مكافحة الآفات الحشرية باستخدام الإشعاع

شرح الموضوعات النووية

من المعروف أنَّ الآفات الحشرية تتسبَّب في انتشار الأمراض، فالبعوض على سبيل المثال يتسبَّب في انتشار الملاريا وحمى الضنك، وهما مرضان يصيبان الملايين من الناس ويوديان بحياة الآلاف كلَّ عام.

والآفات الحشرية الطفيلية، مثل الأنواع الطفيلية من الذباب، يمكن أن تهدِّد نظماً بيئية بأسرها وأن تشكِّل خطراً على إمكانية المحافظة على الحياة الحيوانية والتنوُّع البيئي في الأجل الطويل. أمَّا ذبابة الفاكهة والعثة وذبابة تسي تسي والدودة الحلزونية، فهي أمثلة لآفات حشرية أخرى تتسبَّب في إتلاف المحاصيل والثروة الحيوانية، ومن ثم تهدِّد سبل عيش المزارعين وتضرُّ بالتجارة الدولية وتقوِّض الأمن الغذائي العالمي. ووفقاً للتقديرات الرسمية، فقد تسبَّبت الآفات في إتلاف ما يصل إلى 40 في المائة من المحاصيل على الصعيد العالمي وأدَّت إلى خسائر قدرها 220 مليار دولار في عام 2021.

ويمكن استخدام الإشعاع للمساعدة على التحكُّم في انتشار الآفات أو السيطرة عليها – أو ما يُعرف بمكافحة الآفات – من خلال إتاحة وسيلة فعالة للوقاية من المخاطر التي تشكِّلها الحشرات على الصحة البشرية والحيوانية، وعلى النظم البيئية والأمن الغذائي (بما في ذلك إنتاج المحاصيل والثروة الحيوانية). وتشمل الأساليب المنطوية على استخدام الإشعاع في مكافحة الآفات تقنية الحشرة العقيمة والعقم الموروث والمكافحة البيولوجية.

ما تقنية الحشرة العقيمة؟

تقنية الحشرة العقيمة هي طريقة لمكافحة الآفات الحشرية تقوم على استخدام الإشعاعات المؤيِّنة لتعقيم أعداد كبيرة من الحشرات المنتجة في المختبرات، ثم إطلاقها في المناطق التي تشهد تفشي الآفة الحشرية حتى تتزاوج مع الحشرات البرية الموجودة أصلا في تلك المناطق. ولأنَّ هذه الحشرات العقيمة عاجزة عن إنجاب أي ذرية، فإنَّ أعداد الحشرات تتناقص مع مرور الوقت.

ورغم إمكانية إطلاق الحشرات العقيمة من الذكور والإناث على حد سواء في حالة أنواع عديدة من الحشرات، ففي معظم الحالات يكون الاقتصار على إطلاق الذكور في إطار تقنية الحشرة العقيمة أكثر فعالية من حيث التكلفة. ويرجع ذلك إلى عدد من الأسباب الرئيسية. فأولاً، يؤدي استخدام الذكور العقيمة إلى منع تكاثر الحشرات البرية بفعالية أكبر كثيراً، لأنَّ هذه الذكور تبحث بدأب عن الإناث البرية للتزاوج معها ويمكن للذكر الواحد أن يتزاوج مع عدَّة إناث. ولذلك، يؤدي الاقتصار على إطلاق الذكور إلى تسريع وتيرة نشر العقم بين الحشرات لأنَّ الذكور العقيمة لا تتزاوج إلا مع الإناث البرية غير العقيمة، دون أن يتسبَّب وجود إناث عقيمة في تشتيت انتباهها. وبالإضافة إلى ذلك، ففي حال وقوع خلل في عملية التعقيم، رغم استبعاد حدوث ذلك، يكفل الاقتصار على إطلاق الذكور عدم المخاطرة بزيادة عدد الإناث الخصبة الموجودة في البيئة. وثانياً، ففي حالة أنواع الحشرات التي يقتصر إطلاقها على الذكور، تتراجع تكاليف التعبئة والإطلاق إلى النصف مقارنة بإطلاق الذكور والإناث معاً. وثالثاً، يكفل الاقتصار على إطلاق الذكور قدراً أكبر كثيراً من الأمان، لأنَّ إطلاق إناث الحشرات يمكن أن تترتب عليه آثار سلبية في بعض الحالات – ومن أمثلة ذلك أنَّ إناث البعوض وحدها هي التي تلدغ البشر بحثاً عن الدم بوصفه مصدراً للبروتين، ويمكن أن يؤدي ذلك إلى انتشار أمراض فتاكة.

