Μελέτη της βιολογικής δράσης διαφόρων φυτοφαρμάκων σε συνδυασμό με τη φυσικοχημική τους συμπεριφορά

Abstract

Pesticides are extensively used in agriculture, all over the world, and in recent years their use has dramatically increased. Humans are exposed to them either through occupational exposure via inhalation or skin contact during the preparation of the solutions to be sprayed or during spraying as cultivators, or as consumers through the residues that remain in food, smoke, air, soil, water, plants and animals. This thesis aims in evaluating the biological activity of pesticides in combination to their physicochemical parameters. Specifically, it was attempted to investigate whether their genotoxicity is determined by their physicochemical characteristics and as a consequence by environmental parameters. Methidathion and Imidacloprid, two commonly used pesticides were chosen in this study. Methidathion is a non-systemic organophosphorus insecticide acting as an inhibitor of Cholinesterase. Imidacloprid is a systemic chforo-nicotinyl insecticide with soil, seed and foliar uses and acts as acetylcholine receptors antagonist. To evaluate the genotoxicity of the above pesticides, the Cytokinesis Block Micronuclei Assay (CBMN) in human lymphocytes in vitro, was selected. To investigate the physiochemical characteristics of those pesticides and their presence inside or outside the cell, the Cathodic Stripping Voltammetry Assay was chosen (CSV). In addition, an in vivo study of the cytogenetic damage in farmers occupationally exposed to different mixtures of pesticides was performed. Furthermore there was an in vivo evaluation of genotoxicity of Imidacloprid in rats. The experimental results of Methidathion showed that the environmental parameter pH, has a catalytic effect on its formula, rendering it more dangerous. In vitro experiments, aiming to evaluate the genotoxicity of Imidacloprid in human lymphocytes with the use of CBMN in correlation with the data from the experimental results of the CSV assay with and without the presence of ΚΝΟ₃, showed an alteration of its physiochemical behavior due to the presence of ΚΝΟ₃. The factor affecting the action of Imidacloprid is the charge of the molecule which forces the molecule to bind to the cell membrane and prevents it from penetrating into the cell. With the presence of ΚΝΟ₃ the charge is neutralized and the pesticide penetrates the cell. The presence of a harmless and abundant in nature substance, such as ΚΝΟ₃, can dramatically alter the action of a pesticide, such as Imidacloprid transforming it from a friendly to human organism into a harmful one. Furthermore, the results from the thermodynamic behavior of the adsorption of Imidacloprid with the use of CSV, showed that Imidacloprid's adsorption is higher on hydrophobic surfaces at low temperatures, and that explains its higher toxicity on cool-blooded insects versus its lower towards warm-blooded organisms. The present study contributes to the clarification of the mechanism of action of those two pesticides. The results obtained from biological as well as physicochemical experiments showed that inter-scientific approach can provide key information of immediate environmental interest.

