DOI: https://doi.org/10.3389/fsufs.2025.1657000
تاريخ النشر: 2025-10-31
المؤلف: Emmanuel O. Fenibo وآخرون
الموضوع الرئيسي: الميكروبات الحشرية في مكافحة الآفات
نظرة عامة
تسلط المراجعة الضوء على الأهمية المتزايدة للبيوبستيسيدات في الممارسات الزراعية المعاصرة، لا سيما ضمن أطر إدارة الآفات المتكاملة (IPM) والزراعة المستدامة. تتماشى البيوبستيسيدات مع الكيمياء الخضراء وأهداف التنمية المستدامة (SDGs)، مما يوفر بديلاً واعدًا للمبيدات الاصطناعية. ومع ذلك، فإن اعتمادها يعيقه تحديات تقنية، وتكاليف صياغة مرتفعة، وسوء فهم بشأن حداثتها، خاصة في المناطق النامية حيث استخدمت الممارسات التقليدية لإدارة الآفات تاريخيًا طرقًا طبيعية. تؤكد التحليل على الحاجة إلى حلول بيوبستيسيد فعالة من حيث التكلفة، مثل النباتات المبيدة والديدان الخيطية المسببة للأمراض، والتي يمكن أن تعزز غلات المحاصيل مع تقليل الاعتماد على المبيدات الكيميائية.
تؤكد الخاتمة على التناقض بين كون البيوبستيسيدات نظريًا ميسورة التكلفة ولكن عمليًا غير متاحة بسبب محدودية مقاييس الإنتاج، وقصر مدة الصلاحية، والشبكات التوزيعية غير الكافية. للتغلب على هذه الحواجز، تدعو الورقة إلى نهج متعدد الأوجه يتضمن توسيع قدرات التصنيع، وتحسين سلاسل الإمداد، وتنفيذ سياسات داعمة، وتعزيز تعليم المزارعين. من خلال ربط المعرفة الزراعية التاريخية بالتكنولوجيا الحديثة، يمكن تحقيق الإمكانات الكاملة للبيوبستيسيدات كعوامل للتحكم المستدام في الآفات، مما يساهم في إنتاجية الزراعة ومرونة البيئة.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على الأهمية المتزايدة للبيوبستيسيدات في سياق الزراعة المستدامة، والكيمياء الخضراء، وإطار الصحة الواحدة. تقدم البيوبستيسيدات، المشتقة من مصادر طبيعية مثل مسببات الأمراض الميكروبية والمواد الأيضية النباتية، بديلاً أكثر أمانًا للمبيدات الاصطناعية، مما يقلل من المخاطر المرتبطة بالتراكم الحيوي، والسمية، وتطوير المقاومة. يتماشى اعتمادها مع عدة أهداف للتنمية المستدامة (SDGs)، لا سيما تلك التي تركز على الأمن الغذائي، والصحة، والحفاظ على التنوع البيولوجي. تؤكد الورقة على أن البيوبستيسيدات لا تعزز فقط استدامة الزراعة ولكنها تساهم أيضًا في ممارسات الزراعة المقاومة للمناخ، مما يعالج الحاجة الملحة لحلول إدارة الآفات الصديقة للبيئة.
تناقش المقدمة أيضًا دور البيوبستيسيدات ضمن استراتيجيات إدارة الآفات المتكاملة (IPM)، التي تجمع بين طرق مختلفة للتحكم في الآفات لتقليل الأثر البيئي مع الحفاظ على إنتاجية الزراعة. على الرغم من أن البيوبستيسيدات يمكن أن تكون فعالة مثل نظيراتها الاصطناعية، فإن التحديات مثل بطء معدلات العمل، والعقبات التنظيمية، واختراق السوق تعيق اعتمادها على نطاق واسع. يهدف المؤلفون إلى فحص الإطار المفاهيمي المحيط بالبيوبستيسيدات، ودمجها في استراتيجيات إدارة الآفات، وتطبيقاتها العملية في تعزيز الزراعة المستدامة، مدعومة بدراسات حالة ذات صلة. تسعى هذه المراجعة إلى التوفيق بين التحديات الحالية والفوائد المحتملة للبيوبستيسيدات، داعية إلى زيادة استخدامها في الممارسات الزراعية الحديثة.
طرق
تستعرض قسم الطرق لتطبيق واعتماد البيوبستيسيدات تقنيات متنوعة تعزز فعالية هذه العوامل البيولوجية في الممارسات الزراعية. تشمل الطرق الرئيسية معالجة البذور، وغمر جذور الشتلات، ورش التربة، والري الدقيق، وحقن الجذع، والتطبيق الجوي، ورش الأوراق. لكل طريقة مزايا وتحديات مميزة، تؤثر على فعاليتها وملاءمتها لمحاصيل وظروف مختلفة.
