ENVIRONMENTÁLNÍ ASPEKTY UŽITÍ ORGANOFOSFOROVÝCH
A KARBAMÁTOVÝCH PESTICIDŮ SCHVÁLENÝCH K UŽITÍ V ČESKÉ REPUBLICE
V
ÍTĚZSLAVV
LČEKaa M
IROSLAVP
OHANKAb,ca Ústav Agrochemie, půdoznalství, mikrobiologie a výživy rostlin, Mendelova univerzita v Brně, Zemědělská 1, 613 00 Brno, b Centrum pokročilých studií, Fakulta vojen- ského zdravotnictví, Univerzita obrany v Brně, Třebešská 1575, 500 01 Hradec Králové, c Fakultní nemocnice Hra- dec Kralové, Sokolská 581, 50005 Hradec Kralové xvlcek1@seznam.cz
Došlo 18.2.11, přijato 13.5.11.
Klíčová slova: organosfosfát, karbamát, pesticid, legislati- va, toxicita, karbofuran
Obsah
1. Úvod2. 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 po- hledu příliš jednotná. Podle mezinárodní definice FAO (Food and Agriculture Organization) se pesticidem rozumí jakákoli látka nebo směs látek určených k prevenci, ničení nebo zvládání jakéhokoli škůdce, včetně vektorů onemoc- nění člověka nebo zvířat, nežádoucích druhů rostlin nebo živočichů způsobujících škody v průběhu výroby, zpraco-
vání, skladování, přepravy nebo uvádění na trh potravin, zemědělských komodit. Termín zahrnuje rovněž látky určené jako regulátory růstu rostlin, defolianty, látky za- braňující předčasnému pádu ovoce před sklizní a látky aplikované na plodiny před, nebo po sklizni na ochranu před poškozením během skladování a přepravy1.
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 hledi- sek, 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 nej- častěji rozdělit na: herbicidy (určené proti plevelným rost- linám), fungicidy (proti houbovým chorobám), insekticidy (proti hmyzu), akaricidy (proti roztočům), moluskocidy (proti měkkýšům), nematocidy (proti háďátkům) apod.
Na základě jejich akutní toxicity lze pesticidní látky dle klasifikace WHO2 třídit dle tabulky I.
Organofosfáty
Chemicky jsou organofosfáty estery kyseliny ortho-, thio-, pyro-fosforečné, které se požívají jako pesticidy.
Obecně organofosfáty odstranily některé nevýhody organo- chlorových pesticidů a začaly je postupně nahrazovat. Na 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 kg1] orálně dermálně
Ia extrémně nebezpečné < 5 < 50
Ib vysoce nebezpečné 5–50 50–200
II středně nebezpečné 50–2000 200–2000
III málo nebezpečné > 2000 > 2000
U pravděpodobně bezpečné > 5000 > 5000
2. Toxikologické aspekty působení inhibitorů cholinesteras
Organofosforové a karbamátové inhibitory cholines- teras jsou skupinou látek s některými společnými aspekty mechanismů toxicity. Obecný 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 dý- chacího centra3.
Vazba organofosforových inhibitorů je za běžných podmínek nevratná, i když k štěpení vazby může dojít působením tzv. kauzativních antidot. Organofosforové reziduum prochází tzv. spontánní dealkylací, nazývanou též stárnutí, jejíž čas se značně odlišuje pro jednotlivé lát- ky. Po dealkylaci již kauzativní antidota nejsou účinná4. Mezi organofosforové inhibitiory AChE náleží i vysoce toxické nervově paralytické látky známé ve vojenství (sarin, VX atd.) a nebezpečné pesticidy, jako je např. para- oxon. 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 deri- váty jsou nejčastěji založeny na obměně oxo-forem pesti- cidů 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; MFO). Působením MFO může docházet k metabolické aktivaci, tj. oxidační desulfuraci na oxofor- mu organofosfátu. MFO zároveň mohou způsobovat dees- terifikace, které jsou vlastně detoxifikací organofosforo-
vých pesticidů5. Současně využívané organofosforové pesticidy jsou jen málo toxické pro obratlovce se zachova- nou toxicitou vůči hmyzím škůdcům. Jako příklad může být uveden metabolismus dimethoatu (obr. 1). Aktivací dimethoatu působením MFO vzniká v těle hmyzu vysoce toxický omethoat (reakce 1), který již rychle inhibuje cho- linesterasy (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 hyd- rofility. 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 barié- rou chráněné nervové soustavě obratlovců. Na snížení toxicity organofosforových inhibitorů cholinesteras u sav- ců mají vliv i další krevní enzymy, které mohou inhibitor buď vyvazovat, nebo dokonce štěpit. Zmínit lze např. kar- boxyesterasu 1 a paraoxonasu6.
