化学农药长期以来被用于农业生产中以减轻病原菌与害虫造成的危害，但合成农药带来的风险促使研究人员寻求无风险且环境友好的替代方案。生物农药由天然存在的微生物、植物或动物产生，分为微生物农药、生化农药和植物内源保护剂（Plant-Incorporated Protectants, PIPs）三类。其中应用最广泛的细菌类生物农药苏云金芽孢杆菌（Bacillus thuringiensis, Bt.）因可形成耐热内生孢子，易于从土壤、昆虫或水样等自然环境中分离获得。生物农药现有干制和液制两种剂型，施用方式涵盖种子处理、叶面喷施、幼苗蘸根及土壤处理。美国、欧盟、印度、南非、肯尼亚和尼日利亚均已制定生物农药生产、监管与登记的相关规范。作为生物活体或其代谢产物，生物农药对人类与环境安全性高，具有靶标特异性且不伤害有益生物，已成为可持续农业中害虫综合管理（Integrated Pest Management, IPM）计划的重要组成部分。
1. 引言
农药泛指用于减轻、杀灭或驱避有害生物的任何物质或其混合物。数十年来，化学农药被广泛用于控制农作物及农产品上的有害生物，但其对人类、动物和环境的负面效应，以及害虫抗药性的演化，推动了安全环保替代方案的研发。生物农药源自动物、植物和微生物等天然材料，在适宜的浓度、频次与施用时点下，其对农业害虫的防控效果可与合成农药相当。按活性成分来源，生物农药可分为微生物农药、植物内源保护剂（PIPs）和生化农药。微生物农药的活性成分包括细菌、真菌、病毒、原生动物和线虫，典型代表有杀菌用木霉属（Trichoderma）、除草用棕榈疫霉（Phytophthora palmivora）和杀虫用苏云金芽孢杆菌（Bacillus thuringiensis）。PIPs通过基因工程将赋予抗虫性的蛋白或基因导入宿主植物，使其自身具备合成杀虫物质的能力。生化农药又称植物源农药，包括植物提取物、脂肪酸或信息素等天然物质，可干扰昆虫的蜕皮、交配和取食行为。相较于传统合成农药，生物农药对人与环境毒性更低，用量少、靶标性强、成本低且易在自然环境中降解。
生物农药生产常采用合成或半合成营养培养基，成本高于化学农药，但若以无害固体可生物降解废弃物替代合成培养基，可降低生产成本35%–59%。自生物农药问世以来，已有多种环境友好型制剂完成登记并上市，剂型包括粉剂、颗粒剂、可湿性粉剂和水分散粒剂等干制剂，以及乳剂、悬浮剂、油分散剂、胶囊悬浮剂和超低容量液剂等液体制剂。微生物农药制剂可用于种子、种块、块茎插条、幼苗、移栽成株或土壤的处理，安全施用方式包括种子处理、土壤处理和植株处理。近年来，全球化学农药产量以每年2%的速度下降，而生物农药产量则以20%的年增长率持续上升。当前，受化学农药负面效应的全球认知、有机食品市场需求增长及环境法规变化驱动，生物技术机构与企业正加大对生物农药的研发力度。
2. 生物农药发展简史
生物农药的应用最早可追溯至17世纪，当时人们已使用烟碱等植物提取物防治李象甲等害虫。1835年，Agostine Bassi通过昆虫生物防治实验证实，白僵菌（Beauveria bassiana，白僵病病原）可感染农业害虫。20世纪初农业研究的快速扩张进一步推动了生物农药相关研究。苏云金芽孢杆菌（Bt.）是目前应用最广的生物农药，1901年日本生物学家石渡繁胤首次从染病家蚕中分离得到该菌，10年后德国研究者恩斯特·柏林纳在德国图林根地区染病粉螟幼虫中再次发现该菌。法国于20世纪20年代初开始将Bt.用作生物杀虫剂，1938年全球首个商业化Bt.产品“Sporeine”在法国上市。20世纪50年代大量Bt.药效研究发表后，生物农药在美国开始广泛应用。