وفيما يتعلق بتحديد نسل الحشرات، تُعدُّ تقنية الحشرة العقيمة من بين أكثر الأساليب المتاحة أماناً ورفقاً بالبيئة، لأنَّها تكفل حماية البيئة من خلال التقليل من استخدام المبيدات الحشرية. وبالإضافة إلى ذلك، فبالنظر إلى عجز الحشرات العقيمة عن التكاثر، فإنَّ هذا يتيح حلًّا بعيد الأمد لمشكلة الآفات دون المجازفة بإدخال أنواع غير محلية من الحشرات إلى النظام البيئي.

ومنذ خمسينات القرن الماضي، تُستخدم تقنية الحشرة العقيمة بنجاح في الجهود المبذولة عالميًّا من أجل مكافحة بعض أنواع الحشرات الضارة بصحة البشر والثروة الحيوانية، بما في ذلك الدودة الحلزونية للعالم الجديد وذبابة تسي تسي والبعوض الناقل للأمراض، وكذلك في مكافحة الآفات الحشرية التي تتسبَّب في إتلاف المحاصيل وتضرُّ بالتجارة الدولية، مثل ذباب الفاكهة والعثة.

(الرسم المعلوماتي: أدريانا فارغاس، الوكالة)

ما العقم الموروث؟

تقنية العقم الموروث هي نوع من تقنية الحشرة العقيمة يختلف قليلاً عن النوع التقليدي لأنَّه ينطوي على تربية ذكور الحشرات وتعقيمها تعقيماً غير تام ثم إطلاقها في المنطقة المستهدفة للحد من قدرة الذكور البرية غير العقيمة على التزاوج. ورغم أنَّ ذكور الحشرات التي تُنتج وتُطلق في إطار هذه التقنية تتمتع بقدر من الخصوبة، فإنَّ كلَّ ذريتها تكون عقيمة تماماً.

وتُستخدم هذه التقنية في حالة بعض أنواع الآفات، مثل العث، حين لا يمكن تعقيم الذكور تماماً إلا باستخدام جرعات عالية للغاية من الإشعاع، وهو ما يمكن أن يؤدي إلى إضعاف الحشرات والانتقاص من قدرتها على التنافس على التزاوج مع حشرات العث البرية. ولذلك، تُطبَّق تقنية العقم الموروث التي تنطوي على استخدام جرعات أدنى كثيراً وأقل إضعافاً لذكور الحشرات بحيث لا تحد من فرصها في التزاوج، لكنها تؤدي في الوقت نفسه إلى إصابة ذريتها بالعقم الموروث.

وتكفل هذه التقنية عدداً من المزايا. فهي تمكِّن العلماء من استهداف أنواع الحشرات التي يتطلَّب تعقيمها جرعات عالية للغاية من الإشعاع. بيد أنَّ تطبيق هذه التقنية يؤدي إلى إصابة الإناث بالعقم التام بعد التشعيع، لأنَّ إناث العث عادة ما تكون أكثر حساسية للإشعاع. أما الذكور فلا تُصاب بالعقم إلا جزئيًّا بعد تشعيعها، لكنها تنجب نسلاً عقيماً تماماً. وكثيراً ما يؤدي إطلاق ذكور الحشرات العقيمة جزئيًّا، أي التي تورِّث نسلها العقم التام، إلى المساعدة على كبح أعداد الحشرات البرية بدرجة أكبر من إطلاق الذكور العقيمة تماماً في إطار النوع التقليدي من تقنية الحشرة العقيمة، لأنَّ الذكر العقيم جزئيًّا ينجب عدَّة ذكور عقيمة تماماً في الجيل التالي.

