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.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Spiring af hvedefrø
- Vælg 1.000 hvedefrø (Jimai 20) med komplette granulater, intakte embryoner og ensartet størrelse (længde: 6 mm ± 0,5 mm).
- 333,3 ml 30% H2O2-opløsning overføres til en 1 L målekolbe og fortyndes med deioniseret vand for at fremstille 1 liter 10%H2O2-opløsning. Nedsænk hvedefrøene i 10%H2O2-opløsningi 15 minutter for at desinficere frøoverfladen (figur 1).
- Skyl hvedefrøene 5x med rindende sterilt vand i 10 s hver gang.
- Hvedefrøene fordeles jævnt med embryonerne pegende opad i et petriglasfad med fugtigt sterilt filtrerpapir (figur 2). Anbring petriskålen i en kunstig klimainkubator ved 30 °C og 80% relativ luftfugtighed. Dyrk hvedefrøene i mørke i 3 dage, indtil de spirer og slår rod.
Figur 1: Desinfektion af hvedefrøene. Hvedefrøene blev gennemblødt i 10%H2O2-opløsning(i et bægerglas) i 15 minutter for at desinficere frøoverfladen. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 2: Spiring af hvedefrøene. Hvedefrøene blev fordelt jævnt i et petrifad af glas indeholdende fugtigt sterilt filterpapir. Petriskålen blev anbragt i en kunstig klimainkubator for at spire hvedefrøene. Klik her for at se en større version af denne figur.
2. Dyrkning af hvedeplanter
- 551 mg Hoaglands basale saltblanding opløses i 1 liter deioniseret vand for at fremstille 1/2 Hoagland-næringsopløsning (indeholdende 0,75 mmol/LK2SO4, 0,1 mmol/L KCl, 0,6 mmol/L MgSO4, 4,0 × 10-2 mmol/L FeEDTA, 1,0 × 10-3 mmol/LH3BO3, 1,0 × 10-3 mmol/L MnSO4, 1,0 × 10-3 mmol / L ZnSO 4, 1,0 × 10-4 mmol / LCuSO4 og 5,0 × 10-6 mmol / L Na2 MoO 4).
- Efter at hvedefrøene (trin 1.4) har spiret, placeres 15 hvedeplanter i hydroponisk udstyr (se materialetabel) indeholdende 100 ml 1/2 Hoagland næringsopløsning til hydroponics (figur 3). Hele det hydroponiske apparat anbringes i en kunstig klimainkubator (se materialetabellen) og inkuberes i 7 dage ved 25 °C og 80 % relativ luftfugtighed med en 16 timers lys/8 timers mørk fotoperiode.
Figur 3: Hydroponisk dyrkning af hvedeplanterne. Hvedeplanterne blev hydroponisk dyrket i 0 dage, 3 dage og 7 dage i 100 ml 1/2 Hoagland næringsopløsning. Klik her for at se en større version af denne figur.
3. Eksperiment med at udsætte hvedeplanterne for imidaclopridopløsning
- Efter en 7-dages hydroponisk periode transplanteres hvedeplanterne i 1/2 Hoagland næringsopløsning indeholdende 0,5 mg / L eller 5 mg / L imidacloprid for at gennemføre imidacloprideksponeringseksperimenterne. Vok 15 hvedeplanter i hver hydroponisk enhed. Der opstilles 15 hydroponiske anordninger for hver imidaclopridkoncentrationsgruppe for at sikre, at der udtages tilstrækkelige prøver under prøveudtagningen.
- Placer hele hydroponisk udstyr i en kunstig klimainkubator i 3 dage ved 25 ° C og 80% relativ luftfugtighed med en 16 timers lys / 8 timers mørk fotoperiode.
- I hele eksponeringsperioden samles hvederødder (0,2 g pr. Hvedeplante) og blade (0,5 g pr. Hvedeplante) dagligt. Hvedeprøverne fra hver femte hydroponiske anordning integreres som en parallel gruppe, og prøvernes imidaclopridindhold bestemmes.
4. Procedure for ekstraktion af imidacloprid fra hvede
- Ekstraktion af imidacloprid fra hvederødder
- For at undgå eksperimentelle fejl vaskes hvederødderne 4x med rindende sterilt vand i 10 s hver gang for at fjerne imidacloprid adsorberet på rodoverfladen.