Mezi karbamátové pesticidy patří zejména N-alkyl a N,N-dialkyl karbamáty. Tyto látky jsou díky polarizova- telnému dusíku za fyziologických podmínek v ionizované formě, která znesnadňuje, případně plně znemožňuje jejich distribuci přes myelinové pochvy a hematoencefalickou bariéru. Některé karbamáty však v omezené míře prostu- pují bariérami. Například N-alkyl karbamát rivastigmin užívaný ke zmírnění symptomatické manifestace Alzhei- merovy choroby do centrální nervové soustavy prochází7. Zatímco organofosforové inhibitory se váží ireverzibilně, karbamátové inhibitory jsou pseudoireverzibilní8. Ve vod- ném prostředí dochází k spontánní hydrolýze a odštěpení karbamátového rezidua. Následkem toho se cholinesterasa stává opět aktivní a může plnit svou fyziologickou úlohu.
Obr. 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
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 trh9. Výčet těchto látek včetně strukturních vzorců je patrný v obr. 2.
Jako potenciálně nejrizikovější se z organofosfátů jeví Dimethoat v současnosti používaný jako akaricid, insekti- cid a nematocid pro většinu v současnosti běžně pěstova- ných polních plodin (brambory, ječmen, pšenice) či ovoc- né 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 kg1) a vodní biotu (LC50 pstruh 9,1 mg l1, dafnie 2,5 mg l1) je poměrně vysoká.
Z karbamátů se jako nejrizikovější jeví Methiocarb v současnosti používaný jako akaricid, insekticid, molus- kocid 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 klasi- fikace WHO je veden jako vysoce nebezpečný (Ib) s ADI 0,013–0,02 mg kg1 a den s vysokou toxicitou jak pro ob- ratlovce, tak pro vodní biotu.
4. Perzistence pesticidů v prostředí
Po aplikaci se pesticidy rozkládají účinkem řady fyzi- kálních, chemických či biologických faktorů. Jejich roz- klad probíhá nejčastěji vlivem slunečního záření (fotolýzou), teploty (odpařováním), vlhkosti (hydrolýzou), vzdušným kyslíkem (oxidací), mikroorganismy na po- vrchu rostlin, v půdě, ale i cílových organismech, přičemž typ vznikajících sekundárních metabolitů bývá charakteris- tický pro jednotlivé druhy organismů. Pokles obsahu rezi- duí vztažených na jednotku hmotnosti může ale rovněž souviset se „zřeďovacím efektem“, resp. s nárůstem bio- masy 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 kro- mě exponovaných organismů půda a voda.
Pohyb pesticidů v půdě se v zásadě může uskutečňo- vat dvěma způsoby: difuzí nebo proudem vody. Voda pak může sloužit nejen jako transportní medium v rámci půd- ního tělesa, ale může dále kontaminovat podzemní či povr- chové vody.
Obecně o pesticidech platí, že jejich rychlost degrada- ce je při optimálních podmínkách ovlivňována zejména jejich fyzikálně-chemickými vlastnostmi, a faktory pro-
Obr. 2. Strukturní vzorce vybraných organofosforových a karbamátových pesticidů
phenmedipham propamocarb
desmedipham
fenoxycarb methiocarb
S P O S O
dimethoat fosetyl Al
HN O
P O- O
O H
P O- O O
H - P
O O O H Al3+
O NH
O O O
HN
O
O
NH O O
O O
NH S
NH O O
O O
O O N
N N
N
pirimicarb
O N H O
N
propamocarb hydrochlorid
O N H
O +H
N Cl-
středí vstupují do popředí tehdy, pokud jsou podmínky životního prostředí extrémnější. Z uvedeného důvodu není možno hodnotit transport pesticidů v půdě jako celku10.
