Bài 5: Khái niệm, cơ sở khoa học và vai trò của kiểm soát sinh học

I. KHÁI NIỆM

Kiểm soát sinh học là biện pháp làm suy giảm kích thước quần thể, thậm chí tiêu diệt hoàn toàn một quần thể sinh vật gây hại cho vật nuôi và cây trồng bởi kẻ thù tự nhiên của chúng (thiên địch) hay các sản phẩm sinh học, hoặc do tăng cường sức đề kháng của vật chủ.

Con người luôn cần kiểm soát các sinh vật gây hại cho sức khoẻ của chính bản thân hay vật nuôi, cây trồng. 

Khi sử dụng thuốc trừ sâu hoá học để kiểm soát sâu hại, kiểm soát sinh học tự nhiên bị phá vỡ nghiêm trọng, các loài thiên địch thường sống bằng cách tiêu thụ một hay nhiều loài gây hại bị giảm số lượng đáng kể, thậm chí không còn xuất hiện. Do đó, khi sâu hại mục tiêu xuất hiện trở lại, không còn thiên địch tiêu diệt chúng, kết quả là quần thể sâu hại tăng lên, thường là với mật độ cao hơn so với ban đầu.

Ngoài ra, những loài côn trùng khác có thể tăng số lượng và trở thành loài gây hại do không còn thiên địch kiểm soát.

Ví dụ: Sau khi phun thuốc trừ sâu có chứa Pymetrozin lên rau cải bị nhiễm rệp mềm (Aphis gossypii), phần lớn rệp bị chết trong một, hai lần phun đầu tiên. Sau khoảng 10 – 15 ngày, rệp bùng phát trở lại do tính kháng thuốc cao của loài sinh vật gây hại này.

Một tác động nữa của việc sử dụng rộng rãi thuốc trừ sâu hoá học là làm gia tăng tính kháng thuốc của quần thể sâu hại.

Những lần sử dụng thuốc đầu tiên rất hiệu quả, phần lớn sâu hại đều bị chết. Tuy nhiên, một số cá thể ít mẫn cảm với thuốc trừ sâu có thể sống sót. Dưới tác động của chọn lọc tự nhiên, số cá thể kháng thuốc có thể tăng lên nhanh chóng.

Việc lạm dụng thuốc trừ sâu do thiếu kiểm soát có thể thúc đẩy nhanh tính kháng thuốc trong toàn bộ quần thể sâu hại. Cuối cùng, thuốc trừ sâu được sử dụng không còn tác dụng đối với sâu hại nữa và phải sử dụng một chiến lược kiểm soát khác.

Ví dụ: Khả năng lần đầu tiên được phát hiện vào năm 1946 ở ruồi nhà, chỉ 7 năm sau khi DDT bắt đầu được sử dụng. Hai năm sau, vào năm 1948, người ta phát hiện thấy 14 loài và đến năm 1990, đã có hơn 500 loài côn trùng có khả năng kháng DDT. Khi hiệu quả diệt sâu hại của thuốc giảm, người trồng trọt tìm kiếm các loại thuốc mới hoặc tăng nồng độ sử dụng. Kết quả là chi phí sản xuất tăng, đa dạng sinh học suy giảm, môi trường ngày càng bị ô nhiễm,...

Ba hiện tượng: sự hồi sinh của sâu hại mục tiêu, sự bùng phát của sâu hại thứ cấp và sự gia tăng tính kháng thuốc trong quần thể sâu hại được gọi là guồng quay của thuốc trừ sâu. Lượng thuốc trừ sâu sử dụng trong sản xuất tăng lên, khoảng cách giữa hai lần phun thuốc giảm, tăng tính kháng thuốc của sâu hại. Chính vì vậy, con người cần tìm giải pháp mới thay thế để hạn chế sử dụng thuốc trừ sâu hoá học.

II. CƠ SỞ KHOA HỌC

1. Cơ sở sinh thái học

Các biện pháp kiểm soát sinh học thường dựa trên mối quan hệ đối kháng giữa các loài sinh vật với nhau, dùng sinh vật này kiềm chế hoặc tiêu diệt sinh vật khác. Đó là mối quan hệ giữa động vật ăn thịt – con mồi; sinh vật kí sinh – vật chủ, sinh vật gây bệnh,...

