Summary

קביעת קליטה, טרנסלוקציה והפצה של אימידקלופריד בחיטה

Published: April 28, 2023
doi:

Summary

מוצג כאן פרוטוקול לקביעת בליעה, טרנסלוקציה והפצה של אימידקלופריד בחיטה בתנאים הידרופוניים באמצעות ספקטרומטריית מסות כרומטוגרפיה-טנדם נוזלית (LC-MS-MS). התוצאות הראו כי אימידקלופריד יכול להיספג על ידי חיטה, ואימידקלופריד זוהה הן בשורשי החיטה והן בעלים.

Abstract

ניאוניקוטינואידים, סוג של קוטלי חרקים, נמצאים בשימוש נרחב בגלל דרכי הפעולה החדשות שלהם, פעילות קוטלת חרקים גבוהה וספיגת שורשים חזקה. אימידקלופריד, קוטל החרקים הנפוץ ביותר בעולם, הוא ניאוניקוטינואידים מייצגים מהדור הראשון ומשמש להדברת יבולים, ירקות ועצי פרי. עם יישום כה רחב של אימידקלופריד, השאריות שלו בגידולים משכו בדיקה הולכת וגוברת. במחקר הנוכחי, 15 שתילי חיטה הונחו בתווך תרבית המכיל 0.5 מ”ג / ליטר או 5 מ”ג / ליטר אימידקלופריד עבור הידרוקולטור. התוכן של imidacloprid בשורשי חיטה ועלים נקבע לאחר 1 יום, 2 ימים, ו 3 ימים של hydroculture כדי לחקור את ההגירה וההפצה של imidacloprid בחיטה. התוצאות הראו כי אימידקלופריד זוהה הן בשורשים והן בעלים של צמח החיטה, ותכולת האימידקלופריד בשורשים הייתה גבוהה מזו שבעלים. יתר על כן, ריכוז האימידקלופריד בחיטה עלה ככל שזמן החשיפה גדל. לאחר 3 ימים של חשיפה, השורשים והעלים של החיטה בקבוצת הטיפול של 0.5 מ”ג/ליטר הכילו 4.55 מ”ג/ק”ג ±-1.45 מ”ג/ק”ג ו-1.30 מ”ג/ק”ג ±-0.08 מ”ג/ק”ג אימידקלופריד, בהתאמה, בעוד שהשורשים והעלים של קבוצת הטיפול 5 מ”ג/ל’ הכילו 42.5 מ”ג/ק”ג ±-0.62 מ”ג/ק”ג ו-8.71 מ”ג/ק”ג ±-0.14 מ”ג/ק”ג אימידקלופריד, בהתאמה. תוצאות המחקר הנוכחי מאפשרות הבנה טובה יותר של שאריות חומרי הדברה בגידולים חקלאיים ומספקות התייחסות לנתונים להערכת סיכונים סביבתיים של חומרי הדברה.

Introduction

באגרונומיה של ימינו, השימוש בחומרי הדברה חיוני להגדלת תנובת היבול. קוטלי חרקים ניאוניקוטינואידים משנים את האיזון הפוטנציאלי של הממברנה על ידי שליטה בקולטני אצטילכולין ניקוטיניים במערכת העצבים של החרקים, ובכך מעכבים את ההולכה הרגילה של מערכת העצבים המרכזית של החרק, מה שמוביל לשיתוק ומוות של החרקים1. בהשוואה לקוטלי חרקים מסורתיים, לנאוניקוטינואידים יש יתרונות כגון דרכי פעולה חדשניות, פעילות קוטלת חרקים גבוהה וספיגת שורשים חזקה, מה שהופך אותם למוצלחים מאוד בשוק חומרי ההדברה 2,3. היקף המכירות של ניאוניקוטינואידים דווח כ-27% משוק חומרי ההדברה העולמי בשנת 2014. שיעור הגידול השנתי הממוצע של ניאוניקוטינואידים היה 11.4% בין השנים 2005 ל -2010, מתוכם כ -7% נרשמו בסין 4,5,6. מסוף 2016 ועד המחצית הראשונה של 2017, מכירות חומרי ההדברה בסין החלו להתאושש לאחר ירידה, ומחירי חומרי ההדברה המשיכו לעלות, ביניהם קוטלי חרקים ניאוניקוטינואידים הראו עליית מחירים משמעותית7. עד כה פותחו שלושה דורות של קוטלי חרקים ניאוניקוטינואידים, שכל אחד מהם מכיל קבוצות ניקוטין פירידין כלוריד, תיאזוליל, וטטרהידרופורן, בהתאמה8.