بالرغم من أنَّ حشرات العث قابلة للتعقيم، بيد أنَّ ذلك يتطلب إخضاعها لجرعات عالية من الإشعاع مما يؤدي إلى إضعاف قدرة الذكور العقيمة على التنافس مع أقرانها البرية. وبدلاً من ذلك، تُستخدم جرعات أقل إضعافاً تؤدي إلى تعقيم الحشرات تعقيماً غير تام يتحول إلى عقم كامل في ذريتها. ويُعرف ذلك بالعقم الموروث. (الرسم المعلوماتي: أدريانا فارغاس، الوكالة).

ما المكافحة البيولوجية؟

 

المكافحة البيولوجية هي أسلوب مكافحة يقوم على التربية المكثفة لكائنات معادية للآفات بطبيعتها ثم إطلاقها في البيئة لمكافحة تلك الآفات، مثل الحشرات المفترسة التي تتغذى على بيض الآفات ويرقاتها، أو أنواع الطفيليات التي تُعرف باسم أشباه الطفيليات والتي تضع بيضها داخل الحشرة المضيفة فتقتلها.

وخلافاً لتقنيتي الحشرة العقيمة والعقم الموروث، القائمتين على استخدام التقنيات النووية، فلا تُستخدم التقنيات النووية في المكافحة البيولوجية إلا لأغراض محددة. حيث يمكن استخدام الإشعاع من أجل زيادة إمكانية التطبيق وتعزيز الفعالية من حيث التكلفة والأمان فيما يتعلق بتربية الأعداء الطبيعيين للآفات وشحنهم ونشرهم. ويمكن أن يؤدي استخدام الإشعاع أيضاً إلى تحسين نتائج هذه الطريقة في المكافحة والتقليل من عدد القيود المرتبطة بها. وعلى سبيل المثال، يمكن استخدام الإشعاع للتقليل من تكلفة إنتاج عوامل المكافحة البيولوجية. ففي حالة أشباه الطفيليات، مثلاً، يمكن استخدام الإشعاع لإضعاف أساليب الدفاع الطبيعية لدى الحشرة المضيفة (أي الاستجابة المناعية) من أجل أجل زيادة معدلات تكاثر أشباه الطفيليات ومعدلات بقائها على قيد الحياة. وبالإضافة إلى ذلك، تساعد الإشعاعات على منع اكتمال نمو الحشرات المضيفة، بما يضمن ألا يخرج من الخادرات سوى أشباه الطفيليات. وفي الحالات التي تبقى فيها بعض الحشرات المضيفة على قيد الحياة، يضمن استخدام الإشعاع عقم هذه الحشرات ومن ثم تلافي المخاطرة بإطلاق حشرات مضيفة خصبة يمكن أن تتحول إلى آفات في البيئة الجديدة (انظر الرسم المعلوماتي أدناه). وفي السياقات المناسبة، يمكن أيضاً استخدام جرعات منخفضة من الإشعاع لتحفيز تكاثر بعض مفترسات الآفات التي يمكن استخدامها لتحسين فعالية المكافحة البيولوجية في البيئات التي لا تهدد فيها هذه المفترسات أي كائنات غير الحشرات المستهدفة.

خنفساء منقَّطة تتغذى على بيض العث فوق نبتة هليون (الرسم المعلوماتي: أدريانا فارغاس، الوكالة).

