Summary
Hier wordt een protocol gepresenteerd voor de bepaling van de absorptie, translocatie en distributie van imidacloprid in tarwe onder hydroponische omstandigheden met behulp van vloeistofchromatografie-tandem massaspectrometrie (LC-MS-MS). De resultaten toonden aan dat imidacloprid kan worden opgenomen door tarwe, en imidacloprid werd gedetecteerd in zowel de tarwewortels als de bladeren.
Abstract
Neonicotinoïden, een klasse van insecticiden, worden veel gebruikt vanwege hun nieuwe werkingsmechanismen, hoge insecticide activiteit en sterke wortelopname. Imidacloprid, het meest gebruikte insecticide wereldwijd, is een representatieve eerste generatie neonicotinoïde en wordt gebruikt bij ongediertebestrijding voor gewassen, groenten en fruitbomen. Met zo'n brede toepassing van imidacloprid heeft het residu ervan in gewassen steeds meer aandacht gekregen. In deze studie werden 15 tarwezaailingen geplaatst in een kweekmedium dat 0,5 mg/l of 5 mg/l imidacloprid voor hydrocultuur bevatte. Het gehalte aan imidacloprid in de tarwewortels en bladeren werd bepaald na 1 dag, 2 dagen en 3 dagen hydrocultuur om de migratie en distributie van imidacloprid in tarwe te onderzoeken. De resultaten toonden aan dat imidacloprid zowel in de wortels als in de bladeren van de tarweplant werd gedetecteerd en dat het gehalte aan imidacloprid in de wortels hoger was dan dat in de bladeren. Bovendien nam de imidaclopridconcentratie in de tarwe toe met toenemende blootstellingstijd. Na 3 dagen blootstelling bevatten de wortels en bladeren van de tarwe in de behandelingsgroep van 0,5 mg/l respectievelijk 4,55 mg/kg ± 1,45 mg/kg en 1,30 mg/kg ± 0,08 mg/kg imidacloprid, terwijl de wortels en bladeren van de behandelingsgroep van 5 mg/l respectievelijk 42,5 mg/kg ± 0,62 mg/kg en 8,71 mg/kg ± 0,14 mg/kg imidacloprid bevatten, respectievelijk. De resultaten van deze studie maken een beter begrip van residuen van bestrijdingsmiddelen in gewassen mogelijk en bieden een gegevensreferentie voor de milieurisicobeoordeling van pesticiden.
Introduction
In de huidige agronomie is het gebruik van pesticiden essentieel om de gewasopbrengst te verhogen. Neonicotinoïde insecticiden veranderen de membraanpotentiaalbalans door nicotine-acetylcholinereceptoren in het zenuwstelsel van insecten te beheersen, waardoor de normale geleiding van het centrale zenuwstelsel van het insect wordt geremd, wat leidt tot de verlamming en de dood van de insecten1. In vergelijking met traditionele insecticiden hebben neonicotinoïden voordelen zoals nieuwe werkingsmechanismen, hoge insecticide activiteit en sterke wortelabsorptie, waardoor ze zeer succesvol zijn in de pesticidenmarkt 2,3. Het verkoopvolume van neonicotinoïden was in 2014 naar verluidt goed voor 27% van de wereldwijde pesticidenmarkt. De gemiddelde jaarlijkse groei van neonicotinoïden was 11,4% van 2005 tot 2010, waarvan ongeveer 7% werd geregistreerd in China 4,5,6. Van eind 2016 tot de eerste helft van 2017 begon de verkoop van pesticiden in China zich te herstellen na een daling en bleven de prijzen van pesticiden stijgen, waaronder neonicotinoïde insecticiden een aanzienlijke prijsstijging vertoonden7. Tot nu toe zijn drie generaties neonicotinoïde insecticiden ontwikkeld, elk met pyridinechloride, thiazolyl en tetrahydrofurangroepen van nicotine, respectievelijk8.