Většina studií se shoduje, že sorpce/desorpce pestici- dů v půdách souvisí především s obsahem a složením hu- musu1114, případně se zrnitostí11. Pesticidy neiontové nebo slabě iontové povahy bývají na humus poutány nejčastěji hydrofóbní vazbou1517. Potenciál imobilizace (filtrace; Pi) v půdním profilu lze vyjádřit rovnicí10:
kde S označuje množství srážek.
Předpokládá se, že intenzita sorpce je z 66 % tvořena organickou hmotou a z 33 % jílovou frakcí. Půdní organic- ká hmota je ale poměrně heterogenní, takže sorpční vlast- nosti závisí nejen na jejím množství, ale i na její kvalitě.
Celkově lze tedy index filtrace (If)/imobilizace organic- kých xenobiotik v půdě vyjádřit rovnicí10:
kde S označuje množství srážek, C množství půdní orga- nické hmoty, Q kvalitu, H hloubku humusového horizontu, J obsah jílu a P hloubku půdy.
Potenciál imobilizace v půdě, jak ukazují některé pokusy1822, může ovlivňovat rovněž půdní reakce. Sorpč- ní kapacita půdy sice roste s klesajícím pH, ale pokud je pH vodného roztoku větší než disociační konstanta pestici- du, tak dochází ve vodném roztoku k jeho disociaci a pes- ticid se vyskytuje zejména ve formě aniontů. Ty jsou od- puzovány záporně nabitým povrchem půdních částic a koloidů a pesticid se stává v půdním prostředí mobilním.
Obecně 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 mož- nost horizontálního i vertikálního transportu vyšší, s rizi- kem kontaminace povrchových či podzemních vod.
5. Chemická dekontaminace
Organofosfáty a karbamáty nejsou dlouhodobě perzis- tující 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. Dru- hou alternativou je použití oxidačních činidel. Pro nouzo- vou dekontaminaci lze použít roztoky hydroxidu sodného, peroxidu vodíku, manganistanu draselného, chlornanu vápenatého, nebo i vápenného. Profesionální dekontami- nační 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 organofos- fáty resp. karbamáty v řádu vteřin až desítek minut. Mimo
S F Pi
S
0,66F
Q F(C) F(H) 0,33 F(J) F(P)
F
If
chemickou dekontaminaci lze použít i sorbenty vyvazující pesticid na základě fyzikálně-chemických interakcí. Výho- dou sorbentů je menší agresivita vůči materiálům, kdy nezpůsobují korozi, tření plastických hmot, nebo degradaci textilií. Nouzově lze jako sorbent použít např. cement, substráty pro pěstování květin, různé hlinky a případně i obyčejnou zeminu23. Původní přípravek pro osobní de- kontaminaci vyvinutý v bývalém Československu a použí- vaný dosud je založen na bentonitu v minulosti dodávané- ho pod označením Desprach.
6. Kazuistika
Po celém světě se odhaduje, že přibližně 3 000 000 lidí je každoročně vystaveno účinkům organofosfátů nebo karbamátů, což vede k až 300 000 úmrtí24,25. Ve Spojených státech bylo v roce 2008 hlášeno více než 8000 expozicí těmito látkami s méně než 15 úmrtími26.
Pravděpodobně první větší případ lidské otravy orga- nofosfáty nastal během třicátých let 20. stol. v USA, kdy se tisíce lidí na americkém jihu a středozápadu v době prohibice přiotrávilo „lékařským“ alkoholem "Ginger Ja- ke", obsahujícím falešný jamajský zázvor. Extrakt místo zázvoru obsahoval tri-orthokresyl fosfát (TOCP), který vyústil v částečně reverzibilní neurologické poškození projevující se charakteristickou chůzí27. Odhady hovoří o 30 000–50 000 zasažených osob. V Evropě a Maroku byla zaznamenána otrava TOCP z kontaminovaných potra- vin a oleje na vaření.