Imidacloprid מייצג את הדור הראשון של קוטלי חרקים neonicotinoid, אשר הנוסחה המולקולרית שלה היא C9H10ClN5O2, והוא גביש חסר צבע. אימידקלופריד משמש בעיקר להדברת מזיקים, כגון כנימות, פלנטהופרים, תולעי קמח ותריפס9 וניתן ליישם אותו על גידולים כגון אורז, חיטה, תירס, כותנה וירקות כגון תפוחי אדמה, כמו גם עצי פרי. בשל היישום ארוך הטווח, המשמעותי והמתמשך של חומרי הדברה, הן החרקים המועילים והן האויבים הטבעיים של המזיקים צומצמו במהירות, וחלק מהמזיקים החקלאיים הפכו עמידים לחומרי הדברה, וכתוצאה מכך נוצר מעגל קסמים של שימוש מתמשך והולך בכמויות של חומרי הדברה10. בנוסף, היישום הנרחב של חומרי הדברה הביא להידרדרות באיכות הקרקע, לשאריות מתמשכות של חומרי הדברה בתוצרת חקלאית ולבעיות אקולוגיות אחרות, שלא זו בלבד שהן גורמות נזק משמעותי לסביבה האקולוגית החקלאית11 אלא גם מהוות איום חמור על בריאות האדם12. ריסוס חומרי הדברה פוגע קשות בגדילה ובאיכות של מיקרובי קרקע ובעלי חיים בקרקע13. שימוש בלתי סביר או מופרז בחומרי הדברה גרם לסיכונים ביטחוניים משמעותיים לקרקע ולמים, לבעלי חיים ולצמחים ואף לחיי אדם14. בשנים האחרונות החריפה בעיית שאריות היתר של חומרי הדברה בגידולים חקלאיים עם השימוש הנרחב בחומרי הדברה. כאשר השתמשו באימידקלופריד להגדלת תנובת הירקות, שיעור הספיגה של אימידקלופריד בירקות עלה עם העלייה בכמות ובשאריות של אימידקלופריד15. כיבול מזון עיקרי, הן הייצור והן הבטיחות של חיטה הם קריטיים. לכן, יש להבהיר את מדיניות השאריות וההפצה של חומרי הדברה המשמשים לחיטה.

בשנים האחרונות פותחו שיטות רבות למיצוי שאריות אימידקלופריד ממים, אדמה וצמחים. שיטת QuEChERS (מהירה, קלה, זולה, יעילה, מוקשחת ובטוחה) היא שיטה חדשה המשלבת טכנולוגיית מיקרו-מיצוי בשלב מוצק וטכנולוגיית מיצוי שלב מוצק מפוזר וכוללת שימוש באצטוניטריל כממס מיצוי והסרת זיהומים ומים מעורבים בדגימה באמצעות NaCl ו- MgSO4 נטול מים, בהתאמה16. שיטת QuEChERS דורשת מינימום כלי זכוכית וכוללת שלבים ניסיוניים פשוטים, מה שהופך אותה לאחת משיטות מיצוי חומרי ההדברה הפופולריות ביותר17. עבור זיהוי של imidacloprid, מגבלת גילוי נמוכה כמו 1 × 10-9 גרם18 הושגה עם כרומטוגרפיה נוזלית (LC), ו 1 × 10-11 גרם 19 הושג עם כרומטוגרפיית גז (GC). בשל הרזולוציה הגבוהה והרגישות שלהם, LC-MS ו- GC-MS הראו מגבלות זיהוי imidacloprid נמוכות עוד יותר של 1 × 10-13 ל- 1 × 10-14 גרם20,21; טכניקות אלה, אם כן, מתאימות היטב לניתוח של עקבות imidacloprid שאריות.