Imidacloprid vertegenwoordigt de eerste generatie neonicotinoïde insecticiden, waarvan de molecuulformule C9H10ClN5O2 is, en is een kleurloos kristal. Imidacloprid wordt voornamelijk gebruikt om ongedierte te bestrijden, zoals bladluizen, planthoppers, meelwormen en trips9 en kan worden toegepast op gewassen zoals rijst, tarwe, maïs, katoen en groenten zoals aardappelen, evenals fruitbomen. Vanwege de langdurige, substantiële en voortdurende toepassing van pesticiden zijn zowel nuttige insecten als de natuurlijke vijanden van plagen snel verminderd en zijn sommige landbouwplagen resistent geworden tegen pesticiden, wat resulteert in een vicieuze cirkel van het toepassen van voortdurende en toenemende hoeveelheden pesticiden10. Bovendien heeft de uitgebreide toepassing van pesticiden geleid tot een verslechtering van de bodemkwaliteit, persistente residuen van bestrijdingsmiddelen in landbouwproducten en andere ecologische problemen, die niet alleen aanzienlijke schade toebrengen aan het ecologische milieu in de landbouw11 , maar ook een ernstige bedreiging vormen voor de menselijke gezondheid12. Het spuiten van pesticiden heeft een ernstige invloed op de groei en kwaliteit van bodemmicroben en bodemdieren13. Het onredelijke of buitensporige gebruik van pesticiden heeft aanzienlijke veiligheidsrisico's veroorzaakt voor het bodem- en watermilieu, dieren en planten en zelfs het menselijk leven14. In de afgelopen jaren is het probleem van overmatige residuen van bestrijdingsmiddelen in gewassen ernstiger geworden met de uitgebreide toepassing van pesticiden. Wanneer imidacloprid werd gebruikt om de groenteopbrengst te verhogen, nam de absorptiesnelheid van imidacloprid in de groenten toe met de toename van de hoeveelheid en het residu van imidacloprid15. Als belangrijk voedselgewas zijn zowel de productie als de veiligheid van tarwe van cruciaal belang. Daarom moet het residu- en distributiebeleid van pesticiden die voor tarwe worden gebruikt, worden verduidelijkt.
In de afgelopen jaren zijn er veel methoden ontwikkeld om imidaclopridresten uit water, bodem en planten te halen. De QuEChERS-methode (snel, gemakkelijk, goedkoop, effectief, robuust en veilig) is een nieuwe methode die vaste-fase micro-extractietechnologie en gedispergeerde vaste-fase extractietechnologie combineert en omvat het gebruik van acetonitril als extractieoplosmiddel en de verwijdering van gemengde onzuiverheden en water in het monster met behulp van NaCl en watervrij MgSO4, respectievelijk16. De QuEChERS-methode vereist minimaal glaswerk en heeft eenvoudige experimentele stappen, waardoor het een van de meest populaire pesticide-extractiemethoden is17. Voor de detectie van imidacloprid is een detectiegrens van slechts 1 × 10−9 g18 bereikt met vloeistofchromatografie (LC) en 1 × 10−11 g 19 met gaschromatografie (GC). Vanwege hun hoge resolutie en gevoeligheid hebben LC-MS en GC-MS nog lagere imidaclopriddetectielimieten van 1 × 10-13 tot 1 × 10-14 g20,21 laten zien; Deze technieken zijn daarom zeer geschikt voor de analyse van sporenresiduen van imidacloprid.
In deze studie werd imidacloprid gekozen als de doelverontreinigende stof en tarwe werd geselecteerd als het testgewas om de verdeling van imidaclopridresiduen in tarwe te bestuderen. Dit protocol beschrijft een methode voor de uitgebreide analyse van de verrijking en overdracht van het bestrijdingsmiddel imidacloprid in tarwe door de absorptie en opslag van imidacloprid in verschillende delen van tarweplanten die onder hydroponische omstandigheden worden gekweekt, te onderzoeken. Deze studie heeft tot doel een theoretische basis te bieden voor de risicobeoordeling van residuen van bestrijdingsmiddelen in tarwe, de rationele toepassing van pesticiden in landbouwproductieactiviteiten te begeleiden om residuen van bestrijdingsmiddelen te verminderen en de veiligheid van de gewasproductie te verbeteren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Ontkieming van tarwezaden
- Selecteer 1.000 tarwezaden (Jimai 20) met volledige korrels, intacte embryo's en uniforme grootte (lengte: 6 mm ± 0,5 mm).
