تحديد امتصاص ونقل وتوزيع إيميداكلوبريد في القمح
Summary
يظهر هنا بروتوكول لتحديد امتصاص ونقل وتوزيع إيميداكلوبريد في القمح تحت ظروف الزراعة المائية باستخدام قياس الطيف الكتلي الترادفي اللوني السائل (LC-MS-MS). أظهرت النتائج أنه يمكن امتصاص إيميداكلوبريد بواسطة القمح ، وتم اكتشاف إيميداكلوبريد في كل من جذور القمح وأوراقه.
Abstract
تستخدم مبيدات النيونيكوتينويد ، وهي فئة من المبيدات الحشرية ، على نطاق واسع بسبب طرق عملها الجديدة ، ونشاطها العالي في المبيدات الحشرية ، وامتصاص الجذور القوي. إيميداكلوبريد ، المبيد الحشري الأكثر استخداما في جميع أنحاء العالم ، هو ممثل للجيل الأول من النيونيكوتينويد ويستخدم في مكافحة الآفات للمحاصيل والخضروات وأشجار الفاكهة. مع هذا التطبيق الواسع للإيميداكلوبريد ، اجتذبت بقاياه في المحاصيل تدقيقا متزايدا. في هذه الدراسة تم وضع 15 شتلة قمح في وسط استزراع يحتوي على 0.5 ملغم/لتر أو 5 ملغم/لتر إيميداكلوبريد للاستزراع المائي. تم تحديد محتوى إيميداكلوبريد في جذور وأوراق القمح بعد 1 يوم و 2 أيام و 3 أيام من الزراعة المائية لاستكشاف هجرة وتوزيع إيميداكلوبريد في القمح. أظهرت النتائج أنه تم اكتشاف إيميداكلوبريد في كل من جذور وأوراق نبات القمح ، وكان محتوى إيميداكلوبريد في الجذور أعلى من ذلك الموجود في الأوراق. علاوة على ذلك ، زاد تركيز إيميداكلوبريد في القمح مع زيادة وقت التعرض. بعد 3 أيام من التعرض، احتوت جذور وأوراق القمح في مجموعة المعالجة 0.5 مغ/ل على 4.55 مغ/كغ ± 1.45 مغ/كغ و1.30 مغ/كغ ± 0.08 مغ/كغ إيميداكلوبريد، على التوالي، في حين احتوت جذور وأوراق مجموعة المعالجة 5 مغ/ل على 42.5 مغ/كغ ± 0.62 مغ/كغ و8.71 مغ/كغ ± 0.14 مغ/كغ إيميداكلوبريد، على التوالي. وتسمح نتائج الدراسة الحالية بفهم أفضل لمخلفات مبيدات الآفات في المحاصيل وتوفر مرجعا للبيانات لتقييم المخاطر البيئية لمبيدات الآفات.
Introduction
في الهندسة الزراعية الحالية ، يعد استخدام المبيدات أمرا ضروريا لزيادة غلة المحاصيل. تعمل المبيدات الحشرية Neonicotinoid على تغيير توازن إمكانات الغشاء عن طريق التحكم في مستقبلات الأسيتيل كولين النيكوتين في الجهاز العصبي للحشرات ، وبالتالي تثبيط التوصيل الطبيعي للجهاز العصبي المركزي للحشرات ، مما يؤدي إلى شلل وموت الحشرات1. بالمقارنة مع المبيدات الحشرية التقليدية ، تتمتع مبيدات النيونيكوتينويد بمزايا مثل طرق العمل الجديدة ، والنشاط العالي للمبيدات الحشرية ، وامتصاص الجذور القوي ، مما يجعلها ناجحة للغاية في سوق المبيدات 2,3. تم الإبلاغ عن أن حجم مبيعات مبيدات النيونيكوتينويد يمثل 27٪ من سوق مبيدات الآفات العالمية في عام 2014. كان متوسط معدل النمو السنوي للنيونيكوتينويدات 11.4٪ من 2005 إلى 2010 ، منها حوالي 7٪ تم تسجيلها في الصين 4,5,6. من نهاية عام 2016 إلى النصف الأول من عام 2017 ، بدأت مبيعات المبيدات في الصين في الانتعاش بعد انخفاضها ، واستمرت أسعار المبيدات في الارتفاع ، ومن بينها مبيدات الحشرات neonicotinoid أظهرت زيادة كبيرة في الأسعار7. حتى الآن ، تم تطوير ثلاثة أجيال من المبيدات الحشرية neonicotinoid ، كل منها يحتوي على كلوريد البيريدين ، ثيازوليل ، ومجموعات رباعي هيدروفيوران من النيكوتين ، على التوالي8.
