Om effectief te zijnmuggen bestrijdenOm de incidentie van ziekten die ze overbrengen te verminderen, zijn strategische, duurzame en milieuvriendelijke alternatieven voor chemische pesticiden nodig. We hebben zaadmeel van bepaalde Brassicaceae (familie Brassica) geëvalueerd als bron van plantaardige isothiocyanaten, geproduceerd door enzymatische hydrolyse van biologisch inactieve glucosinolaten, voor gebruik bij de bestrijding van Egyptische Aedes (L., 1762). Vijfvoudig ontvet zadenmeel (Brassica juncea (L) Czern., 1859, Lepidium sativum L., 1753, Sinapis alba L., 1753, Thlaspi arvense L., 1753 en Thlaspi arvense – drie hoofdtypen thermische inactivering en enzymatische afbraak Chemische producten Om de toxiciteit (LC50) van allylisothiocyanaat, benzylisothiocyanaat en 4-hydroxybenzylisothiocyanaat voor Aedes aegypti-larven te bepalen bij blootstelling gedurende 24 uur = 0,04 g/120 ml dH2O). LC50-waarden voor mosterd, witte mosterd en paardenstaart. Zaadmeel was respectievelijk 0,05, 0,08 en 0,05 vergeleken met allylisothiocyanaat (LC50 = 19,35 ppm) en 4. -Hydroxybenzylisothiocyanaat (LC50 = 55,41 ppm) was 24 uur na behandeling giftiger voor larven dan respectievelijk 0,1 g/120 ml dH2O. Deze resultaten komen overeen met de productie van luzernezaadmeel. De hogere efficiëntie van benzylesters komt overeen met de berekende LC50-waarden. Het gebruik van zaadmeel kan een effectieve methode voor muggenbestrijding zijn. De effectiviteit van kruisbloemig zaadpoeder en de belangrijkste chemische componenten ervan tegen muggenlarven en laat zien hoe de natuurlijke verbindingen in kruisbloemig zaadpoeder kunnen dienen als een veelbelovende milieuvriendelijke larvicide voor muggenbestrijding.
Door Aedes-muggen veroorzaakte vectoroverdraagbare ziekten blijven een groot wereldwijd probleem voor de volksgezondheid. De incidentie van door muggen overgedragen ziekten verspreidt zich geografisch1,2,3 en steekt opnieuw de kop op, wat leidt tot uitbraken van ernstige ziekten4,5,6,7. De verspreiding van ziekten onder mens en dier (bijv. chikungunya, dengue, Rift Valley-koorts, gele koorts en het zikavirus) is ongekend. Alleen al denguekoorts brengt ongeveer 3,6 miljard mensen in de tropen in gevaar voor infectie, met naar schatting 390 miljoen infecties die jaarlijks plaatsvinden, resulterend in 6.100-24.300 doden per jaar8. De heropleving en uitbraak van het zikavirus in Zuid-Amerika heeft wereldwijde aandacht getrokken vanwege de hersenschade die het veroorzaakt bij kinderen van geïnfecteerde vrouwen2. Kremer et al3 voorspellen dat het geografische bereik van Aedes-muggen zal blijven toenemen en dat tegen 2050 de helft van de wereldbevolking risico loopt op infectie door door muggen overgedragen arbovirussen.
Met uitzondering van de recent ontwikkelde vaccins tegen dengue en gele koorts, zijn er nog geen vaccins tegen de meeste door muggen overgebrachte ziekten ontwikkeld9,10,11. Vaccins zijn nog steeds in beperkte hoeveelheden beschikbaar en worden alleen gebruikt in klinische studies. Bestrijding van muggenoverbrengende ziekten met synthetische insecticiden is een belangrijke strategie geweest om de verspreiding van door muggen overgebrachte ziekten te beperken12,13. Hoewel synthetische pesticiden effectief zijn in het doden van muggen, heeft het voortdurende gebruik van synthetische pesticiden een negatief effect op niet-doelorganismen en vervuilt het het milieu14,15,16. Nog alarmerender is de trend van toenemende resistentie van muggen tegen chemische insecticiden17,18,19. Deze problemen in verband met pesticiden hebben de zoektocht naar effectieve en milieuvriendelijke alternatieven voor de bestrijding van ziekteoverbrengende ziekten versneld.