- Breng 333,3 ml 30% H 2 O 2-oplossing over in een maatkolf van 1 L en verdun met gedeïoniseerd water om 1 l 10% H 2 O 2-oplossing te bereiden. Dompel de tarwezaden gedurende 15 minuten onder in 10% H 2 O2-oplossing om het zaadoppervlak te desinfecteren (figuur 1).
- Spoel de tarwezaden 5x af met stromend steriel water gedurende telkens 10 s.
- Verdeel de tarwezaden gelijkmatig met de embryo's naar boven gericht in een glazen petrischaaltje met vochtig steriel filterpapier (figuur 2). Plaats de petrischaal in een kunstmatige klimaatincubator bij 30 °C en 80% relatieve vochtigheid. Kweek de tarwezaden 3 dagen in het donker totdat ze ontkiemen en wortel schieten.
Figuur 1: Desinfectie van de tarwezaden. De tarwezaden werden gedurende 15 minuten gedrenkt in 10% H 2 O2-oplossing(in een bekerglas) om het zaadoppervlak te desinfecteren. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2: Ontkiemen van de tarwezaden. De tarwezaden werden gelijkmatig verdeeld in een glazen petrischaaltje met vochtig steriel filterpapier. De petrischaal werd in een kunstmatige klimaatincubator geplaatst om de tarwezaden te laten ontkiemen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
2. Teelt van tarwezaailingen
- Los 551 mg basaal zoutmengsel van Hoagland op in 1 L gedeïoniseerd water om 1/2 Hoagland-voedingsoplossing te bereiden (met 0,75 mmol/L K2SO 4, 0,1 mmol/L KCl, 0,6 mmol/L MgSO 4, 4,0 × 10−2 mmol/L FeEDTA, 1,0 × 10−3 mmol/L H 3 BO3, 1,0 × 10−3 mmol/L MnSO4, 1,0 × 10−3 mmol/L ZnSO 4, 1,0 × 10−4 mmol/L CuSO 4 en 5,0 × 10−6 mmol/L Na2 MoO 4).
- Nadat de tarwezaden (stap 1.4) zijn ontkiemd, plaatst u 15 tarwezaailingen in hydrocultuurapparatuur (zie materiaaltabel) met 100 ml 1/2 Hoagland-voedingsoplossing voor hydrocultuur (figuur 3). Plaats het gehele hydrocultuurapparaat in een kunstmatige klimaatincubator (zie materiaaltabel) en incubeer gedurende 7 dagen bij 25 °C en 80% relatieve vochtigheid met een 16 uur licht/8 uur donkere fotoperiode.
Figuur 3: Hydrocultuur van de tarwezaailingen. De tarwezaailingen werden hydroponisch gekweekt gedurende 0 dagen, 3 dagen en 7 dagen in 100 ml 1/2 Hoagland-voedingsoplossing. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
3. Experiment waarbij de tarweplanten worden blootgesteld aan imidacloprid-oplossing
- Na een hydrocultuurperiode van 7 dagen transplanteert u de tarweplanten in 1/2 Hoagland-voedingsoplossing met 0,5 mg / L of 5 mg / L imidacloprid om de blootstellingsexperimenten met imidacloprid uit te voeren. Kweek 15 tarweplanten in elk hydroponisch apparaat. Installeer 15 hydroponische apparaten voor elke imidaclopridconcentratiegroep om ervoor te zorgen dat tijdens de bemonstering voldoende monsters worden genomen.
- Plaats de volledige hydrocultuurapparatuur gedurende 3 dagen in een kunstmatige klimaatincubator bij 25 °C en 80% relatieve vochtigheid met een 16 uur lichte / 8 uur donkere fotoperiode.
- Verzamel gedurende de blootstellingsperiode dagelijks tarwewortels (0,2 g per tarweplant) en bladeren (0,5 g per tarweplant). Integreer de tarwemonsters van elk vijfde hydroponisch apparaat als een parallelle groep en bepaal het imidaclopridgehalte van de monsters.
