Mời tôi một cốc trà đá!  

Hóa học đằng sau thuốc trừ sâu neonicotinoid

Thuốc trừ sâu neonicotinoid là chủ đề không mới và được đưa tin khá nhiều trong quá khứ. Các hóa chất này thường được sử dụng để giúp ngăn ngừa sâu bệnh gây hại cây trồng, nhưng có liên quan đến những tác động tiêu cực đến các sinh vật khác, đặc biệt là các đàn ong.

Vì thế, bài viết này sẽ xem xét những gì chúng ta biết về neonicotinoid và những bằng chứng cho các tác động mà chúng mang lại. Bạn hãy giành ít thời gian để tham khảo nhé!

Đôi nét

Neonicotinoid thực sự là những “dân chơi” tương đối mới trong lĩnh vực thuốc trừ sâu. Sự phát triển của chúng bắt đầu từ những năm 1980, nhưng chúng chỉ được sử dụng rộng rãi trong những năm 1990.

ec817f8c 84c6 4135 97b1 0934de990689 800 min
Neonicotinoid trong cây trồng. Ảnh: NFU Online

Tên ‘neonicotinoid’ bắt nguồn từ sự giống nhau về cấu trúc hóa học của chúng với nicotin, chất kích thích nổi tiếng được sử dụng trong thuốc lá; chúng là một họ hợp chất, với ba hợp chất được sử dụng phổ biến nhất là Imidacloprid, Thiamethoxam và Clothianidin.

Ngoài ra còn có bốn hợp chất khác hiện có trên thị trường hóa chất nông nghiệp là: Acetamiprid, Thiacloprid, Dinotefuran và Nitenpyram.

Từ lần đầu tiên được sử dụng vào những năm 1990, neonicotinoid đã trở thành chất diệt côn trùng được sử dụng nhiều nhất trên toàn thế giới – tổng thị phần của chúng trên thị trường thuốc diệt côn trùng toàn cầu vào năm 2007 là 24%.

Imidacloprid, lần đầu tiên được đưa ra thị trường vào năm 1991, chiếm gần 42% thị phần và là loại thuốc trừ sâu bán chạy nhất trên thế giới. Sự phổ biến của chúng là hệ quả của tính linh hoạt của chúng.

Hiện nay chỉ có một số loại thuốc trừ sâu neonicotinoid trên thị trường nhưng chúng đang được sử dụng ngày càng nhiều với tiên lượng tốt cho sự phát triển của chúng. Những loại thuốc trừ sâu thế hệ mới này có khả năng thay thế một số loại thuốc trừ sâu lân hữu cơ và metylcarbamat độc hại hơn.

Hầu hết trong số bảy loại neonicotinoid đã được phê duyệt có thể được sử dụng dưới dạng phun, bằng cách xử lý hạt giống hoặc bằng cách bón trực tiếp vào đất.

Điều này dẫn chúng ta đến cách neonicotinoid phát huy tác dụng của chúng đối với côn trùng. Chúng có hiệu quả chống lại nhiều loại dịch hại khác nhau và tất cả đều hoạt động theo cách tương tự.

Hóa học đằng sau

1. Nicotin

Nicotin được phân lập từ cây thuốc lá (Nicotiana tabacum) đã được sử dụng như một loại thuốc trừ sâu toàn thân chống lại côn trùng chích hút trong nhiều thế kỷ.

Nicotin và các chất tương tự của nó, chẳng hạn như nornicotin hoặc anabasin, được nhóm lại với nhau dưới dạng nicotinoid.

3 s2.0 B012369400000675X gr1 min
Các hợp chất nicotinoid. Ảnh: Josef Seifert

Thụ thể nicotinic acetylcholine – ionophore Na+ / K+ của hệ thần kinh trung ương côn trùng là vị trí đích, và hậu quả của việc thay đổi cholinergic dẫn truyền thần kinh cung cấp cơ chế hoạt động của côn trùng.

Vì nicotin độc ​​hại tương đương hoặc nhiều hơn đối với động vật có vú so với côn trùng, nên mục tiêu chính trong việc phát triển các loại thuốc diệt côn trùng mới dựa trên nicotin là thay đổi tính năng bất lợi này và tổng hợp các hợp chất có độc tính và chọn lọc cao hơn đối với côn trùng.

Việc bảo tồn thụ thể nicotinic acetylcholine làm mục tiêu cho các loại thuốc trừ sâu mới này là rất quan trọng để giải quyết sự phát triển tính kháng thuốc của côn trùng đối với các loại thuốc trừ sâu khác.

