Bestemmelse af absorption, translokation og fordeling af imidacloprid i hvede
Summary
Præsenteret her er en protokol til bestemmelse af absorption, translokation og distribution af imidacloprid i hvede under hydroponiske betingelser under anvendelse af væskekromatografi-tandem massespektrometri (LC-MS-MS). Resultaterne viste, at imidacloprid kan absorberes af hvede, og imidacloprid blev påvist i både hvederødder og blade.
Abstract
Neonicotinoider, en klasse af insekticider, anvendes i vid udstrækning på grund af deres nye virkningsmekanismer, høj insekticidaktivitet og stærk rodoptagelse. Imidacloprid, det mest anvendte insekticid på verdensplan, er et repræsentativt første generations neonicotinoid og bruges til skadedyrsbekæmpelse til afgrøder, grøntsager og frugttræer. Med en så bred anvendelse af imidacloprid har dets rester i afgrøder tiltrukket stigende kontrol. I denne undersøgelse blev 15 hvedeplanter anbragt i et dyrkningsmedium indeholdende 0,5 mg / L eller 5 mg / L imidacloprid til hydrokultur. Indholdet af imidacloprid i hvederødder og blade blev bestemt efter 1 dag, 2 dage og 3 dages hydrokultur for at undersøge migration og distribution af imidacloprid i hvede. Resultaterne viste, at imidacloprid blev påvist både i hvedeplantens rødder og blade, og indholdet af imidacloprid i rødderne var højere end i bladene. Desuden steg imidaclopridkoncentrationen i hveden med stigende eksponeringstid. Efter 3 dages eksponering indeholdt hvedens rødder og blade i 0,5 mg/l behandlingsgruppen henholdsvis 4,55 mg/kg ± 1,45 mg/kg og 1,30 mg/kg ± 0,08 mg/kg imidacloprid, mens rødder og blade i 5 mg/l behandlingsgruppen indeholdt 42,5 mg/kg ± 0,62 mg/kg og 8,71 mg/kg ± 0,14 mg/kg imidacloprid, henholdsvis. Resultaterne fra denne undersøgelse giver mulighed for en bedre forståelse af pesticidrester i afgrøder og giver en datareference til miljørisikovurdering af pesticider.
Introduction
I nutidens agronomi er brugen af pesticider afgørende for at øge afgrødeudbyttet. Neonicotinoidinsekticider ændrer membranpotentialebalancen ved at kontrollere nikotinacetylcholinreceptorer i insektnervesystemet og derved hæmme den normale ledning af insektets centralnervesystem, hvilket fører til lammelse og død af insekterne1. Sammenlignet med traditionelle insekticider har neonicotinoider fordele såsom nye virkningsmekanismer, høj insekticidaktivitet og stærk rodabsorption, hvilket gør dem meget succesrige på pesticidmarkedet 2,3. Salgsmængden af neonicotinoider blev rapporteret at tegne sig for 27% af verdens pesticidmarked i 2014. Den gennemsnitlige årlige vækstrate for neonicotinoider var 11,4% fra 2005 til 2010, hvoraf ca. 7% blev registreret i Kina 4,5,6. Fra slutningen af 2016 til første halvdel af 2017 begyndte salget af pesticider i Kina at komme tilbage efter at være faldet, og priserne på pesticider fortsatte med at stige, blandt hvilke neonicotinoidinsekticider viste en betydelig prisstigning7. Indtil videre er der udviklet tre generationer af neonicotinoidinsekticider, der hver indeholder henholdsvis pyridinchlorid, thiazolyl og tetrahydrofurangrupper af nikotin8.
