Determinación de la absorción, translocación y distribución de imidacloprid en trigo
Summary
Aquí se presenta un protocolo para la determinación de la absorción, translocación y distribución de imidacloprid en trigo en condiciones hidropónicas utilizando cromatografía líquida-espectrometría de masas en tándem (LC-MS-MS). Los resultados mostraron que el imidacloprid puede ser absorbido por el trigo, y el imidacloprid se detectó tanto en las raíces como en las hojas del trigo.
Abstract
Los neonicotinoides, una clase de insecticidas, son ampliamente utilizados debido a sus nuevos modos de acción, alta actividad insecticida y fuerte absorción de raíces. El imidacloprid, el insecticida más utilizado en todo el mundo, es un neonicotinoide representativo de primera generación y se utiliza en el control de plagas para cultivos, hortalizas y árboles frutales. Con una aplicación tan amplia de imidacloprid, su residuo en los cultivos ha atraído un escrutinio cada vez mayor. En el presente estudio, 15 plántulas de trigo se colocaron en un medio de cultivo que contenía 0,5 mg / L o 5 mg / L de imidacloprid para hidrocultivo. El contenido de imidacloprid en las raíces y hojas de trigo se determinó después de 1 día, 2 días y 3 días de hidrocultivo para explorar la migración y distribución de imidacloprid en el trigo. Los resultados mostraron que el imidacloprid se detectó tanto en las raíces como en las hojas de la planta de trigo, y el contenido de imidacloprid en las raíces fue mayor que en las hojas. Además, la concentración de imidacloprid en el trigo aumentó con el aumento del tiempo de exposición. Después de 3 días de exposición, las raíces y hojas del trigo en el grupo de tratamiento de 0,5 mg/L contenían 4,55 mg/kg ± 1,45 mg/kg y 1,30 mg/kg ± 0,08 mg/kg de imidacloprid, respectivamente, mientras que las raíces y hojas del grupo de tratamiento de 5 mg/L contenían 42,5 mg/kg ± 0,62 mg/kg y 8,71 mg/kg ± 0,14 mg/kg de imidacloprid, respectivamente. Los resultados del presente estudio permiten una mejor comprensión de los residuos de plaguicidas en los cultivos y proporcionan una referencia de datos para la evaluación del riesgo ambiental de los plaguicidas.
Introduction
En la agronomía actual, el uso de pesticidas es esencial para aumentar el rendimiento de los cultivos. Los insecticidas neonicotinoides alteran el equilibrio del potencial de membrana al controlar los receptores nicotínicos de acetilcolina en el sistema nervioso del insecto, inhibiendo así la conducción normal del sistema nervioso central del insecto, lo que lleva a la parálisis y muerte de los insectos1. En comparación con los insecticidas tradicionales, los neonicotinoides tienen ventajas tales como nuevos modos de acción, alta actividad insecticida y fuerte absorción de raíces, lo que los hace altamente exitosos en el mercado de plaguicidas 2,3. Se informó que el volumen de ventas de neonicotinoides representó el 27% del mercado mundial de pesticidas en 2014. La tasa de crecimiento anual promedio de los neonicotinoides fue del 11,4% de 2005 a 2010, de los cuales alrededor del 7% se registró en China 4,5,6. Desde finales de 2016 hasta el primer semestre de 2017, las ventas de plaguicidas en China comenzaron a repuntar después de caer, y los precios de los plaguicidas continuaron aumentando, entre los cuales los insecticidas neonicotinoides mostraron un aumento significativo de precios7. Hasta ahora, se han desarrollado tres generaciones de insecticidas neonicotinoides, cada uno con cloruro de piridina, tiazolilo y grupos tetrahidrofuranos de nicotina, respectivamente8.