V České republice jsou známy náhodné intoxikace organofosfátovými insekticidy i u dětí v předškolním vě- ku28. Autoři zde popisují případ 33měsíčního chlapce se závažnou poruchou vědomí a hypotonií při intoxikaci or- ganofosfáty. Na základě výsledku toxikologického vyšet- ření 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 vý- skyt otrav organofosfáty a karbamáty poměrně vysoký.
V Číně samotné otravy pesticidy, především organofosfá- ty, podle odhadů způsobují 170 000 úmrtí ročně. Prakticky všechny jsou výsledkem záměrných sebeotrav24.
Poměrně závažné jsou v současné době rovněž dopa- dy organofosfátových a karbamátových pesticidů na eko- systémy (ať už vodní či terestrické). Karbofuran byl v posledních letech nejčastější příčinou otrav volně žijících dravých ptáků na území ČR. Nelegální použití tohoto pes- ticidu 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:
10.10.2010 Miličín (okres Benešov), orel mořský (samice) – potvrzená otrava karbofuranem.
3.4.2010 Dobrovíz (okres Praha západ), káně lesní potvrzená otrava karbofuranem.
3.1.2010 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.
23.11.2009 Dvůr Králové nad Labem (okres Trutnov), dva psi otrávení na zahradě v obci, karbofuran proká- zán laboratorně.
29.9.2009 Olbramovice u Votic (okres Benešov), mla- dá samice orla skalního z vypouštění v Beskydech.
2.6.2008 Svatbín (okres Kolín), moták pochop (2 ptá- ci), 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 Hundred and Twenty-third Session of the FAO Coun- cil in November 2002, Rome http://www.fao.org/
waicent/faoinfo/agricult/agp/agpp/pesticid/code/
Download/code.pdf.
2. The WHO Recommended Classification of Pesticides by Hazard and Guidelines to Classification 2009.
World Health Organization 2010. ISBN 978 92 4 154796 3.
3. Eddleston M., Buckley N. A., Eyer P., Dawson A. H.:
Lancet 371, 597 (2008).
4. Millard C. B., Kryger G., Ordetlich A., Greenblatt H.
M., Harel M., Raves M. L., Segall Y., Barak D., Sha- fferman 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 Opin. 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 2009. Věstník Státní rostlinolékař- ské správy. Ročník 6, číslo 01/2009.
10. Barančíková G., Koco Š., Makovníková J., Torma S.:
Fitračná a transportná funkcia pȏdy. VUPOP, Brati- slava 2010.
11. Bekbölet M., Yenigűn O., Yűcel I.: Water, Air, Soil Pollut. 111, 75 (1999).
12. Haberhauer G., Pfeiffer L., Gerzabek M. H., Kirschmann H., Aquino A. J. A., Tunega D., Lischka H.: 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, New York 1969.
16. Hamaker J. W., Thompson J. M.: Organic Chemicals in The Soil Environment. Vol 1, str. 49. Marcel Dek- ker, New York 1972.
17. Nearpass D. C.: Soil Sci. 121, 272 (1976).
18. Nicholls P. H., 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 O., Eklo O. M., Christian- sen A.: J. Environ. Qual. 30, 2046 (2001).
22. Hiller E., Sirotiak M., Zemanová L., Bartaľ M.: J.
Hydrol. Hydromech. 54, 71 (2006).
23. Pohanka M., Vlček V., Kuča K., Banďouchová H., 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. H., 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. Vlčeka and M. Pohankab,c (a Department of Agro- chemistry, Soil Science, Microbiology, and Plant Nutri- tion, Mendel University, Brno, b Centre of Advanced Stud- ies, Faculty of Military Health, University of Defence, Hradec Králové, c University Hospital, Hradec Králové):
Environmental Aspects of Organophosphorus and Car- bamate Pesticides Approved for Use in the Czech Re- public
Organophosphorus 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. On the other hand, these compounds are quite dangerous to human health when used inappropriate- ly. The present review summarizes toxicological and legis- lative aspects of the pesticides. A list of approved pesti- cides is given.
