تعهد نامه

مجله پژوهش در بهداشت محیط

شماره جاری

بر اساس شماره‌های نشریه

بر اساس نویسندگان

بر اساس موضوعات

نمایه نویسندگان

نمایه کلیدواژه ها

درباره نشریه

اهداف و چشم انداز

اعضای هیات تحریریه

اصول اخلاقی انتشار مقاله

بانک ها و نمایه نامه ها

پیوندهای مفید

پرسش‌های متداول

فرایند پذیرش مقالات

اخبار و اعلانات

Editorial Policy

Advertising Policy

ریزجلبک‌ها و سیانوباکتری‌ها در مدیریت پایدار آفت‌کش‌ها: تجزیه‌‌ی زیستی و تولید آفت‌کش‌های زیستی

مقالات آماده انتشار

نوع مقاله : مقالات مروری روایی و یکپارچه

نویسندگان

1 دانشیار گروه زیست‌شناسی، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران.

2 دانشجوی کارشناسی ارشد گروه زیست‌‌‌‌شناسی، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران.

چکیده

زمینه و هدف: کاربرد گسترده آفت‌کش‌های شیمیایی در کنار افزایش عملکرد کشاورزی به آلودگی پایدار منابع آب و خاک، کاهش تنوع زیستی و تهدید سلامت انسان منجر شده است. ریزجلبک‌ها و سیانوباکتری‌ها موجوداتی با عملکرد دوگانه (تولید آفت‌کش زیستی و تجزیه آلاینده‌ها) هستند؛ با این‌حال، شکاف دانشی در تحلیل یکپارچه این دو نقش و مقایسه اثربخشی آن‌ها وجود دارد. هدف این مرور، تحلیل شواهد موجود برای پاسخ به این پرسش است که کدام سویه‌ها و متابولیت‌ها بیش‌ترین پتانسیل را در جایگزینی و یا کاهش آفت‌کش‌های شیمیایی پرخطر دارند و خلأهای پژوهشی این مسیر در کجا قرار دارد.

مواد و روش‌ها: این مطالعه از نوع مرور روایی و یکپارچه است. جست‌وجوی مقالات در پایگاه‌هایPubMed ، Scopus، Web of Science  و Google Scholar برای بازه‌ی زمانی ۲۰۲۰ تا ۲۰۲۵ با کلیدواژه‌های «ریزجلبک»، «سیانوباکتری»، «تجزیه زیستی»، «پالایش زیستی» و «آفت‌کش زیستی» انجام شد. مقالات دارای داده‌های کمی از اثربخشی آفت‌کشی یا نرخ تجزیه آنزیمی و با ذکر دقیق سویه جلبکی وارد مطالعه شدند. از میان حدود ۱۰۰ مقاله بازیابی‌شده، ۵۸ مقاله معیارهای ورود را احراز کردند و شواهد بر اساس کلاس آفت‌کش، مکانیسم اثر و سویه جلبکی سازمان‌دهی و تحلیل شدند.

یافته‌ها: تحلیل شواهد نشان داد گونه‌های Spirulina platensis  و Sargassum wightii  به‌ترتیب بیش‌ترین فعالیت حشره‌کشی و ضدباکتریایی را در شرایط آزمایشگاهی نشان داده‌اند، درحالی‌که سویه‌های Nostoc muscorum و Coleofasciculus chthonoplastes در تجزیه آفت‌کش‌های ارگانوفسفره (کلرپیریفوس و مالاتیون) کارآمدتر عمل کرده‌اند. با این‌حال، میانگین نرخ تجزیه در شرایط مزرعه‌ای تا ۴۵ درصد پایین‌تر از نتایج آزمایشگاهی گزارش شده است. مکانیسم غالب در متابولیت‌های ضدآفت، مهار فتوسنتز (توسط سیانوباکتری) و در تجزیه‌ی آنزیمی، هیدرولیز توسط فسفوتری‌استرازها شناسایی شد. مهم‌ترین خلأ پژوهشی مشاهده ‌شده، فقدان مطالعات نیمه‌صنعتی روی فرمولاسیون‌های ترکیبی و عدم ارزیابی سمیت مزمن بر موجودات غیرهدف است. مقایسه کلان شواهد نشان می‌دهد اولویت پژوهشی فعلی بر «تجزیه» متمرکز است، در حالی‌که «تولید بیوآفت‌کش» هنوز در مراحل ابتدایی توسعه قرار دارد.