Verschillende planten zijn ontwikkeld als bron van fytopesticiden voor ongediertebestrijding20,21. Plantaardige stoffen zijn over het algemeen milieuvriendelijk omdat ze biologisch afbreekbaar zijn en een lage of verwaarloosbare toxiciteit hebben voor niet-doelorganismen zoals zoogdieren, vissen en amfibieën20,22. Het is bekend dat kruidenpreparaten een verscheidenheid aan bioactieve verbindingen produceren met verschillende werkingsmechanismen om verschillende levensstadia van muggen effectief te bestrijden23,24,25,26. Van planten afkomstige verbindingen zoals etherische oliën en andere actieve plantaardige ingrediënten hebben de aandacht getrokken en de weg vrijgemaakt voor innovatieve hulpmiddelen om muggenvectoren te bestrijden. Etherische oliën, monoterpenen en sesquiterpenen werken als insectenwerende middelen, afschrikmiddelen en oviciden27,28,29,30,31,32,33. Veel plantaardige oliën veroorzaken de dood van muggenlarven, -poppen en -volwassenen34,35,36 en tasten het zenuwstelsel, de ademhalingswegen, het endocriene systeem en andere belangrijke systemen van insecten aan37.
Recente studies hebben inzicht gegeven in het potentiële gebruik van mosterdplanten en hun zaden als bron van bioactieve stoffen. Mosterdzaadmeel is getest als biofumigant38,39,40,41 en gebruikt als bodemverbeteraar voor onkruidbestrijding42,43,44 en de bestrijding van bodempathogenen45,46,47,48,49,50, plantenvoeding, nematoden41,51, 52, 53, 54 en plagen55, 56, 57, 58, 59, 60. De fungicide werking van deze zaadpoeders wordt toegeschreven aan plantbeschermende stoffen, isothiocyanaten38,42,60 genaamd. In planten worden deze beschermende stoffen in plantencellen opgeslagen in de vorm van niet-bioactieve glucosinolaten. Wanneer planten echter beschadigd raken door insectenvraat of een infectie met een ziekteverwekker, worden glucosinolaten door myrosinase gehydrolyseerd tot bioactieve isothiocyanaten55,61. Isothiocyanaten zijn vluchtige verbindingen waarvan bekend is dat ze een breedspectrum antimicrobiële en insecticide werking hebben, en hun structuur, biologische activiteit en gehalte variëren sterk tussen Brassicaceae-soorten42,59,62,63.
Hoewel isothiocyanaten afgeleid van mosterdzaadmeel bekend staan om hun insecticide werking, ontbreken gegevens over de biologische werking tegen medisch belangrijke geleedpotigen. Onze studie onderzocht de larvicide werking van vier ontvette zaadpoeders tegen Aedes-muggen. Larven van Aedes aegypti. Het doel van de studie was om hun potentiële gebruik als milieuvriendelijke biopesticiden voor muggenbestrijding te evalueren. Drie belangrijke chemische componenten van het zaadmeel, allylisothiocyanaat (AITC), benzylisothiocyanaat (BITC) en 4-hydroxybenzylisothiocyanaat (4-HBITC), werden ook getest om de biologische werking van deze chemische componenten op muggenlarven te testen. Dit is het eerste rapport dat de effectiviteit van vier koolzaadpoeders en hun belangrijkste chemische componenten tegen muggenlarven evalueert.
Laboratoriumkolonies van Aedes aegypti (Rockefeller-stam) werden gehouden bij 26 °C, 70% relatieve vochtigheid (RV) en een tijd van 10:14 uur (L:D fotoperiode). Gepaarde vrouwtjes werden gehuisvest in plastic kooien (hoogte 11 cm en diameter 9,5 cm) en gevoed via een flesvoedingssysteem met gecitreerd runderbloed (HemoStat Laboratories Inc., Dixon, CA, VS). De bloedtoevoer werd zoals gebruikelijk uitgevoerd met behulp van een membraan-multiglasvoeder (Chemglass, Life Sciences LLC, Vineland, NJ, VS) verbonden met een circulerende waterbadbuis (HAAKE S7, Thermo-Scientific, Waltham, MA, VS) met een temperatuurregeling van 37 °C. Span een film Parafilm M over de bodem van elke glazen voederkamer (oppervlakte 154 mm²). Elke voederbak werd vervolgens op het bovenste rooster geplaatst dat de kooi met het parende vrouwtje bedekte. Ongeveer 350-400 μl runderbloed werd met een pasteurpipet (Fisherbrand, Fisher Scientific, Waltham, MA, VS) toegevoegd aan een glazen trechter en de volwassen wormen werden minstens een uur lang uitgelekt. Drachtige vrouwtjes kregen vervolgens een 10% sucrose-oplossing en mochten eitjes leggen op vochtig filterpapier in individuele, ultraheldere soufflébekers (1,25 fl oz, Dart Container Corp., Mason, MI, VS). Plaats het filterpapier met de eitjes in een afgesloten zak (SC Johnsons, Racine, WI) en bewaar deze bij 26 °C. De eitjes kwamen uit en ongeveer 200-250 larven werden grootgebracht in plastic trays met een mengsel van konijnenvoer (ZuPreem, Premium Natural Products, Inc., Mission, KS, VS) en leverpoeder (MP Biomedicals, LLC, Solon, OH, VS). en visfilet (TetraMin, Tetra GMPH, Meer, Duitsland) in een verhouding van 2:1:1. Larven in het late derde stadium werden gebruikt in onze bio-assays.