- Riv hvederødderne i ca. 1 cm stykker med en saks (figur 4). Vej 10,00 g af de strimlede hvederødder og læg dem i et 50 ml centrifugerør.
- Tilsæt 10 ml acetonitril til centrifugeglasset og hvirvel røret på en hvirvel i 1 min. Derefter tilsættes 4 g vandfriMgSO4 og 1,5 g NaCl til centrifugerøret og hvirvel røret straks i 30 s. Centrifuger slangen i 5 minutter ved 6.000 x g.
- Supernatanten suges med en engangssprøjte og føres gennem et sprøjtefilter (porestørrelse på 0,22 μm) for at udtage prøven.
- Ekstraktion af imidacloprid fra hvedeblade (figur 5)
- Riv de friske hvedeblade i stykker på ca. 1 cm med en saks (figur 4). Vej 10,00 g af de strimlede hvedeblade og læg dem i et 50 ml centrifugerør.
- Tilsæt 10 ml acetonitril til centrifugeglasset og hvirvel røret på en hvirvel i 1 min.
- Der tilsættes 4 g vandfriMgSO4 og 1,5 g NaCl til centrifugeglasset og hvirvel røret straks i 30 s.
- Centrifuger slangen i 5 minutter ved 6.000 x g.
- Efter centrifugeringen tilsættes 2 ml supernatant til et 5 ml centrifugeglas indeholdende 50 mg grafitiseret kønrøg (GCB) og 150 mg vandfriMgSO4 (for at fjerne pigment og fugt fra prøven), og centrifugeglasset hvirvles i 30 s (figur 6). Centrifuger slangen i 5 minutter ved 6.000 x g.
- Supernatanten suges med en engangssprøjte og føres gennem et sprøjtefilter (porestørrelse på 0,22 μm) for at udtage prøven.
Figur 4: Strimlede hvederødder og blade. Friske hvederødder og blade blev strimlet ved hjælp af en saks i ca. 1 cm stykker. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 5: Ekstraktion af imidacloprid i hvedebladene. Imidacloprid i prøverne blev ekstraheret ved hjælp af QuEChERS-metoden (trin 4.2.1-4.2.4 i protokollen). Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 6: Oprensning af imidacloprid i hvedebladene. Dekontaminanten var 50 mg GCB + 150 mgMgSO4. Klik her for at se en større version af denne figur.
5. Kvantificering af imidacloprid
- Imidacloprid i prøven kvantificeres ved hjælp af væskekromatografi-tandemmassespektrometri (LC-MS-MS) baseret på en standardkurve (y = 696,61x + 56,411, R=1) opnået fra 0,2-250 μg/l imidaclopridkoncentrationer. (Figur 7). Massespektrometeret var udstyret med en C18-søjle (100 mm x 2,1 mm, 3 μm) og en elektrosprayioniseringskilde (ESI +). Elueringsprogrammet og ionkildeparametrene er vist i tabel 1.
Figur 7: Kromatogram og massespektrogram af imidacloprid i hvedebladene. Det øverste panel viser et kromatogram af imidacloprid (retentionstid = 0,93 min). Det nederste panel viser massespektrogrammet for imidacloprid ved 0,93 min, hvilket viser responsintensiteten af produktionen (m/z = 208,8) af imidacloprid. Klik her for at se en større version af denne figur.