20世纪80至90年代，放射土壤杆菌（Agrobacterium radiobacter）用于防治木本作物冠瘿病，荧光假单胞菌（Pseudomonas fluorescens）用于防治果园火疫病（针对链霉素抗性病原菌种群）均取得商业化成功。1995年起，新型生物农药开发持续增长，截至统计时，美国环境保护署（United States Environmental Protection Agency, USEPA）生物农药处已登记超过100种活性成分。合成农药开发与使用的成本和风险上升，叠加学术界与产业界对生物农药研发的复苏，共同推动了登记数量的增长。当前，生物农药市场约占全球农药总量的5%，其增速约为传统合成化学品的3倍。
3. 生物农药类别
依据美国环境保护署（Environmental Protection Agency, EPA）按成分类型的分类标准，生物农药分为微生物农药、生化农药和植物内源保护剂（PIPs）三大类。
3.1 微生物农药
微生物农药的活性成分为天然或基因改造的细菌、真菌、病毒、藻类、原生动物或线虫，其产生的毒素可对靶标病原菌或有害生物产生拮抗作用，同时还能分泌酶、维生素和植物激素，提升植物对宿主病原菌的抗性。毒力代谢产物可通过营养与空间竞争、直接拮抗和诱导宿主免疫等多种机制引发靶标宿主发病，并抑制其他微生物定殖。约90%的生物农药为微生物基制剂，目前已发现约1500种天然微生物具有杀虫潜力。
3.2 昆虫病原细菌类生物农药
细菌类农药是成本最低、应用最广的微生物农药，其中芽胞杆菌科（Bacillaceae）成员最受关注。研究与应用最广泛的细菌杀虫剂为革兰氏阳性、杆状、运动、产孢的苏云金芽孢杆菌（Bt.），其次为球形芽孢杆菌（B. sphaericus），后者对蚊子和双翅目幼虫具有杀虫活性。Bt.制剂对鳞翅目、双翅目和鞘翅目幼虫均有良好防效。
3.3 细菌杀虫剂的杀虫机理
苏云金芽孢杆菌（Bt.）在产孢过程中主要产生Cry（晶体）和Cyt（溶细胞）两类晶体蛋白，二者合称δ-内毒素，可导致敏感昆虫肠道细胞裂解。当敏感昆虫幼虫摄入Cry蛋白后，在pH 9.0–11.0的碱性中肠环境中被激活，激活后的蛋白与中肠壁受体结合，在中肠细胞中形成孔道，因渗透失衡导致细胞裂解，肠道内容物进入昆虫血腔，破坏pH平衡并最终致昆虫死亡。与Cry蛋白不同，Cyt蛋白可直接插入昆虫脂质膜，并作为Cry毒素的膜结合受体，从而延缓蚊虫对Cry蛋白的抗性演化。值得注意的是，Cry和Cyt毒素均为成孔毒素。球形芽孢杆菌（B. sphaericus）可产生对蚊幼虫特异的二元毒素伴孢晶体，接触后致蚊幼虫死亡。其他具有杀虫活性的细菌还包括产抗真菌酶的B. popilliae和B. licheniformis、竞争性抑制致病真菌的B. subtilis、强力抑制根癌土壤杆菌（Agrobacterium tumefaciens）的放射土壤杆菌（Agrobacterium radiobacter），以及可竞争性抑制多种病原真菌的假单胞菌属（Pseudomonas）物种。
3.4 昆虫病原病毒类生物农药