במחקר הנוכחי, אימידקלופריד נבחר כמזהם המטרה, וחיטה נבחרה כיבול הניסוי לחקר התפלגות שאריות אימידקלופריד בחיטה. פרוטוקול זה מפרט שיטה לניתוח מקיף של העשרה והעברה של חומר ההדברה אימידקלופריד בחיטה על ידי בחינת קליטה ואחסון של אימידקלופריד בחלקים שונים של צמחי חיטה הגדלים בתנאים הידרופוניים. המחקר הנוכחי נועד לספק בסיס תיאורטי להערכת סיכונים של שאריות חומרי הדברה בחיטה, להנחות את היישום הרציונלי של חומרי הדברה בפעילות הייצור החקלאי כדי להפחית את שאריות חומרי ההדברה ולשפר את בטיחות ייצור היבול.

Protocol

1. נביטה של זרעי חיטה בחר 1,000 זרעי חיטה (ג’ימאי 20) עם גרגירים שלמים, עוברים שלמים וגודל אחיד (אורך: 6 מ”מ ± 0.5 מ”מ). להעביר 333.3 מ”ל של 30% H 2 O2 פתרון לבקבוק נפח 1 L ולדלל עם מים deionized להכין 1 L של 10% H 2 O 2פתרון. טבלו את זרעי החיטה בתמיסת 10% H 2O2 למשך 15 דקו?…

Representative Results

מגבלת הזיהוי של אימידקלופריד (LOD) הייתה 5.76 ×-10-14 גרם, ו-LOD של אימידקלופריד בשורש החיטה או בעלה היה 0.01 מיקרוגרם/ק”ג; לא נצפה אפקט מטריצה. יבולי ההתאוששות של אימידקלופריד בחיטה מוצגים בטבלה 2. יבולי ההתאוששות של אימידקלופריד משורשי חיטה שנחשפו לריכוזי אימידקלופריד של 0.5 מ”ג/ליטר ו…

Discussion

בשנים האחרונות דווחו לעתים קרובות שיטות לטיפול מקדים ואיתור שאריות של חומר ההדברה אימידקלופריד. Badawy et al.23 השתמשו בכרומטוגרפיה נוזלית בעלת ביצועים גבוהים כדי לקבוע את התוכן של אימידקלופריד בפרי עגבניות שגדל בתנאי חממה ודיווחו על ליניאריות טובה עבור אימידקלופריד בטווח 0.0125-0.15…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

עבודה זו נתמכה על ידי הקרן הלאומית למדעי הטבע של סין (מס ‘42277039).