Het in deze studie gebruikte plantenzaadmateriaal is afkomstig van de volgende commerciële en overheidsbronnen: Brassica juncea (bruine mosterd - Pacific Gold) en Brassica juncea (witte mosterd - Ida Gold) van de Pacific Northwest Farmers' Cooperative, Washington State, VS; (tuinkers) van Kelly Seed and Hardware Co., Peoria, IL, VS; en Thlaspi arvense (veldpennycress - Elisabeth) van USDA-ARS, Peoria, IL, VS; Geen van de in de studie gebruikte zaden is met pesticiden behandeld. Al het zaadmateriaal is in deze studie verwerkt en gebruikt in overeenstemming met de lokale en nationale regelgeving en met inachtneming van alle relevante lokale, staats- en nationale regelgeving. In deze studie zijn geen transgene plantenrassen onderzocht.
De zaden van Brassica juncea (PG), Alfalfa (Ls), Witte mosterd (IG) en Thlaspi arvense (DFP) werden tot een fijn poeder gemalen met behulp van een Retsch ZM200 ultracentrifugaalmolen (Retsch, Haan, Duitsland), uitgerust met een maaswijdte van 0,75 mm en een roestvrijstalen rotor met 12 tanden en een toerental van 10.000 tpm (tabel 1). Het gemalen zaadpoeder werd overgebracht naar een papieren vingerhoed en gedurende 24 uur ontvet met hexaan in een Soxhletapparaat. Een submonster van ontvette veldmosterd werd gedurende 1 uur verhit bij 100 °C om myrosinase te denatureren en hydrolyse van glucosinolaten tot biologisch actieve isothiocyanaten te voorkomen. Hittebehandeld paardenstaartzaadpoeder (DFP-HT) werd gebruikt als negatieve controle door myrosinase te denatureren.
Het glucosinolaatgehalte van ontvet zaadmeel werd in drievoud bepaald met behulp van hogeprestatievloeistofchromatografie (HPLC) volgens een eerder gepubliceerd protocol 64 . In het kort, 3 ml methanol werd toegevoegd aan een monster van 250 mg ontvet zaadpoeder. Elk monster werd 30 minuten gesoniceerd in een waterbad en 16 uur in het donker bij 23 °C gelaten. Een aliquot van 1 ml van de organische laag werd vervolgens gefiltreerd door een 0,45 μm filter in een autosampler. Lopend op een Shimadzu HPLC-systeem (twee LC 20AD pompen; SIL 20A autosampler; DGU 20As ontgasser; SPD-20A UV-VIS detector voor monitoring bij 237 nm; en CBM-20A communicatiebusmodule), werd het glucosinolaatgehalte van zaadmeel in drievoud bepaald. met behulp van Shimadzu LC Solution softwareversie 1.25 (Shimadzu Corporation, Columbia, MD, VS). De kolom was een C18 Inertsil reverse-phasekolom (250 mm × 4,6 mm; RP C-18, ODS-3, 5u; GL Sciences, Torrance, CA, VS). De initiële omstandigheden voor de mobiele fase werden ingesteld op 12% methanol/88% 0,01 M tetrabutylammoniumhydroxide in water (TBAH; Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, VS) met een stroomsnelheid van 1 ml/min. Na injectie van 15 μl monster werden de initiële omstandigheden gedurende 20 minuten gehandhaafd en vervolgens werd de oplosmiddelverhouding aangepast tot 100% methanol, met een totale monsteranalysetijd van 65 minuten. Een standaardcurve (op basis van nM/mAb) werd gegenereerd door seriële verdunningen van vers bereide sinapine-, glucosinolaat- en myrosinestandaarden (Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, VS) om het zwavelgehalte van ontvet zaadmeel te schatten. glucosinolaten. De glucosinolaatconcentraties in de monsters werden getest op een Agilent 1100 HPLC (Agilent, Santa Clara, CA, VS) met behulp van de OpenLAB CDS ChemStation-versie (C.01.07 SR2 [255]), uitgerust met dezelfde kolom en volgens een eerder beschreven methode. De glucosinolaatconcentraties werden bepaald; deze moeten vergelijkbaar zijn tussen HPLC-systemen.
