Bestämning av absorption, translokation och distribution av imidakloprid i vete
Summary
Här presenteras ett protokoll för bestämning av absorption, translokation och distribution av imidakloprid i vete under hydroponiska förhållanden med användning av vätskekromatografi-tandemmasspektrometri (LC-MS-MS). Resultaten visade att imidakloprid kan absorberas av vete, och imidakloprid upptäcktes i både veterötterna och bladen.
Abstract
Neonicotinoider, en klass av insekticider, används ofta på grund av deras nya verkningssätt, hög insekticid aktivitet och starkt rotupptag. Imidakloprid, den mest använda insekticiden över hela världen, är en representativ första generationens neonicotinoid och används i skadedjursbekämpning för grödor, grönsaker och fruktträd. Med en så bred tillämpning av imidakloprid har dess rester i grödor lockat ökad granskning. I den aktuella studien placerades 15 veteplantor i ett odlingsmedium innehållande 0,5 mg / L eller 5 mg / L imidakloprid för hydrokultur. Innehållet av imidakloprid i veterötterna och bladen bestämdes efter 1 dag, 2 dagar och 3 dagars hydrokultur för att utforska migrering och distribution av imidakloprid i vete. Resultaten visade att imidakloprid detekterades både i veteplantans rötter och blad, och innehållet av imidakloprid i rötterna var högre än i bladen. Dessutom ökade koncentrationen av imidakloprid i vetet med ökande exponeringstid. Efter 3 dagars exponering innehöll rötterna och bladen av vetet i behandlingsgruppen med 0,5 mg/l 4,55 mg/kg ± 1,45 mg/kg respektive 1,30 mg/kg ± 0,08 mg/kg imidakloprid, medan rötterna och bladen i 5 mg/l-behandlingsgruppen innehöll 42,5 mg/kg ± 0,62 mg/kg och 8,71 mg/kg ± 0,14 mg/kg imidakloprid, respektive. Resultaten från den aktuella studien möjliggör en bättre förståelse av bekämpningsmedelsrester i grödor och ger en datareferens för miljöriskbedömning av bekämpningsmedel.
Introduction
I dagens agronomi är användningen av bekämpningsmedel avgörande för att öka avkastningen. Neonikotinoidinsekticider förändrar membranpotentialbalansen genom att kontrollera nikotinacetylkolinreceptorer i insektsnervsystemet och därigenom hämma den normala ledningen av insektens centrala nervsystem, vilket leder till insektens förlamning och död1. Jämfört med traditionella insekticider har neonicotinoider fördelar som nya verkningssätt, hög insekticidaktivitet och stark rotabsorption, vilket gör dem mycket framgångsrika på bekämpningsmedelsmarknaden 2,3. Försäljningsvolymen av neonikotinoider rapporterades stå för 27% av världens bekämpningsmedelsmarknad 2014. Den genomsnittliga årliga tillväxttakten för neonikotinoider var 11,4% från 2005 till 2010, varav cirka 7% registrerades i Kina 4,5,6. Från slutet av 2016 till första halvåret 2017 började försäljningen av bekämpningsmedel i Kina återhämta sig efter att ha fallit, och priserna på bekämpningsmedel fortsatte att stiga, bland vilka neonicotinoidinsekticider visade en betydande prisökning7. Hittills har tre generationer av neonikotinoidinsekticider utvecklats, var och en innehållande pyridinklorid, tiazolyl respektive tetrahydrofurangrupper av nikotin,8.
