Χωρική διασπορά της φωσφίνης σε πρότυπους χώρους, σε σχέση με την αποτελεσματικότητά της για έντομα αποθηκευμένων γεωργικών προϊόντων και τροφίμων

Abstract

This dissertation examines the distribution of phosphine gas in different types of facilities and structures. The evaluation of phosphine distribution was conducted by using a series of tests at the Laboratory of Entomology and Agricultural Zoology (LEAZ), at the University of Thessaly. In the first experimental part, we determined phosphine resistance in insect populations that had been collected from a range of storages across Greece, using different diagnostic protocols. Apart from the traditional Food and Agriculture Organization (FAO) protocol, a field rapid diagnostic (known as the Phosphine Tolerance Test, PTT), a Dose Response protocol (insect exposure at various concentrations) and the Cooperation Centre for Scientific Research Relative to Tobacco (CORESTA) protocol (exposure at fixed concentrations for fixed exposure intervals) were utilized, for the determination of the resistance status of field collected insects. In total, 53 populations belonging to Rhyzopertha dominica, Sitophilus oryzae, Sitophilus granarius, Cryptolestes ferrugineus, Tribolium confusum, Tribolium castaneum and Oryzaephilus surinamensis were tested. For the majority of the species and populations tested, PTT and FAO provided similar results, for the susceptibility to phosphine and thus, the quick test could be used with success for an initial same day screening of phosphine resistance. Among the tested species, the populations recorded with the most frequent survival at the FAO and Dose Response protocols were those of R. dominica. In contrast, in the CORESTA protocol all populations were considered as susceptible. The dissimilar evaluation and characterization of resistance to phosphine between diagnostic protocols is particularly important, as it poses risks in the overestimation or underestimation of the resistance status of a given population. Our data indicate that the PTT could be used to determine resistance to phosphine in the field, before the initiation of fumigations to disinfest stored commodities. In the second experimental part, we evaluated wireless phosphine sensors to quantify and depict spatio-temporal dynamics and distribution of this gas within different types of facilities and commodities. The use of wireless sensors has certain advantages over the traditional monitoring techniques (e.g. glass tubes etc.), as any measurements with these traditional techniques correspond to the specific time and location of monitoring and are not transferable to additional intervals and locations, which leads fumigators to either overestimate or underestimate the concentrations and outcomes of a given fumigation. In fact, in light of our findings, the distribution of phosphine in large warehouses was not usually adequate for a satisfactory level of insect control, and gas concentrations varied remarkably through time and space. In contrast, commercial treatments at containers were sufficient to control the insects tested, even on stored-product insects which were found to be resistant to phosphine. Furthermore, in the case of silos and ship holds, our work indicated that the use of forced recirculation systems for phosphine is essential to increase concentration and, as a result, insect mortality. Overall, our tests clearly suggested that the sensors were very effective in measuring phosphine and are generally expected to play an important role in the near future in IPM-based programs at the post-harvest stages of agricultural commodities. At the same time, real-time monitoring can be used with success for the prediction of insect mortality in the treated facilities. In the third experimental part, the distribution of phosphine gas in six metal silos with wheat was modelled and compared with available distribution data from phosphine sensors. During the