تخلق تقنيات معالجة البذور، مثل التحفيز البيولوجي، والتغليف، وزراعة الجل، حواجز واقية حول البذور، مما يحسن معدلات الإنبات ونشاط الشتلات مع تقليل الاعتماد على المبيدات الكيميائية. تشير الأبحاث إلى فوائد كبيرة من هذه الطرق، بما في ذلك زيادة بنسبة 7% في إنبات البذور وزيادة بنسبة 21% في غلة المحاصيل (لاميشهان وآخرون، 2022). تعزز غمر جذور الشتلات النمو المبكر ومقاومة الأمراض من خلال معالجة الجذور بمحلولات غنية بالمغذيات، بينما يطبق رش التربة البيوبستيسيدات مباشرة على منطقة الجذر، مما يعزز صحة النبات ويقمع مسببات الأمراض. يدمج الري الدقيق إدارة الآفات مع الري، مما يوفر ميكروبات مفيدة بشكل فعال لمكافحة الأمراض المنقولة بالتربة.
يوفر حقن الجذع طريقة دقيقة لتوصيل البيوبستيسيدات مباشرة إلى النباتات الخشبية، مما يضمن حماية نظامية ضد الآفات والأمراض. يسمح التطبيق الجوي بتغطية سريعة لمساحات كبيرة، مستفيدًا من التقدم في التكنولوجيا لاستهداف دقيق. يظل رش الأوراق طريقة معتمدة على نطاق واسع، مما يمكّن من امتصاص سريع للبيوبستيسيدات لمكافحة الآفات والأمراض السطحية. بشكل عام، يظهر دمج هذه الطرق في الممارسات الزراعية المستدامة إمكانات البيوبستيسيدات لتعزيز صحة المحاصيل مع تقليل الأثر البيئي.
نقاش
يسلط النقاش حول البيوبستيسيدات الضوء على تعريفها وتصنيفها وطرق عملها، مؤكدًا دورها كبدائل صديقة للبيئة للمبيدات الاصطناعية. تُصنف البيوبستيسيدات إلى أربع مجموعات رئيسية: الميكروبية، والبيوكيميائية، والماكروبية، والمواد الحافظة المدمجة في النباتات (PIPs). تستخدم البيوبستيسيدات الميكروبية الكائنات الدقيقة مثل البكتيريا والفطريات للتحكم في الآفات، بينما تتكون البيوبستيسيدات البيوكيميائية من مركبات طبيعية تعطل فسيولوجيا الآفات. تشمل البيوبستيسيدات الماكروبية النباتات الحية والحشرات المفترسة، وPIPs هي محاصيل مهندسة وراثيًا مصممة لمقاومة الآفات. تعرض كل فئة آليات عمل فريدة، مثل تعطيل الأمعاء في البيوبستيسيدات الفيروسية والأوليات، وتدهور البشرة بواسطة العوامل الفطرية، وتشكيل حواجز واقية بواسطة مختلف البيوبستيسيدات.
تُبرز مزايا البيوبستيسيدات قدرتها على تقليل المخاطر المرتبطة بالمبيدات الاصطناعية، بما في ذلك التلوث البيئي والأذى للكائنات غير المستهدفة. تتحلل البيوبستيسيدات بسرعة، مما يقلل من بقايا السموم ويعزز الاستدامة البيئية. تعزز خصوبة التربة والتنوع البيولوجي بينما تدير بفعالية تجمعات الآفات. من الجدير بالذكر أن البيوبستيسيدات قد تم دمجها بنجاح في الممارسات الزراعية المستدامة، مما يظهر فوائد كبيرة مثل زيادة غلات المحاصيل وتقليل استخدام المواد الكيميائية. ومع ذلك، لا تزال التحديات قائمة، بما في ذلك قصر مدة الصلاحية والحاجة إلى مزيد من البحث لتحسين تطبيقها في أنظمة إدارة الآفات المتكاملة (IPM). بشكل عام، تمثل البيوبستيسيدات طريقًا واعدًا لتحقيق أهداف الزراعة المستدامة مع معالجة قيود المبيدات التقليدية.