2. Neonicotinoid

Neonicotinoid là thuốc diệt côn trùng toàn thân (systemic insecticides) – có nghĩa là chúng tan trong nước, có thể được thực vật hấp thụ và phân phối qua các mô của chúng.

Chúng là thuốc trừ sâu tổng hợp, mới được phát triển với các thụ thể nicotinic acetylcholine là mục tiêu của chúng, nhưng ngược lại với nicotinoid, có mức độ chọn lọc cao đối với côn trùng.

Nithiazin là neonicotinoid đầu tiên được phát triển bởi Shell (Modesto, Hoa Kỳ) vào những năm 1970.

Nithiazin là 2-nitromethylene tetrahydro-1,3-thiazine được chọn lọc từ một loạt các hợp chất dị vòng nitroalkyl, chúng có mô hình phân tử khác biệt với nicotin nhưng hoạt động trên các thụ thể nicotinic acetylcholine giống như nicotin.

Nithiazine gây độc một cách chọn lọc đối với côn trùng nhưng ứng dụng thực địa của nó bị hạn chế vì tính ổn định quang học thấp.

3 s2.0 B012369400000675X gr2 min
Nithiazin và thế hệ đầu tiên của neonicotinoid. Ảnh: Josef Seifert

Nithiazin là hợp chất dẫn đầu trong tổng hợp các neonicotinoid đầu tiên thành công về mặt thương mại, vượt qua hợp chất mẹ về cả đặc tính diệt côn trùng và tính ổn định môi trường. Một gốc 6-chloro-3-methylpyridine và một nhóm dược có cấu trúc khác nhau là hai thành phần của phân tử neonicotinoid.

Thuốc diệt côn trùng thuộc thế hệ neonicotinoid đầu tiên được đại diện tốt nhất là imidacloprid (Nihon Bayer Agrochem, Nhật Bản) và còn được gọi là chloronicotinyls hoặc chloropyridyls.

Những nỗ lực gần đây nhất trong việc phát triển neonicotinoid tập trung vào việc tìm kiếm dị vòng và dược chất sẽ cải thiện hơn nữa tính chất diệt côn trùng của các hợp chất hiện tại.

Việc tìm kiếm này phải là sự thỏa hiệp giữa các yêu cầu về sự phân bố điện tử tối ưu trong nhóm dược chất cần thiết để thuốc trừ sâu liên kết với các phụ thụ thể và nhu cầu về tính kỵ nước của neonicotinoid để thâm nhập hiệu quả qua lá chắn lipoid bảo vệ bao quanh hệ thần kinh trung ương của côn trùng.

Tổng hợp thiamethoxam (hợp chất CGA 293 343; Novartis, Thụy Sĩ) từ dị vòng 2-chloro-5-methylthiazine và dược chất 4-nitroimino- N5-methyl-1,3,5-oxadiazinane là thành công đầu tiên trong việc phát triển thế hệ thứ hai của neonicotinoid còn được gọi là thianicotinyls.

Ví dụ về thế hệ thứ hai của neonicotinoid đã hoặc đang được giới thiệu trên thị trường được thể hiện trong hình bên dưới. Gần đây nhất, thế hệ thứ ba của neonicotinoid, hợp chất furanicotinyl (ví dụ, dinotefuran), đã được phát triển.

3 s2.0 B012369400000675X gr3 min
Thế hệ thứ hai và thứ ba của neonicotinoid. Ảnh: Josef Seifert

Cơ chế hoạt động

Khi côn trùng ăn phải neonicotinoid, chúng liên kết và chặn các thụ thể nicotinic đối với chất dẫn truyền thần kinh acetylcholine trong hệ thần kinh trung ương của côn trùng.

Acetylcholine là chất dẫn truyền thần kinh ở nhiều sinh vật, bao gồm cả con người. Tác động của việc ngăn chặn các thụ thể đối với chất dẫn truyền thần kinh này là kích thích quá mức, dẫn đến tê liệt và cuối cùng là cái chết cho côn trùng.

Chúng ta cũng có các thụ thể nicotinic acetylcholine, cả trong hệ thần kinh trung ương và hệ thần kinh ngoại vi, vì vậy bạn có thể thắc mắc tại sao neonicotinoid không gây nguy hiểm lớn cho chúng ta?

