Forscher von Embrapa haben in Zusammenarbeit mit dem Unternehmen Efense ein komplettes Verfahren zur industriellen Herstellung von Bioinsektiziden auf Basis entomopathogener Pilze entwickelt. Dieses Verfahren kann das Angebot an nachhaltigen Alternativen zur Bekämpfung wichtiger landwirtschaftlicher Schädlinge erweitern. Die Technologie umfasst alle Schritte von der Optimierung der großtechnischen Flüssigfermentation bis hin zur Formulierung, Lagerung und Feldvalidierung der biologischen Produkte (doi 10.1021/acsagscitech.6c00151).
Die hohe Produktion von Pilzzellen, den sogenannten Blastosporen, zeigte Stabilität während der Lagerung und Wirksamkeit bei der Bekämpfung der Weißen Fliege (Bemisia tabaci Biotyp B) und des Herbstheerwurms (Spodoptera frugiperda).
Laut Aline Lira, einer Stipendiatin des Projekts bei Embrapa Meio Ambiente während ihrer Doktorarbeit (Esalq-USP), stellen die Ergebnisse einen Fortschritt für die kommerzielle Produktion von Pilz-Bioinsektiziden dar, da sie zwei der größten Herausforderungen dieser Technologie überwinden: die Herstellung im großen Maßstab und die geringe Stabilität der Blastosporen während der Lagerung.
„Es konnte gezeigt werden, dass sich in nur zwei Tagen Fermentation mehr als eine Milliarde Blastosporen pro Milliliter herstellen lassen, wobei die für die Landwirtschaft notwendige biologische Qualität erhalten bleibt. Darüber hinaus zeigten Blastosporen in Ölformulierungen eine höhere Virulenz als nicht formulierte Blastosporen, was einen synergistischen Effekt bei der Bekämpfung von Insektenschädlingen zur Folge hatte“, betont Lira.
Blastosporen sind Zellen, die von entomopathogenen Pilzen während einer Insekteninfektion natürlich gebildet werden. Für die Industrie liegt ihr großer Vorteil in der schnellen Vermehrbarkeit durch Flüssigfermentation. Im Vergleich zur herkömmlichen Feststofffermentation zur Konidiengewinnung ermöglicht die Blastosporenproduktion ein schnelleres, gleichmäßigeres und leichter zu automatisierendes Verfahren.
In der Praxis bedeutet dies produktivere Fabriken und eine bessere Kontrolle des Bioprozesses, was sich in der Endqualität der produzierten Vermehrungseinheiten widerspiegelt. Ihre hohe Empfindlichkeit gegenüber Austrocknung und ungünstigen Umweltbedingungen hat ihre kommerzielle Nutzung jedoch bisher eingeschränkt.
„Um dieses Problem zu lösen, entwickelte das Team Protokolle, die die Auswahl der besten Kohlenstoff- und Stickstoffquellen für die Fermentation, die Steigerung der Produktion in Labor- und Industriebioreaktoren sowie die Entwicklung von Formulierungen umfassten, die in der Lage sind, die Lebensfähigkeit der Pilze während der Lagerung zu erhalten und ihre insektizide Aktivität zu erhöhen“, erklärt Gabriel Mascarin, Forscher bei Embrapa Meio Ambiente.
Nach der Laborphase wurde das Verfahren auf Sieben-Liter-Bioreaktoren und anschließend auf 1.200-Liter-Industriebioreaktoren übertragen.
„Selbst im großen Maßstab“, betont Mascarin, „blieben die Produktionsausbeuten hoch. Im Durchschnitt erreichten die Kulturen nach 2 bis 4 Tagen Fermentation zwischen 1,8 und 2,8 Milliarden koloniebildende Einheiten pro Milliliter, was beweist, dass die Technologie in industriellen Prozessen ohne signifikante Leistungseinbußen eingesetzt werden kann.“
Laut dem Forscher stellt dieser Schritt einen der größten Fortschritte in der Arbeit dar, da er beweist, dass die industrielle Produktion von Blastosporen aus diesen Pilzen technisch machbar ist und die Nachfrage des Marktes nach biologischen Produkten für die Landwirtschaft befriedigen kann.