El imidacloprid representa la primera generación de insecticidas neonicotinoides, cuya fórmula molecular esC9H10ClN5O2, y es un cristal incoloro. El imidacloprid se utiliza principalmente para controlar plagas, como pulgones, saltamontes, gusanos de la harina y trips9 y se puede aplicar a cultivos como arroz, trigo, maíz, algodón y hortalizas como papas, así como árboles frutales. Debido a la aplicación a largo plazo, sustancial y continua de plaguicidas, tanto los insectos beneficiosos como los enemigos naturales de las plagas se han reducido rápidamente, y algunas plagas agrícolas se han vuelto resistentes a los plaguicidas, lo que resulta en un círculo vicioso de aplicación continua y creciente de pesticidas10. Además, la aplicación extensiva de plaguicidas ha provocado el deterioro de la calidad del suelo, la persistencia de residuos de plaguicidas en los productos agrícolas y otros problemas ecológicos, que no solo causan daños significativos al medio ambiente ecológico agrícola11 sino que también representan una grave amenaza para la salud humana12. La fumigación con pesticidas afecta gravemente el crecimiento y la calidad de los microbios del suelo y los animales del suelo13. El uso irrazonable o excesivo de plaguicidas ha causado riesgos significativos para la seguridad del medio ambiente del suelo y el agua, los animales y las plantas, e incluso la vida humana14. En los últimos años, el problema de los residuos excesivos de plaguicidas en los cultivos se ha agravado con la aplicación extensiva de plaguicidas. Cuando se utilizó imidacloprid para aumentar el rendimiento vegetal, la tasa de absorción de imidacloprid en los vegetales aumentó con el aumento en la cantidad y el residuo de imidacloprid15. Como cultivo alimentario importante, tanto la producción como la seguridad del trigo son críticas. Por lo tanto, es necesario aclarar las políticas de residuos y distribución de plaguicidas utilizados para el trigo.
En los últimos años, se han desarrollado muchos métodos para extraer residuos de imidacloprid del agua, el suelo y las plantas. El método QuEChERS (rápido, fácil, barato, eficaz, robusto y seguro) es un nuevo método que combina la tecnología de microextracción en fase sólida y la tecnología de extracción en fase sólida dispersa e implica el uso de acetonitrilo como disolvente de extracción y la eliminación de impurezas mixtas y agua en la muestra utilizando NaCl y MgSO anhidro4, respectivamente16. El método QuEChERS requiere un mínimo de cristalería y tiene pasos experimentales simples, lo que lo convierte en uno de los métodos de extracción de pesticidas más populares17. Para la detección de imidacloprid, se ha alcanzado un límite de detección tan bajo como 1 × 10−9 g18 con cromatografía líquida (LC), y 1 × 10−11 g 19 se ha logrado con cromatografía de gases (GC). Debido a su alta resolución y sensibilidad, LC-MS y GC-MS han mostrado límites de detección de imidacloprid aún más bajos de 1 × 10-13 a 1 × 10-14 g20,21; Estas técnicas son, por lo tanto, muy adecuadas para el análisis de trazas de residuos de imidacloprid.
En el presente estudio, el imidacloprid fue elegido como el contaminante objetivo, y el trigo fue seleccionado como el cultivo de prueba para estudiar la distribución de los residuos de imidacloprid en el trigo. Este protocolo detalla un método para el análisis exhaustivo del enriquecimiento y la transferencia del pesticida imidacloprid en el trigo mediante la exploración de la absorción y el almacenamiento de imidacloprid en diferentes partes de las plantas de trigo cultivadas en condiciones hidropónicas. El presente estudio tiene como objetivo proporcionar una base teórica para la evaluación del riesgo de los residuos de plaguicidas en el trigo, guiar la aplicación racional de plaguicidas en las actividades de producción agrícola para reducir los residuos de plaguicidas y mejorar la inocuidad de la producción de cultivos.
Protocol
Representative Results
Discussion
En los últimos años, se han notificado con frecuencia métodos para el tratamiento previo y la detección de residuos del plaguicida imidacloprid. Badawy et al.23 utilizaron cromatografía líquida de alta resolución para determinar el contenido de imidacloprid en fruta de tomate cultivada en condiciones de invernadero y reportaron una buena linealidad para imidacloprid en el rango 0,0125-0,15 μg/mL. Zhai et al.24 utilizaron LC-MS-MS para estudiar el residuo de imidaclo…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (No. 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).