4. Procedure voor de extractie van imidacloprid uit tarwe
- Extractie van imidacloprid uit tarwewortels
- Om experimentele fouten te voorkomen, wast u de tarwewortels 4x met stromend steriel water gedurende 10 s elke keer om eventuele imidacloprid geadsorbeerd op het worteloppervlak te verwijderen.
- Snipper de tarwewortels met een schaar in stukjes van ongeveer 1 cm (figuur 4). Weeg 10,00 g van de versnipperde tarwewortels af en plaats in een centrifugebuis van 50 ml.
- Voeg 10 ml acetonitril toe aan de centrifugebuis en draai de buis gedurende 1 minuut op een vortexer. Voeg vervolgens 4 g watervrij MgSO4 en 1,5 g NaCl toe aan de centrifugebuis en draai de buis onmiddellijk gedurende 30 s. Centrifugeer de buis gedurende 5 minuten op 6.000 x g.
- Zuig het supernatant op met een wegwerpspuit en laat het door een spuitfilter (poriegrootte van 0,22 μm) lopen om het monster te verkrijgen.
- Extractie van imidacloprid uit tarwebladeren (figuur 5)
- Versnipper de verse tarweblaadjes met een schaar in stukjes van ongeveer 1 cm (figuur 4). Weeg 10,00 g van de versnipperde tarwebladeren af en plaats in een centrifugebuis van 50 ml.
- Voeg 10 ml acetonitril toe aan de centrifugebuis en draai de buis gedurende 1 minuut op een vortexer.
- Voeg 4 g watervrij MgSO4 en 1,5 g NaCl toe aan de centrifugebuis en draai de buis onmiddellijk gedurende 30 s.
- Centrifugeer de buis gedurende 5 minuten op 6.000 x g.
- Voeg na het centrifugeren 2 ml van het supernatant toe aan een centrifugebuis van 5 ml met 50 mg grafitized carbon black (GCB) en 150 mg watervrij MgSO4 (om pigment en vocht uit het monster te verwijderen) en draai de centrifugebuis gedurende 30 s (figuur 6). Centrifugeer de buis gedurende 5 minuten op 6.000 x g.
- Zuig het supernatant op met een wegwerpspuit en laat het door een spuitfilter (poriegrootte van 0,22 μm) lopen om het monster te verkrijgen.
Figuur 4: Versnipperde tarwewortels en bladeren. Verse tarwewortels en bladeren werden met een schaar versnipperd tot stukjes van ongeveer 1 cm. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 5: Extractie van imidacloprid in de tarwebladeren. Imidacloprid in de monsters werd geëxtraheerd met behulp van de QuEChERS-methode (stappen 4.2.1-4.2.4 van het protocol). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 6: Zuivering van imidacloprid in de tarwebladeren. De ontsmettingsmiddel was 50 mg GCB + 150 mg MgSO4. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
5. Kwantificering van imidacloprid
- Kwantificeer het imidacloprid in het monster met behulp van vloeistofchromatografie-tandem massaspectrometrie (LC-MS-MS), gebaseerd op een standaardcurve (y = 696,61x + 56,411, R=1) verkregen uit 0,2-250 μg/L imidaclopridconcentraties. (Figuur 7). De massaspectrometer was uitgerust met een C18-kolom (100 mm x 2,1 mm, 3 μm) en een elektrospray-ionisatiebron (ESI+). Het elutieprogramma en de parameters van de ionenbron zijn weergegeven in tabel 1.