Mục tiêu cuối cùng của kiểm soát sinh học là sử dụng các mối quan hệ sinh học trong quần xã để duy trì quần thể sâu hại ở mật độ thấp nhất, ít gây hại cho sản xuất. Đây có thể được coi là ứng dụng kiểm soát kích thước quần thể, duy trì sự tồn tại lâu bền của các hệ sinh thái.

a) Động vật ăn thịt

Quan hệ vật ăn thịt và con mồi được biểu diễn bằng kiểu tương tác +/-, trong đó vật ăn thịt là loài giết chết và sử dụng loài khác làm thức ăn. Vật ăn thịt có thể là động vật có xương sống hoặc động vật không xương sống. Mối quan hệ tương tác giữa vật ăn thịt – con mồi góp phần duy trì cân bằng, sự ổn định của quần xã sinh vật.

Trong kiểm soát sinh học tự nhiên, có nhiều nhóm động vật ăn thịt, có thể kể đến một số nhóm chính:

(1) Nhóm có phần phụ miệng dùng để nhai nghiền con mồi;

(2) Nhóm có phần phụ miệng kiểu chích hút, dùng để hút dịch lỏng trong cơ thể con mồi làm thức ăn, để lại xác côn trùng gây hại;

(3) Nhóm rộng thực, ăn nhiều loại côn trùng khác nhau, thậm chí ăn cả các loài thiên địch khác;

(4) Nhóm hẹp thực, chỉ ăn một hoặc một vài loại côn trùng nhất định,...

Ngoài ra, một số loài động vật có xương sống cũng đóng góp tích cực cho kiểm soát sinh học tự nhiên. Động vật có xương sống thường kiểm soát những loài gây hại cỡ lớn như động vật gặm nhấm, ốc sên,...

Trong thực tế sản xuất nông nghiệp, sinh vật gây hại cho sản xuất chủ yếu là động vật không xương sống, kích thước cơ thể nhỏ, khả năng sinh sản lớn nên đối tượng được lựa chọn nghiên cứu, sử dụng thường là những sinh vật có kích thước cơ thể nhỏ như bọ xít cánh cứng, bọ rùa, nhện ăn thịt,...

Các loài sinh vật gây hại cho vật nuôi, cây trồng thường là côn trùng hoặc động vật không xương sống khác. Chúng đều có đặc điểm chung là vòng đời ngắn, khả năng sinh sản nhanh nên có thể nhanh chóng bùng phát thành dịch.

Để kiểm soát kích thước quần thể của sinh vật gây hại, việc lựa chọn thiên địch mục tiêu, nghiên cứu đặc điểm sinh học, sinh thái học, tập tính học của các các loài thiên địch tiềm năng của sâu hại là rất cần thiết. Những loài thiên địch được con người lựa chọn sử dụng thường có một số đặc điểm chung:

(1) sinh trưởng, sinh sản nhanh;

(2) tìm kiếm, khai thác tốt nguồn sống;

(3) khả năng sống sót qua thời kì có ít hoặc không có con mồi cao sẽ có khả năng kiểm soát tốt quần thể sâu hại.

Phần lớn sinh vật có vòng đời được chia thành nhiều giai đoạn khác nhau.

Vai trò của mỗi giai đoạn trong vòng đời của thiên địch đối với kiểm soát sâu hại có thể rất khác nhau. Những con trưởng thành thường có thị lực và khả năng di chuyển tốt hơn con non, do đó, con trưởng thành thường di chuyển đến nơi có mật độ con mồi cao để đẻ trứng.

Trứng nở, ấu trùng sử dụng sâu hại làm thức ăn. Có những loài cả ấu trùng và con trưởng thành cùng ăn sâu hại như bọ rùa (Hình a, b) nhưng có loài chỉ giai đoạn ấu trùng mới ăn rệp còn khi trưởng thành sẽ lấy mật hoa làm thức ăn như ruồi giả ong (Hình c, d).

