ENVIRONMENTÁLNÍ ASPEKTY UŽITÍ ORGANOFOSFOROVÝCH A KARBAMÁTOVÝCH PESTICIDŮ SCHVÁLENÝCH K UŽITÍ V ČESKÉ REPUBLICE

Transkript

1 EVIRMETÁLÍ ASPEKTY UŽITÍ RGAFSFRVÝC A KARBAMÁTVÝC PESTICIDŮ SCVÁLEÝC K UŽITÍ V ČESKÉ REPUBLICE VÍTĚZSLAV VLČEK a a MIRSLAV PAKA b,c a Ústav Agrochemie, půdoznalství, mikrobiologie a výživy rostlin, Mendelova univerzita v Brně, Zemědělská 1, Brno, b Centrum pokročilých studií, Fakulta vojenského zdravotnictví, Univerzita obrany v Brně, Třebešská 1575, radec Králové, c Fakultní nemocnice radec Kralové, Sokolská 581, radec Kralové xvlcek1@seznam.cz Došlo , přijato Klíčová slova: organosfosfát, karbamát, pesticid, legislativa, toxicita, karbofuran bsah 1. Úvod 2. Toxikologické aspekty působení inhibitorů cholinesteras 3. Přehled organofosforových a karbamátových pesticidů schválených k užití v České republice 4. Perzistence pesticidů v prostředí 5. Chemická dekontaminace 6. Kazuistika 1. Úvod Definice pojmu pesticid není z celosvětového pohledu příliš jednotná. Podle mezinárodní definice FA (Food and Agriculture rganization) se pesticidem rozumí jakákoli látka nebo směs látek určených k prevenci, ničení nebo zvládání jakéhokoli škůdce, včetně vektorů onemocnění člověka nebo zvířat, nežádoucích druhů rostlin nebo živočichů způsobujících škody v průběhu výroby, zpracování, skladování, přepravy nebo uvádění na trh potravin, zemědělských komodit. Termín zahrnuje rovněž látky určené jako regulátory růstu rostlin, defolianty, látky zabraňující předčasnému pádu ovoce před sklizní a látky aplikované na plodiny před, nebo po sklizni na ochranu před poškozením během skladování a přepravy 1. V současné době je v České republice používáno více než 400 schválených látek a organismů s pesticidními účinky. Klasifikace těchto látek je možná z různých hledisek, zohledňujících jejich chemickou strukturu, toxické účinky na organismy (cílové případně necílové), chování v prostředí apod. S ohledem k praktickému použití, lze pesticidy resp. aktivní složky pesticidních přípravků nejčastěji rozdělit na: herbicidy (určené proti plevelným rostlinám), fungicidy (proti houbovým chorobám), insekticidy (proti hmyzu), akaricidy (proti roztočům), moluskocidy (proti měkkýšům), nematocidy (proti háďátkům) apod. a základě jejich akutní toxicity lze pesticidní látky dle klasifikace W 2 třídit dle tabulky I. rganofosfáty Chemicky jsou organofosfáty estery kyseliny ortho-, thio-, pyro-fosforečné, které se požívají jako pesticidy. becně organofosfáty odstranily některé nevýhody organochlorových pesticidů a začaly je postupně nahrazovat. a druhou stranu obsadily jedny z předních příček sloučenin způsobujících ročně největší počty otrav. Jako pesticidy působí jako kontaktní a požerové jedy s časově omezeným reziduálním účinkem. Karbamáty Chemicky jde o estery kyseliny karbaminové nebo karbamidové. Mechanismus účinku je obdobný jako u přípravků na bázi organofosfátů nicméně inhibice AChE je pseudoireverzibilní (viz níže). I když je mechanismus účinku podobný, byly úspěšně používány především při rotaci přípravků s cílem oddálit vznik rezistence. Tabulka I Rozdělení pesticidů dle jejich nebezpečnosti Slovní hodnocení látek LD50 pro laboratorního potkana [mg kg 1 ] orálně dermálně Ia extrémně nebezpečné < 5 < 50 Ib vysoce nebezpečné II středně nebezpečné III málo nebezpečné > 2000 > 2000 U pravděpodobně bezpečné > 5000 >