Figuur 7: Chromatogram en massaspectrogram van imidacloprid in de tarwebladeren. Het bovenste paneel toont een chromatogram van imidacloprid (retentietijd = 0,93 min). Het onderste paneel toont het massaspectrogram van imidacloprid op 0,93 min, met de responsintensiteit van de productie (m/z = 208,8) van imidacloprid. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
| Kolom temperatuur | 40 °C |
| Oplosmiddel A | 99,9% water/0,1% mierenzuur (v/v) |
| Oplosmiddel B | Acetonitril |
| Elution programma | 0–0,5 min, A = 20% |
| 0,5-2 min, A = 20%-50% | |
| 2–3 min, A = 50% | |
| 3-3,1 min, A = 50%-20% | |
| 3,1-5 min, A = 20% | |
| Debiet (ml/min) | 0.3 |
| Injectievolume (μL) | 5 |
| Capillaire temperatuur (°C) | 330 |
| Vaporizer temperatuur (°C) | 350 |
| Mantelgasdebiet (Arb) | 40 |
| Aux-gasdebiet (Arb) | 20 |
| Sproeispanning (V) | 3900 |
| Botsingsgasdruk (mTorr) | 1.5 |
| Voorloperion | 256.1 |
| Product ion/Botsingsenergie (eV) | 208.8/16 |
Tabel 1: Elutieprogramma en ionenbronparameters van de vloeistofchromatografie-massaspectrometriemethode.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
De instrumentgrens voor detectie (LOD) van imidacloprid was 5,76 × 10−14 g en de LOD van imidacloprid in de tarwewortel of het blad van de methode was 0,01 μg/kg; Er werd geen matrixeffect waargenomen. De terugwinningsopbrengsten van imidacloprid in tarwe zijn weergegeven in tabel 2. De terugwinningsopbrengsten van imidacloprid uit de tarwewortels blootgesteld aan imidaclopridconcentraties van 0,5 mg/l en 5 mg/l waren respectievelijk 94,0%-97,6% en 98,8%-99,2%; De variatiecoëfficiënten waren respectievelijk 1,92% en 0,20%. De herstelopbrengsten van imidacloprid uit de tarwebladeren blootgesteld aan imidaclopridconcentraties van 0,5 mg/l en 5 mg/l waren respectievelijk 88,2%-91,4% en 92,5%-93,4%; De variatiecoëfficiënten waren respectievelijk 1,85% en 0,53%.
De imidaclopridconcentraties in de tarwewortels en -bladeren zijn weergegeven in tabel 3. Imidacloprid werd gedetecteerd in zowel de tarwewortels als de bladeren, met een hoger gehalte in de wortels dan in de bladeren. Het imidaclopridgehalte nam toe met een langere belichtingstijd. Na 3 dagen blootstelling waren de hoeveelheden imidacloprid in de tarwewortels en -bladeren respectievelijk 4,55 mg/kg ± 1,45 mg/kg en 1,30 mg/kg ± 0,08 mg/kg in de behandelingsgroep van 0,5 mg/l en 42,5 mg/kg ± respectievelijk 0,62 mg/kg en 8,71 mg/kg ± 0,14 mg/kg in de behandelingsgroep van 5 mg/l. Wanneer de tarwewortels gedurende 1 dag werden blootgesteld aan imidacloprid, werd imidacloprid gedetecteerd in zowel de wortels als de bladeren van de tarweplanten, wat aangeeft dat de tarwewortels imidacloprid snel uit het kweekmedium konden absorberen en in de tarweplanten konden leiden. Het gehalte aan imidacloprid in de tarwebladeren daalde licht op dag 3 ten opzichte van dag 2. Dit werd waarschijnlijk veroorzaakt door de afbraak van sommige imidaclopriden, gecombineerd met de verdunning van het imidaclopridgehalte per volume-eenheid van de tarwebladeren met de verlenging van de hydroponische cultuurperiode. De tarwewortels en -bladeren bevatten verschillende hoeveelheden imidacloprid, wat erop wijst dat imidacloprid anders was geabsorbeerd en geleid in de tarweplanten en niet tegelijkertijd de actieplaatsen bereikte. De verschillen in imidaclopridresiduen in verschillende delen van de tarweplant hangen nauw samen met de fysiologische structuur van de tarweplant en de fysisch-chemische eigenschappen van imidacloprid.