نتیجه‌گیری: این مرور نشان داد که ریزجلبک‌ها و سیانوباکتری‌ها ظرفیت دوگانه اثبات‌شده‌ای در تولید آفت‌کش‌های زیستی و پالایش آفت‌کش‌های شیمیایی دارند، اما گذار از موفقیت‌های آزمایشگاهی به کاربرد میدانی نیازمند پژوهش‌های هدفمند در بهینه‌سازی فرمولاسیون، افزایش پایداری متابولیت‌ها در شرایط محیطی واقعی و ارزیابی ایمنی بلندمدت است.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Microalgae and Cyanobacteria in Sustainable Pesticide Management: Biodegradation and Biopesticide Production

نویسندگان [English]

  • Bahareh Nowruzi 1
  • Parya Roohi 2
  • Saba Aansari 2

1 Associate professor, Department of Biology, SR.C., Islamic Azad University, Tehran, Iran.

2 Department of Biology, SR.C, Islamic Azad University, Tehran, Iran.

چکیده [English]

Background and Objective: The extensive use of chemical pesticides, despite improving crop yields, has led to persistent contamination of water and soil, biodiversity decline, and human health risks. Microalgae and cyanobacteria offer a dual functionality—production of biopesticides and degradation of pollutants—yet an integrated analytical comparison of these roles is lacking. This review aimed to analyze the evidence to identify which strains and metabolites possess the greatest potential to replace or reduce high-risk chemical pesticides, and to highlight existing research gaps.

Materials and Methods: This narrative and integrative review searched PubMed, Scopus, Web of Science, and Google Scholar for articles published between 2020 and 2025 using the keywords "microalgae," "cyanobacteria," "biodegradation," "bioremediation," and "biopesticide." Studies were included if they provided quantitative data on pesticidal efficacy or enzymatic degradation rates and clearly identified the algal or cyanobacterial strain. From approximately 100 retrieved records, 58 met the inclusion criteria. Extracted evidence was organized and analyzed by pesticide class, mechanism of action, and algal strain."

Results: The analysis revealed that Spirulina platensis and Sargassum wightii exhibited the highest insecticidal and antibacterial activity in vitro, respectively, whereas Nostoc muscorum and Coleofasciculus chthonoplastes were most efficient in degrading organophosphate pesticides (chlorpyrifos and malathion). Notably, field-condition degradation rates were, on average, 45% lower than laboratory-based data. The predominant pesticidal mechanism was photosynthetic inhibition via cyanobacterin, while enzymatic degradation was primarily driven by phosphotriesterase-mediated hydrolysis. A critical research gap identified was the lack of pilot-scale studies on combined formulations and chronic toxicity assessments on non-target organisms. The overall evidence weighting suggests that current research prioritizes "biodegradation," while "biopesticide development" remains at an early stage.

Conclusion: This review confirms the proven dual potential of microalgae and cyanobacteria in biopesticide production and pesticide bioremediation. However, bridging the gap between laboratory success and field application necessitates targeted research on formulation optimization, environmental stability of metabolites, and long-term safety evaluations.
 
Open Access Policy: This is an open access article under the terms of the Creative Commons Attribution License, which permits use, distribution and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. To view a copy of this licence, visit https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

کلیدواژه‌ها [English]