fumigation, a recirculation system was used to improve the diffusion of phosphine. Three different Scenarios of the recirculation system were used: (a) Scenario 1: the recirculation system was used for only 24 h in the beginning of the fumigation, (b) Scenario 2: the recirculation system was used for four consecutive days from the beginning of the fumigation and (c) Scenario 3: the recirculation system was used from the beginning of the fumigation for approximately 50 hours, where the concentration reached over 300 ppm and gas equilibrium was achieved. In each silo, sensors were placed to monitor the concentration of phosphine, along with vials with phosphine-susceptible and -resistant insect populations of R. dominica and O. surinamensis. A Computational Fluid Dynamics (CFD) method was used for precision fumigation by using phosphine sensors with the OpenFoam software. Gas transport and sorption effects of phosphine into the grain was accounted through the CFD model. Simulation results were obtained for insect mortality as a function of their exposure to phosphine gas. CFD-based modelling was accurate in simulating and forecasting fumigation results and provided good predictions on each location inside the fumigated areas. Moreover, the fumigation applications resulted in complete control in all populations tested. The recirculation system improved the distribution of phosphine in the fumigated area. The most appropriate Scenario was Scenario 3, showing the least uneven distribution in the treated silo in contrast with the other two Scenarios. These results indicated that CFD correlates well phosphine concentration with insect mortality and thus, a methodology for precision fumigation can be further established. In the fourth experimental part, the distribution of phosphine gas in metal shipping containers was modeled and compared with available data from phosphine sensors. Two different sizes of containers, 20 and 40 ft, were used in the experiments with different doses for each treatment/ each time. In each container, sensors were placed to monitor the distribution of phosphine, along with vials with phosphine –susceptible and –resistant insect populations of R. dominica and O. surinamensis. A CFD model was developed with the OpenFoam software and combined with phosphine sensor data for precision fumigation. Gas transport and sorption effects of phosphine into empty and filled containers were accounted through the CFD model. In the light of our findings, in an empty container, the phosphine concentration was quite similar for all locations, while in the filled container there were noticeable variations inside in the fumigated area. Moreover, there was a time delay for phosphine to reach the sensors that were placed inside the commodity, at the rear side of the filled containers. Regarding the simulations, the predictions of the computational model were in accordance with phosphine distribution as given by the sensor data. Concerning insect mortality data, in most of the cases, for both species, complete control was noted, regardless of the resistance level of the population tested. These results indicated that CFD correlates well with the phosphine concentration and insect mortality and thus, a methodology for precision fumigation in containers can be further established. In the initial section of the fifth experimental part, we evaluated the efficacy of heat treatment on phosphine resistant and susceptible populations of stored product insects at 29 different commercial facilities in Greece. Heat treatments were carried out by using a special equipment, such as Therminate, TempAir and ThermoNox, applied alone or in combination. The overall temperature range was between 33 and 55 °C and the duration of the heat treatments was between 20 and 39 h. Adults of different populations of R. dominica and O. surinamensis were used in the experiments. These populations were collected from different