القيود
تنشأ قيود البيوبستيسيدات بشكل أساسي من أصولها البيولوجية، مما يؤدي إلى قصر مدة صلاحيتها مقارنة بالمبيدات الاصطناعية. البيوبستيسيدات، المشتقة من الكائنات الحية أو الأيضات الطبيعية، حساسة للعوامل البيئية مثل الحرارة، والضوء، والرطوبة، مما يؤدي إلى تدهور سريع. تعتمد فعاليتها على صلاحية الأبواغ الميكروبية، مما يتطلب ظروف تخزين مثالية. على سبيل المثال، تكون المواد شبه الكيميائية غير مستقرة بشكل خاص، مما يتطلب التغليف لاستخدام ممتد، بينما تظهر البيوبستيسيدات الميكروبية استقرارًا متباينًا بناءً على صياغتها. تشمل الآثار العملية لهذه القيود تحديات في التوزيع والاعتماد، حيث يجب على المزارعين إدارة سلاسل إمداد صارمة لتجنب انتهاء صلاحية المنتج، مما قد يؤدي إلى تقليل الفعالية والخسائر الاقتصادية.
بالإضافة إلى ذلك، غالبًا ما تظهر البيوبستيسيدات بطء في العمل مقارنة بالبدائل الاصطناعية، مما يمكن أن يعيق فعاليتها في حالات الطوارئ لمكافحة الآفات. تختلف سرعة العمل بين أنواع البيوبستيسيدات، حيث تعمل بعض الأنواع، مثل Bacillus thuringiensis (Bt)، بسرعة نسبية، بينما تتطلب أخرى، مثل العوامل الفطرية والفيروسية، فترات أطول لمكافحة الآفات. يمكن أن يكون هذا التأخير عيبًا خلال حالات الإصابة الحادة ولكنه قد يساهم أيضًا في استراتيجيات إدارة الآفات على المدى الطويل. علاوة على ذلك، فإن التكاليف الأعلى للإنتاج والصياغة للبيوبستيسيدات، جنبًا إلى جنب مع المتطلبات التنظيمية المعقدة، تشكل حواجز كبيرة أمام اعتمادها على نطاق واسع. تفرض الأطر التنظيمية، لا سيما في الاتحاد الأوروبي، متطلبات بيانات صارمة يمكن أن تؤخر دخول السوق وتثني عن الاستثمار، خاصة بالنسبة للمنتجين على نطاق صغير. بشكل عام، بينما تقدم البيوبستيسيدات بدائل مستدامة لإدارة الآفات، تتطلب قيودها بحثًا وتطويرًا مستمرين لتعزيز قابليتها وفعاليتها في الممارسات الزراعية.
DOI: https://doi.org/10.3389/fsufs.2025.1657000
Publication Date: 2025-10-31
Author(s): Emmanuel O. Fenibo et al.
Primary Topic: Entomopathogenic Microorganisms in Pest Control
Overview
The review highlights the increasing significance of biopesticides in contemporary agricultural practices, particularly within the frameworks of Integrated Pest Management (IPM) and sustainable agriculture. Biopesticides align with green chemistry and the Sustainable Development Goals (SDGs), offering a promising alternative to synthetic pesticides. However, their adoption is hindered by technical challenges, high formulation costs, and misconceptions regarding their novelty, especially in developing regions where traditional pest management practices have historically utilized natural methods. The analysis emphasizes the need for cost-effective biopesticide solutions, such as pesticidal plants and entomopathogenic nematodes, which can enhance crop yields while reducing chemical pesticide reliance.
The conclusion underscores the paradox of biopesticides being theoretically affordable yet practically inaccessible due to limited production scales, shorter shelf lives, and inadequate distribution networks. To overcome these barriers, the paper advocates for a multifaceted approach that includes expanding manufacturing capabilities, improving supply chains, implementing supportive policies, and enhancing farmer education. By bridging historical agricultural knowledge with modern technology, the potential of biopesticides as sustainable pest control agents can be fully realized, contributing to agricultural productivity and environmental resilience.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the growing significance of biopesticides in the context of sustainable agriculture, green chemistry, and the One Health framework. Biopesticides, derived from natural sources such as microbial pathogens and plant metabolites, present a safer alternative to synthetic pesticides, mitigating risks associated with bioaccumulation, toxicity, and resistance development. Their adoption aligns with several Sustainable Development Goals (SDGs), particularly those focused on food security, health, and biodiversity conservation. The paper emphasizes that biopesticides not only enhance agricultural sustainability but also contribute to climate-resilient farming practices, thereby addressing the pressing need for eco-friendly pest management solutions.