2 2. Toxikologické aspekty působení inhibitorů cholinesteras rganofosforové a karbamátové inhibitory cholinesteras jsou skupinou látek s některými společnými aspekty mechanismů toxicity. becný mechanismus působení je založen na kovalentní vazbě (esterifikace) na serin v esterovém (zvané též estratické) místě aktivního centra AChE a enzymu butyrylcholinesterasy (BuChE). Inhibice AChE vede k neschopnosti neuronů ukončovat synaptické vedení signálu v cholinergních nervových vláknech. Dle dávky a její distribuce v organismu pak dochází k patologickým změnám v centrální i periferní nervové soustavě, s možným vznikem cholinergní krize a život ohrožujících stavů spojenými především s dysfunkcí dýchacího centra 3. Vazba organofosforových inhibitorů je za běžných podmínek nevratná, i když k štěpení vazby může dojít působením tzv. kauzativních antidot. rganofosforové reziduum prochází tzv. spontánní dealkylací, nazývanou též stárnutí, jejíž čas se značně odlišuje pro jednotlivé látky. Po dealkylaci již kauzativní antidota nejsou účinná 4. Mezi organofosforové inhibitiory AChE náleží i vysoce toxické nervově paralytické látky známé ve vojenství (sarin, VX atd.) a nebezpečné pesticidy, jako je např. paraoxon. Tyto látky se váží na AChE i in vitro. Z důvodu zvýšení selektivity pesticidů vůči škodlivému hmyzu byly v minulosti připraveny různé deriváty pesticidů. Tyto deriváty jsou nejčastěji založeny na obměně oxo-forem pesticidů na jejich thio-analoga. Tato thio-analoga nejsou schopna inhibovat AChE in vitro, ale jsou konvertovány tzv. oxidasami s širokou specifitou účinku (mixed-function oxidases; MF). Působením MF může docházet k metabolické aktivaci, tj. oxidační desulfuraci na oxoformu organofosfátu. MF zároveň mohou způsobovat deesterifikace, které jsou vlastně detoxifikací organofosforových pesticidů 5. Současně využívané organofosforové pesticidy jsou jen málo toxické pro obratlovce se zachovanou toxicitou vůči hmyzím škůdcům. Jako příklad může být uveden metabolismus dimethoatu (obr. 1). Aktivací dimethoatu působením MF vzniká v těle hmyzu vysoce toxický omethoat (reakce 1), který již rychle inhibuje cholinesterasy (reakce 2). U obratlovců přednostně dochází k dealkylaci (reakce 1b). Dealkylovaný organofosfát je nejen slabým inhibitorem AChE, ale zároveň hůře proniká do nervových zakončení a centrální nervové soustavy díky snížené lipofilitě a je rychle eliminován díky nárůstu hydrofility. Spontánní dealkylace, tzv. stárnutí, v aktivním centru AChE je naznačena reakcí 3. Pro selektivní toxicitu thio-forem organofosforových pesticidů má rovněž zásadní význam fakt, že nervová soustava hmyzu je rozdělena do ganglií, oproti centralizované a hematoencefalickou bariérou chráněné nervové soustavě obratlovců. a snížení toxicity organofosforových inhibitorů cholinesteras u savců mají vliv i další krevní enzymy, které mohou inhibitor buď vyvazovat, nebo dokonce štěpit. Zmínit lze např. karboxyesterasu 1 a paraoxonasu 6. Mezi karbamátové pesticidy patří zejména -alkyl a,-dialkyl karbamáty. Tyto látky jsou díky polarizovatelnému dusíku za fyziologických podmínek v ionizované formě, která znesnadňuje, případně plně