Có loài chỉ con trưởng thành ăn sâu hại như bọ ngựa, nhện (Hình e, g).

b) Sinh vật kí sinh

Sinh vật kí sinh là những loài không sống độc lập mà tồn tại bằng cách chiếm chất dinh dưỡng của những sinh vật khác. Những sinh vật bị chiếm chất dinh dưỡng được gọi là vật chủ – sinh vật bị hại.

Ví dụ: Giun đũa sống trong đường tiêu hoá của người, giun đũa là vật kí sinh, người là vật chủ và là đối tượng bị hại. Vật kí sinh cạnh tranh làm giảm lượng chất dinh dưỡng cung cấp cho vật chủ sinh trưởng. Qua mối quan hệ dinh dưỡng, vật kí sinh làm yếu, thậm chí gây chết cho vật chủ. Đây là cơ sở để sử dụng mối quan hệ kí sinh – vật chủ trong kiểm soát sinh học.

Kí sinh – vật chủ là mối quan hệ phổ biến trong tự nhiên.

Có nhiều cách phân loại sinh vật kí sinh, tuỳ thuộc vào mức độ gắn bó về dinh dưỡng với vật chủ như kí sinh bắt buộc, kí sinh tuỳ ý, kí sinh nuôi dưỡng hay kí sinh bậc cao. Kí sinh bậc cao phần lớn thuộc nhóm côn trùng kí sinh, thường được sử dụng trong kiểm soát sinh học và phổ biến trong tự nhiên.

Ví dụ: ấu trùng ong mắt đỏ kí sinh trên sâu hại.

Côn trùng kí sinh có một số đặc điểm:

(1) Con cái trưởng thành của loài kí sinh tìm vật chủ để đẻ trứng, ấu trùng kí sinh không tự tìm vật chủ;

(2) Trong quá trình phát dục, mỗi cá thể kí sinh chỉ liên quan đến một cá thể vật chủ;

(3) Hầu hết côn trùng kí sinh có biến thái hoàn toàn, pha ấu trùng có kiểu sống kí sinh, pha trưởng thành sống tự do;

(4) Côn trùng kí sinh khi mới nở đã in vết mùi của cây trồng mà vật chủ sinh sống nên khi trưởng thành chúng thường sống trên một loại cây trồng nhất định, do đó, côn trùng kí sinh có tính bảo vệ đặc hiệu;

(5) Côn trùng kí sinh thường đẻ trứng vào ấu trùng của vật chủ, trứng nở sẽ sử dụng ấu trùng vật chủ làm thức ăn và kết kén trong xác của sâu hại;

(6) Côn trùng kí sinh có chức năng ngăn không cho sâu hại sinh sản bùng phát thành dịch hiệu quả hơn là dập dịch vì chúng làm giảm mật độ sâu hại tương đối chậm.

Trên thế giới, ong bắp cày, một loại ong kí sinh trên bọ phấn trắng và nhiều loài sâu hại khác đã từng được sử dụng trong biện pháp kiểm soát sinh học rất hiệu quả. 

Một số loại vi khuẩn thuộc chi Wolbachia và Rickettsia,... cũng là đối tượng sử dụng trong kiểm soát sinh học. Những vi sinh vật này kí sinh trên sâu hại và các tác nhân gây bệnh cho vật nuôi, cây trồng. Một số có thể sống kí sinh trên khoảng 20 – 70% các loài côn trùng, số khác lại chỉ kí sinh trên một số bộ côn trùng. Nhiều loài côn trùng gây hại khi bị nhiễm vi khuẩn kí sinh có thể truyền vật kí sinh từ thế hệ này sang thế hệ khác do vi khuẩn kí sinh sống trong tế bào chất của trứng được truyền từ mẹ sang con. 

c) Sinh vật đối kháng

Trong sản xuất nông nghiệp hiện nay, luân canh cây trồng trên đất nông nghiệp bị hạn chế do diện tích canh tác ngày càng bị thu hẹp. Trồng thường xuyên một loại cây có thể dẫn đến tình trạng nguồn bệnh tồn tại lâu dài trong đất.