storage facilities in Greece and were characterized for their resistance to phosphine by using the PTT. Insect mortality was measured at the termination of each trial. Then, the vials were kept in incubator chambers set at 25 °C and 65% relative humidity and 65 d later the progeny production was measured in the treated substrate. Based on our results, in the vast majority of the cases, 100% mortality was observed for both resistant and susceptible populations at all facilities. In general, in the few cases where survival and progeny production was recorded, there was no specific trend towards specific species or population. Overall, based on the current results, heat treatment can be used by the industry as an alternative method for the control of phosphine-resistant adults of R. dominica and O. surinamensis. In the final section of the fifth experimental part, the effectiveness of modified atmosphere was evaluated, as an alternative to phosphine. Phosphine-sensitive and phosphine-resistant populations were used in nine commercial nitrogen chambers in Greece. The following combinations were used: 31 oC for 2 days, 40 oC for 2.5 days, 28 oC for 3 days, 28 oC for 6 days and 28 oC for 9 days of exposure, using different populations of R. dominica and O. surinamensis. Mortality and progeny production were recorded as noted above. In all cases, complete parental mortality was observed, with the exception of R. dominica at 31 oC for 2 days of exposure. There was no progeny production, with some exceptions for some of the combinations tested. Our results showed that low oxygen, through the increase of nitrogen, is effective for all populations tested, regardless of their resistance to phosphine. This method can be adopted as an alternative method to control stored product beetles. In general, this is the first assessment of the distribution of phosphine gas in different types of facilities and commodities, in combination with the expected insect mortality. It is shown that fumigation failures can be regarded mostly as a result of poor fumigation practices, rather that insect resistance. At the same time, heat treatment and nitrogen are proposed as alternatives to phosphine gas, as they are based on similar principles, i.e. the treatment of the air around the commodity.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή εξετάστηκε η κατανομή της φωσφίνης σε πρότυπους χώρους απεντόμωσης, δηλαδή σε διαφορετικούς τύπους εγκαταστάσεων. Αρχικά εξετάστηκε η ύπαρξη της ανθεκτικότητας στη φωσφίνη διαφόρων εντόμων αποθηκευμένων γεωργικών προϊόντων και τροφίμων. Η αξιολόγηση της ανθεκτικότητας έγινε με μια σειρά βιοδοκιμών που πραγματοποιήθηκαν στο Εργαστήριο Εντομολογίας και Γεωργικής Ζωολογίας (ΕΕΓΖ) του Πανεπιστημίου Θεσσαλίας. Ειδικότερα, στην πρώτη πειραματική ενότητα, πραγματοποιήθηκε ο προσδιορισμός της ανθεκτικότητας σε πληθυσμούς εντόμων αποθηκών που είχαν συλλεχθεί από διάφορα μέρη της Ελλάδος, χρησιμοποιώντας τέσσερα διαγνωστικά πρωτόκολλα αξιολόγησης. Εκτός από το παραδοσιακό πρωτόκολλο του FAO (έκθεση σε 30 ppm για 20 ώρες), χρησιμοποιήθηκε και ένα γρήγορο τεστ, το Phosphine Tolerance Test (PTT) (σύντομες εκθέσεις), καθώς επίσης και μια πλήρης σειρά βιοδοκιμών (dose respone protocol) (εκθέσεις τριών ημερών σε διάφορες συγκεντρώσεις), όπως και το πρωτόκολλο του Cooperative Center for Scientific Research Relative to Tobacco (CORESTA) (έκθεση για μεγαλύτερες περιόδους). Τα είδη που εξετάστηκαν ήταν τα εξής: Rhyzopertha dominica, Sitophilus oryzae, Sitophilus granarius, Cryprolestes ferrugineus, Tribolim confusum, Tribolium castaneum και Oryzaephilus surinamensis. Συνολικά, εξετάστηκαν 53 πληθυσμοί. Με βάση τα αποτελέσματά μας, για την πλειονότητα των ειδών και των πληθυσμών που εξετάστηκαν, τα πρωτόκολλα PTT και FAO παρείχαν παρόμοια αποτελέσματα. Μεταξύ των δοκιμασθέντων ειδών, οι πληθυσμοί που καταγράφηκαν με τη συχνότερη επιβίωση, χρησιμοποιώντας τα πρωτόκολλα FAO και Dose Response, ανήκαν στο