  • Crop Protection
  • Cyanobacteria
  • Environmental Biodegradation
  • Microalgae
  • Pesticides
مراجع
  1. Kole R, Roy K, Panja B, Sankarganesh E, Mandal T, Worede R. Use of pesticides in agriculture and emergence of resistant pests. Indian J Anim Hlth. 2019;58(2):53-70.
  2. Assey GE, Mgohamwende R, Malasi W. A review of the impact of pesticides pollution on environment including effects, benefits and control. Journal of Pollution Effects and Control. 2021;9:282.
  3. Bose S, Kumar PS, Vo D-VN, Rajamohan N, Saravanan R. Microbial degradation of recalcitrant pesticides: a review. Environmental Chemistry Letters. 2021;19(4):3209-28.
  4. Sharma A, Kumar V, Shahzad B, Tanveer M, Sidhu GPS, Handa N, et al. Worldwide pesticide usage and its impacts on ecosystem. SN Applied Sciences. 2019;1(11):1446.
  5. Vijayan PN, Das MM, Haridas M, Sabu A. Cyanobacterial Degradation of Pesticides. Waste-to-Wealth: CRC Press; 2024. p. 50-60.
  6. Asimakis E, Shehata AA, Eisenreich W, Acheuk F, Lasram S, Basiouni S, et al. Algae and their metabolites as potential bio-pesticides. Microorganisms. 2022;10(2):307.
  7. Rajmohan KS, Chandrasekaran R, Varjani S. A review on occurrence of pesticides in environment and current technologies for their remediation and management. Indian journal of microbiology. 2020;60(2):125-38.
  8. Vijayan P N, Abdulhameed S. Cyanobacterial degradation of organophosphorus pesticides. Valorisation of Agro-industrial Residues–Volume I: Biological Approaches: Springer; 2020. p. 239-55.
  9. Nowruzi B, Beiranvand H, Rahmani R, Al-Tayeb SS, Khafri AAZ. Study of the Effect of Autotrophic and Mixotrophic Culture Media on Heavy Metal Uptake by Fischerella sp. and Desmonostoc alborizicum. Acta Biologica Slovenica. 2025;68(4). (persian)
  10. Huang Y, Xiao L, Li F, Xiao M, Lin D, Long X, et al. Microbial degradation of pesticide residues and an emphasis on the degradation of cypermethrin and 3-phenoxy benzoic acid: a review. Molecules. 2018;23(9):2313.
  11. Vijayan NP, Ali SH, Madathilkovilakathu H, Abdulhameed S. Chlorpyrifos-degrading cyanobacterium–Coleofasciculus chthonoplastes isolated from paddy field. International Journal of Environmental Studies. 2020;77(2):307-17.
  12. Zhang W, Lin Z, Pang S, Bhatt P, Chen S. Insights into the biodegradation of lindane (γ-hexachlorocyclohexane) using a microbial system. Frontiers in microbiology. 2020;11:522.
  13. Tudi M, Daniel Ruan H, Wang L, Lyu J, Sadler R, Connell D, et al. Agriculture development, pesticide application and its impact on the environment. International journal of environmental research and public health. 2021;18(3):1112.
  14. Jiang B, Zhang N, Xing Y, Lian L, Chen Y, Zhang D, et al. Microbial degradation of organophosphorus pesticides: novel degraders, kinetics, functional genes, and genotoxicity assessment. Environmental Science and Pollution Research. 2019;26(21):21668-81.
  15. Touliabah HE-S, El-Sheekh MM, Ismail MM, El-Kassas H. A review of microalgae-and cyanobacteria-based biodegradation of organic pollutants. Molecules. 2022;27(3):1141.
  16. Nowruzi B, Alibabaei M. The biogeography of terrestrial algae: global patterns and local variations. Aerophytic Algae and Cyanobacteria: Elsevier; 2026. p. 31-45. (persian)
  17. Gӓrtner G, Stoyneva-Gӓrtner M, Uzunov B. Algal toxic compounds and their aeroterrestrial, airborne and other extremophilic producers with attention to soil and plant contamination: A review. Toxins. 2021;13(5):322.
  18. Kondi V, Sabbani V, Alluri R, Karumuri TSK, Chawla P, Dasarapu S, et al. Cyanobacteria as potential bio resources for multifaceted sustainable utilization. New and Future Developments in Microbial Biotechnology and Bioengineering. 2022:73-87.