Điều này là do, mặc dù cả côn trùng và chúng ta đều có các thụ thể, nhưng chúng có cấu trúc khác nhau, và kết quả của điều này là các neonicotinoid không liên kết với các thụ thể của chúng ta mạnh mẽ như chúng đối với côn trùng. Do đó, chúng độc đối với côn trùng hơn nhiều so với chúng ta, hoặc các động vật có vú khác.

Côn trùng không cần phải ăn nhiều thuốc trừ sâu neonicotinoid để phát huy tác dụng chết người. Con số chính xác tất nhiên là có thể thay đổi, tùy thuộc vào loài côn trùng cụ thể.

neonicotinoid va acetylcholine
Sơ đồ hoạt động của các thụ thể neonicotinoid acetylcholine khi có mặt acetylcholine và một chất neonicotinoid. Ảnh: Chen M.

Giá trị cho liều lượng gây chết trung bình (liều lượng giết chết 50% đối tượng thử nghiệm) nằm trong khoảng từ 1 đến 90 nanogam cho mỗi côn trùng. Để so sánh, con số liều lượng gây chết người đối với neonicotinoid thấp hơn vài bậc so với các loại thuốc diệt côn trùng cũ như DDT đang gây tranh cãi.

Tác động đến môi trường

Mặc dù hiệu quả và việc sử dụng rộng rãi của neonicotinoid, chúng đã bị chỉ trích ngày càng tăng trong thập kỷ qua. Người ta ngày càng lo ngại rằng, cũng như việc diệt trừ sâu bệnh hại cây trồng, chúng cũng có thể gây ra những tác động có hại đối với các sinh vật khác có ích hơn.

Chủ yếu trong số những lo ngại này là chúng có thể đóng một vai trò trong việc sụp đổ đàn ong.

Do những lo ngại này, đã có rất nhiều nghiên cứu xem xét tác động tiềm tàng của neonicotinoid đối với ong, cả trong phòng thí nghiệm và trong các thử nghiệm thực địa để kiểm tra ong trong môi trường sống tự nhiên của chúng.

Bằng chứng từ những điều này, ở một mức độ nào đó gây ra mâu thuẫn. Thứ nhất, không có nghi ngờ gì về việc neonicotinoid có thể có những tác động bất lợi đối với ong.

Ví dụ, các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm đã chỉ ra rằng việc đạt đến liều lượng gây chết trung bình ở ong mật đối với ba loại neonicotinoid chính được sử dụng chỉ cần tiêu thụ từ 4 đến 5 nanogram.

Các nghiên cứu khác đã chỉ ra rằng việc tiếp xúc với các đàn ong mật với liều lượng cao Imidacloprid tại hiện trường là có các tác động lên môi trường, với các tác động đến kỹ năng điều hướng và học tập của chúng, cùng với sức khỏe của đàn kém hơn và giảm khả năng sống sót qua mùa đông của các đàn ong này.

Tuy nhiên, cuộc tranh luận xung quanh nhiều nghiên cứu này tập trung vào việc liệu chúng có phải là đại diện cho liều lượng mà đàn ong thực sự gặp phải hay không.

doc voi ong
Neonicotinoid thuộc nhóm nitroguanidin, độc đối với ong. Ảnh: Bogusław Buszewski

Một số nghiên cứu trong phòng thí nghiệm trước đây đã bị chỉ trích vì sử dụng liều lượng các hợp chất cao hơn nhiều so với dự kiến ​​mà ong sẽ tiếp xúc bình thường.

Mặc dù neonicotinoid là thuốc diệt côn trùng toàn thân, nhưng nồng độ được báo cáo trong mật hoa của cây trồng đã xử lý hạt giống có xu hướng ít hơn 5 microgam / kg mật hoa – thấp hơn nhiều so với liều gây chết trung bình được báo cáo.

Tuy nhiên, trong các trường hợp, chúng có thể đạt đến nồng độ mà tại đó liều lượng không gây chết đã được nhìn thấy.

Khó khăn trong việc xác nhận mức độ ảnh hưởng của neonicotinoid đối với ong trong môi trường sống tự nhiên của chúng bắt nguồn từ khó khăn trong việc tổ chức các thử nghiệm thực địa có đối chứng.

Hầu như không thể kiểm soát mọi yếu tố xung quanh các thử nghiệm trong tự nhiên, và một số thử nghiệm trên thực địa đã cho kết quả là các khuẩn lạc đối chứng, có nghĩa là được phân lập khỏi phơi nhiễm neonicotinoid, bị ô nhiễm do ong mang phấn hoa chứa neonicotinoid trở lại đàn .