يمثل Imidacloprid الجيل الأول من المبيدات الحشرية neonicotinoid ، التي صيغتها الجزيئية هي C9H10ClN5O2 ، وهي بلورة عديمة اللون. يستخدم Imidacloprid بشكل أساسي لمكافحة الآفات ، مثل حشرات المن ، ونطاطات النبات ، وديدان الوجبة ، والتريبس9 ويمكن تطبيقه على محاصيل مثل الأرز والقمح والذرة والقطن والخضروات مثل البطاطس وكذلك أشجار الفاكهة. بسبب الاستخدام طويل الأجل والكبير والمستمر لمبيدات الآفات ، تم تقليل كل من الحشرات النافعة والأعداء الطبيعيين للآفات بسرعة ، وأصبحت بعض الآفات الزراعية مقاومة للمبيدات ، مما أدى إلى حلقة مفرغة من استخدام كميات مستمرة ومتزايدة من المبيدات10. بالإضافة إلى ذلك ، أدى الاستخدام المكثف لمبيدات الآفات إلى تدهور جودة التربة ، وبقايا مبيدات الآفات المستمرة في المنتجات الزراعية ، والمشاكل البيئية الأخرى ، التي لا تسبب أضرارا كبيرة للبيئة الإيكولوجية الزراعية فحسب، بل تشكل أيضا تهديدا خطيرا لصحة الإنسان12. يؤثر رش المبيدات بشدة على نمو وجودة ميكروبات التربة التربة13. تسبب الاستخدام غير المعقول أو المفرط لمبيدات الآفات في مخاطر أمنية كبيرة على التربة والبيئة المائية والحيوانات والنباتات وحتى حياة الإنسان14. في السنوات الأخيرة ، أصبحت مشكلة بقايا المبيدات المفرطة في المحاصيل أكثر حدة مع الاستخدام المكثف لمبيدات الآفات. عندما تم استخدام إيميداكلوبريد لزيادة محصول الخضروات ، زاد معدل امتصاص إيميداكلوبريد في الخضروات مع زيادة كمية وبقايا إيميداكلوبريد15. كمحصول غذائي رئيسي ، يعد إنتاج القمح وسلامته أمرا بالغ الأهمية. لذلك ، يجب توضيح سياسات المخلفات والتوزيع للمبيدات المستخدمة في القمح.
في السنوات الأخيرة ، تم تطوير العديد من الطرق لاستخراج بقايا إيميداكلوبريد من الماء والتربة والنباتات. طريقة QuEChERS (سريعة وسهلة ورخيصة وفعالة ومتينة وآمنة) هي طريقة جديدة تجمع بين تقنية الاستخراج الدقيق للمرحلة الصلبة وتكنولوجيا استخراج الطور الصلب المشتت وتتضمن استخدام الأسيتونيتريل كمذيب استخراج وإزالة الشوائب المختلطة والماء في العينة باستخدام كلوريد الصوديوم و MgSO4 اللامائي ، على التوالي16. تتطلب طريقة QuEChERS الحد الأدنى من الأواني الزجاجية ولها خطوات تجريبية بسيطة ، مما يجعلها واحدة من أكثر طرق استخراج المبيدات شيوعا17. للكشف عن إيميداكلوبريد ، تم تحقيق حد كشف منخفض يصل إلى 1 × 10−9 جم18 باستخدام كروماتوغرافيا سائلة (LC) ، وتم تحقيق 1 × 10−11 g 19 باستخدام كروماتوغرافيا الغاز (GC). نظرا لدقتها العالية وحساسيتها ، أظهرت LC-MS و GC-MS حدودا أقل للكشف عن إيميداكلوبريد من 1 × 10-13 إلى 1 × 10-14 جم20,21 ؛ وبالتالي ، فإن هذه التقنيات مناسبة تماما لتحليل بقايا إيميداكلوبريد النزرة.
في هذه الدراسة ، تم اختيار إيميداكلوبريد كملوث مستهدف ، وتم اختيار القمح كمحصول اختبار لدراسة توزيع بقايا إيميداكلوبريد في القمح. يفصل هذا البروتوكول طريقة للتحليل الشامل لتخصيب ونقل مبيد الآفات إيميداكلوبريد في القمح من خلال استكشاف امتصاص وتخزين إيميداكلوبريد في أجزاء مختلفة من نباتات القمح المزروعة في ظل ظروف الزراعة المائية. تهدف هذه الدراسة إلى توفير أساس نظري لتقييم مخاطر بقايا مبيدات الآفات في القمح ، وتوجيه التطبيق الرشيد لمبيدات الآفات في أنشطة الإنتاج الزراعي لتقليل بقايا المبيدات ، وتحسين سلامة إنتاج المحاصيل.
Protocol
Representative Results
Discussion
في السنوات الأخيرة ، تم الإبلاغ بشكل متكرر عن طرق المعالجة المسبقة والكشف عن بقايا مبيد الآفات إيميداكلوبريد. استخدم بدوي وآخرون 23 كروماتوغرافيا سائلة عالية الأداء لتحديد محتوى إيميداكلوبريد في ثمار الطماطم المزروعة في ظروف الدفيئة وأبلغوا عن خطية جيدة للإيميداكلوبريد في ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم هذا العمل من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (رقم 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 |
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).