Sử dụng thuốc trừ sâu kiểm soát sâu hại trong đất là việc làm khó khăn, ít hiệu quả, thường để lại hậu quả sinh thái. Vì vậy, việc sử dụng vi sinh vật đối kháng là giải pháp hiệu quả, bền vững.

Sinh vật đối kháng gồm nhiều loại như vi khuẩn, nấm, nguyên sinh động vật, giun tròn,... thường sống ở vùng rễ cây trồng hay sống hoại sinh trong đất có tác dụng khống chế các loài sâu hại.

Sinh vật đối kháng không làm hại vật nuôi, cây trồng mà có tác dụng ức chế các vi sinh vật gây hại, giúp vật nuôi và cây trồng sinh trưởng, chống chịu tốt hơn với các tác nhân gây bệnh.

Vi sinh vật đối kháng có thể sản sinh ra các chất kháng sinh, chất độc tiêu diệt vi khuẩn, nấm gây bệnh hoặc cạnh tranh nguồn dinh dưỡng với các vi sinh vật gây hại sống trong đất ở vùng rễ cây, giúp cây sinh trưởng khoẻ, chống chịu bệnh tốt hơn.

Ví dụ: Một số loại vi khuẩn đối kháng như vi khuẩn Bacillus subtilis, Pseudomonas fluorscens, Agrobacterium radiobacter được sử dụng để sản xuất thuốc trừ sâu vi sinh dùng trong phòng trừ sâu, bệnh hại lúa cũng như nhiều loại cây trồng. Có ba cơ chế tác động chính của vi khuẩn đối kháng:

- Vi khuẩn đối kháng có khả năng cạnh tranh nguyên tố sắt (Fe) với vi khuẩn gây bệnh.

- Vi khuẩn đối kháng tổng hợp cyanide làm tăng tính chống chịu của cây trồng. Ngoài ra, chúng còn có khả năng phân giải độc tố do sinh vật gây bệnh tiết ra.

- Vi khuẩn đối kháng có khả năng cạnh tranh, chiếm chỗ thuận lợi trong vùng rễ của cây trồng, loại trừ sinh vật gây bệnh.

Một số vi sinh vật được gọi là sinh vật đối kháng biểu bì chủ yếu là vi khuẩn sống trên bề mặt lá hoặc thân cây với số lượng rất lớn nhưng không làm hại cây. Những vi khuẩn loại này không tiết chất độc gây hại cho cây mà chỉ lấy số lượng áp đảo, cạnh tranh nguồn thức ăn, nơi ở với các sinh vật gây hại cho cây.

Nhiều chủng vi khuẩn Bacillus sp. cũng được sử dụng để khống chế các tác nhân gây bệnh cho tôm, cá ở nhiều quốc gia trên thế giới.

2. Cơ sở di truyền học

a) Đột biến gây bất dục – kĩ thuật tiệt sinh côn trùng (SIT)

Kĩ thuật tiệt sinh côn trùng là một trong những biện pháp kiểm soát sinh học hiệu quả, thân thiện với môi trường.

Biện pháp này sử dụng các tia như tia X và Gamma chiếu lên nhộng của côn trùng gây hại. Kết quả, nhộng sau khi bị chiếu xạ sẽ phát triển thành con đực vô sinh. Các con đực bất dục được thả vào khu vực canh tác (hoặc thả vào tự nhiên) – nơi có quần thể sâu hại đang sinh sống. Tại đây, con đực bất dục sẽ giao phối tự nhiên với các con cái trong quần thể nhưng các con cái không thể sinh sản.

Quần thể sâu hại sẽ bị giảm kích thước và trong một số trường hợp có thể bị tiêu diệt. Kĩ thuật tiệt sinh côn trùng đã được áp dụng thành công ở nhiều nước trên thế giới với nhiều đối tượng côn trùng gây hại.

b) Các gene chống chịu

Nhiều giống cây trồng, vật nuôi có gene kháng lại sâu hại hoặc các tác nhân gây bệnh được dùng làm nguyên liệu để chọn giống kháng sâu, bệnh.