R. dominica. Αντιθέτως, στο πρωτόκολλο CORESTA όλοι οι πληθυσμοί θεωρήθηκαν ως ευαίσθητοι. Τα δεδομένα μας δείχνουν ότι το PPT θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό της ανθεκτικότητας στη φωσφίνη στο πεδίο, πριν την έναρξη των εφαρμογών για την απεντόμωση των αποθηκευμένων προϊόντων. Στην δεύτερη πειραματική ενότητα, αξιολογήθηκαν ασύρματοι αισθητήρες φωσφίνης για να ποσοτικοποιηθεί και να απεικονιστεί η χωρο-χρονική δυναμική και η διασπορά του αερίου σε διαφορετικούς τύπους εγκαταστάσεων και εμπορευμάτων. Η χρήση ασύρματων αισθητήρων έχει ορισμένα πλεονεκτήματα σε σχέση με τη χρήση των παραδοσιακών τεχνικών παρακολούθησης (π.χ. γυάλινους σωληνίσκους), καθώς μετρήσεις με τις παραδοσιακές τεχνικές αντιστοιχούν στο συγκεκριμένο χρόνο και θέση παρακολούθησης και δεν μεταφέρονται σε επιπλέον διαστήματα και τοποθεσίες, γεγονός που οδηγεί τους απεντομωτές είτε να υπερεκτιμούν είτε να υποτιμούν τις συγκεντρώσεις. Στην πραγματικότητα, υπό το φως των ευρημάτων μας, η διασπορά της φωσφίνης σε αποθήκες οριζοντίου τύπου δεν ήταν συνήθως επαρκής για τον έλεγχο των εντόμων και οι συγκεντρώσεις εμφάνιζαν σημαντική χωροχρονική διασπορά. Αντιθέτως, οι εφαρμογές σε εμπορευματοκιβώτια (containers) ήταν επαρκείς για τον έλεγχο των εντόμων που ελέγχθηκαν, ακόμη και σε έντομα τα οποία βρέθηκαν ανθεκτικά στη φωσφίνη. Επιπλέον, στην περίπτωση των σιλό και των πλοίων, η παρούσα ενότητα έδειξε ότι η χρήση της ανακύκλωσης του αέρα είναι απαραίτητη για την αύξηση της συγκέντρωσης και, ως αποτέλεσμα, της θνησιμότητας των εντόμων. Σύμφωνα με τις βιοδοκιμές που διενεργήθηκαν, προτείνουμε ότι οι αισθητήρες ήταν αποτελεσματικοί στην μέτρηση της φωσφίνης και πρόκειται να διαδραματίσουν σημαντικό ρόλο σε προγράμματα ολοκληρωμένης καταπολέμησης (IPM) στο μέλλον. Ταυτόχρονα, η παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο μπορεί να χρησιμοποιηθεί με επιτυχία για την πρόβλεψη της θνησιμότητας των εντόμων στις εγκαταστάσεις. Στην τρίτη πειραματική ενότητα, η διασπορά του αερίου μοντελοποιήθηκε και συγκρίθηκε σε έξι μεταλλικά σιλό με τα διαθέσιμα δεδομένα από τους αισθητήρες. Κατά την διάρκεια των απεντομώσεων, χρησιμοποιήθηκε ένα σύστημα κυκλοφορίας αέρα με σκοπό την βελτίωση της διασποράς της φωσφίνης. Χρησιμοποιήθηκαν τρία διαφορετικά «σενάρια» της κυκλοφορίας αέρα: (α) Σενάριο 1: το σύστημα κυκλοφορίας χρησιμοποιήθηκε για 24 ώρες στην αρχή της απεντόμωσης, (β) Σενάριο 2: το σύστημα κυκλοφορίας χρησιμοποιήθηκε για τέσσερις συνεχόμενες ημέρες από την αρχή της απεντόμωσης και (γ) Σενάριο 3: το σύστημα κυκλοφορίας χρησιμοποιήθηκε από την αρχή της απεντόμωσης για περίπου 50 ώρες, μέχρι η συγκέντρωση να ξεπεράσει τα 300 ppm. Σε κάθε σιλό, τοποθετήθηκαν αισθητήρες για την παρακολούθηση της συγκέντρωσης του αερίου, μαζί με φιαλίδια με ευαίσθητους και ανθεκτικούς στη φωσφίνη πληθυσμούς των R. dominica και O. surinamensis. Επίσης, χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος Υπολογιστική Ρευστοδυναμική - Computational Fluid Dynamics (CFD), χρησιμοποιώντας αισθητήρες φωσφίνης με το λογισμικό OpenFoam. Η διασπορά του αερίου και η προσομοίωση της προσρόφησης της φωσφίνης υπολογίστηκαν μέσω του μοντέλου CFD. Η προσομοίωση ήταν ακριβής καθώς και η πρόβλεψη των αποτελεσμάτων για κάθε τοποθεσία εντός των εφαρμογών. Επιπλέον, οι εφαρμογές οδήγησαν σε πλήρη θνησιμότητα όλους τους πληθυσμούς εντόμων που εξετάστηκαν. Το σύστημα κυκλοφορίας αέρα βελτίωσε την κατανομή της φωσφίνης στις διάφορες θέσεις. Το προτιμώμενο σενάριο ήταν το Σενάριο 3, που δείχνει μειωμένη άνιση κατανομή στο σιλό, σε σύγκριση με τα άλλα δύο. