Αξιολόγηση του γραφενίου για την αντιμετώπιση των εντόμων αποθηκών

Abstract

This doctoral thesis investigates the insecticidal activity of graphene materials against key insect species of stored agricultural products, placing them in the context of post-harvest management. It aimed to evaluate the effectiveness of different types of graphene through a multi-parametric approach that included critical biotic and abiotic factors, such as insect species, graphene particle size, temperature, relative humidity, commodity type, application surface, potential synergism with conventional insecticides, and residual effects of graphene. In particular, the first experimental section examined the insecticidal properties of various types of graphene materials, with an emphasis on micro- and nanoparticles of differentiated morphology and physicochemical composition, in the context of their use as innovative contact nanoinsecticides for the management of key insect pests of stored grains. In this context, the insecticidal activity of graphene formulations was evaluated against Sitophilus oryzae, Rhyzopertha dominica, and Prostephanus truncatus. The materials tested in this study included two industrially produced graphene formulations, with particle sizes in the micrometer (5–25 μm) and nanometer (~100 nm) ranges, which were applied at four concentrations (0, 100, 500, and 1000 ppm). The adult mortality was recorded after 3, 7, 14, and 21 days of exposure, while the effect on progeny production capacity was assessed 65 days after the initiation of the experiments. The results showed a clear superiority of graphene nanoparticles over microparticles, as well as a complete absence of insecticidal activity from graphene oxide. The increased effectiveness of nanoparticles was attributed to their smaller particle size, high hydrophobicity, and increased content of sp² carbon and oxygen-containing groups, characteristics that favor disruption of the insect's cuticle integrity. In addition, a dose-dependent suppression of offspring production was observed for all species tested, a finding attributed to both physical damage to the exoskeleton and possible inhibition of critical reproductive processes. Overall, the results of this section document the potential of utilizing graphene nanoparticles as environmentally friendly and non-chemical insecticides, with direct application in the post-harvest protection of stored agricultural products. The second experimental section was focused on investigating the effect of two critical abiotic parameters, temperature and relative humidity (RH), on the insecticidal activity of two graphene formulations (Gr1 and Gr2) against S. oryzae and Oryzaephilus surinamensis on soft wheat. The bioassays were performed at combinations of three temperatures (20, 25, and 30 °C) and two RH levels (55 and 75%) at concentrations of 500 and 1000 ppm, with parallel evaluation of offspring production (F₁) 65 days after exposure. The results indicated that relative humidity was the most critical factor, with low RH (55%) significantly enhancing insecticidal efficacy, possibly due to the stronger dehydration of the insects. In contrast, the effect of temperature did not follow a linear pattern, but increased mortality was recorded under conditions of moderate thermal stress. Oryzaephilus surinamensis showed extremely high sensitivity, with complete mortality and suppression of offspring in all combinations. These findings highlight the importance of environmental adaptation of graphene