The introduction further discusses the role of biopesticides within integrated pest management (IPM) strategies, which combine various pest control methods to minimize environmental impact while maintaining agricultural productivity. Although biopesticides can be as effective as their synthetic counterparts, challenges such as slower action rates, regulatory hurdles, and market penetration hinder their widespread adoption. The authors aim to critically examine the conceptual framework surrounding biopesticides, their integration into pest management strategies, and their practical applications in promoting sustainable agriculture, supported by relevant case studies. This review seeks to reconcile the existing challenges with the potential benefits of biopesticides, advocating for their increased utilization in modern agricultural practices.
Methods
The section on methods for the application and adoption of biopesticides outlines various techniques that enhance the efficacy of these biological agents in agricultural practices. Key methods include seed treatment, seedling root dip, soil drenching, microbigation, trunk injection, aerial application, and foliar spray. Each method has distinct advantages and challenges, impacting their effectiveness and suitability for different crops and conditions.
Seed treatment techniques, such as bio-priming, encapsulation, and gel seeding, create protective barriers around seeds, improving germination rates and seedling vigor while reducing reliance on chemical pesticides. Research indicates significant benefits from these methods, including a 7% increase in seed germination and a 21% increase in crop yield (Lamichhane et al., 2022). Seedling root dips enhance early growth and disease resistance by treating roots with nutrient-rich solutions, while soil drenching applies biopesticides directly to the root zone, promoting plant health and suppressing pathogens. Microbigation integrates pest management with irrigation, delivering beneficial microbes effectively to combat soil-borne diseases.
Trunk injection provides a precise method for delivering biopesticides directly into woody plants, ensuring systemic protection against pests and diseases. Aerial application allows for rapid coverage of large areas, utilizing advancements in technology for precision targeting. Foliar spray remains a widely adopted method, enabling quick absorption of biopesticides to combat surface pests and diseases. Overall, the integration of these methods into sustainable agricultural practices demonstrates the potential of biopesticides to enhance crop health while minimizing environmental impact.
Discussion
The discussion on biopesticides highlights their definition, classification, and modes of action, emphasizing their role as environmentally friendly alternatives to synthetic pesticides. Biopesticides are categorized into four main groups: microbial, biochemical, macrobial, and plant-incorporated protectants (PIPs). Microbial biopesticides utilize microorganisms such as bacteria and fungi to control pests, while biochemical biopesticides consist of natural compounds that disrupt pest physiology. Macrobial biopesticides include live plants and predatory insects, and PIPs are genetically engineered crops designed to resist pests. Each category exhibits unique mechanisms of action, such as gut disruption in viral and protozoan biopesticides, cuticle degradation by fungal agents, and the formation of protective barriers by various biopesticides.
The advantages of biopesticides are underscored by their ability to mitigate the risks associated with synthetic pesticides, including environmental contamination and harm to non-target organisms. Biopesticides degrade rapidly, reducing toxic residues and promoting ecological sustainability. They enhance soil fertility and biodiversity while effectively managing pest populations. Notably, biopesticides have been successfully integrated into sustainable agricultural practices, demonstrating significant benefits such as increased crop yields and reduced chemical usage. However, challenges remain, including limited shelf life and the need for further research to optimize their application in integrated pest management (IPM) systems. Overall, biopesticides represent a promising avenue for achieving sustainable agricultural goals while addressing the limitations of conventional pesticides.
Limitations
The limitations of biopesticides primarily stem from their biological origins, which result in shorter shelf lives compared to synthetic pesticides. Biopesticides, derived from living organisms or natural metabolites, are sensitive to environmental factors such as heat, light, and moisture, leading to rapid degradation. Their effectiveness is contingent upon the viability of microbial propagules, which necessitates optimal storage conditions. For instance, semiochemicals are particularly unstable, requiring encapsulation for extended usability, while microbial biopesticides exhibit varying stability based on their formulation. The practical implications of these limitations include challenges in distribution and adoption, as farmers must manage strict supply chains to avoid product expiration, which can lead to reduced efficacy and economic losses.
Additionally, biopesticides often exhibit slower action compared to synthetic alternatives, which can hinder their effectiveness in emergency pest control situations. The speed of action varies among biopesticide types, with some, like Bacillus thuringiensis (Bt), acting relatively quickly, while others, such as fungal and viral agents, require longer periods for pest control. This delay can be a disadvantage during acute infestations but may also contribute to long-term pest management strategies. Furthermore, the higher production and formulation costs of biopesticides, coupled with complex regulatory requirements, pose significant barriers to their widespread adoption. Regulatory frameworks, particularly in the EU, impose stringent data requirements that can delay market entry and discourage investment, particularly for small-scale producers. Overall, while biopesticides offer sustainable pest management alternatives, their limitations necessitate ongoing research and development to enhance their viability and effectiveness in agricultural practices.