Allylisothiocyanaat (94%, stabiel) en benzylisothiocyanaat (98%) werden gekocht bij Fisher Scientific (Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, VS). 4-Hydroxybenzylisothiocyanaat werd gekocht bij ChemCruz (Santa Cruz Biotechnology, CA, VS). Na enzymatisch hydrolyseren door myrosinase vormen glucosinolaten, glucosinolaten en glucosinolaten respectievelijk allylisothiocyanaat, benzylisothiocyanaat en 4-hydroxybenzylisothiocyanaat.
Laboratoriumbioassays werden uitgevoerd volgens de methode van Muturi et al. 32 met aanpassingen. Vijf vetarme zaadvoeders werden gebruikt in de studie: DFP, DFP-HT, IG, PG en Ls. Twintig larven werden geplaatst in een wegwerpbeker van 400 ml (VWR International, LLC, Radnor, PA, VS) met 120 ml gedeïoniseerd water (dH2O). Zeven concentraties zaadmeel werden getest op toxiciteit voor muggenlarven: 0,01, 0,02, 0,04, 0,06, 0,08, 0,1 en 0,12 g zaadmeel/120 ml dH2O voor DFP-zaadmeel, DFP-HT, IG en PG. Voorlopige bioassays geven aan dat ontvet Ls-zaadmeel giftiger is dan vier andere geteste zaadmelen. Daarom hebben we de zeven behandelingsconcentraties van Ls-zaadmeel aangepast naar de volgende concentraties: 0,015, 0,025, 0,035, 0,045, 0,055, 0,065 en 0,075 g/120 ml dH2O.
Een onbehandelde controlegroep (dH2O, geen zaadmeelsupplement) werd opgenomen om de normale insectensterfte onder testomstandigheden te beoordelen. Toxicologische bioassays voor elk zaadmeel omvatten drie replica-bekers met drie hellingen (20 larven in het late derde stadium per beker), voor een totaal van 108 flesjes. Behandelde containers werden bewaard bij kamertemperatuur (20-21 °C) en de larvensterfte werd geregistreerd gedurende 24 en 72 uur continue blootstelling aan de behandelde concentraties. Als het lichaam en de aanhangsels van de mug niet bewegen wanneer ze worden doorboord of aangeraakt met een dunne roestvrijstalen spatel, worden de muggenlarven als dood beschouwd. Dode larven blijven meestal bewegingloos in een dorsale of ventrale positie op de bodem van de container of op het wateroppervlak. Het experiment werd drie keer herhaald op verschillende dagen met verschillende groepen larven, voor een totaal van 180 larven die aan elke behandelde concentratie werden blootgesteld.
De toxiciteit van AITC, BITC en 4-HBITC voor muggenlarven werd beoordeeld met dezelfde bioassayprocedure, maar met verschillende behandelingen. Bereid 100.000 ppm voorraadoplossingen voor elke chemische stof door 100 µl van de stof toe te voegen aan 900 µl absolute ethanol in een centrifugebuis van 2 ml en 30 seconden te schudden om grondig te mengen. De behandelingsconcentraties werden bepaald op basis van onze voorlopige bioassays, waaruit bleek dat BITC veel giftiger is dan AITC en 4-HBITC. Om de toxiciteit te bepalen, werden 5 concentraties BITC (1, 3, 6, 9 en 12 ppm), 7 concentraties AITC (5, 10, 15, 20, 25, 30 en 35 ppm) en 6 concentraties 4-HBITC (15, 15, 20, 25, 30 en 35 ppm) gebruikt. 30, 45, 60, 75 en 90 ppm). De controlebehandeling werd geïnjecteerd met 108 μl absolute ethanol, wat overeenkomt met het maximale volume van de chemische behandeling. De bioassays werden herhaald zoals hierboven beschreven, waarbij in totaal 180 larven per behandelingsconcentratie werden blootgesteld. De larvensterfte werd voor elke concentratie AITC, BITC en 4-HBITC geregistreerd na 24 uur continue blootstelling.