Một nghiên cứu của chính phủ Vương quốc Anh đã trở thành nạn nhân của vấn đề này vào năm 2013, làm cho kết quả của nó và theo hiệp hội, kết luận kém chắc chắn hơn.

Những gì chúng ta có thể nói, và những gì một báo cáo của EU xem xét nhiều nghiên cứu đã kết luận trong nhiều năm qua, là ngày càng có nhiều bằng chứng cho thấy neonicotinoid có thể có tác động tiêu cực đến côn trùng thụ phấn như ong.

Liệu chúng có phải là nguyên nhân chính gây ra sự sụp đổ của đàn ong hay không là một câu hỏi hoàn toàn khác. Các nhà côn trùng học đã chỉ ra rằng ve, vi-rút và mất môi trường sống là các yếu tố khác.

Đặc biệt, ve Varoa đã được đánh dấu là nguyên nhân chính gây ra sự sụp đổ của một số đàn ong, mặc dù trong một số trường hợp, không có ve nào xuất hiện trong các đàn ong bị sụp đổ.

Mặc dù có bằng chứng mâu thuẫn, neonicotinoid đã bị cấm một phần hai năm ở EU kể từ tháng 12 năm 2013. Lệnh cấm ngăn cản việc sử dụng ba loại neonicotinoid được sử dụng phổ biến nhất trên cây trồng ra hoa, nhưng vẫn cho phép chúng được sử dụng trên cây vụ đông (khi ong không hoạt động) và trong nhà kính.

khong doc voi ong
Neonicotinoid thuộc nhóm cyanoamidin, không độc đối với ong. Ảnh: Bogusław Buszewski

Tuy nhiên, dường như không có bất kỳ kế hoạch giám sát nào về số lượng ong hoặc đàn ong trong suốt thời gian của lệnh cấm, vì vậy việc đánh giá tác động của nó có thể sẽ khó khăn.

Gần đây, Cơ quan Bảo vệ Môi trường ở Hoa Kỳ cũng đã hạn chế việc sử dụng mới bốn neonicotinoid, nhưng vẫn chưa đưa ra các hạn chế đối với việc sử dụng hiện có.

Mối quan tâm của một số người liên quan đến các lệnh cấm này là chúng có thể chỉ khuyến khích việc sử dụng các loại thuốc trừ sâu cũ hơn mà neonicotinoid được thay thế nhờ tác động ít hơn đến môi trường.

Chúng bao gồm thuốc trừ sâu pyrethroid, thường được sử dụng trong thuốc diệt côn trùng gia dụng thương mại, cũng là chất độc đối với các sinh vật khác cũng như các loài gây hại mà chúng tìm cách kiểm soát.

Kết luận

Bằng chứng liên quan đến việc thuốc trừ sâu neonicotinoid là tác nhân chính gây ra sự sụp đổ của các đàn ong vẫn chưa được kết luận, nhưng có những lo ngại chính đáng.

Chắc chắn có một lập luận rằng chúng ta nên làm tất cả những gì có thể để bảo tồn các quần thể thụ phấn – xét cho cùng, chúng ta phụ thuộc vào việc thụ phấn trực tiếp hoặc gián tiếp từ côn trùng để thành công cho một tỷ lệ đáng kể cây lương thực của chúng ta trên toàn thế giới.

Tuy nhiên, các nguyên nhân tiềm ẩn khác của sự suy giảm của ong cũng phải được xác định và giải quyết, và lệnh cấm chỉ dùng neonicotinoid không có khả năng chứng minh sự thay đổi quan trọng xoay quanh vận may của loài ong.

Bài viết đến đây là hết rồi. Hi vọng sẽ giúp ích cho các bạn phần nào trong tương lai. Lần sau nếu có ai hỏi về chủ đề này thì hãy nhớ về hóa học đằng sau chúng nhé!

Tham khảo Compound Interest, Gardening Know How, Josef Seifert, Chemistry World, SciencedirectBogusław Buszewski.

Chia sẻ:
 
HHLCS

Tôi là người đam mê Hóa học và muốn chia sẻ những kiến thức này cho những người cùng sở thích, đam mê. Tôi chủ yếu xuất bản về các chủ đề liên quan đến hóa học trong cuộc sống hằng ngày.