Imidacloprid repræsenterer den første generation af neonicotinoidinsekticider, hvis molekylformel er C9H10ClN5O2, og er en farveløs krystal. Imidacloprid bruges hovedsageligt til bekæmpelse af skadedyr, såsom bladlus, plantehopper, melorm og thrips9 og kan anvendes på afgrøder som ris, hvede, majs, bomuld og grøntsager som kartofler samt frugttræer. På grund af den langsigtede, betydelige og kontinuerlige anvendelse af pesticider er både gavnlige insekter og skadedyrs naturlige fjender hurtigt blevet reduceret, og nogle skadedyr i landbruget er blevet resistente over for pesticider, hvilket resulterer i en ond cirkel med anvendelse af kontinuerlige og stigende mængder pesticider10. Desuden har den omfattende anvendelse af pesticider ført til forringelse af jordkvaliteten, persistente pesticidrester i landbrugsprodukter og andre økologiske problemer, som ikke blot forårsager betydelig skade på landbrugets økologiske miljø11, men også udgør en alvorlig trussel mod menneskers sundhed12. Sprøjtning med pesticider har alvorlige konsekvenser for væksten og kvaliteten af jordmikrober og jorddyr13. Den urimelige eller overdrevne anvendelse af pesticider har medført betydelige sikkerhedsrisici for jord- og vandmiljøet, dyr og planter og endda menneskeliv14. I de senere år er problemet med for store pesticidrester i afgrøder blevet mere alvorligt med den omfattende anvendelse af pesticider. Når imidacloprid blev anvendt til at øge vegetabilsk udbytte, steg absorptionshastigheden af imidacloprid i grøntsagerne med stigningen i mængden og resten af imidacloprid15. Som en vigtig fødevareafgrøde er både produktion og sikkerhed af hvede kritisk. Det er derfor nødvendigt at præcisere politikken for restkoncentrationer og distribution af pesticider, der anvendes til hvede.
I de senere år er der udviklet mange metoder til at ekstrahere imidaclopridrester fra vand, jord og planter. QuEChERS-metoden (hurtig, nem, billig, effektiv, robust og sikker) er en ny metode, der kombinerer fastfasemikroekstraktionsteknologi og dispergeret fastfaseekstraktionsteknologi og involverer anvendelse af acetonitril som ekstraktionsmiddel og fjernelse af blandede urenheder og vand i prøven ved anvendelse af henholdsvis NaCl og vandfriMgSO4 16. QuEChERS-metoden kræver minimalt glasvarer og har enkle eksperimentelle trin, hvilket gør den til en af de mest populære pesticidekstraktionsmetoder17. Til påvisning af imidacloprid er der opnået en detektionsgrænse så lav som 1 × 10-9 g18 med væskekromatografi (LC), og 1 × 10-11 g19 er opnået med gaskromatografi (GC). På grund af deres høje opløsning og følsomhed har LC-MS og GC-MS vist endnu lavere imidaclopriddetektionsgrænser på 1 × 10-13 til 1 × 10-14 g 20,21; Disse teknikker er derfor velegnede til analyse af sporrester af imidacloprid.
I denne undersøgelse blev imidacloprid valgt som målforurenende stof, og hvede blev valgt som testafgrøde for at undersøge fordelingen af imidaclopridrester i hvede. Denne protokol beskriver en metode til omfattende analyse af tilsætning og overførsel af pesticidet imidacloprid i hvede ved at undersøge absorption og opbevaring af imidacloprid i forskellige dele af hvedeplanter dyrket under hydroponiske forhold. Denne undersøgelse har til formål at tilvejebringe et teoretisk grundlag for risikovurdering af pesticidrester i hvede, styre den rationelle anvendelse af pesticider i landbrugsproduktionsaktiviteter for at reducere pesticidrester og forbedre sikkerheden ved afgrødeproduktion.
Protocol
Representative Results
Discussion
I de senere år er der hyppigt rapporteret metoder til forbehandling og påvisning af rester af pesticidet imidacloprid. Badawy et al.23 anvendte højtydende væskekromatografi til at bestemme indholdet af imidacloprid i tomatfrugter dyrket under drivhusforhold og rapporterede god linearitet for imidacloprid i området 0,0125-0,15 μg/ml. Zhai et al.24 brugte LC-MS-MS til at undersøge resterne af imidacloprid i kinesisk purløg. I denne undersøgelse blev QuEChERS-metoden …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af 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).