znemožňuje jejich distribuci přes myelinové pochvy a hematoencefalickou bariéru. ěkteré karbamáty však v omezené míře prostupují bariérami. apříklad -alkyl karbamát rivastigmin užívaný ke zmírnění symptomatické manifestace Alzheimerovy choroby do centrální nervové soustavy prochází 7. Zatímco organofosforové inhibitory se váží ireverzibilně, karbamátové inhibitory jsou pseudoireverzibilní 8. Ve vodném prostředí dochází k spontánní hydrolýze a odštěpení karbamátového rezidua. ásledkem toho se cholinesterasa stává opět aktivní a může plnit svou fyziologickou úlohu. br. 1. Mechanismus inhibice AChE látkou dimethoat. Reakce 1 aktivace dimethoatu na jeho kyslíkový analog (omethoat); reakce 2 esterifikace serinového hydroxylu v aktivním centru AChE; reakce 3 spontánní dealkylace rezidua dimethoatu; reakce 1b spontánní, nebo katalyzovaný rozklad dimethoatu ve vodném prostředí na dimethylfosfát 909

3 3. Přehled organofosforových a karbamátových pesticidů schválených k užití v České republice V přehledu jsme se zabývali organofosfátovými a karbamátovými pesticidy schválenými k používání pro český trh 9. Výčet těchto látek včetně strukturních vzorců je patrný v obr. 2. Jako potenciálně nejrizikovější se z organofosfátů jeví Dimethoat v současnosti používaný jako akaricid, insekticid a nematocid pro většinu v současnosti běžně pěstovaných polních plodin (brambory, ječmen, pšenice) či ovocné stromy (ořešák, višeň, jabloň). Bioakumulační potenciál je sice poměrně nízký (poločas rozpadu v půdě od 2,5 do 16 dnů), ale toxicita pro teplokrevné organismy (LD50 potkan 342,5 mg kg 1 ) a vodní biotu (LC50 pstruh 9,1 mg l 1, dafnie 2,5 mg l 1 ) je poměrně vysoká. Z karbamátů se jako nejrizikovější jeví Methiocarb v současnosti používaný jako akaricid, insekticid, moluskocid či repelent (ptáci) pro brambory, ječmen, řepu a zeleninu. Bioakumulační potenciál je sice také poměrně nízký (poločas rozpadu v půdě 0,25 1,4 dne), ale dle klasifikace W je veden jako vysoce nebezpečný (Ib) s ADI 0,013 0,02 mg kg 1 a den s vysokou toxicitou jak pro obratlovce, tak pro vodní biotu. 4. Perzistence pesticidů v prostředí Po aplikaci se pesticidy rozkládají účinkem řady fyzikálních, chemických či biologických faktorů. Jejich rozklad probíhá nejčastěji vlivem slunečního záření (fotolýzou), teploty (odpařováním), vlhkosti (hydrolýzou), vzdušným kyslíkem (oxidací), mikroorganismy na povrchu rostlin, v půdě, ale i cílových organismech, přičemž typ vznikajících sekundárních metabolitů bývá charakteristický pro jednotlivé druhy organismů. Pokles obsahu reziduí vztažených na jednotku hmotnosti může ale rovněž souviset se zřeďovacím efektem, resp. s nárůstem biomasy v průběhu zrání dané plodiny a nemusí tedy přímo znamenat eliminaci či degradaci pesticidu. Místy, kde se můžeme s pesticidy setkat v prostředí nejčastěji, jsou kromě exponovaných organismů půda a voda. Pohyb pesticidů v půdě se v zásadě může uskutečňovat dvěma způsoby: difuzí nebo proudem vody. Voda pak může sloužit nejen jako transportní medium v rámci půdního tělesa, ale může dále kontaminovat podzemní či povrchové vody. becně o pesticidech platí, že jejich rychlost degradace je při optimálních podmínkách ovlivňována zejména jejich fyzikálně-chemickými vlastnostmi, a faktory pro- P S S dimethoat P - - P Al 3+ - P fosetyl Al desmedipham Cl - + S propamocarb hydrochlorid fenoxycarb methiocarb phenmedipham pirimicarb propamocarb br. 2. Strukturní vzorce vybraných organofosforových a karbamátových pesticidů 910