Imidakloprid representerar den första generationen neonicotinoidinsekticider, vars molekylformel är C9H10ClN5O2 och ären färglös kristall. Imidakloprid används främst för att bekämpa skadedjur, såsom bladlöss, växthoppare, mjölmaskar och thrips9 och kan appliceras på grödor som ris, vete, majs, bomull och grönsaker som potatis samt fruktträd. På grund av den långsiktiga, betydande och kontinuerliga användningen av bekämpningsmedel har både nyttiga insekter och skadedjurens naturliga fiender snabbt minskat, och vissa skadedjur inom jordbruket har blivit resistenta mot bekämpningsmedel, vilket resulterar i en ond cirkel av att applicera kontinuerliga och ökande mängder bekämpningsmedel10. Dessutom har den omfattande användningen av bekämpningsmedel lett till försämrad markkvalitet, långlivade bekämpningsmedelsrester i jordbruksprodukter och andra ekologiska problem, som inte bara orsakar betydande skador på den ekologiska jordbruksmiljön11 utan också utgör ett allvarligt hot mot människors hälsa12. Besprutning med bekämpningsmedel har allvarliga konsekvenser för tillväxten och kvaliteten på jordmikrober och jorddjur13. Orimlig eller överdriven användning av bekämpningsmedel har orsakat betydande säkerhetsrisker för mark- och vattenmiljön, djur och växter och till och med människoliv14. Under de senaste åren har problemet med alltför stora bekämpningsmedelsrester i grödor blivit allvarligare med den omfattande användningen av bekämpningsmedel. När imidakloprid användes för att öka vegetabiliskt utbyte ökade absorptionshastigheten för imidakloprid i grönsakerna med ökningen av mängden och återstoden av imidakloprid15. Som en viktig livsmedelsgröda är både produktion och säkerhet av vete kritiska. Därför måste politiken för resthalter och spridning av bekämpningsmedel som används för vete klargöras.
Under de senaste åren har många metoder utvecklats för att extrahera imidaklopridrester från vatten, jord och växter. QuEChERS-metoden (snabb, enkel, billig, effektiv, robust och säker) är en ny metod som kombinerar fastfasmikroextraktionsteknik och dispergerad fastfasextraktionsteknik och involverar användning av acetonitril som extraktionslösningsmedel och avlägsnande av blandade föroreningar och vatten i provet med användning av NaCl respektive vattenfriMgSO4 16. QuEChERS-metoden kräver minimalt med glas och har enkla experimentella steg, vilket gör den till en av de mest populära metoderna för utvinning av bekämpningsmedel17. För detektion av imidakloprid har en detektionsgräns så låg som 1 × 10−9 g18 uppnåtts med vätskekromatografi (LC) och 1 × 10−11 g 19 har uppnåtts med gaskromatografi (GC). På grund av sin höga upplösning och känslighet har LC-MS och GC-MS visat ännu lägre detektionsgränser för imidakloprid på 1 × 10-13 till 1 × 10-14 g20,21; Dessa tekniker är därför väl lämpade för analys av spårrester av imidakloprid.
I den aktuella studien valdes imidakloprid som målförorening och vete valdes som testgröda för att studera fördelningen av imidaklopridrester i vete. Detta protokoll beskriver en metod för omfattande analys av anrikning och överföring av bekämpningsmedlet imidakloprid i vete genom att undersöka absorption och lagring av imidakloprid i olika delar av veteplantor odlade under hydroponiska förhållanden. Denna studie syftar till att ge en teoretisk grund för riskbedömning av bekämpningsmedelsrester i vete, vägleda rationell användning av bekämpningsmedel i jordbruksproduktionsaktiviteter för att minska bekämpningsmedelsrester och förbättra säkerheten vid växtproduktion.
Protocol
Representative Results
Discussion
Under de senaste åren har metoder för förbehandling och detektion av rester av bekämpningsmedlet imidakloprid rapporterats frekvent. Badawy et al.23 använde högpresterande vätskekromatografi för att bestämma innehållet av imidakloprid i tomatfrukter odlade under växthusförhållanden och rapporterade god linjäritet för imidakloprid i intervallet 0,0125-0,15 μg/ml. Zhai et al.24 använde LC-MS-MS för att studera rester av imidakloprid i kinesisk gräslök. I d…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av 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).