Công nghệ di truyền cũng có thể giúp chuyển gene kháng sâu, bệnh từ loài này sang loài khác, tạo ra các giống cây trồng, vật nuôi có khả năng kháng sâu, bệnh.

Ví dụ: Gene sản sinh độc tố tiêu diệt côn trùng có nguồn gốc từ vi khuẩn Bacillus thuringiensis (Bt) đã được chèn bằng công nghệ DNA tái tổ hợp vào hệ gene của một số loài cây trồng như ngô, bông, khoai tây.

Trong một nghiên cứu khác, gene tổng hợp enzyme kháng glyphosate đã được chuyển từ vi khuẩn Agrobacterium vào đậu tương, ngô, cải dầu, củ cải đường, bông, lúa mì. Các cây trồng được chuyển gene có khả năng chống chịu sâu hại, kháng thuốc diệt cỏ tốt hơn, cho năng suất cao hơn.

3. Cơ sở sinh lí học

Các sinh vật trải qua quá trình tiến hoá lâu dài luôn có được những cơ chế phòng vệ chống lại các sinh vật gây hại.

Những cây trồng, vật nuôi khoẻ mạnh sinh trưởng và phát triển tốt thường ít bị sâu bệnh. Vì vậy, áp dụng chế độ chăm sóc tốt như bón phân, tưới nước hợp lí cho cây trồng; chế độ dinh dưỡng phù hợp, tiêm chủng định kì cho cho vật nuôi cũng là biện pháp phòng chống dịch bệnh có hiệu quả.

Bên cạnh cơ sở sinh lí học trong việc tăng khả năng kháng bệnh của cây trồng, sử dụng bẫy sinh học là giải pháp kiểm soát sinh học hiệu quả.

Chất dẫn dụ sinh học (pheromone) là các nhóm chất hoá học do côn trùng tiết ra ngoài môi trường gây ảnh hưởng đến sinh lí, tập tính của các cá thể cùng loài. Lợi ích của chất dẫn dụ sinh học là chỉ tác động lên đối tượng đã được chọn sẵn, vì vậy không gây ảnh hưởng đến các loài thiên địch và môi trường. Cơ sở của biện pháp sử dụng chất dẫn dụ sinh học là thu hút số lượng lớn cá thể đực.

Chất dẫn dụ là mỗi nhử thu hút côn trùng rơi vào bẫy. Trong bẫy có chất dính, nước, thuốc trừ sâu hoặc có cửa một chiều khiến côn trùng không chui ra được. Kết quả là trứng không được thụ tinh, mất cân bằng đực cái từ đó giảm kích thước quần thể sâu hại.

IV. VAI TRÒ CỦA KIỂM SOÁT SINH HỌC

Kiểm soát sinh học được con người sử dụng làm biện pháp diệt trừ sâu, bệnh hại để bảo vệ cây trồng, vật nuôi.

Kiểm soát sinh học ít gây hại cho môi trường và sức khoẻ con người, không gây mất cân bằng sinh thái, duy trì đa dạng sinh vật, đảm bảo phát triển bền vững, không có dư lượng thuốc bảo vệ thực vật trên nông sản, phóng thích thiên địch cần ít thời gian và ít gây nguy hiểm cho người sản xuất, nông sản không cần thời gian cách li, ít khi xảy ra hiện tượng kháng,...

Tuy nhiên, nhược điểm của kiểm soát sinh học là hiệu quả tiêu diệt sâu hại không cao, không thể sử dụng biện pháp này để dập dịch, chi phí cho phần lớn các biện pháp kiểm soát sinh học tốn kém hơn so với việc sử dụng biện pháp hoá học.

Do đó, kiểm soát sinh học nên được xem là một bộ phận cấu thành trong chiến lược tổng hợp gồm nhiều biện pháp khác nhau để phòng trừ sâu, bệnh hại, cỏ dại và các tác nhân gây bệnh cho vật nuôi, cây trồng giúp con người hạn chế việc sử dụng thuốc trừ sâu hoá học, thuốc diệt cỏ dại làm tổn hại môi trường và sức khỏe con người, đảm bảo cân bằng sinh thái và phát triển bền vững.