  19. Singh JS, Kumar A, Singh M. Cyanobacteria: a sustainable and commercial bio-resource in production of bio-fertilizer and bio-fuel from waste waters. Environmental and Sustainability Indicators. 2019;3:100008.
  20. Kumar J, Singh D, Tyagi MB, Kumar A. Cyanobacteria: applications in biotechnology. Cyanobacteria: Elsevier; 2019. p. 327-46.
  21. Ji YB, Chen WJ, Shan TZ, Sun BY, Yan PC, Jiang W. Antibacterial diphenyl ether, benzophenone and xanthone derivatives from Aspergillus flavipes. Chemistry & Biodiversity. 2020;17(2):e1900640.
  22. Malyan SK, Singh S, Bachheti A, Chahar M, Sah MK, Kumar A, et al. Cyanobacteria: a perspective paradigm for agriculture and environment. New and future developments in microbial biotechnology and bioengineering: Elsevier; 2020. p. 215-24.
  23. Rushdi MI, Abdel-Rahman IA, Saber H, Attia EZ, Abdelraheem WM, Madkour HA, et al. Pharmacological and natural products diversity of the brown algae genus Sargassum. RSC advances. 2020;10(42):24951-72.
  24. Hamed SM, Abd El-Rhman AA, Abdel-Raouf N, Ibraheem IB. Role of marine macroalgae in plant protection & improvement for sustainable agriculture technology. Beni-Suef University Journal of Basic and Applied Sciences. 2018;7(1):104-10.
  25. O’Keeffe E, Hughes H, McLoughlin P, Tan S, McCarthy N. Antibacterial activity of seaweed extracts against plant pathogenic bacteria. J Bacteriol Mycol. 2019;6(3):1105.
  26. Musarra-Pizzo M, Pennisi R, Ben-Amor I, Mandalari G, Sciortino MT. Antiviral activity exerted by natural products against human viruses. Viruses. 2021;13(5):828.
  27. Kumar A, Soratur A, Kumar S, Venmathi Maran BA. A review of marine algae as a sustainable source of antiviral and anticancer compounds. Macromol. 2025;5(1):11.
  28. Aziz E, Batool R, Khan MU, Rauf A, Akhtar W, Heydari M, et al. An overview on red algae bioactive compounds and their pharmaceutical applications. Journal of complementary and Integrative Medicine. 2020;17(4).
  29. Liyanage N, Nagahawatta D, Jayawardena TU, Sanjeewa KKA, Jayawrdhana H, Kim J-I, et al. Sulfated polysaccharides from seaweeds: A promising strategy for combatting viral diseases—A review. Marine Drugs. 2023;21(9):461.
  30. Moga MA, Dima L, Balan A, Blidaru A, Dimienescu OG, Podasca C, et al. Are bioactive molecules from seaweeds a novel and challenging option for the prevention of HPV infection and cervical cancer therapy?—A review. International journal of molecular sciences. 2021;22(2):629.
  31. Pourakbar L, Moghaddam SS, Enshasy HAE, Sayyed RZ. Antifungal activity of the extract of a macroalgae, Gracilariopsis persica, against four plant pathogenic fungi. Plants. 2021;10(9):1781.
  32. Soliman AS, Ahmed A, Abdel-Ghafour SE, El-Sheekh MM, Sobhy HM. Antifungal bio-efficacy of the red algae Gracilaria confervoides extracts against three pathogenic fungi of cucumber plant. Middle East J Appl Sci. 2018;8(3):727-35.
  33. Chaïb S, Pistevos JC, Bertrand C, Bonnard I. Allelopathy and allelochemicals from microalgae: An innovative source for bio-herbicidal compounds and biocontrol research. Algal Research. 2021;54:102213.
  34. Becker S, Tebben J, Coffinet S, Wiltshire K, Iversen MH, Harder T, et al. Laminarin is a major molecule in the marine carbon cycle. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2020;117(12):6599-607.
  35. Ziane SO, Imehli Z, Talibi ZEA, Koraichi SI, Meddich A, El Modafar C. Biocontrol of tomato Verticillium wilt disease by plant growth-promoting bacteria encapsulated in alginate extracted from brown seaweed. International Journal of Biological Macromolecules. 2024;276:133800.