Eine weitere Herausforderung für die Forscher bestand darin, die Stabilität der Blastosporen nach ihrer Herstellung ohne vorherige Konvektionstrocknung zu verlängern. Diese Methode wird häufig zum Trocknen von Pilzen bei der Herstellung von Feststoff-Trocken-Formulierungen wie z. B. Netzpulvern und wasserdispergierbaren Granulaten eingesetzt.
Die Stabilität von Blastosporen während der Lagerung ohne Konvektionstrocknung stellt einen industriellen Engpass dar, der die Vermarktung dieser Bioinsektizide einschränkt. Darüber hinaus kann die Konvektionstrocknung die Produktionskosten eines pilzlichen Bioinsektizids erhöhen. In der Praxis senkt dies die Kosten und vereinfacht den industriellen Prozess, wodurch die Voraussetzungen für eine großtechnische Vermarktung geschaffen werden.
Zu diesem Zweck wurden verschiedene Formulierungen mittels Dispersion in Pflanzenöl und amorphem Siliciumdioxid untersucht. Die Studie zeigte, dass diese Kombinationen die Lebensfähigkeit der Pilze bis zu 90 Tage lang unter Kühlung bewahrten – eine deutlich bessere Leistung als die von Blastosporen ohne geeignete Formulierung.
Die Forscher bewerteten die Wirksamkeit der neuen Bioinsektizide gegen zwei der wichtigsten Schädlinge in der brasilianischen Landwirtschaft.
Laut Jeanne Marinho-Prado, Forscherin bei Embrapa Meio Ambiente, zeigten die formulierten Blastosporen in Labor- und Gewächshausversuchen eine hohe Virulenz gegenüber Spodoptera frugiperda-Raupen und Weißen Fliegenlarven (Bemisia tabaci Biotyp B). Bei einer Konzentration von 10 Millionen Blastosporen pro Milliliter wurden Mortalitätsraten zwischen 70 % und 93 % erreicht.
„Experimente zeigten auch, dass die Blastosporen dieser Pilze schnell an den Körpern von Insekten haften, keimen und wenige Stunden nach der Anwendung den Infektionsprozess einleiten können, wodurch die Sterblichkeit innerhalb weniger Tage beschleunigt wird. Dies ist eine wichtige Eigenschaft für die biologische Bekämpfung dieser Schädlinge“, betonte Marinho-Prado.
Die Ergebnisse wurden bei Sojabohnen bestätigt. Die Technologie wurde außerdem unter realen Anbaubedingungen getestet.
Marcus Santana von Efense, dem Unternehmen, das diese Forschung zusammen mit Embrapa Meio Ambiente mitfinanziert hat, erklärt, dass die aufeinanderfolgenden Anwendungen von auf Blastosporen basierenden Bioinsektiziden während zweier aufeinanderfolgender Sojabohnenernten (2022/2023 und 2023/2024) die Populationen der Weißen Fliege in den Versuchsgebieten signifikant reduzierten.
„In den Versuchen wurden die neuen Produkte mit in Brasilien zugelassenen kommerziellen Bioinsektiziden verglichen. Dabei zeigte sich, dass Formulierungen auf Blastosporenbasis ein hohes Potenzial besitzen, in integrierte Schädlingsbekämpfungsprogramme integriert zu werden und die den Landwirten zur Verfügung stehenden biologischen Bekämpfungsmöglichkeiten zu erweitern“, berichtete Santana.
Die Forscher betonen, dass die Studie mehr als ein Jahrzehnt Forschung zur Entwicklung von Technologien für die Produktion von Blastosporen entomopathogener Pilze zusammenfasst und damit ihr Patent unter den Codes BR112016 0066138 und PCT/US2015/049673 der Erfinder Gabriel Moura Mascarin und Mark Alan Jackson bestätigt. Die Arbeit zeigt, dass es möglich ist, alle Phasen – Produktion, industrielle Skalierung, Formulierung, Lagerung und biologische Validierung – in einem einzigen, technisch realisierbaren Prozess zu integrieren.
Es wird erwartet, dass die Ergebnisse die Entwicklung neuer, auf Blastosporen basierender Bioinsektizide beschleunigen, den integrierten Pflanzenschutz stärken und die Abhängigkeit von chemischen Insektiziden verringern werden. Neben den ökologischen Vorteilen kann die Technologie die Wettbewerbsfähigkeit der brasilianischen Bio-Input-Industrie steigern, einem Sektor, der durch die Suche nach nachhaltigeren Agrarsystemen ein kontinuierliches Wachstum verzeichnet.
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