De gemeenschappelijke verrijkings- en overdrachtsgerelateerde parameters voor pesticiden die door planten worden geabsorbeerd, omvatten de wortelconcentratiefactor (RCF) en de translocatiefactor (TF)22. De RCF is de verhouding tussen de concentratie imidacloprid in de wortel van de plant en die in het kweekmedium. Een RCF > 1 geeft aan dat imidacloprid gemakkelijk verrijkt wordt door de plant, terwijl een RCF < 1 aangeeft dat de plant imidacloprid niet gemakkelijk verrijkt. Zoals blijkt uit tabel 4, was de RCF uit deze studie >1, wat aangeeft dat tarwe een verrijkingseffect heeft op imidacloprid. De TF vertegenwoordigt het vermogen van de plant (hier, tarwe) om een stof (hier, imidacloprid) te transloceren tussen de wortels, scheuten en bladeren van de plant. Een TF > 1 geeft aan dat imidacloprid gemakkelijk door de plant kan worden getransloceerd, terwijl een TF < 1 aangeeft dat de plant imidacloprid niet gemakkelijk kan transloceren. De TF wordt berekend als de verhouding tussen de restconcentratie imidacloprid in verschillende delen van de tarwe en de concentratie imidacloprid in de wortels: TF-blad =C-blad/C-wortel. Een TF-blad > 1 geeft aan dat imidacloprid gemakkelijk van de plantenwortels naar de bladeren wordt overgebracht, terwijl eenTF-blad < 1 het tegenovergestelde aangeeft. Zoals blijkt uit tabel 4, was het TF-blad in dit onderzoek <1, wat aangeeft dat imidacloprid niet gemakkelijk van de tarwewortels naar de bladeren kon worden overgebracht.
De groeitoestand van tarweplanten na blootstelling aan imidacloprid is weergegeven in figuur 8. Na 3 dagen blootstelling produceerde noch 0,5 mg/l noch 5 mg/l imidacloprid een duidelijke remming van de groei van tarweplanten.
De dataset die aan dit onderzoek is gekoppeld, is beschikbaar op https://doi.org/10.5281/zenodo.7022287.
Figuur 8: Tarweplanten blootgesteld aan imidacloprid gedurende 1 dag, 2 dagen en 3 dagen. CK = controlegroep; 0,5 = 0,5 mg/l imidacloprid groep; 5 = 5 mg/l imidacloprid groep. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
| Monster | Imidacloprid concentratie (mg/L) | Herstel (%) | RSD (%) | |||
| Behandeling 1 | Behandeling 2 | Behandeling 3 | Gemiddeld | |||
| Tarwe wortel | 0.5 | 94.00 | 97.60 | 95.20 | 95.60 | 1.92 |
| 5 | 99.00 | 98.80 | 99.20 | 99.00 | 0.20 | |
| Tarweblad | 0.5 | 88.20 | 91.40 | 90.60 | 90.10 | 1.85 |
| 5 | 93.30 | 93.40 | 92.50 | 93.10 | 0.53 | |
Tabel 2: Herstel en relatieve standaardafwijking (RSD) van imidacloprid in de tarwewortels en -bladeren (n = 3). De imidaclopridconcentraties zijn gebaseerd op het verse gewicht van de tarwewortels of bladeren.
| Monster | Imidacloprid concentratie in oplossing (mg/L) | Imidacloprid gehalte (mg/kg) | ||
| 1 d | 2 quinquies | 3 quinquies | ||
| Tarwe wortel | 0.5 | 2,11 ± 0,05 | 3,18 ± 0,48 | 4,55 ± 1,45 |
| 5 | 14,83 ± 0,50 | 26,86 ± 1,38 | 42,5 ± 0,62 | |
| Tarweblad | 0.5 | 0,34 ± 0,03 | 1,43 ± 0,60 | 1,30 ± 0,08 |
| 5 | 2,10 ± 0,18 | 9,81 ± 0,70 | 8,71 ± 0,14 | |
Tabel 3: Imidaclopridgehalte in de wortels en bladeren van de tarwe na 1 dag, 2 dagen en 3 dagen blootstelling. De gegevens worden uitgedrukt als het gemiddelde ± SD (n = 2). De imidaclopridconcentraties zijn gebaseerd op het verse gewicht van de tarwewortels of bladeren.
