间内有效防控储藏物害虫,其防控效果主要受仓房气密性、气体浓度、温度、暴露时间及害虫种类等多种因素的综合影响。未来应加强如何提高仓房气密性、N2/CO2与其他杀虫方式联合使用效果研究,同时可研究环境湿度和压强对气调杀虫效果的影响。

随着国内新仓建设气密性的大幅度提高,气调作为化学药剂杀虫的替代技术将会得到更广泛推广与应用。为进一步揭示昆虫对低氧适应性机制,今后应系统研究昆虫在缺氧/高CO2环境中重构的代谢网络,探讨昆虫产生耐受性的主要代谢路径及关键代谢物功能。目前大多以模式昆虫飞蝗和果蝇为研究对象探讨昆虫低氧适应性机制,今后应加强关于储粮昆虫抵御气调胁迫的分子机制研究,为科学高效实施气调杀虫提供参考。