Probitanalyse van 65 dosisgerelateerde mortaliteitsgegevens werd uitgevoerd met Polo-software (Polo Plus, LeOra Software, versie 1.0) om de letale concentratie (LC50) van 50%, de letale concentratie (LC90) van 90%, de helling, de letale dosiscoëfficiënt en de letale concentratie van 95% te berekenen. Dit gebeurde op basis van betrouwbaarheidsintervallen voor letale dosisverhoudingen voor log-getransformeerde concentratie- en dosis-mortaliteitscurven. Mortaliteitsgegevens zijn gebaseerd op gecombineerde replicaatgegevens van 180 larven die aan elke behandelingsconcentratie werden blootgesteld. Probabilistische analyses werden afzonderlijk uitgevoerd voor elk zaadmeel en elke chemische component. Op basis van het 95%-betrouwbaarheidsinterval van de letale dosisverhouding werd de toxiciteit van zaadmeel en chemische bestanddelen voor muggenlarven als significant verschillend beschouwd, dus een betrouwbaarheidsinterval met een waarde van 1 was niet significant verschillend, P = 0,0566.
De HPLC-resultaten voor de bepaling van de belangrijkste glucosinolaten in ontvet zaadmeel DFP, IG, PG en Ls staan vermeld in tabel 1. De belangrijkste glucosinolaten in de geteste zaadmeelsoorten varieerden, met uitzondering van DFP en PG, die beide myrosinaseglucosinolaten bevatten. Het myrosininegehalte in PG was hoger dan in DFP, respectievelijk 33,3 ± 1,5 en 26,5 ± 0,9 mg/g. Ls-zaadpoeder bevatte 36,6 ± 1,2 mg/g glucoglycon, terwijl IG-zaadpoeder 38,0 ± 0,5 mg/g sinapine bevatte.
Larven van Ae. Aedes aegypti-muggen werden gedood bij behandeling met ontvet zaadmeel, hoewel de effectiviteit van de behandeling varieerde afhankelijk van de plantensoort. Alleen DFP-NT was niet giftig voor muggenlarven na 24 en 72 uur blootstelling (tabel 2). De toxiciteit van het actieve zaadpoeder nam toe met toenemende concentratie (fig. 1A, B). De toxiciteit van zaadmeel voor muggenlarven varieerde significant op basis van het 95% BI van de letale dosisverhouding van LC50-waarden bij beoordelingen na 24 uur en 72 uur (tabel 3). Na 24 uur was het toxische effect van Ls-zaadmeel groter dan andere behandelingen met zaadmeel, met de hoogste activiteit en maximale toxiciteit voor larven (LC50 = 0,04 g/120 ml dH2O). Larven waren minder gevoelig voor DFP na 24 uur vergeleken met behandelingen met IG, Ls en PG-zaadpoeder, met LC50-waarden van respectievelijk 0,115, 0,04 en 0,08 g/120 ml dH2O, wat statistisch hoger was dan de LC50-waarde van 0,211 g/120 ml dH2O (Tabel 3). De LC90-waarden van DFP, IG, PG en Ls waren respectievelijk 0,376, 0,275, 0,137 en 0,074 g/120 ml dH2O (Tabel 2). De hoogste concentratie DPP was 0,12 g/120 ml dH2O. Na 24 uur beoordeling bedroeg de gemiddelde larvensterfte slechts 12%, terwijl de gemiddelde sterfte van IG- en PG-larven respectievelijk 51% en 82% bedroeg. Na 24 uur evaluatie bedroeg de gemiddelde larvensterfte bij de behandeling met de hoogste concentratie Ls-zaadmeel (0,075 g/120 ml dH2O) 99% (Figuur 1A).
Mortaliteitscurven werden geschat op basis van de dosisrespons (Probit) van Ae. Egyptische larven (larven in het derde stadium) op de concentratie zaadmeel 24 uur (A) en 72 uur (B) na behandeling. De stippellijn geeft de LC50 van de zaadmeelbehandeling weer. DFP Thlaspi arvense, DFP-HT Hitte-geïnactiveerde Thlaspi arvense, IG Sinapsis alba (Ida Gold), PG Brassica juncea (Pacific Gold), Ls Lepidium sativum.
