Bepaling van de absorptie, translocatie en distributie van imidacloprid in tarwe
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.
Protocol
Representative Results
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 biesl…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door de National Natural Science Foundation of China (nr. 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).