Materials

Acetonitrile Sigma-Aldrich (Shanghai) Trading Co. Ltd. 01-06-1995 Suitable for HPLC, gradient grade, >99.9%
Analytical balance Sartorius Lab Instruments Co.Ltd. GL124-1SCN
Artificial climate incubator   Shanghai Badian Instrument Equipment Co. Ltd. HK320
Centrifuge Eppendorf China Co. Ltd. Centrifuge5804
Disposable syringe Sigma-Aldrich (Shanghai) Trading Co. Ltd. Z116866 Capacity 5 mL, graduated 0.2 mL, non-sterile
Formic acid Sigma-Aldrich (Shanghai) Trading Co. Ltd. Y0001970 European pharmacopoeia reference standard
Graphitized carbon black (GCB) Sigma-Aldrich (Shanghai) Trading Co. Ltd. V900058 45 μm
H2O2 Sigma-Aldrich (Shanghai) Trading Co.Ltd. 31642 30% (w/w)
Hoagland’s Basal Salt Mixture Shanghai Yu Bo Biotech Co. Ltd. NS1011 Anhydrous, reagent grade
Hydroponic equipment Jiangsu Rongcheng Agricultural Science and Technology Development Co.Ltd. SDZ04BD
Hypersil BDS C18 column Thermo Fisher Scientific (China) Co. Ltd. 28103-102130
Imidacloprid Sigma-Aldrich (Shanghai) Trading Co. Ltd. Y0002028 European pharmacopoeia reference standard
MgSO4 Sigma-Aldrich (Shanghai) Trading Co. Ltd. 208094 Anhydrous, reagent grade, >97%
NaCl Sigma-Aldrich (Shanghai) Trading Co.Ltd. S9888 Reagent grade, 99%
pH meter Shanghai Thunder Magnetic Instrument Factory PHSJ-3F
Phytotron box Harbin Donglian Electronic Technology Co. Ltd. HPG-280B
Pipettes Eppendorf China Co. Ltd. Research plus
Syringe filter Sigma-Aldrich (Shanghai) Trading Co.Ltd. SLGV033N Nylon, 0.22 µm pore size, 33 mm, non-sterile
Ultra performance liquid chromatography tandem triple quadrupole mass spectrometry Thermo Fisher Scientific (China) Co. Ltd. UltiMate 3000
TSQ Quantum Access MAX
Vortex mixer Shanghai Yetuo Technology Co. Ltd. Vortex-2
Wheat seed LuKe seed industry Jimai 20