| Kolonne temperatur | 40 °C |
| Opløsningsmiddel A | 99,9% vand/0,1% myresyre (v/v) |
| Opløsningsmiddel B | Acetonitril |
| Elueringsprogram | 0-0,5 min, A = 20% |
| 0,5-2 min, A = 20%-50% | |
| 2-3 min, A = 50% | |
| 3–3,1 min, A = 50%–20% | |
| 3,1-5 min, A=20% | |
| Flowhastighed (ml/min) | 0.3 |
| Injektionsvolumen (μL) | 5 |
| Kapillær temperatur (°C) | 330 |
| Fordampertemperatur (°C) | 350 |
| Kappegasstrømningshastighed (Arb) | 40 |
| Aux-gasstrømningshastighed (Arb) | 20 |
| Sprøjtespænding (V) | 3900 |
| Kollisionsgastryk (mTorr) | 1.5 |
| Forløber ion | 256.1 |
| Produktets ion-/kollisionsenergi (eV) | 208.8/16 |
Tabel 1: Elueringsprogram og ionkildeparametre for væskekromatografi-massespektrometrimetoden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Instrumentets detektionsgrænse (LOD) for imidacloprid var 5,76 × 10-14 g, og metodens LOD for imidacloprid i hvederoden eller hvedebladet var 0,01 μg/kg; Der blev ikke observeret nogen matrixeffekt. Genvindingsudbyttet af imidacloprid i hvede er vist i tabel 2. Genvindingsudbyttet af imidacloprid fra hvederødderne udsat for imidaclopridkoncentrationer på 0,5 mg/l og 5 mg/l var henholdsvis 94,0%-97,6% og 98,8%-99,2%; Variationskoefficienterne var henholdsvis 1,92% og 0,20%. Genvindingsudbyttet af imidacloprid fra hvedeblade, der blev udsat for imidaclopridkoncentrationer på 0,5 mg/l og 5 mg/l, var henholdsvis 88,2%-91,4% og 92,5%-93,4%; Variationskoefficienterne var henholdsvis 1,85% og 0,53%.
Imidaclopridkoncentrationerne i hvederødder og -blade er vist i tabel 3. Imidacloprid blev påvist i både hvederødder og blade med et højere indhold i rødderne end i bladene. Imidaclopridindholdet steg med længere eksponeringstid. Efter 3 dages eksponering var mængderne af imidacloprid i hvederødder og -blade henholdsvis 4,55 mg/kg ± 1,45 mg/kg og 1,30 mg/kg ± 0,08 mg/kg i 0,5 mg/l behandlingsgruppen og 42,5 mg/kg ± 0,62 mg/kg og 8,71 mg/kg ± 0,14 mg/kg i 5 mg/l behandlingsgruppen. Når hvederødderne blev eksponeret for imidacloprid i 1 døgn, blev imidacloprid påvist i både rødder og blade på hvedeplanterne, hvilket indikerer, at hvederødderne hurtigt kunne optage imidacloprid fra dyrkningsmediet og lede det ind i hvedeplanterne. Indholdet af imidacloprid i hvedebladene faldt lidt på dag 3 sammenlignet med dag 2. Dette skyldtes sandsynligvis nedbrydning af noget imidacloprid kombineret med fortyndingen af imidaclopridindholdet pr. volumenenhed af hvedebladene med forlængelsen af den hydroponiske kulturperiode. Hvederødderne og bladene indeholdt forskellige mængder imidacloprid, hvilket indikerer, at imidacloprid var blevet absorberet og udført forskelligt i hvedeplanterne og ikke nåede sine virkningssteder samtidigt. Forskellene i imidaclopridrester i forskellige dele af hvedeplanten er tæt forbundet med hvedeplantens fysiologiske struktur og imidacloprids fysisk-kemiske egenskaber.
De fælles parametre for tilsætning og overførsel af pesticider, der absorberes af planter, omfatter rodkoncentrationsfaktoren (RCF) og translokationsfaktoren (TF)22. RCF er forholdet mellem koncentrationen af imidacloprid i plantens rod og koncentrationen i dyrkningsmediet. En RCF > 1 indikerer, at imidacloprid let beriges af planten, mens en RCF < 1 indikerer, at planten ikke let beriger imidacloprid. Som det fremgår af tabel 4, var RCF fra nærværende undersøgelse >1, hvilket indikerer, at hvede har en berigelseseffekt på imidacloprid. TF repræsenterer plantens evne (her hvede) til at translokere et stof (her imidacloprid) mellem plantens rødder, skud og blade. En TF > 1 indikerer, at imidacloprid let translokeres af planten, mens en TF < 1 indikerer, at planten ikke let translokerer imidacloprid. TF beregnes som forholdet mellem restkoncentrationen af imidacloprid i forskellige dele af hveden og koncentrationen af imidacloprid i rødderne: TF-blad =C-blad/C-rod. Et TF-blad > 1 indikerer, at imidacloprid let overføres fra plantens rødder til bladene, mens etTF-blad < 1 indikerer det modsatte. Som det fremgår af tabel 4, var TF-bladet i denne undersøgelse <1, hvilket indikerer, at imidacloprid ikke let blev overført fra hvederødderne til bladene.