Na 72 uur waren de LC50-waarden van DFP-, IG- en PG-zaadmeel respectievelijk 0,111, 0,085 en 0,051 g/120 ml dH2O. Bijna alle larven die aan Ls-zaadmeel waren blootgesteld, stierven na 72 uur blootstelling, waardoor de sterftecijfers niet consistent waren met de Probit-analyse. Vergeleken met andere zaadmeelsoorten waren larven minder gevoelig voor behandeling met DFP-zaadmeel en hadden ze statistisch hogere LC50-waarden (tabellen 2 en 3). Na 72 uur werden de LC50-waarden voor behandelingen met DFP-, IG- en PG-zaadmeel geschat op respectievelijk 0,111, 0,085 en 0,05 g/120 ml dH2O. Na 72 uur evaluatie bedroegen de LC90-waarden van DFP-, IG- en PG-zaadpoeders respectievelijk 0,215, 0,254 en 0,138 g/120 ml dH2O. Na 72 uur evaluatie bedroeg de gemiddelde larvensterfte voor de behandelingen met DFP-, IG- en PG-zaadmeel bij een maximale concentratie van 0,12 g/120 ml dH2O respectievelijk 58%, 66% en 96% (Fig. 1B). Na 72 uur evaluatie bleek PG-zaadmeel giftiger te zijn dan IG- en DFP-zaadmeel.
Synthetische isothiocyanaten, allylisothiocyanaat (AITC), benzylisothiocyanaat (BITC) en 4-hydroxybenzylisothiocyanaat (4-HBITC) kunnen muggenlarven effectief doden. 24 uur na de behandeling was BITC giftiger voor de larven met een LC50-waarde van 5,29 ppm, vergeleken met 19,35 ppm voor AITC en 55,41 ppm voor 4-HBITC (tabel 4). Vergeleken met AITC en BITC heeft 4-HBITC een lagere toxiciteit en een hogere LC50-waarde. Er zijn significante verschillen in de toxiciteit voor muggenlarven van de twee belangrijkste isothiocyanaten (Ls en PG) in het meest krachtige zaadmeel. De toxiciteit op basis van de letale dosisverhouding van de LC50-waarden tussen AITC, BITC en 4-HBITC vertoonde een statistisch verschil, waardoor het 95%-BI van de letale dosisverhouding van de LC50 geen waarde van 1 bevatte (P = 0,05, tabel 4). De hoogste concentraties van zowel BITC als AITC zouden naar schatting 100% van de geteste larven doden (figuur 2).
Mortaliteitscurven werden geschat op basis van de dosisrespons (Probit) van Ae. 24 uur na de behandeling bereikten Egyptische larven (larven van het derde stadium) de concentratie synthetische isothiocyanaat. De stippellijn geeft de LC50 voor isothiocyanaatbehandeling weer. Benzylisothiocyanaat BITC, allylisothiocyanaat AITC en 4-HBITC.
Het gebruik van plantaardige biopesticiden als middel tegen muggen wordt al lang bestudeerd. Veel planten produceren natuurlijke chemicaliën met een insecticide werking. Hun bioactieve stoffen vormen een aantrekkelijk alternatief voor synthetische insecticiden met een groot potentieel voor de bestrijding van plagen, waaronder muggen.
Mosterdplanten worden geteeld vanwege hun zaden, die als specerij en oliebron worden gebruikt. Wanneer mosterdolie uit de zaden wordt gewonnen of wanneer mosterd wordt gewonnen voor gebruik als biobrandstof, is het bijproduct ontvet zaadmeel. Dit zaadmeel behoudt veel van zijn natuurlijke biochemische componenten en hydrolytische enzymen. De toxiciteit van dit zaadmeel wordt toegeschreven aan de productie van isothiocyanaten55,60,61. Isothiocyanaten worden gevormd door de hydrolyse van glucosinolaten door het enzym myrosinase tijdens de hydratatie van zaadmeel38,55,70 en staan bekend om hun fungicide, bactericide, nematicide en insecticide effecten, evenals andere eigenschappen, waaronder chemische sensorische effecten en chemotherapeutische eigenschappen61,62,70. Verschillende studies hebben aangetoond dat mosterdplanten en -zaadmeel effectief werken als fumigatiemiddelen tegen bodem- en opgeslagen voedselplagen57,59,71,72. In deze studie hebben we de toxiciteit van vierzadenmeel en de drie bioactieve producten AITC, BITC en 4-HBITC voor Aedes-muggenlarven (Aedes aegypti) beoordeeld. Het direct toevoegen van zaadmeel aan water met muggenlarven activeert naar verwachting enzymatische processen die isothiocyanaten produceren die giftig zijn voor muggenlarven. Deze biotransformatie werd deels aangetoond door de waargenomen larvicide werking van het zaadmeel en het verlies van insecticide werking wanneer dwergmosterdzaadmeel vóór gebruik een hittebehandeling onderging. Hittebehandeling vernietigt naar verwachting de hydrolytische enzymen die glucosinolaten activeren, waardoor de vorming van bioactieve isothiocyanaten wordt voorkomen. Dit is de eerste studie die de insecticide eigenschappen van koolzaadpoeder tegen muggen in een aquatisch milieu bevestigt.