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το CFD συσχετίζει καλά τη συγκέντρωση φωσφίνης με τη θνησιμότητα των εντόμων και έτσι, μπορεί να καθιερωθεί περαιτέρω ως μια μεθοδολογία για τις απεντομώσεις ακριβείας. Στην τέταρτη πειραματική ενότητα, η διασπορά της φωσφίνης σε μεταλλικά εμπορευματοκιβώτια αξιολογήθηκε με τα διαθέσιμα δεδομένα από τους αισθητήρες. Χρησιμοποιήθηκαν δύο διαφορετικά μεγέθη εμπορευματοκιβωτίων, 20 ft (32.6 m3) και 40 ft (67.7m3), σε μια σειρά πειραμάτων με διαφορετικές δόσεις σε κάθε εφαρμογή. Σε κάθε εμπορευματοκιβώτιο, τοποθετήθηκαν αισθητήρες για την παρακολούθηση του αερίου, μαζί με φιαλίδια που περιείχαν πληθυσμούς ανθεκτικούς και ευαίσθητους στη φωσφίνη, για τα R. dominica και O. surinamensis. Χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος CFD όπως και παραπάνω. Με βάση τα αποτελέσματά μας, υπήρχε χρονική καθυστέρηση για να φτάσει η φωσφίνη στους αισθητήρες που είχαν τοποθετηθεί μέσα στο εμπόρευμα, στην πίσω πλευρά του εμπορευματοκιβωτίου. Όσον αφορά τις προσομοιώσεις, οι προβλέψεις του υπολογιστικού μοντέλου ήταν σύμφωνες με την διασπορά του αερίου όπως δίνεται από τα δεδομένα των αισθητήρων. Για τα δεδομένα της θνησιμότητας των εντόμων, στις περισσότερες περιπτώσεις, και για τα δύο είδη, σημειώθηκε πλήρης έλεγχος, ανεξάρτητα από το επίπεδο της ανθεκτικότητας. Τα αποτελέσματά μας έδειξαν, ότι το υπολογιστικό μοντέλο συσχετίζει καλά τη συγκέντρωση της φωσφίνης, με τη θνησιμότητα των εντόμων και έτσι, μπορεί να καθιερωθεί αυτή η μεθοδολογία για την απεντόμωση ακριβείας σε εμπορευματοκιβώτια. Στο πρώτο μέρος της πέμπτης πειραματικής ενότητας, αξιολογήθηκε η αποτελεσματικότητα της θερμικής επεξεργασίας ή αλλιώς της χρήσης των υψηλών θερμοκρασιών. Χρησιμοποιήθηκαν ευαίσθητοι και ανθεκτικοί στη φωσφίνη πληθυσμοί των R. dominica και O. surinamensis, σε είκοσι εννέα διαφορετικές εμπορικές εφαρμογές στην Ελλάδα. Το εύρος της θερμοκρασίας ήταν μεταξύ 33 και 55 oC και η διάρκεια των εφαρμογών κυμαίνονταν μεταξύ 20 και 39 ωρών. Η θνησιμότητα των εντόμων μετρήθηκε στο τέλος της κάθε εφαρμογής. Στη συνέχεια, τα φιαλίδια διατηρήθηκαν σε ειδικούς θαλάμους ελεγχόμενων συνθηκών και μετρήθηκε συντριπτική πλειονότητα των περιπτώσεων, παρατηρήθηκε 100% θνησιμότητα (πλήρης έλεγχος), τόσο για τους ανθεκτικούς, όσο και για τους ευαίσθητους πληθυσμούς σε όλες τις εγκαταστάσεις που δοκιμάστηκαν. Στις ελάχιστες περιπτώσεις που καταγράφηκε επιβίωση και παραγωγή απογόνων, οι όποιες μετρήσεις δεν συσχετίστηκαν με συγκεκριμένο είδος ή πληθυσμό. Συνολικά, η χρήση υψηλών θερμοκρασιών μπορεί να χρησιμοποιηθεί από την βιομηχανία ως εναλλακτική μέθοδος για τον έλεγχο των ανθεκτικών στη φωσφίνη πληθυσμών. Στο δεύτερο μέρος της πέμπτης πειραματικής ενότητας, αξιολογήθηκε η αποτελεσματικότητα του αζώτου. Χρησιμοποιήθηκαν ευαίσθητοι και ανθεκτικοί πληθυσμοί των παραπάνω ειδών, σε εννέα εμπορικούς θαλάμους αζώτου στην Ελλάδα. Στις δοκιμές χρησιμοποιήθηκαν οι εξής συνδυασμοί: 31 oC για 2 ημέρες, 40 oC για 2.5 ημέρες, 28 oC για 3 ημέρες, 28 oC για 6 ημέρες και 28 oC για 9 ημέρες. Η θνησιμότητα και η παραγωγή των απογόνων μετρήθηκε όπως παραπάνω. Σε όλες τις περιπτώσεις, παρατηρήθηκε 100% θνησιμότητα, με εξαίρεση το R. dominica στους 31 oC για 2 ημέρες έκθεσης. Ομοίως, δεν υπήρχε παραγωγή απογόνων, με ορισμένες ελάχιστες εξαιρέσεις. Τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι η χρήση του αζώτου είναι αποτελεσματική για όλα τα είδη που δοκιμάστηκαν, ανεξάρτητα από το επίπεδο της ανθεκτικότητας. Αυτή η μέθοδος μπορεί να υιοθετηθεί ως μια εναλλακτική μέθοδος για τον έλεγχο των εντόμων αποθηκών, καθώς και για τον έλεγχο πληθυσμών που είναι ανθεκτικοί στη φωσφίνη. Η παρούσα μελέτη θεωρείται ως η πρώτη του είδους της σχετικά με τη διασπορά της φωσφίνης σε πρότυπους χώρους απεντόμωσης, καθώς η διασπορά του αερίου απεικονίζεται με το CFD και τη χρήση ασύρματων αισθητήρων. Τα δεδομένα δείχνουν ότι, στη μεγάλη τους πλειονότητα, οι απεντομώσεις αποτυγχάνουν λόγω ανόμοιας κατανομής του αερίου και μη στεγανοποίησης του χώρου. Παρόλο αυτά, αν οι εφαρμογές γίνουν με ορθό τρόπο και πρακτικές, η θνησιμότητα των εντόμων είναι υψηλή, ακόμα και σε έντομα που είναι ανθεκτικά στη φωσφίνη. Τέλος, παρουσιάζονται και εναλλακτικές μέθοδοι για την αντιμετώπιση των ανθεκτικών στη φωσφίνη πληθυσμών, οι οποίες μοιάζουν με τις εφαρμογές φωσφίνης, δηλ. με τη διαχείριση του αέρα στο χώρο αποθήκευσης.