杆状病毒（Baculoviruses）占已知昆虫病毒的约60%，是广泛应用的病毒类生物农药，对粮食与经济作物害虫具有高致病性。该类病毒含有80–180 kbp的环状双链超螺旋DNA，对脊椎动物安全性高，尚无致病性报道。核型多角体病毒（Nuclear Polyhedrosis Viruses, NPVs）、质型多角体病毒（Cytoplasmic Polyhedrosis Viruses, CPVs）和颗粒体病毒（Granulosis Viruses, GVs）是杆状病毒的三大类群，差异在于保护性蛋白衣壳结构和包埋体数量，因此也被称为包涵体病毒。NPV和CPV含多个病毒粒子并形成多面体包埋体，GV仅含单个病毒粒子并形成颗粒状包埋体，包埋体的存在使其可在宿主外存活。病毒类农药对非靶标生物（包括植物、动物和益虫）无影响，被认为是最安全的生物农药之一。
3.5 病毒杀虫剂的杀虫机理
靶标害虫取食被杆状病毒污染的食物后，病毒随食物进入虫体并通过肠上皮侵入宿主细胞，在细胞核内大量复制。不同病毒敏感性存在差异：NPV可感染所有组织类型，而GV仅限特定组织（仅脂肪体细胞）。随后感染扩散至神经细胞、脂肪体和血淋巴中的血细胞等组织，在受感染的细胞核或细胞质中产生大量颗粒体和多角体，引发流行病并降低害虫种群密度。
3.6 昆虫病原真菌类生物农药
约90属700余种真菌具有杀虫特性，其中球孢白僵菌（Beauveria bassiana）、粉拟青霉（Paecilomyces farinosus）、金龟子绿僵菌（Metarhizium anisopliae）、莱氏野村菌（Nomuraea rileyi）、蜡蚧轮枝菌（Verticillium lecanii）和哈茨木霉（Trichoderma viride）是最常见的商业化真菌农药。其他用于微生物农药的真菌还包括非产毒黄曲霉（Aspergillus flavusAF36，可竞争性抑制产毒黄曲霉）、产抗真菌代谢物的胶孢绿木霉（Gliocladium catenulatum）、具杀蚊幼虫活性的巨孢链壶菌（Lagenidium giganteum），以及具杀线虫活性的疣孢漆斑菌（Myrothecium verrucaria）。这些真菌可为专性或兼性寄生，与害虫形成共生或拮抗关系，对田间和仓储害虫均有广谱活性，可防治蚜虫、蝗虫、叶蝉、粉虱、螨类、蚊类、甲虫及其蛴螬、豆荚螟等鳞翅目与鞘翅目害虫。
3.7 真菌杀虫剂的杀虫机理
真菌通过接触易感宿主建立侵染。当分生孢子附着于宿主角质层后萌发产生芽管，并分泌蛋白酶、几丁质酶、脂氧合酶、脂肪酶和几丁二糖酶等水解酶，降解宿主角质层后深入宿主细胞内定植。菌丝随后在血淋巴中扩散并入侵肌肉组织、线粒体、脂肪体、马氏管和血细胞等器官，导致昆虫在感染后3–14天内死亡。昆虫死亡后，菌丝穿透角质层并向外生长，在宿主体表产孢以维持持续侵染。
3.8 昆虫病原线虫（Entomopathogenic Nematodes, EPNs）类生物农药
线虫是一类栖息于淡水、海洋和陆地环境的无脊椎线虫动物，对尖眼蕈蚊、蛴螬、象甲和透翅蛾科（Sesiidae）等多种害虫具有杀虫活性。若为专性寄生，EPNs必须在宿主内循环才能完成生存周期。目前商业化应用最广的是异小杆线虫属（Heterorhabditis）和斯氏线虫属（Steinernema），二者与具强杀虫潜力的昆虫病原细菌（如Xenorhabdusspp.和Photorhabdusspp.）形成共生关系。
3.9 昆虫病原线虫的杀虫机理
EPNs的感染期幼虫通过角质层、口器、气门或肛门等开口进入宿主，随后将共生细菌释放到宿主肠道内。共生细菌释放毒力因子和毒素，在感染后24–48小时内致宿主死亡。EPNs可在死虫体内完成最多三代繁殖，之后感染期幼虫离开死虫并寻找新宿主，在适宜环境下循环往复。