Hvedeplanters væksttilstand efter eksponering for imidacloprid er vist i figur 8. Efter 3 dages eksponering gav hverken 0,5 mg/l eller 5 mg/l imidacloprid nogen åbenbar hæmning af hvedeplantens vækst.
Datasættet, der er knyttet til denne undersøgelse, er tilgængeligt på https://doi.org/10.5281/zenodo.7022287.
Figur 8: Hvedeplanter udsat for imidacloprid i 1 dag, 2 dage og 3 dage. CK = kontrolgruppe; 0,5 = 0,5 mg/l imidacloprid gruppe; 5 = 5 mg/l imidaclopridgruppe. Klik her for at se en større version af denne figur.
| Prøve | Imidacloprid koncentration (mg/l) | Inddrivelse (%) | RSD (%) | |||
| Behandling 1 | Behandling 2 | Behandling 3 | Gennemsnitlig | |||
| Hvede rod | 0.5 | 94.00 | 97.60 | 95.20 | 95.60 | 1.92 |
| 5 | 99.00 | 98.80 | 99.20 | 99.00 | 0.20 | |
| Hvedeblad | 0.5 | 88.20 | 91.40 | 90.60 | 90.10 | 1.85 |
| 5 | 93.30 | 93.40 | 92.50 | 93.10 | 0.53 | |
Tabel 2: Genfinding og relativ standardafvigelse (RSD) for imidacloprid i hvederødder og -blade (n = 3). Imidaclopridkoncentrationerne er baseret på den friske vægt af hvederødder eller blade.
| Prøve | Imidaclopridkoncentration i opløsning (mg/l) | Indhold af imidacloprid (mg/kg) | ||
| 1 d | 2 d | 3 D | ||
| Hvede rod | 0.5 | 2.11 ± 0.05 | 3.18 ± 0.48 | 4.55 ± 1.45 |
| 5 | 14.83 ± 0.50 | 26.86 ± 1.38 | 42,5 ± 0,62 | |
| Hvedeblad | 0.5 | 0,34 ± 0,03 | 1,43 ± 0,60 | 1,30 ± 0,08 |
| 5 | 2.10 ± 0.18 | 9,81 ± 0,70 | 8,71 ± 0,14 | |
Tabel 3: Imidaclopridindhold i hvedens rødder og blade efter 1 dag, 2 dage og 3 dages eksponering. Data udtrykkes som gennemsnittet ± SD (n = 2). Imidaclopridkoncentrationerne er baseret på den friske vægt af hvederødder eller blade.
| Gruppe | RCF | TFblad | ||||
| 1 dag | 2 dage | 3 dage | 1 dag | 2 dage | 3 dage | |
| 0,5 mg/l imidacloprid gruppe | 4.22 | 6.36 | 9.10 | 0.16 | 0.45 | 0.29 |
| 5 mg/l imidaclopridgruppe | 2.97 | 5.37 | 8.50 | 0.14 | 0.37 | 0.20 |
Tabel 4: Rodkoncentrationsfaktorer (RCF) og bladtranslokationsfaktorer (TF-blad) af hvede til imidacloprid. RCF er forholdet mellem koncentrationen af imidacloprid i hvederoden og koncentrationen i det hydroponiske dyrkningsmedium. TF-bladet er forholdet mellem restkoncentrationen af imidacloprid i hvedebladet og den i hvederoden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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 brugt til at ekstrahere imidacloprid fra hvederødder og blade. Som en hurtig og effektiv metode er QuEChERS-metoden velegnet og meget udbredt til ekstraktion af imidacloprid fra jord 25 og plante20,26 (såsom chili, tomat, kål og hvede) prøver. Formålet med den aktuelle undersøgelse var at afgøre, om genfindelsen af imidacloprid var konsistent og opfyldte bestemmelseskravene. Genfindingsgraden og variationskoefficienten for imidacloprid i hvede opfyldte kravene til bestemmelse af restkoncentrationer, hvilket tyder på, at denne metode var mulig til ekstraktion af imidacloprid fra hvede. Imidaclopridindholdet blev bestemt af LC-MS-MS i denne undersøgelse, og den instrumentelle detektionsgrænse for imidacloprid opfyldte kravene til kvantitativ analyse af pesticidrester. Denne metode kan dog muligvis ikke påvise imidacloprid, når indholdet i prøven er lavere end 0,01 μg/kg. I sådanne tilfælde koncentreres prøven, eller der injiceres en større mængde for LC-MS-MS. Den imidacloprid-ekstraktions- og detektionsmetode, der anvendes i denne undersøgelse, har egenskaberne hurtighed, enkelhed, pålidelig reproducerbarhed, bekvemmelighed og høj nøjagtighed og er velegnet til analyse af pesticidrester. Succesen med denne metode, som påvist i denne undersøgelse, indikerer dens potentiale til anvendelse i fødevaresikkerhedsevalueringen af imidacloprid i hvede. De kritiske trin i protokollen inkluderer tilsætning af vandfriMgSO4, NaCl og GCB. VandfriMgSO4 og NaCl tilsættes for at fjerne vand fra prøveopløsningen, mens GCB tilsættes for at fjerne pigment fra prøveopløsningen. Den ekstraktionsmetode, der anvendes i denne undersøgelse, er begrænset af kravet om en tilstrækkelig stor (10 g) prøvemængde, hvilket gør den mindre egnet til evaluering af en lille prøvestørrelse.