Τα φυτοφάρμακα αποτελούν σημαντικούς περιβαλλοντικούς ρυπαντές, στους οποίους εκτίθεται καθημερινά ο άνθρωπος με συνεχώς αυξανόμενο ρυθμό. Ο άνθρωπος εκτίθεται στα φυτοφάρμακα είτε μέσω της επαγγελματικής του ενασχόλησης ως καλλιεργητής, κατά τη διάρκεια ψεκασμών, είτε ως καταναλωτής, μέσω των υπολειμμάτων που παραμένουν σε τρόφιμα, καπνό, αέρα, έδαφος, νερό, φυτά και ζώα. Σκοπός της διατριβής είναι η μελέτη της βιολογικής δράσης φυτοφαρμάκων σε συνδυασμό με τη φυσικοχημική τους συμπεριφορά. Ειδικότερα επιδιώκεται να διερευνηθεί αν η γενοτοξική δράση τους καθορίζεται από τις φυσικοχημικές τους ιδιότητες και κατ’ επέκταση από τις περιβαλλοντικές συνθήκες. Επιλέχτηκαν δύο φυτοφάρμακα ευρείας χρήσης, το Methidathion και το Imidacloprid. Το Methidathion είναι οργανοφωσφορικό εντομοκτόνο, που δρα σαν ανταγωνιστής της χολινεστεράσης. To Imidacloprid είναι χλωρο-νικοτινικό εντομοκτόνο ευρέως φάσματος, το οποίο δρα ως ανταγωνιστής της ακετυλοχολίνης και ανήκει στα νικοτινοειδή, μια νέα κατηγορία φυτοφαρμάκων. Για την εκτίμηση της γενοτοξικής δράσης των παραπάνω φυτοφαρμάκων επιλέχθηκε η τεχνική των μικροπυρήνων (Micronucleus Assay) σε ανθρώπινα λεμφοκύτταρα in vitro με τη χρήση κυτταροχαλασίνης-Β. Για τη μελέτη της φυσικοχημικής συμπεριφοράς καθώς και της παρουσίας τους στον εσωκυττάριο ή εξωκυττάριο χώρο εφαρμόστηκε η τεχνική της καθοδικής βολταμετρίας με προσυγκέντρωση (Cathodic Stripping Voltammetry). Επίσης, πραγματοποιήθηκε in vivo μελέτη σε ομάδα αγροτών του νομού Ηρακλείου που χρησιμοποιούσαν μεταξύ άλλων φυτοφαρμάκων και το Methidathion. Συγχρόνως μελετήθηκε in vivo η δράση του Imidacloprid σε επίμυες. Τα αποτελέσματα των πειραμάτων για το Methidathion έδειξαν ότι ο περιβαλλοντικός παράγοντας pH, επηρεάζει καταλυτικά τη δομή του, ενισχύοντας την επικινδυνότητά του. Τα in vitro πειράματα προσδιορισμού της γενοτοξικής δράσης του Imidacloprid με την τεχνική των μικροπυρήνων σε καλλιέργειες ανθρώπινων λεμφοκυττάρων σε συνδυασμό με την τεχνική της καθοδικής βολταμετρίας με προσυγκέντρωση, παρουσία και απουσία ΚΝΟ₃, έδειξαν μεταβολή της φυσικοχημικής συμπεριφοράς του φυτοφαρμάκου εξαιτίας της παρουσίας του ΚΝΟ₃. Ο παράγοντας που επηρεάζει τη δράση του Imidacloprid είναι το φορτίο του μορίου το οποίο το κρατά προσκολλημένο στη μεμβράνη του λεμφοκυττάρου και δεν το αφήνει να εισχωρήσει στο εσωτερικό. Παρουσία ΚΝΟ₃ , το φορτίο του Imidacloprid εξουδετερώνεται με αποτέλεσμα να εισχωρεί ελεύθερα στο εσωτερικό του κυττάρου. Τα παραπάνω πειράματα έδειξαν ότι η παρουσία μιας ακίνδυνης και άφθονης στη φύση ένωσης, όπως το ΚΝΟ₃ μπορεί να αλλάξει δραματικά τον τρόπο δράσης ενός φυτοφαρμάκου όπως το Imidacloprid και να το μετατρέψει από φιλικό προς τον άνθρωπο σε αρκετά επικίνδυνο. Επίσης, από την μελέτη της θερμοδυναμικής συμπεριφοράς του Imidacloprid με την χρήση της καθοδικής βολταμετρίας με προσυγκέντρωση, προέκυψε ότι το συγκεκριμένο φυτοφάρμακο παρουσιάζει μεγαλύτερη δραστικότητα σε χαμηλές θερμοκρασίες γεγονός που το καθιστά πιο επικίνδυνο για τους ψυχρόαιμους οργανισμούς (έντομα) και λιγότερο για τους θερμόαιμους (θηλαστικά). Η εργασία αυτή συνεισφέρει στην αποσαφήνιση του μηχανισμού δράσης των δύο αυτών φυτοφαρμάκων. Τα αποτελέσματα αυτά που προέκυψαν, τόσο βιολογικά όσα και φυσικοχημικά, δείχνουν ότι η διεπιστημονική προσέγγιση μπορεί να δώσει χρήσιμες απαντήσεις σε ζητήματα περιβαλλοντικού ενδιαφέροντος.