3.10 昆虫病原原生动物类生物农药
原生动物（俗称微孢子虫）是一类广泛存在、专性细胞内寄生的微生物，可感染多种害虫和无脊椎动物。其中，Nosema和Vairimorpha属可攻击直翅目（如蝗虫、蟋蟀、飞蝗）和鳞翅目（如蝶、蛾及其幼虫）昆虫，已被纳入害虫综合管理计划。二者具有靶标特异性强、起效慢、对靶标害虫产生慢性衰弱效应、可在宿主体内持久存续并循环传播的特点。
3.11 昆虫病原原生动物的杀虫机理
对微孢子虫寄生机制的研究显示，玉米螟微孢子虫（Nosema pyrausta）可通过水平传播和垂直传播两种途径感染欧洲玉米螟（Ostrinia nubilalis）。水平传播指靶标害虫摄入孢子后，孢子在中肠增殖并扩散至其他组织器官，最终随粪便排出，宿主死亡后孢子仍保持活力，可被其他幼虫摄入并继续传播。垂直传播指雌性幼虫摄入孢子后，感染传递至下一代。目前唯一登记的 protozoan 生物农药为蝗虫微孢子虫（Nosema locustae），对蝗虫若虫防效显著，感染后6周内可致其死亡。
3.12 昆虫病原藻类类生物农药
藻类是一类栖息于淡水与海水的多样化光合生物，微藻可产生生长调节剂、萜类和酚类化合物等生物活性物质，具有抗菌、抗真菌和抗病毒特性，是防治植物病原菌的高效生物农药。鱼腥藻属（Fischerella）微藻可产生12-表-哈帕林多勒C异腈和哈帕林多勒L等生物活性物质，在26微摩尔浓度下施用时，48小时内对水稻害虫稻摇蚊（Chironomus riparius）幼虫致死率达100%。蓝藻是防控植物病原微生物、土传病害和线虫的关键生物防治因子，可产生蛋白质、碳水化合物、油脂、皂苷、多酚、生育酚、他感化学物质、富氮化合物和倍半萜等多种活性物质，通过破坏靶标病原菌细胞质膜结构与功能、抑制蛋白质合成和酶失活发挥作用。此外，部分蓝藻菌株产生的毒素用作生物肥料时，可作为幼虫拒食剂降低蚊虫种群密度。最早的藻类农药记录来自小球藻属（Chlorella），其产生的绿藻素可抑制多种细菌病原体。另有研究报道，从Calothrixspp.中提取的倍半萜类化合物eremophilone可成功用于水稻种植害虫防治。
3.12.1 微生物农药的优势
微生物农药的主要优势包括：环境友好性，可生物降解且对人类、动物和益虫无毒，适用于害虫综合管理；靶标特异性强，多数微生物制剂仅针对特定害虫或近缘物种，最大限度减少对生态平衡的干扰；抗性风险低，因作用机制复杂且常为多毒素协同，害虫不易产生抗性；无有毒残留，残留极低或无残留，施药后通常可立即采收，保障食品安全与可持续性；自我延续性，许多微生物农药可在环境中定殖并提供长期防控，减少重复施药需求；增产效应，通过促进土壤有益微生物区系，增强根系与植株生长，进而提高作物产量。
3.12.2 微生物农药的劣势
微生物农药的主要局限包括：靶标特异性过强，仅能防控田间特定害虫，其他共存害虫仍可能造成危害；起效较慢，相较于化学农药见效慢，难以满足用户对即时效果的期待；环境敏感性高，药效依赖温度、湿度和紫外线辐射等环境条件，限制其存活与表现；储存难度大，部分微生物农药货架期短，需特殊储存条件；施用复杂，需精准把握施药时机、技术与环境条件才能获得理想效果。
3.13 生化农药与半化学物质