Tilstedeværelsen af imidacloprid i hvederødder og blade viser, at hvede hurtigt kan absorbere og overføre imidacloprid. Berigelse og transport af organiske forbindelser i planter er tæt forbundet med deres Kow-værdi , som er forholdet mellem ligevægtskoncentrationen af organiske forbindelser i N-octanol- og vandfaserne under ligevægt27. I henhold til deres log Kow-værdi kan organiske forurenende stoffer opdeles i hydrofobe organiske forurenende stoffer, hydrofile organiske forurenende stoffer og moderat hydrofile organiske forurenende stoffer. Hydrofobe organiske forurenende stoffer (log Kow > 3) kan stærkt adsorberes af rodoverfladen og migrerer ikke let opad. På den anden side absorberes hydrofile organiske forurenende stoffer (log Kow < 0,5) ikke let af rødder eller passerer gennem planternes cellemembran. Vandige organiske forurenende stoffer (log Kow = 0,53) absorberes let af planter, beriges og overføres. Log Kow-værdien (0,57) af imidacloprid indikerer, at det er et moderat hydrofilt organisk stof, som let absorberes, beriges og overføres af planter.
Forskellige væv af planter har forskellig kapacitet til at absorbere og transportere forskellige pesticider over tid under det samme miljø28. Denne undersøgelse viste, at fordelingen af imidacloprid varierede i forskellige dele af hvedeplanten. Specifikt påviste undersøgelsen en stor forskel i absorptionen af imidacloprid mellem hvederødder og blade. Hvederødder har en stærk evne til at absorbere og overføre imidacloprid og kan akkumulere imidacloprid i koncentrationer, der er flere gange større end miljøkoncentrationen, hvilket tillader overførsel af imidacloprid i miljøet til hvedebladene. En undersøgelse af Yuan et al.20 om fordelingen af imidacloprid i hvede efter påføring af imidacloprid med kontrolleret frigivelse afslørede, at imidaclopridakkumulering i hvederødderne var 5-10 gange så stor som i bladene, hvilket er i overensstemmelse med resultaterne af denne undersøgelse.
Selvom denne undersøgelse bidrager til den overordnede forståelse af pesticidrester af imidacloprid i afgrøder, har den nogle begrænsninger. For eksempel blev kun hvede dyrket under hydroponiske forhold valgt som testplante i denne undersøgelse. Derfor er fremtidig forskning i mekanismerne for absorption, migration og distribution af pesticider i grøntsager, frugttræer og andre planter dyrket i jord såvel som vand berettiget. I yderligere undersøgelser vil forskellige koncentrationer af imidacloprid og en række planter blive undersøgt for mere detaljeret at undersøge absorptionen, transporten og akkumuleringen af imidacloprid i planter for bedre at forstå miljørisikoen ved imidacloprid.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne erklærer, at de ikke har nogen interessekonflikter. Alle forfatterne har læst og godkendt manuskriptet. Dette arbejde er ikke tidligere blevet offentliggjort, og det overvejes heller ikke af noget andet peer-reviewed tidsskrift.
Acknowledgments
Dette arbejde blev støttet af National Natural Science Foundation of China (nr. 42277039).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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).