| Groep | RCF | TFblad | ||||
| 1 dag | 2 dagen | 3 dagen | 1 dag | 2 dagen | 3 dagen | |
| 0,5 mg/l imidacloprid groep | 4.22 | 6.36 | 9.10 | 0.16 | 0.45 | 0.29 |
| 5 mg/l imidacloprid groep | 2.97 | 5.37 | 8.50 | 0.14 | 0.37 | 0.20 |
Tabel 4: Wortelconcentratiefactoren (RCF) en bladtranslocatiefactoren (TF-blad) van tarwe tot imidacloprid. De RCF is de verhouding tussen de concentratie imidacloprid in de tarwewortel en die in het hydroponische kweekmedium. HetTF-blad is de verhouding tussen de restconcentratie imidacloprid in het tarweblad en die in de tarwewortel.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
In de afgelopen jaren zijn methoden voor de voorbehandeling en detectie van residuen van het bestrijdingsmiddel imidacloprid vaak gerapporteerd. Badawy et al.23 gebruikten hoogwaardige vloeistofchromatografie om het gehalte aan imidacloprid in tomatenfruit geteeld onder kasomstandigheden te bepalen en rapporteerden een goede lineariteit voor imidacloprid in het bereik van 0,0125-0,15 μg / ml. Zhai et al.24 gebruikten LC-MS-MS om het residu van imidacloprid in Chinese bieslook te bestuderen. In deze studie werd de QuEChERS-methode gebruikt om imidacloprid uit tarwewortels en -bladeren te extraheren. Als een snelle en efficiënte methode is de QuEChERS-methode zeer geschikt en wordt deze veel gebruikt voor het extraheren van imidacloprid uit grond 25 en plant20,26 (zoals chili, tomaat, kool en tarwe) monsters. Het doel van de huidige studie was om te bepalen of het herstel van imidacloprid consistent was en voldeed aan de bepalingsvereisten. De terugwinningssnelheid en de variatiecoëfficiënt van imidacloprid in tarwe voldeden aan de vereisten voor de bepaling van residuen, wat erop wijst dat deze methode haalbaar was voor de extractie van imidacloprid uit tarwe. Het imidaclopridgehalte werd bepaald door LC-MS-MS in deze studie en de instrumentele detectiegrens van imidacloprid voldeed aan de vereisten voor de kwantitatieve analyse van residuen van bestrijdingsmiddelen. Het is echter mogelijk dat deze methode geen imidacloprid kan detecteren wanneer het gehalte in het monster lager is dan 0,01 μg/kg. In dergelijke gevallen moet het monster worden geconcentreerd of moet een hogere hoeveelheid worden geïnjecteerd voor LC-MS-MS. De imidacloprid-extractie- en detectiemethode die in dit onderzoek wordt gebruikt, heeft de kenmerken van snelheid, eenvoud, betrouwbare reproduceerbaarheid, gemak en hoge nauwkeurigheid en is geschikt voor de analyse van residuen van bestrijdingsmiddelen. Het succes van deze methode, zoals aangetoond in deze studie, wijst op het potentieel ervan voor gebruik bij de voedselveiligheidsevaluatie van imidacloprid in tarwe. De kritieke stappen in het protocol omvatten de toevoeging van watervrij MgSO4, NaCl en GCB. Watervrij MgSO4 en NaCl worden toegevoegd om water uit de monsteroplossing te verwijderen, terwijl GCB wordt toegevoegd om pigment uit de monsteroplossing te verwijderen. De extractiemethode die in dit onderzoek wordt gebruikt, wordt beperkt door de vereiste van een voldoende grote (10 g) monsterhoeveelheid, waardoor deze minder geschikt is voor het evalueren van een kleine steekproefomvang.
De aanwezigheid van imidacloprid in tarwewortels en -bladeren toont aan dat tarwe imidacloprid snel kan absorberen en overbrengen. De verrijking en het transport van organische verbindingen in planten hangen nauw samen met hun Kow-waarde, die de verhouding is van de evenwichtsconcentratie van organische verbindingen in de N-octanol- en waterfasen onder evenwicht27. Volgens hun log Kow-waarde kunnen organische verontreinigende stoffen worden onderverdeeld in hydrofobe organische verontreinigende stoffen, hydrofiele organische verontreinigende stoffen en matig hydrofiele organische verontreinigende stoffen. Hydrofobe organische verontreinigende stoffen (log Kow > 3) kunnen sterk worden geadsorbeerd door het worteloppervlak en migreren niet gemakkelijk naar boven. Aan de andere kant worden hydrofiele organische verontreinigende stoffen (log Kow < 0,5) niet gemakkelijk opgenomen door wortels of passeren ze het celmembraan van planten. Waterige organische verontreinigende stoffen (log Kow = 0,53) worden gemakkelijk door planten opgenomen, verrijkt en overgedragen. De log Kow-waarde (0,57) van imidacloprid geeft aan dat het een matig hydrofiele organische stof is, die gemakkelijk door planten wordt opgenomen, verrijkt en overgedragen.