生化农药是具有防控或灭活害虫潜力的植物化学物质和次级代谢产物。植物源植物化学物质含抗菌、抗真菌、抗病毒、抗寄生虫和杀虫活性的生物活性物质，可替代合成农药。其中印楝及印楝制剂（如印楝油、印楝叶、印楝树皮和印楝种仁提取物）应用最广，其他还包括香茅草、茶树、菜籽油精油和除虫菊酯等。植物源次级代谢产物（如含植物挥发性物质的萜类、含酚酸、木质素、单宁和生物碱等酚类化合物的糖苷与甾醇）在植物防御昆虫害虫中发挥重要作用，可作为毒剂、驱避剂、昆虫生长调节剂和拒食剂。植物化学物质的提取方法包括溶剂萃取、微波辅助萃取和超声辅助萃取。目前仅有少数植物化学物质（如印楝制剂）被大规模用于防治田间主要害虫，常用施用剂量为每公顷25公斤3%印楝油或5%印楝种仁提取物。尽管防效优异，印楝制剂起效慢于合成农药，需在虫害发生早期施用以避免重大经济损失，且对非靶标生物（如瓢虫、蚯蚓）毒性低。
半化学物质是生物体产生的用于同种或异种个体间通讯的化学信号物质，其中应用最广的是昆虫性信息素，由个体释放后可引发异性特定的行为或生理响应，主要功能为交配干扰和大量诱捕，是鳞翅目与鞘翅目害虫综合管理的核心手段。
3.13.1 生化农药的优势
生化农药的主要优势包括：环境与人类安全性高，对人类、动物和蜜蜂等传粉益虫安全；残留极低，活性成分可在环境中快速降解，避免有害残留累积，施药后无需或仅需极短安全间隔期即可进入；靶标特异性强，仅作用于靶标害虫及近缘物种，不同于广谱合成农药；抗性风险低，作用机制多样且复杂，害虫不易产生抗性，利于长期管理；与综合管理及有机农业兼容，有助于降低对合成化学品的依赖；用量少效率高，低浓度即可发挥防效，降低暴露风险。
3.13.2 生化农药的劣势
生化农药的主要局限包括：起效较慢，多通过干扰害虫生命周期或驱避发挥作用，而非快速击倒；药效不稳定，温度、湿度和紫外线辐射等环境条件会影响其有效性；货架期短，储存期有限且需特定储运条件；靶标特异性高，单一产品难以覆盖田间所有害虫，可能需搭配多种产品或策略；需频繁施用，因在环境中降解快，为维持稳定防效常需多次施药。
3.14 植物内源保护剂（Plant-Incorporated Protectants, PIPs）
PIPs又称转基因作物，是通过基因工程将具杀虫活性的基因导入植物基因组，使植物自身合成杀虫物质。典型例子是将Bt.蛋白基因导入保铃棉，使其对烟草夜蛾、粉红棉铃虫、棉铃虫等鳞翅目害虫产生抗性。转Bt.基因作物可产生一种或多种晶体蛋白，破坏敏感害虫的肠道内壁，48小时内致其死亡。
3.14.1 PIPs的优势
PIPs的主要优势包括：环境与人类安全性高，对人类、生态系统和脊椎动物无害；作用范围广，转Bt.基因作物还可保护邻近非转Bt.作物；起效迅速，害虫死亡率极高；高效低成本，全生育期持续提供保护，无需反复喷施；减少化学农药使用，因植物自带抗性，大幅降低地表合成农药施用需求。
3.14.2 PIPs的劣势
PIPs的主要局限包括：非靶标影响，可能对取食该蛋白的非靶标害虫或益虫产生负面效应；基因漂移风险，PIPs基因可能扩散至其他植物或邻近常规作物；抗性演化可能，靶标害虫可能对该植物内源杀虫蛋白产生免疫，导致技术失效；消费者接受度低，公众对转基因生物食用安全性存在担忧。
4. 昆虫病原细菌/真菌的分离
苏云金芽孢杆菌（Bt.）是最常用的细菌杀虫剂，因可形成耐热内生孢子，易于从自然环境分离。可从土壤、昆虫或水样中取样，取2–4克土壤溶于10毫升无菌水，或按每毫升无菌水0.2–0.4克昆虫组织匀浆后，经0.22微米滤膜浓缩。样品置于80℃水浴加热10分钟以杀灭营养细胞，随后进行10-2和10-3梯度稀释，接种于最小基础盐（Minimal Basal Salt, MBS）培养基。经连续传代培养获得纯培养物后，通过生化试验鉴定，并以16S rDNA测序确证。