applications in order to maximize the insecticidal performance of the material under “real world” storage conditions. The third experimental section was focused on evaluating the insecticidal efficacy of three graphene formulations against S. oryzae, Sitophilus zeamais, and Tribolium castaneum in three grain commodities: paddy rice, maize, and soft wheat. The formulations differed in critical physicochemical properties, such as particle size, hydrophobicity, and surface chemistry, and were applied at two concentrations (500 and 1000 ppm). Adult mortality was recorded after 7, 14, and 21 days of exposure, while offspring production was evaluated at 65 days. The results showed that the commodity type is a determining factor in the effectiveness of the graphene materials, with soft wheat showing reduced insecticidal activity, which was attributed to its smooth, hydrophilic, and low-adsorptive surface. In contrast, maize and paddy rice allowed higher adhesion of the formulations, leading to increased mortality, especially in the case of S. oryzae. An important finding was the significant reduction in offspring production only in maize, probably due to the lower protection offered by the grain against the action of graphene. This section highlights the interaction between the properties of the formulation and the commodity surface as critical factors determining the effectiveness of graphene as an insecticidal material for post-harvest protection of grains. The fourth experimental section investigated the insecticidal activity of graphene formulations applied at two concentrations (0.5 and 1 g/m²) on three common storage surfaces: metal, concrete, and ceramic. The effectiveness was evaluated against adults of T. castaneum and O. surinamensis. The results showed that the insecticidal activity of graphene remained high and stable regardless of surface type, demonstrating its flexibility as a contact insecticide under “real world” conditions. Oryzaephilus surinamensis showed to be more sensitive than T. castaneum, which is probably related to the different mobility or morphology of the species. The increase in the graphene concentration did not lead to a further increase in mortality, suggesting the existence of a saturation phenomenon in the adsorption of particles on the insects' exoskeleton. This section highlights the potential for effective use of graphene at low doses, regardless of the application surface, reinforcing its potential as an innovative tool in the post-harvest management of stored product insects. The fifth experimental section evaluated the synergistic insecticidal action of graphene in combination with the naturally derived insecticide spinosad against three key insects of stored agricultural products: T. castaneum, O. surinamensis, and R. dominica. The bioassays were performed by applying graphene (250 ppm), spinosad (200 and 400 ppm), and their respective combinations to record mortality at 7, 14, and 21 days and offspring production after 65 days. The results showed a clear synergistic effect between the two agents, with increased mortality and reduced reproductive capacity, particularly for O. surinamensis and T. castaneum. Rhyzopertha dominica showed to be the most sensitive to graphene, while T. castaneum was the most tolerant of the species tested. The synergistic effect was attributed to the increased adhesion and improved penetration of spinosad mediated by graphene, while the lack of further increase in efficacy with the highest dose of spinosad indicates