وبالمثل، يمكن أن يساعد التشعيع على نقل الحشرات المفترسة وأشباه الطفيليات، التي تشيع الإشارة إليها باسم عوامل المكافحة البيولوجية. فأشباه الطفيليات، على سبيل المثال، يمكن أن تتطلب وجود حشرات مضيفة حتى تبقى على قيد الحياة أثناء النقل، في حين أنَّ الحشرات المفترسة قد تحتاج إلى أن تتغذى على حشرات أخرى. ولهذا السبب، كثيراً ما تُنقل عوامل المكافحة البيولوجية بصحبة "فرائسها الحشرية" أو بيض تلك الفرائس لتكون مصدراً لغذائها خلال النقل. بيد أنَّ الإصابة بأشباه الطفيليات لا تتحقق في حالة جميع الحشرات المضيفة المستخدمة، ولذلك ففي حال تمكَّنت هذه الحشرات المضيفة من البقاء على قيد الحياة بعد النقل ثم أُطلقت في البيئة فإنَّها سوف تتحوَّل إلى آفات. ومن ثم فإنَّ تشعيع هذه الحشرات المضيفة قبل النقل يضمن عدم إدخال آفات جديدة إلى المنطقة الخاضعة للمكافحة البيولوجية بطريق الخطأ.

تساعد عوامل المكافحة البيولوجية على التصدي للآفات الحشرية، وعن طريق تشعيع الحشرات المضيفة لهذه العوامل، يمكن ضمان عدم إدخال آفات جديدة إلى البيئة بطريق الخطأ. (الرسم المعلوماتي: أدريانا فارغاس، الوكالة).

ما دور الوكالة؟

What is the Sterile Insect Technique (SIT)?

The sterile insect technique is a method that uses ionizing radiation to sterilize large numbers of insects reared in a laboratory, which are then released over infested areas to mate with the wild pest population. As these sterilized insects are incapable of producing any offspring, the insect population declines over time.

Although both sterile males and females can be released in the cases of many insect species, for most, releasing only the males as part of SIT is more cost-effective. There are few key reasons for this. Firstly, sterile males are much more effective at hindering the reproduction of wild populations, because they actively search for wild females to mate with and can mate with multiple females. Therefore, releasing males only, speeds up the induction of sterility since the sterile males mate with the wild females only, without being distracted by the sterile females. Moreover, in the unlikely event of a fault in the sterilization process, this removes the risk of introducing fertile females into the environment. Secondly, In the case of insect species for which only males are released, the costs of packing and releasing the sterile insects are cut by half when compared against releasing both males and females. Thirdly, it is a lot safer, since in some cases, releasing female insects can have a negative impact — for instance, only the female mosquitoes bite humans in search for blood as a source of protein, and can spread deadly diseases.

The SIT is one of the safest and most eco-friendly insect birth control methods available, which ensures environmental protection through a reduced use of insecticides. In addition, since sterile insects cannot self-replicate, this creates a long-term solution for the pest problem without running the risk of introducing non-native species into the ecosystem.

Since the 1950s, SIT has been successfully used in the global control of some insects affecting the health of people and livestock, such as the new world screwworm, the tsetse fly and disease transmitting mosquitoes, as well as in the control of insect pests that destroy crops and affect trade, such as the fruit flies and moths.

(Infographic: Adriana Vargas/IAEA)

What is Inherited Sterility?

Inherited sterility, also known as F1 sterility, is another type of SIT, very similar to the traditional method, as it involves rearing, irradiation and release of semi-sterile male insects into a target area to reduce the mating of their fertile counterparts. In this technique, however, the reared and released male insects have a certain degree of fertility, but all their offspring is born sterile.

This technique is used when males of particular types of pests, such as moths, cannot be fully sterilized unless very high doses of radiation are used. A high dose, however, may weaken the insect and hinder its ability to compete with wild moths for reproduction. Therefore, this technique involves using much lower and less debilitating doses, which do not hinder the insects’ opportunities to reproduce, but which induce inherited sterility in the moths' offspring.