Riferimenti

  1. Lin, P. C., Lin, H. J., Liao, Y. Y., Guo, H. R., Chen, K. T. Acute poisoning with neonicotinoid insecticides: A case report and literature review. Basic & Clinical Pharmacology & Toxicology. 112 (4), 282-286 (2013).
  2. North, J. H., et al. Value of neonicotinoid insecticide seed treatments in Mid-South corn (Zea mays) production systems. Journal of Economic Entomology. 111 (1), 187-192 (2018).
  3. Simon-Delso, N., et al. Systemic insecticides (neonicotinoids and fipronil): Trends, uses, mode of action and metabolites. Environmental Science and Pollution Research. 22 (1), 5-34 (2015).
  4. Bass, C., Denholm, I., Williamson, M. S., Nauen, R. The global status of insect resistance to neonicotinoid insecticides. Pesticide Biochemistry and Physiology. 121, 78-87 (2015).
  5. Craddock, H. A., Huang, D., Turner, P. C., Quiros-Alcala, L., Payne-Sturges, D. C. Trends in neonicotinoid pesticide residues in food and water in the United States, 1999-2015. Environmental Health. 18 (1), 7 (2019).
  6. Shao, X. S., Liu, Z. W., Xu, X. Y., Li, Z., Qian, X. H. Overall status of neonicotinoid insecticides in China: Production, application and innovation. Journal of Pesticide Science. 38 (1-2), 1-9 (2013).
  7. Zhao, Y., et al. Urinary neonicotinoid insecticides in children from South China: Concentrations, profiles and influencing factors. Chemosphere. 291, 132937 (2022).
  8. Kurwadkar, S., Evans, A. Neonicotinoids: Systemic insecticides and systematic failure. Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology. 97 (6), 745-748 (2016).
  9. Sadaria, A. M., et al. Passage of fiproles and imidacloprid from urban pest control uses through wastewater treatment plants in northern California, USA. Environmental Toxicology and Chemistry. 36 (6), 1473-1482 (2017).
  10. Damalas, C. A., Eleftherohorinos, I. G. Pesticide exposure, safety issues, and risk assessment indicators. International Journal of Environmental Research and Public Health. 8 (5), 1402-1419 (2011).
  11. Hayes, T. B., et al. Demasculinization and feminization of male gonads by atrazine: Consistent effects across vertebrate classes. Journal of Steroid Biochemistry and Molecular Biology. 127 (1-2), 64-73 (2011).
  12. Rani, L., et al. An extensive review on the consequences of chemical pesticides on human health and environment. Journal of Cleaner Production. 283, 124657 (2021).
  13. Xu, Y. Q., et al. Ecotoxicity evaluation of azoxystrobin on Eisenia fetida in different soils. Environmental Research. 194, 110705 (2021).
  14. Yavari, S., Malakahmad, A., Sapari, N. B. Biochar efficiency in pesticides sorption as a function of production variables-A review. Environmental Science and Pollution Research. 22 (18), 13824-13841 (2015).
  15. Delcour, I., Spanoghe, P., Uyttendaele, M. Literature review: Impact of climate change on pesticide use. Food Research International. 68, 7-15 (2015).
  16. Zhang, C. Y., et al. The application of the QuEChERS methodology in the determination of antibiotics in food: A review. TrAC-Trends in Analytical Chemistry. 118, 517-537 (2019).
  17. Wiilkowska, A., Biziuk, M. Determination of pesticide residues in food matrices using the QuEChERS methodology. Food Chemistry. 125 (3), 803-812 (2011).
  18. Ishii, Y., et al. HPLC determination of the new insecticide imidacloprid and its behavior in rice and cucumber. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 42 (12), 2917-2921 (1994).
  19. Ko, A. Y., et al. Development of a simple extraction and oxidation procedure for the residue analysis of imidacloprid and its metabolites in lettuce using gas chromatography. Food Chemistry. 148, 402-409 (2014).
  20. Yuan, W. L., et al. Application of imidacloprid controlled-release granules to enhance the utilization rate and control wheat aphid on winter wheat. Journal of Integrative Agriculture. 19 (12), 3045-3053 (2020).
  21. Phugare, S. S., Kalyani, D. C., Gaikwad, Y. B., Jadhav, J. P. Microbial degradation of imidacloprid and toxicological analysis of its biodegradation metabolites in silkworm (Bombyx mori). Chemical Engineering Journal. 230, 27-35 (2013).
  22. Li, Y., et al. Uptake, translocation and accumulation of imidacloprid in six leafy vegetables at three growth stages. Ecotoxicology and Environmental Safety. 164, 690-695 (2018).
  23. Badawy, M. E. I., Ismail, A. M. E., Ibrahim, A. I. H. Quantitative analysis of acetamiprid and imidacloprid residues in tomato fruits under greenhouse conditions. Journal of Environmental Science and Health Part B-Pesticides Food Contaminants and Agricultural Wastes. 54 (11), 898-905 (2019).
  24. Zhai, R. Q., et al. Residue, dissipation pattern, and dietary risk assessment of imidacloprid in Chinese chives. Frontiers in Nutrition. 9, 846333 (2022).
  25. Aria, M. M., et al. Uptake and translocation monitoring of imidacloprid to chili and tomato plants by molecularly imprinting extraction – ion mobility spectrometry. Microchemical Journal. 144, 195-202 (2019).
  26. Chen, Y., et al. Translocation and metabolism of imidacloprid in cabbage: Application of C-14-labelling and LC-QTOF-MS. Chemosphere. 263, 127928 (2021).
  27. Wild, S., Jones, K. Organic chemicals entering agricultural soils in sewage sludges: Screening for their potential to transfer to crop plants and livestock. Science of the Total Environment. 119, 85-119 (1992).
  28. Gong, W. W., et al. Uptake and dissipation of metalaxyl-M, fludioxonil, cyantraniliprole and thiamethoxam in greenhouse chrysanthemum. Environmental Pollution. 257, 113499 (2020).

Play Video

Citazione di questo articolo
Wang, J., Cheng, C., Zhao, C., Wang, L. Determination of the Absorption, Translocation, and Distribution of Imidacloprid in Wheat. J. Vis. Exp. (194), e64741, doi:10.3791/64741 (2023).

View Video