saturation of the insecticide's action. Overall, the findings document the potential of graphene as an adjuvant to reduce the required dose of bioactive substances, contributing to the development of environmentally friendly and effective plant protection strategies for post-harvest management applications. The sixth experimental section investigated the long-term insecticidal efficacy of two graphene formulations (Gr1 and Gr2) against adults of S. oryzae and R. dominica on soft wheat under storage conditions for a period of six months. Graphene was applied at concentrations of 500 and 1000 ppm, and bioassays were performed monthly, recording insect mortality after 7, 14, and 21 days of exposure. The results showed that both formulations maintained consistently high mortality rates during storage, with no evidence of insecticidal activity attenuation. Gr1 showed superiority over Gr2, mainly for R. dominica, probably due to physicochemical characteristics such as increased hydrophobicity and higher oxygenated group content. Furthermore, a concentration of 500 ppm proved sufficient for effective control of S. oryzae, reinforcing the prospect of using graphene at low doses for long-term protection of grains. This section demonstrates the potential of graphene as a sustainable and environmentally friendly insecticide for the safe storage of durable agricultural products, offering an attractive alternative to conventional chemical agents.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή διερευνά για πρώτη φορά σε βάθος την εντομοκτόνο δράση υλικών γραφενίου έναντι βασικών ειδών εντόμων αποθηκευμένων γεωργικών προϊόντων, εντάσσοντάς τα στο πλαίσιο της μετασυλλεκτικής διαχείρισης. Στόχος της ήταν η αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας διαφορετικών τύπων γραφενίου, μέσω μιας πολυπαραμετρικής προσέγγισης που περιλάμβανε κρίσιμους βιοτικούς και αβιοτικούς παράγοντες, όπως το είδος του εντόμου, το μέγεθος των σωματιδίων γραφενίου, η θερμοκρασία, η σχετική υγρασία, το είδος του υποστρώματος, η επιφάνεια εφαρμογής, η συνέργεια με συμβατικά εντομοκτόνα καθώς και η υπολειμματική διάρκεια του γραφενίου. Ειδικότερα, στην πρώτη πειραματική ενότητα εξετάστηκαν οι εντομοκτόνες ιδιότητες διαφόρων τύπων γραφενικών υλικών, με έμφαση σε μικρο- και νανοσωματίδια διαφοροποιημένης μορφολογίας και φυσικοχημικής σύστασης, στο πλαίσιο της αξιοποίησής τους στη διαχείριση βασικών εντομολογικών εχθρών των αποθηκευμένων σιτηρών. Συγκεκριμένα, αξιολογήθηκε η δράση των γραφενικών σκευασμάτων έναντι των ειδών Sitophilus oryzae, Rhyzopertha dominica και Prostephanus truncatus. Τα υπό μελέτη υλικά περιλάμβαναν δύο βιομηχανικά παραγόμενα σκευάσματα γραφενίου, με μέγεθος σωματιδίων στην κλίμακα των μικρομέτρων (5–25 μm) και των νανομέτρων (~100 nm), τα οποία εφαρμόστηκαν σε τέσσερις συγκεντρώσεις (0, 100, 500 και 1000 ppm). Η θνησιμότητα των ενηλίκων ατόμων καταγράφηκε μετά από 3, 7, 14 και 21 ημέρες έκθεσης, ενώ η επίδραση στην αναπαραγωγική ικανότητα εκτιμήθηκε μέσω της καταγραφής του αριθμού απογόνων (F₁) 65 ημέρες μετά την έναρξη των πειραμάτων. Τα αποτελέσματα ανέδειξαν σαφή υπεροχή των νανοσωματιδίων γραφενίου έναντι των μικροσωματιδίων, καθώς και πλήρη απουσία εντομοκτόνου δράσης από το οξείδιο του γραφενίου. Η αυξημένη αποτελεσματικότητα των νανοσωματιδίων αποδόθηκε στο μικρότερο μέγεθος σωματιδίων, την υψηλή υδροφοβικότητα, καθώς και στην αυξημένη περιεκτικότητα σε sp² άνθρακα και οξυγονούχες ομάδες, χαρακτηριστικά που ευνοούν τη διαταραχή της επιδερμικής ακεραιότητας του