This technique has a number of advantages. It enables the scientists to target species that require very high doses of irradiation to become sterile. However, the females are fully sterile after irradiation, since female moths tend to be more sensitive to radiation. The irradiated males are only partially sterile and give birth to fully sterile offspring. The release of partially sterile males with inherited sterility, often helps to suppress wild populations to a greater extent than an equal number of fully sterile males released in conventional SIT, since the males can produce multiple fully sterile copies in the next generation.

Moth pests can be rendered sterile, however, they require higher doses of radiation, which tend to weaken the insect’s ability to compete with wild males. Instead, less debilitating semi-sterilizing doses are used to induce full sterility in the moths' offspring. This is known as inherited sterility (Infographic: Adriana Vargas/IAEA).

What is Biological Control?

Biological control is a method that uses mass-production and release of the pest’s natural enemies, such as predatory insects who feed off the pest’s eggs and larvae, or parasites (known as parasitoids) that lay eggs into their host insect, killing the insect.

Unlike the SIT and inherited sterility methods, which are based on the use of nuclear techniques, in biological control nuclear techniques are only used for particular purposes. Radiation can be used to increase the applicability, cost-effectiveness and safety of rearing, shipping and deploying these natural pest enemies. It can also improve the results of the method and alleviate a number of constraints associated with it. For example, radiation can be used to reduce the cost of production of biological control agents. In case of parasitoids, for example, radiation can lower the host insect’s natural defences (i.e. immune response) to increase the productivity and survival rate of parasitoids. Moreover, radiation helps to prevent development of the host insects, assuring that only parasitoids emerge from the pupae. In cases where some host insects do survive, the use of radiation ensures they are sterile in order to eliminate the risk of releasing fertile host insects, which can become pests in the new environment (see infographic below). In appropriate contexts, low doses of radiation can also stimulate the reproduction of some predators, which could be used to improve the effectiveness of biological control in environments where these predators do not threaten non-target insect populations.

A ladybug feeding off moth eggs on an asparagus plant (Infographic: Adriana Vargas/IAEA).

Similarly, irradiation can help in the transport of predatory insects and parasitoids, often referred to as biological control agents. Parasitoids, for example, may require host insects in order to survive transportation, and predatory insects may need to feed off other insects. For this reason, they are often transported together with their “prey insects” or their eggs, which serve as a source of food during transportation. However, not all the insects being used as hosts of the parasitoid are affected by the parasitoid, therefore, in case these hosts manage to survive transportation and are released into the environment they will become pests.  Irradiation of the host before transportation, will ensure that no new pests can be accidentally introduced to the area undergoing biological control.

Biological control helps to control insect pests, while by irradiating the host of the biological control agent no new pests are accidentally introduced into the environment. (Infographic: Adriana Vargas/IAEA).

What is the role of the IAEA?

  • Through the Joint FAO/IAEA Centre of Nuclear Techniques in Food and Agriculture, the IAEA assists countries in developing and applying radiation-based technologies, such as the SIT, inherited sterility and biological control to optimise insect pest management practices to improve food production, human health and preservation of natural resources.
  • The IAEA conducts research and develops new methods at its laboratories at Seibersdorf, Austria, to build knowledge and further improve the techniques, associated with mass-rearing, sterilization and quality control of major insect pests. Research findings, new procedures and methodologies are transferred to member states to improve their pest control practices.
  • The IAEA technical cooperation department, with assistance from the Joint FAO/IAEA Centre, is supporting the transfer of technology to manage pest species and to protect the indigenous fauna and ecosystems.
  • The IAEA also offers practical assistance including guidance and expert support, as well as the provision of biological materials to the member-states through its coordinated research projects and field projects. Through resource sharing, the IAEA plays a crucial role in the application of area-wide integrated pest management programmes. Click here for more information on the IAEA’s work in pest control.