昆虫病原真菌可直接从有明显真菌病的虫尸分离。因昆虫病原真菌（Entomopathogenic Fungi, EPF）大部分生命周期以腐生方式存在于土壤或作为植物内生菌，也可从土壤或叶际分离，但其在土壤中腐生存活的机制尚未完全明确。上述情况下，均可直接将材料接种于EPF专用选择性培养基，或以感病昆虫作诱饵进行分离。若需分离作为内生菌的EPF，需对材料进行严格消毒。
5. 生物农药制剂
生物农药制剂是将活性成分与惰性或非活性材料混合的过程，惰性成分可提升制剂施用便利性与活性成分效力。制剂设计需兼顾提高植保产品稳定性、增强活性并降低外界因素干扰。由于多数生物农药的活性成分为活体生物，需在制剂与储存过程中维持其活性，同时选用适宜的惰性或非杀虫化合物保护生物制剂，提升其在繁殖、接触或与靶标生物互作过程中的活性。总体而言，生物农药制剂工艺与合成化学农药类似，便于农户沿用现有设备施用。商业化生物农药主要分为干制和液制两类：干制包括粉剂（DPs）、颗粒剂（GR）、种子包衣（SD）、可湿性粉剂（WP）和水分散粒剂（WDGs）；液制包括乳剂、悬浮剂（SC）、油分散剂（OD）、胶囊悬浮剂（CS）和超低容量液剂（ULV）。
5.1 干制剂
粉剂通常为含10%及以下重量比活性成分的干燥制剂，与大量惰性填料或载体（如粒径50–100微米的滑石粉或黏土等细磨固体矿物粉末）混合，还可添加抗结剂（钙/镁硬脂酸盐、二氧化硅、各类硅酸盐和淀粉）、紫外线保护剂和黏附剂以提升吸附性能，可手动或机械直接施用于靶标害虫。颗粒剂粒径为100–600微米，活性成分含量为2%–20%，活性成分可包被于颗粒表面（颗粒基质可为二氧化硅、淀粉、高岭土、聚合物、花生植株残渣等）或被颗粒吸收，施入土壤后缓慢释放，部分颗粒剂需土壤湿度触发释放，主要用于防控土栖线虫、昆虫和杂草，或通过根部被植物吸收。种子包衣也为粉状制剂，由活性成分与粉状载体及惰性黏附剂混合而成，常添加红色安全标记色素，通过滚筒搅拌使包衣牢固附着于种子表面。可湿性粉剂由活性成分与润湿剂、分散剂、表面活性剂、增效剂和惰性填料混合后经研磨制成，粒径约5微米，储存稳定性好，可兑水稀释后用普通喷雾设备施用。水分散粒剂所用润湿与分散剂与可湿性粉剂类似，但分散剂添加量更高，设计为可悬浮于水中，无粉尘且储存稳定性佳。
5.2 液制剂
乳剂中活性成分悬浮于水或水性溶剂中，分散于不相溶液体（通常为油）中，形成水包油或油包水型乳状液，需选用适宜乳化剂提升稳定性：亲水性乳化剂利于形成水包油型，疏水性乳化剂利于形成油包水型。悬浮剂是将固体活性成分精细研磨成粉末后悬浮于水中，施用过程需持续搅拌以保证颗粒均匀分布，可添加润湿/分散剂、增稠剂、消泡剂等提升稳定性。油分散剂制备工艺与悬浮剂类似，但固体活性成分溶解或悬浮于非水液体（通常为油）中，优选大豆油或菜籽油等植物油以提升持留、铺展和渗透性能，需谨慎选择悬浮剂和絮凝剂等惰性成分以避免成品不稳定。胶囊悬浮剂的活性成分被包裹于淀粉、纤维素、明胶或其他可水溶聚合物中，施用前溶于水，该剂型可保护活性成分免受不利环境影响。超低容量液剂含100%活性成分，设计上不兑水稀释直接使用，可将悬浮生物防治剂作为活性成分，在农业和林业中用于蚊虫防控。
6. 施用方法
制剂化生物农药可采用种子处理、叶面喷施、幼苗蘸根和土壤处理等方式施用。种子处理是将含活性成分、填料和黏合剂的制剂包覆于种子表面，