Verschillende weefsels van planten hebben verschillende capaciteiten om verschillende pesticiden in de loop van de tijd onder dezelfde omgeving te absorberen en te transporteren28. Uit de huidige studie bleek dat de verspreiding van imidacloprid varieerde in verschillende delen van de tarweplant. In het bijzonder ontdekte de studie een groot verschil in de absorptie van imidacloprid tussen de tarwewortels en bladeren. Tarwewortels hebben een sterk vermogen om imidacloprid te absorberen en over te dragen en kunnen imidacloprid accumuleren in concentraties die meerdere malen groter zijn dan de concentratie in het milieu, waardoor de overdracht van imidacloprid in het milieu naar de tarwebladeren mogelijk is. Een studie van Yuan et al.20 over de verdeling van imidacloprid in tarwe na het toepassen van imidacloprid met gecontroleerde afgifte onthulde dat de accumulatie van imidacloprid in de tarwewortels 5-10 keer zo groot was als in de bladeren, wat consistent is met de resultaten van de huidige studie.
Hoewel deze studie bijdraagt aan het algemene begrip van residuen van imidacloprid in gewassen van bestrijdingsmiddelen, heeft zij enkele beperkingen. Zo werd in deze studie alleen tarwe geteeld onder hydrocultuuromstandigheden geselecteerd als testplant. Daarom is toekomstig onderzoek naar de mechanismen van absorptie, migratie en distributie van pesticiden in groenten, fruitbomen en andere planten die zowel in de bodem als in water worden gekweekt, gerechtvaardigd. In verdere studies zullen verschillende concentraties van imidacloprid en een verscheidenheid aan planten worden bestudeerd om de absorptie, het transport en de accumulatie van imidacloprid in planten in meer detail te onderzoeken om het milieurisico van imidacloprid beter te begrijpen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs verklaren dat ze geen belangenconflicten hebben. Alle auteurs hebben het manuscript gelezen en goedgekeurd. Dit werk is niet eerder gepubliceerd, noch wordt het overwogen door een ander peer-reviewed tijdschrift.
Acknowledgments
Dit werk werd ondersteund door de National Natural Science Foundation of China (nr. 42277039).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 |
References
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Zhao, Y., et al. Urinary neonicotinoid insecticides in children from South China: Concentrations, profiles and influencing factors. Chemosphere. 291, 132937 (2022).
- Kurwadkar, S., Evans, A. Neonicotinoids: Systemic insecticides and systematic failure. Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology. 97 (6), 745-748 (2016).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Xu, Y. Q., et al. Ecotoxicity evaluation of azoxystrobin on Eisenia fetida in different soils. Environmental Research. 194, 110705 (2021).
- 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).
- Delcour, I., Spanoghe, P., Uyttendaele, M. Literature review: Impact of climate change on pesticide use. Food Research International. 68, 7-15 (2015).
- 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).
- Wiilkowska, A., Biziuk, M. Determination of pesticide residues in food matrices using the QuEChERS methodology. Food Chemistry. 125 (3), 803-812 (2011).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Zhai, R. Q., et al. Residue, dissipation pattern, and dietary risk assessment of imidacloprid in Chinese chives. Frontiers in Nutrition. 9, 846333 (2022).
- 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).
- Chen, Y., et al. Translocation and metabolism of imidacloprid in cabbage: Application of C-14-labelling and LC-QTOF-MS. Chemosphere. 263, 127928 (2021).
- 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).
- Gong, W. W., et al. Uptake and dissipation of metalaxyl-M, fludioxonil, cyantraniliprole and thiamethoxam in greenhouse chrysanthemum. Environmental Pollution. 257, 113499 (2020).