Van de geteste zaadpoeders was waterkerszaadpoeder (Ls) het meest giftig en veroorzaakte een hoge mortaliteit van Aedes albopictus. Aedes aegypti-larven werden 24 uur lang continu verwerkt. De overige drie zaadpoeders (PG, IG en DFP) hadden een lagere activiteit en veroorzaakten nog steeds significante mortaliteit na 72 uur continue behandeling. Alleen Ls-zaadmeel bevatte significante hoeveelheden glucosinolaten, terwijl PG en DFP myrosinase bevatten en IG glucosinolaat als belangrijkste glucosinolaat (Tabel 1). Glucotropaeoline wordt gehydrolyseerd tot BITC en sinalbine wordt gehydrolyseerd tot 4-HBITC61,62. Onze bioassayresultaten geven aan dat zowel Ls-zaadmeel als synthetisch BITC zeer giftig zijn voor muggenlarven. Het hoofdbestanddeel van PG- en DFP-zaadmeel is myrosinaseglucosinolaat, dat wordt gehydrolyseerd tot AITC. AITC is effectief in het doden van muggenlarven met een LC50-waarde van 19,35 ppm. Vergeleken met AITC en BITC is 4-HBITC-isothiocyanaat het minst giftig voor larven. Hoewel AITC minder giftig is dan BITC, zijn hun LC50-waarden lager dan die van veel etherische oliën die op muggenlarven zijn getest32,73,74,75.
Ons kruisbloemige zaadpoeder voor gebruik tegen muggenlarven bevat één belangrijk glucosinolaat, goed voor meer dan 98-99% van de totale glucosinolaten, zoals bepaald met HPLC. Er werden sporen van andere glucosinolaten aangetroffen, maar hun gehalte bedroeg minder dan 0,3% van de totale glucosinolaten. Waterkerszaadpoeder (L. sativum) bevat secundaire glucosinolaten (sinigrine), maar hun aandeel is 1% van de totale glucosinolaten en hun gehalte is nog steeds onbeduidend (ongeveer 0,4 mg/g zaadpoeder). Hoewel PG en DFP hetzelfde belangrijkste glucosinolaat (myrosine) bevatten, verschilt de larvicide werking van hun zaadmeel aanzienlijk vanwege hun LC50-waarden. De toxiciteit voor echte meeldauw varieert. Het ontstaan van Aedes aegypti-larven kan te wijten zijn aan verschillen in myrosinase-activiteit of stabiliteit tussen de twee zaadmeelsoorten. Myrosinaseactiviteit speelt een belangrijke rol in de biologische beschikbaarheid van hydrolyseproducten zoals isothiocyanaten in Brassicaceae-planten. Eerdere rapporten van Pocock et al. 77 en Wilkinson et al. 78 hebben aangetoond dat veranderingen in myrosinaseactiviteit en -stabiliteit ook verband kunnen houden met genetische en omgevingsfactoren.
Het verwachte bioactieve isothiocyanaatgehalte werd berekend op basis van de LC50-waarden van elk zaadmeel na 24 en 72 uur (tabel 5) ter vergelijking met overeenkomstige chemische toepassingen. Na 24 uur waren de isothiocyanaten in het zaadmeel giftiger dan de zuivere verbindingen. LC50-waarden berekend op basis van parts per million (ppm) van isothiocyanaatzaadbehandelingen waren lager dan LC50-waarden voor BITC-, AITC- en 4-HBITC-toepassingen. We observeerden larven die zaadmeelpellets consumeerden (figuur 3A). Bijgevolg kunnen larven een meer geconcentreerde blootstelling aan toxische isothiocyanaten ontvangen door het innemen van zaadmeelpellets. Dit was het meest duidelijk in de IG- en PG-zaadmeelbehandelingen bij 24-uurs blootstelling, waarbij de LC50-concentraties respectievelijk 75% en 72% lager waren dan de zuivere AITC- en 4-HBITC-behandelingen. Behandelingen met Ls en DFP waren giftiger dan behandelingen met pure isothiocyanaat, met LC50-waarden die respectievelijk 24% en 41% lager waren. Larven in de controlebehandeling verpopten succesvol (Fig. 3B), terwijl de meeste larven in de behandeling met zaadmeel niet verpopten en de ontwikkeling van de larven aanzienlijk vertraagd was (Fig. 3B,D). Bij Spodopteralitura worden isothiocyanaten geassocieerd met groeiachterstand en ontwikkelingsachterstand79.