4 středí vstupují do popředí tehdy, pokud jsou podmínky životního prostředí extrémnější. Z uvedeného důvodu není možno hodnotit transport pesticidů v půdě jako celku 10. Většina studií se shoduje, že sorpce/desorpce pesticidů v půdách souvisí především s obsahem a složením humusu 11 14, případně se zrnitostí 11. Pesticidy neiontové nebo slabě iontové povahy bývají na humus poutány nejčastěji hydrofóbní vazbou Potenciál imobilizace (filtrace; Pi) v půdním profilu lze vyjádřit rovnicí 10 : Pi F S kde S označuje množství srážek. Předpokládá se, že intenzita sorpce je z 66 % tvořena organickou hmotou a z 33 % jílovou frakcí. Půdní organická hmota je ale poměrně heterogenní, takže sorpční vlastnosti závisí nejen na jejím množství, ale i na její kvalitě. Celkově lze tedy index filtrace (If)/imobilizace organických xenobiotik v půdě vyjádřit rovnicí 10 : If F S Q 0,66F F( C) F( ) 0,33 F( J ) F( P) kde S označuje množství srážek, C množství půdní organické hmoty, Q kvalitu, hloubku humusového horizontu, J obsah jílu a P hloubku půdy. Potenciál imobilizace v půdě, jak ukazují některé pokusy 18 22, může ovlivňovat rovněž půdní reakce. Sorpční kapacita půdy sice roste s klesajícím p, ale pokud je p vodného roztoku větší než disociační konstanta pesticidu, tak dochází ve vodném roztoku k jeho disociaci a pesticid se vyskytuje zejména ve formě aniontů. Ty jsou odpuzovány záporně nabitým povrchem půdních částic a koloidů a pesticid se stává v půdním prostředí mobilním. becně lze říci, že čím je intenzita sorpce pesticidu či jeho rozklad nižší a čím je vyšší intenzita srážek, případně sklonitost terénu na daném území, tím je potenciální možnost horizontálního i vertikálního transportu vyšší, s rizikem kontaminace povrchových či podzemních vod. 5. Chemická dekontaminace rganofosfáty a karbamáty nejsou dlouhodobě perzistující látky. Z praktického hlediska má dekontaminace význam pro odmořování pevných povrchů tam, kde by hrozilo riziko z prodlení, nebo pro likvidaci starých zásob. Fosfor organofosfátu resp. uhlík karbamátové funkční skupiny mohou být atakovány nukleofilními činidly. Druhou alternativou je použití oxidačních činidel. Pro nouzovou dekontaminaci lze použít roztoky hydroxidu sodného, peroxidu vodíku, manganistanu draselného, chlornanu vápenatého, nebo i vápenného. Profesionální dekontaminační směsi většinou obsahují jako účinnou látku některé z výše uvedených činidel. Jedná se např. o chlornanovou směs: 2% (w/v) chlornan vápenatý s naftou (1% (w/v)) a detergentem (0,5% (w/v)), případně lze použít vodný roztok 10% (w/v) hydroxidu sodného s aminoethanolem (25% (w/v)). Dekontaminační směsi odmořují organofosfáty resp. karbamáty v řádu vteřin až desítek minut. Mimo chemickou dekontaminaci lze použít i sorbenty vyvazující pesticid na základě fyzikálně-chemických interakcí. Výhodou sorbentů je menší agresivita vůči materiálům, kdy nezpůsobují korozi, tření plastických hmot, nebo degradaci textilií. ouzově lze jako sorbent použít např. cement, substráty pro pěstování květin, různé hlinky a případně i obyčejnou zeminu 23. Původní přípravek pro osobní dekontaminaci vyvinutý v bývalém Československu a používaný dosud je založen na bentonitu v minulosti dodávaného pod označením Desprach. 