  36. López-Arellanes ME, López-Pacheco LD, Elizondo-Luevano JH, González-Meza GM. Algae and Cyanobacteria Fatty Acids and Bioactive Metabolites: Natural Antifungal Alternative Against Fusarium sp. Microorganisms. 2025;13(2):439.
  37. De Corato U, Salimbeni R, De Pretis A, Avella N, Patruno G. Antifungal activity of crude extracts from brown and red seaweeds by a supercritical carbon dioxide technique against fruit postharvest fungal diseases. Postharvest Biology and Technology. 2017;131:16-30.
  38. El-Nuby AS, Afia AI, Alam EA. In vitro evaluation of the toxicity of different extracts of some marine algae against root-knot nematode (Meloidogyne incognita). Pakistan Journal of Phytopathology. 2021;33(1).
  39. El Bestawy E. Efficiency of immobilized cyanobacteria in heavy metals removal from industrial effluents. Desalination and Water Treatment. 2019;159:66-78.
  40. Nowruzi B, Porzani SJ. Toxic compounds produced by cyanobacteria belonging to several species of the order Nostocales: A review. Journal of Applied Toxicology. 2021;41(4):510-48. (persian)
  41. Rima M, Chbani A, Roques C, El Garah F, editors. Comparative study of the insecticidal activity of a high green plant (Spinacia oleracea) and a chlorophytae algae (Ulva lactuca) extracts against Drosophila melanogaster fruit fly. Annales pharmaceutiques francaises; 2021: Elsevier.
  42. Brêda-Alves F, de Oliveira Fernandes V, Chia MA. Understanding the environmental roles of herbicides on cyanobacteria, cyanotoxins, and cyanoHABs. Aquatic Ecology. 2021;55(2):347-61.
  43. Bhandari G, Sharma M, Negi S, Gangola S, Bhatt P, Chen S. System biology analysis of endosulfan biodegradation in bacteria and its effect in other living systems: modeling and simulation studies. Journal of Biomolecular Structure and Dynamics. 2022;40(23):13171-83.
  44. López-González D, Ledo D, Cabeiras-Freijanes L, Verdeguer M, Reigosa MJ, Sánchez-Moreiras AM. Phytotoxic activity of the natural compound norharmane on crops, weeds and model plants. Plants. 2020;9(10):1328.
  45. Jamiołkowska A. Natural compounds as elicitors of plant resistance against diseases and new biocontrol strategies. Agronomy. 2020;10(2):173.
  46. Chen J, Yang J, Du H, Aslam M, Wang W, Chen W, et al. Laminarin, a major polysaccharide in stramenopiles. Marine Drugs. 2021;19(10):576.
  47. Holken Lorensi G, Soares Oliveira R, Leal AP, Zanatta AP, Moreira de Almeida CG, Barreto YC, et al. Entomotoxic activity of Prasiola crispa (Antarctic algae) in Nauphoeta cinerea cockroaches: identification of Main steroidal compounds. Marine drugs. 2019;17(10):573.
  48. Ruan J, Zhou Y, Zhou M, Yan J, Khurshid M, Weng W, et al. Jasmonic acid signaling pathway in plants. International journal of molecular sciences. 2019;20(10):2479.
  49. Brilisauer K, Rapp J, Rath P, Schöllhorn A, Bleul L, Weiß E, et al. Cyanobacterial antimetabolite 7-deoxy-sedoheptulose blocks the shikimate pathway to inhibit the growth of prototrophic organisms. Nature communications. 2019;10(1):545.
  50. Rapp J, Wagner B, Brilisauer K, Forchhammer K. In vivo inhibition of the 3-dehydroquinate synthase by 7-deoxysedoheptulose depends on promiscuous uptake by sugar transporters in cyanobacteria. Frontiers in Microbiology. 2021;12:692986.
  51. Nowruzi B, Norouzi R, Norouzi R, Norouzi R. Effects of plasma-activated water on copper, chromium, and nickel bioremediation by Alborzia kermanshahica. Heliyon. 2026;12(1). (persian)
مجله پژوهش در بهداشت محیط

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از تاریخ 09 خرداد 1405
فایل ها
هم رسانی
ارجاع به این مقاله
آمار