Larven van Ae. Aedes aegypti-muggen werden 24 tot 72 uur lang continu blootgesteld aan Brassica-zaadpoeder. (A) Dode larven met deeltjes zaadmeel in de monddelen (omcirkeld); (B) Controlebehandeling (dH2O zonder toegevoegd zaadmeel) laat zien dat de larven normaal groeien en na 72 uur beginnen te verpoppen. (C, D) Larven behandeld met zaadmeel; het zaadmeel vertoonde verschillen in ontwikkeling en verpopte niet.
We hebben het mechanisme van de toxische effecten van isothiocyanaten op muggenlarven niet onderzocht. Eerdere studies met rode vuurmieren (Solenopsis invicta) hebben echter aangetoond dat remming van glutathion-S-transferase (GST) en esterase (EST) het belangrijkste mechanisme is van de bioactiviteit van isothiocyanaat, en AITC kan, zelfs bij lage activiteit, ook de GST-activiteit remmen. De dosis is 0,5 µg/ml80. AITC daarentegen remt acetylcholinesterase bij volwassen maïskevers (Sitophilus zeamais)81. Soortgelijke studies moeten worden uitgevoerd om het mechanisme van isothiocyanaatactiviteit in muggenlarven te verduidelijken.
We gebruiken hitte-geïnactiveerde DFP-behandeling ter ondersteuning van de stelling dat hydrolyse van plantenglucosinolaten tot reactieve isothiocyanaten dient als mechanisme voor muggenlarvenbestrijding met mosterdzaadmeel. DFP-HT-zaadmeel was niet toxisch bij de geteste toepassingsdoses. Lafarga et al. 82 rapporteerden dat glucosinolaten gevoelig zijn voor afbraak bij hoge temperaturen. Hittebehandeling zal naar verwachting ook het myrosinase-enzym in zaadmeel denatureren en de hydrolyse van glucosinolaten tot reactieve isothiocyanaten voorkomen. Dit werd ook bevestigd door Okunade et al. 75, die aantoonden dat myrosinase temperatuurgevoelig is en dat de myrosinase-activiteit volledig werd geïnactiveerd wanneer mosterd-, zwarte mosterd- en bloedwortelzaden werden blootgesteld aan temperaturen boven 80 °C. Deze mechanismen kunnen leiden tot verlies van de insecticide werking van hittebehandeld DFP-zaadmeel.
Mosterdzaadmeel en de drie belangrijkste isothiocyanaten zijn dus giftig voor muggenlarven. Gezien deze verschillen tussen zaadmeel en chemische behandelingen, kan het gebruik van zaadmeel een effectieve methode zijn voor muggenbestrijding. Er is behoefte aan het identificeren van geschikte formuleringen en effectieve toedieningssystemen om de werkzaamheid en stabiliteit van het gebruik van zaadpoeders te verbeteren. Onze resultaten wijzen op het potentiële gebruik van mosterdzaadmeel als alternatief voor synthetische pesticiden. Deze technologie zou een innovatief hulpmiddel kunnen worden voor de bestrijding van muggenvectoren. Omdat muggenlarven gedijen in aquatische omgevingen en glucosinolaten in zaadmeel enzymatisch worden omgezet in actieve isothiocyanaten na hydratatie, biedt het gebruik van mosterdzaadmeel in met muggen besmet water een aanzienlijk bestrijdingspotentieel. Hoewel de larvicide activiteit van isothiocyanaten varieert (BITC > AITC > 4-HBITC), is meer onderzoek nodig om te bepalen of het combineren van zaadmeel met meerdere glucosinolaten de toxiciteit synergetisch verhoogt. Dit is de eerste studie die de insecticide effecten van ontvet kruisbloemig zaadmeel en drie bioactieve isothiocyanaten op muggen aantoont. De resultaten van deze studie zijn baanbrekend door aan te tonen dat ontvet koolzaadmeel, een bijproduct van de oliewinning uit de zaden, een veelbelovend larvicide middel kan zijn voor muggenbestrijding. Deze informatie kan bijdragen aan de ontdekking van biologische bestrijders van planten en de ontwikkeling ervan tot goedkope, praktische en milieuvriendelijke biopesticiden.
De voor deze studie gegenereerde datasets en de resulterende analyses zijn op redelijk verzoek verkrijgbaar bij de corresponderende auteur. Aan het einde van de studie werden alle in de studie gebruikte materialen (insecten en zaadmeel) vernietigd.
Plaatsingstijd: 29-07-2024