6. Kazuistika Po celém světě se odhaduje, že přibližně lidí je každoročně vystaveno účinkům organofosfátů nebo karbamátů, což vede k až úmrtí 24,25. Ve Spojených státech bylo v roce 2008 hlášeno více než 8000 expozicí těmito látkami s méně než 15 úmrtími 26. Pravděpodobně první větší případ lidské otravy organofosfáty nastal během třicátých let 20. stol. v USA, kdy se tisíce lidí na americkém jihu a středozápadu v době prohibice přiotrávilo lékařským alkoholem "Ginger Jake", obsahujícím falešný jamajský zázvor. Extrakt místo zázvoru obsahoval tri-orthokresyl fosfát (TCP), který vyústil v částečně reverzibilní neurologické poškození projevující se charakteristickou chůzí 27. dhady hovoří o zasažených osob. V Evropě a Maroku byla zaznamenána otrava TCP z kontaminovaných potravin a oleje na vaření. V České republice jsou známy náhodné intoxikace organofosfátovými insekticidy i u dětí v předškolním věku 28. Autoři zde popisují případ 33měsíčního chlapce se závažnou poruchou vědomí a hypotonií při intoxikaci organofosfáty. a základě výsledku toxikologického vyšetření byla zahájena léčba atropinem do klinických příznaků atropinizace a léčba obidoximem s pozitivním výsledkem. Vzhledem ke zvýšenému využívání a dostupnosti pesticidů (zejména v rozvojových zemích), je rovněž výskyt otrav organofosfáty a karbamáty poměrně vysoký. V Číně samotné otravy pesticidy, především organofosfáty, podle odhadů způsobují úmrtí ročně. Prakticky všechny jsou výsledkem záměrných sebeotrav 24. Poměrně závažné jsou v současné době rovněž dopady organofosfátových a karbamátových pesticidů na ekosystémy (ať už vodní či terestrické). Karbofuran byl v posledních letech nejčastější příčinou otrav volně žijících dravých ptáků na území ČR. elegální použití tohoto pesticidu bylo plošně rozšířenou metodou boje se škodnou (zejména lišky, kuny apod.), nicméně letální dávky této látky jsou pro ptáky zhruba 10krát nižší ve srovnání se savci. Z důvodu vysoké toxicity pro ptáky byly zjišťovány především úhyny volně žijících dravých ptáků. Příklady použití přípravků v ČR z poslední doby: Miličín (okres Benešov), orel mořský (samice) potvrzená otrava karbofuranem Dobrovíz (okres Praha západ), káně lesní potvrzená otrava karbofuranem. 911

5 Komořany (okres Praha 4), otrava kočky přímo v intravilánu pražské části Komořany. Po 10 minutách se kočka začala motat, měla křeče, i přes okamžitý zásah veterináře druhý den uhynula. Rozbor prokázal otravu karbofuranem Dvůr Králové nad Labem (okres Trutnov), dva psi otrávení na zahradě v obci, karbofuran prokázán laboratorně lbramovice u Votic (okres Benešov), mladá samice orla skalního z vypouštění v Beskydech Svatbín (okres Kolín), moták pochop (2 ptáci), krkavec velký (4 ptáci). Ptáci nalezeni spolu se dvěma liškami u návnady, v tomto případě otrávených vajec. Případ vyšetřuje Policie ČR. LITERATURA 1. International Code of Conduct on the Distribution and Use of Pesticides (Revised Version) adopted by the undred and Twenty-third Session of the FA Council in ovember 2002, Rome waicent/faoinfo/agricult/agp/agpp/pesticid/code/ Download/code.pdf. 2. The W Recommended Classification of Pesticides by azard and Guidelines to Classification World ealth rganization ISB Eddleston M., Buckley. A., Eyer P., Dawson A..: Lancet 371, 597 (2008). 