εντόμου. Επιπλέον, παρατηρήθηκε δοσοεξαρτώμενη καταστολή της παραγωγής απογόνων για όλα τα εξεταζόμενα είδη, εύρημα που αποδίδεται τόσο σε φυσικές βλάβες του εξωσκελετού όσο και σε ενδεχόμενη παρεμπόδιση κρίσιμων αναπαραγωγικών διεργασιών. Συνολικά, τα αποτελέσματα της παρούσας ενότητας τεκμηριώνουν τη δυνατότητα αξιοποίησης των νανοσωματιδίων γραφενίου ως περιβαλλοντικά φιλικών και μη χημικών εντομοκτόνων παραγόντων, με άμεση εφαρμογή στη μετασυλλεκτική προστασία των αποθηκευμένων γεωργικών προϊόντων. Η δεύτερη πειραματική ενότητα επικεντρώθηκε στη διερεύνηση της επίδρασης δύο κρίσιμων αβιοτικών παραμέτρων, της θερμοκρασίας και της σχετικής υγρασίας (relative humidity, RH), στην εντομοκτόνο δράση δύο γραφενικών σκευασμάτων (Gr1 και Gr2) έναντι των S. oryzae και Oryzaephilus surinamensis σε μαλακό σιτάρι. Οι βιοδοκιμές πραγματοποιήθηκαν σε συνδυασμούς τριών θερμοκρασιών (20, 25 και 30 °C) και δύο επιπέδων RH (55 και 75%) σε συγκεντρώσεις 500 και 1000 ppm, με παράλληλη αξιολόγηση της παραγωγής απογόνων (F₁) 65 ημέρες μετά την έκθεση. Τα αποτελέσματα ανέδειξαν τη σχετική υγρασία ως τον πλέον καθοριστικό παράγοντα, με τη χαμηλή RH (55%) να ενισχύει σημαντικά την εντομοκτόνο αποτελεσματικότητα, πιθανώς λόγω εντονότερης αφυδάτωσης των εντόμων. Αντίθετα, η επίδραση της θερμοκρασίας δεν ακολούθησε γραμμικό πρότυπο, ωστόσο καταγράφηκε αυξημένη θνησιμότητα σε συνθήκες μέτριου θερμικού στρες. Το O. surinamensis εμφάνισε εξαιρετικά υψηλή ευαισθησία, με πλήρη θνησιμότητα και καταστολή απογόνων σε όλους τους συνδυασμούς. Τα ευρήματα αυτά αναδεικνύουν τη σημασία της περιβαλλοντικής προσαρμογής των εφαρμογών γραφενίου, προκειμένου να μεγιστοποιηθεί η εντομοκτόνος απόδοση του υλικού σε πραγματικές συνθήκες αποθήκευσης. Η τρίτη πειραματική ενότητα εστίασε στην αξιολόγηση της εντομοκτόνου αποτελεσματικότητας τριών σκευασμάτων γραφενίου έναντι των S. oryzae, Sitophilus zeamais και Tribolium castaneum, σε τρεις τύπους σιτηρών: αναποφλοίωτο ρύζι, αραβόσιτο και μαλακό σιτάρι. Τα σκευάσματα διέφεραν ως προς κρίσιμες φυσικοχημικές ιδιότητες, όπως το μέγεθος σωματιδίων, η υδροφοβικότητα και η χημεία επιφάνειας, και εφαρμόστηκαν σε δύο συγκεντρώσεις (500 και 1000 ppm). Η θνησιμότητα των ενηλίκων καταγράφηκε μετά από 7, 14 και 21 ημέρες έκθεσης, ενώ η παραγωγή απογόνων αξιολογήθηκε στις 65 ημέρες. Τα αποτελέσματα ανέδειξαν ότι το είδος του σιτηρού αποτελεί καθοριστικό παράγοντα για την αποτελεσματικότητα των γραφενικών υλικών, με μειωμένη εντομοκτόνο δράση να καταγράφεται στο μαλακό σιτάρι, γεγονός που αποδόθηκε στη λεία, υδρόφιλη και χαμηλής προσροφητικότητας επιφάνειά του. Αντίθετα, ο αραβόσιτος και το αναποφλοίωτο ρύζι επέτρεψαν μεγαλύτερη προσκόλληση των σκευασμάτων, οδηγώντας σε αυξημένη θνησιμότητα, ιδίως για το S. oryzae. Σημαντικό εύρημα αποτέλεσε η σημαντική μείωση της παραγωγής απογόνων μόνο στον αραβόσιτο, πιθανώς λόγω της μικρότερης προστασίας που προσφέρει ο κόκκος έναντι της δράσης του γραφενίου. Η ενότητα αυτή αναδεικνύει την αλληλεπίδραση μεταξύ των ιδιοτήτων του σκευάσματος και της επιφάνειας του υποστρώματος ως κρίσιμο παράγοντα που καθορίζει την αποτελεσματικότητα του γραφενίου ως εντομοκτόνου υλικού για τη μετασυλλεκτική προστασία των σιτηρών. Η τέταρτη πειραματική ενότητα διερεύνησε την εντομοκτόνο δράση σκευασμάτων γραφενίου που εφαρμόστηκαν σε δύο συγκεντρώσεις (0.5 και 1 g/m²) σε τρεις συνήθεις επιφάνειες αποθηκευτικών χώρων: μέταλλο, τσιμέντο και κεραμικό. Η αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας πραγματοποιήθηκε έναντι των ενηλίκων των T. castaneum και O. surinamensis. Τα