4. Millard C. B., Kryger G., rdetlich A., Greenblatt. M., arel M., Raves M. L., Segall Y., Barak D., Shafferman A., Silman I., Sussman J. L.: Biochemistry 38, 7032 (1999). 5. Kasagami T., Miyamoto T., Yamamoto I.: Pestic. Manag. Sci. 58, 1107 (2002). 6. Kanamori-Kataoka M., Seto Y.: Anal. Biochem. 385, 94 (2009). 7. Chitnis S., Rao J.: Expert pin. Drug Metab. Toxicol. 5, 941 (2009). 8. Pohanka M., Musilek K., Kuca K.: Curr. Med. Chem. 16, 1790 (2009). 9. Seznam registrovaných přípravků a dalších prostředků na ochranu rostlin Věstník Státní rostlinolékařské správy. Ročník 6, číslo 01/ Barančíková G., Koco Š., Makovníková J., Torma S.: Fitračná a transportná funkcia pȏdy. VUPP, Bratislava Bekbölet M., Yenigűn., Yűcel I.: Water, Air, Soil Pollut. 111, 75 (1999). 12. aberhauer G., Pfeiffer L., Gerzabek M.., Kirschmann., Aquino A. J. A., Tunega D., Lischka.: Eur. J. Soil Sci. 52, 279 (2001). 13. Carringer R. D., Weber J. B., Monaco T. J.: J. Agric. Food Chem. 23, 568 (1975). 14. Bailey G. W., White J. L.: Residue Rev. 32, 29 (1970). 15. Birshtein T. M., v: Water in Biological Systems, (Kayushin L. P., ed.), str. 9. Consultants Bureau, ew York amaker J. W., Thompson J. M.: rganic Chemicals in The Soil Environment. Vol 1, str. 49. Marcel Dekker, ew York earpass D. C.: Soil Sci. 121, 272 (1976). 18. icholls P.., Evans A. A.: Acids Pestic. Sci. 33, 319 (1991). 19. Boivin A., Cherrier R., Schiavon M.: Chemosphere 61, 661 (2005). 20. Dyson J. S., Beulke S., Brown C. D., Lane M. C. G.: J. Environ. Qual. 31, 613 (2002). 21. Thorstensen Ch. W., Lode., Eklo. M., Christiansen A.: J. Environ. Qual. 30, 2046 (2001). 22. iller E., Sirotiak M., Zemanová L., Bartaľ M.: J. ydrol. ydromech. 54, 71 (2006). 23. Pohanka M., Vlček V., Kuča K., Banďouchová., Pikula J.: J. Appl. Biomed. 8, 41 (2010). 24. Eddleston M., Phillips M. R.: Br. Med. J. 328, 42 (2004). 25. Eyer P.: Toxicol. Rev. 22, 165 (2003). 26. Bronstein A. C., Spyker D. A., Cantilena L. R., Green J. L., Rumack B.., Giffin S. L.: Clin. Toxicol. 47, 911 (2009). 27. Morgan J. P., Tulloss T. C.: Ann. Int. Med. 85, 804 (1976). 28. Smolka V., Reitinger J., Klásková E., Wiedermann J.: Anest. Intenziv. Med. 6, 295 (2003). V. Vlček a and M. Pohanka b,c ( a Department of Agrochemistry, Soil Science, Microbiology, and Plant utrition, Mendel University, Brno, b Centre of Advanced Studies, Faculty of Military ealth, University of Defence, radec Králové, c University ospital, radec Králové): Environmental Aspects of rganophosphorus and Carbamate Pesticides Approved for Use in the Czech Republic rganophosphorus and carbamate pesticides are a wide scale of neurotoxic compounds. Application of these compounds in current preparations is advantageous with respect to their low persistence in environment and good selectivity. n the other hand, these compounds are quite dangerous to human health when used inappropriately. The present review summarizes toxicological and legislative aspects of the pesticides. A list of approved pesticides is given. 912