αποτελέσματα κατέδειξαν ότι η εντομοκτόνος δράση του γραφενίου παρέμεινε υψηλή και σταθερή ανεξαρτήτως τύπου επιφάνειας, γεγονός που καταδεικνύει την ευελιξία του ως εντομοκτόνο επαφής υπό πραγματικές συνθήκες εφαρμογής. Το O. surinamensis παρουσίασε μεγαλύτερη ευαισθησία σε σχέση με το T. castaneum, εύρημα που πιθανώς σχετίζεται με τη διαφοροποιημένη κινητικότητα ή μορφολογία των ειδών. Η αύξηση της συγκέντρωσης του γραφενίου δεν οδήγησε σε περαιτέρω αύξηση της θνησιμότητας, υποδηλώνοντας την ύπαρξη φαινομένου κορεσμού στην προσρόφηση των σωματιδίων στον εξωσκελετό των εντόμων. Η ενότητα αυτή αναδεικνύει τη δυνατότητα αποτελεσματικής χρήσης του γραφενίου σε χαμηλές δόσεις, ανεξάρτητα από την επιφάνεια εφαρμογής, ενισχύοντας τη δυναμική του ως καινοτόμου εργαλείου στη μετασυλλεκτική διαχείριση εντόμων αποθηκευμένων προϊόντων. Η πέμπτη πειραματική ενότητα αξιολόγησε τη συνεργιστική εντομοκτόνο δράση του γραφενίου σε συνδυασμό με το βιολογικής προέλευσης εντομοκτόνο spinosad, έναντι τριών βασικών εντόμων των αποθηκευμένων γεωργικών προϊόντων: T. castaneum, O. surinamensis και R. dominica. Οι βιοδοκιμές πραγματοποιήθηκαν με την εφαρμογή γραφενίου (250 ppm), spinosad (200 και 400 ppm) και των αντίστοιχων συνδυασμών τους, με στόχο την καταγραφή της θνησιμότητας στις 7, 14 και 21 ημέρες και της παραγωγής απογόνων μετά από 65 ημέρες. Τα αποτελέσματα ανέδειξαν σαφή συνεργιστική δράση μεταξύ των δύο παραγόντων, με ενισχυμένη θνησιμότητα και μείωση της αναπαραγωγικής ικανότητας, ιδιαίτερα για το O. surinamensis και το T. castaneum. Το R. dominica εμφάνισε τη μεγαλύτερη ευαισθησία, ενώ το T. castaneum διατήρησε σχετικά μειωμένη ευαισθησία, ενδεχομένως λόγω του σκληρά χιτινισμένου εξωσκελετού του. Η συνέργεια αποδόθηκε στην αυξημένη προσκόλληση και βελτιωμένη διείσδυση του spinosad με τη μεσολάβηση του γραφενίου, ενώ η μη ύπαρξη περαιτέρω αύξησης της αποτελεσματικότητας με την υψηλότερη δόση spinosad καταδεικνύει τον κορεσμό της δράσης του εντομοκτόνου. Συνολικά, τα ευρήματα τεκμηριώνουν τη δυνατότητα χρήσης του γραφενίου ως ενισχυτικού φορέα για τη μείωση της απαιτούμενης δόσης βιοδραστικών ουσιών, συμβάλλοντας στην ανάπτυξη οικολογικά φιλικών και αποτελεσματικών στρατηγικών φυτοπροστασίας για εφαρμογές μετασυλλεκτικής διαχείρισης. Η έκτη πειραματική ενότητα διερεύνησε τη μακροχρόνια εντομοκτόνο αποτελεσματικότητα δύο σκευασμάτων γραφενίου (Gr1 και Gr2) έναντι των ενήλικων S. oryzae και R. dominica σε σπόρους μαλακού σιταριού, υπό συνθήκες αποθήκευσης για διάστημα έξι μηνών. Το γραφένιο εφαρμόστηκε σε συγκεντρώσεις 500 και 1000 ppm, ενώ οι βιοδοκιμές πραγματοποιήθηκαν μηνιαία με καταγραφή της θνησιμότητας των εντόμων μετά από 7, 14 και 21 ημέρες έκθεσης. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι και τα δύο σκευάσματα διατήρησαν σταθερά υψηλά ποσοστά θνησιμότητας κατά τη διάρκεια της αποθήκευσης, χωρίς ενδείξεις εξασθένησης της εντομοκτόνου δράσης. Το Gr1 επέδειξε υπεροχή έναντι του Gr2, κυρίως για το R. dominica, πιθανώς λόγω φυσικοχημικών χαρακτηριστικών όπως η αυξημένη υδροφοβικότητα και η υψηλότερη περιεκτικότητα σε οξυγονούχες ομάδες. Επιπλέον, η συγκέντρωση των 500 ppm αποδείχθηκε επαρκής για αποτελεσματική καταπολέμηση του S. oryzae, ενισχύοντας την προοπτική χρήσης του γραφενίου σε χαμηλές δόσεις για τη μακροχρόνια προστασία των σιτηρών. Η ενότητα αυτή καταδεικνύει τη δυναμική του γραφενίου ως βιώσιμου και περιβαλλοντικά φιλικού εντομοκτόνου για την ασφαλή αποθήκευση γεωργικών προϊόντων, προσφέροντας μία ελκυστική εναλλακτική λύση έναντι των συμβατικών χημικών μέσων.