Skażenie żywności pestycydami

Na zatrucia estrami fosforoorganicznymi i karbaminowymi narażeni są zarówno ludzie i zwierzęta, jako konsumenci skażonej żywności i pasz. Ze względu na coraz większe zapotrzebowanie na pożywienie, globalne zużycie pestycydów wzrasta. W roku 2000 zysk ze sprzedaży środków ochrony roślin wynosił 30 miliardów dolarów, a 11 lat później aż 50 miliardów (MATTHEWS I IN., 2014). Niewłaściwe używanie tych substancji powoduje zanieczyszczenia gleby, wód gruntowych oraz roślin, które później są przeznaczone do spożycia. Ponadto zakłóca zależności troficzne w ekosystemach. W wielu miejscach na świecie odnotowuje się przypadki zatruć spowodowanych spożyciem skażonej przez pestycydy żywności. Jedną z głównych przyczyn tych zatruć są insektycydy fosforoorganiczne (BRZEZIŃSKI I SZUTOWSKI, 2005). Aby zmniejszyć ryzyko zatruć stosuje się powszechnie metody bazujące na technikach chromatograficznych jak chromatografia gazowa (GC) i wysokosprawna chromatografia cieczowa (HPLC), a także metody spektroskopowe jak spektrometria UV-VIS, spektrometria fluorescencyjna i spektrometria mas (GAO I LU, 2015). Jednak ze względu na złożone procesy obróbki wstępnej, czasochłonność, wysokie koszty wymienionych wyżej analiz, jak również zapotrzebowanie na wykwalifikowany personel laboratoryjny poszukuje się prostszych i tańszych sposobów wykrywania niepożądanych substancji w pożywieniu. Alternatywę dla przedstawionych metod mogą stanowić bioczujniki (ang. biosensors) (MULCHANDANI I IN., 2001). Bioczujnikami nazywamy urządzenia przetwarzające informację dotyczącą stężenia analitu w próbie na sygnał mierzalny, który może zostać odczytany przez odpowiednią aparaturę laboratoryjną (GAO I LU, 2015). Zawierają one element biologiczny tworzący część receptorową, stąd przedrostek „bio-”, który bezpośrednio kontaktuje się z analitem. Komponentami biologicznymi mogą być zarówno enzymy, przeciwciała, kwasy nukleinowe, a nawet tkanki (MARTY I IN., 1998; GAO I LU, 2015). Ostatnimi czasy najwięcej uwagi poświęca się biosensorom enzymatycznym. Dzięki wysokiej wrażliwości na szeroki zakres związków wykorzystuje się je do wczesnego wykrywania różnych zanieczyszczeń w produktach spożywczych. Enzymami, które cieszą się największym zainteresowaniem naukowców konstruujących biosensory są esterazy cholinowe – w latach 2006-2012 opublikowano aż 60 prac badawczych dotyczących ich zastosowania w tego typu urządzeniach (ARDUINI I AMINE, 2014). Pomimo, że nie pozwalają one na selektywne wykrywanie danych pestycydów w próbce, to dane uzyskane podczas analiz wystarczają do oszacowania całkowitego poziomu zahamowania aktywności cholinoesteraz (MARTY I IN., 1998).

Esterazy cholinowe wykorzystuje się między innymi w bioczujnikach potencjometrycznych i amperometrycznych (MARTY I IN., 1998). Potencjometryczne sensory enzymatyczne opierają się głównie na pomiarze zmieniających się wartości pH i potencjału elektrody. Odczyn badanej próby zmienia się, kiedy podczas hydrolizy estrów przez cholinoesterazy dochodzi do syntezy kwasów organicznych. Następnie za pomocą prostej elektrody pH-metrycznej wykrywa się obecne w próbie zanieczyszczenia. Najniższym do tej pory stężeniem wykrytym za pomocą tej metody było 0,3 ppb paraoksonu, należącego do insektycydów fosforoorganicznych (TRAN-MINH I IN., 1990). Jednak w większości analiz granica wykrywalności sięga wartości 3 ppb. Metody amperometryczne były z kolei początkowo stosowane wyłącznie w analizach prób wody pitnej, wody pochodzącej z rzek i ścieków (ARDUINI I AMINE, 2014). Obecnie używa się ich do wykrywania związków fosforoorganicznych oraz karbaminianów zarówno w płodach rolnych, jak i w nabiale czy miodzie. W zależności od substratu, sensory amperometryczne mogą wykrywać różne związki, które powstają podczas przemian enzymatycznych zachodzących z udziałem cholinoesteraz (MARTY I IN., 1998). Do tej grupy należą między innymi acetylo- i butyrylotiocholina, które ulegając oksydacji umożliwiają detekcję zanieczyszczeń. Najniższy poziom zanieczyszczenia, który udało się oznaczyć za pomocą tej metody, wynosił 0,03 ppb paraoksonu (MARTY I IN., 1995). Możliwe jest również zwiększenie zakresu wykrywanych pestycydów przy jednoczesnym użyciu dwóch różnych cholinoesteraz w jednym biosensorze (SKLÁDAL I IN., 1994).

Podsumowanie

Badania aktywności enzymów stanowią podstawę diagnostyki zatruć insektycydami w gospodarstwach rolnych i powinny być regularnie wykonywane u pracowników mających kontakt z tymi szkodliwymi substancjami.

Dzięki swojej aktywności esterazowej, umożliwiającej łączenie się z estrami karbaminowymi i fosforoorganicznymi, cholinoesterazy mogą być z powodzeniem stosowane w monitoringu narażenia na pestycydy.

Zahamowanie aktywności esteraz cholinowych znajduje zastosowanie w testach esterazowych, które określają zarówno stopień narażenia organizmu na truciznę, a także postęp prowadzonego leczenia.

Enzymy z klasy cholinoesteraz mogą być używane również jako element biosensorów, dzięki którym można wykryć obecne w żywności pozostałości pestycydów. Umożliwia to eliminację skażonych produktów i zapobiega przed ich spożyciem przez potencjalnych konsumentów.

Literatura

ARDUINI F., AMINI A. 2014. Biosensors based on enzyme inhibition. Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology. 140, 299-326.

BOJANOWSKA I., GLIWICZ T. 2005. Chloroorganiczne pestycydy i polichlorowane bifenyle w osadach rzek Polski. Przegląd Geologiczny. 53, 8, 649-655.

BOLOGNESI C. 2003. Genotoxicity of pesticides: a review of human biomonitoring studies. Mutation Research. 543, 251-272.

BRZEZIŃSKI J., SZUTOWSKI M. M. 2005. Toksykologia pestycydów. [W:] SEŃCZUK W. (red.): Toksykologia współczesna. Wydawnictwo Lekarskie PZWL. Warszawa. 549-570.

BUKOWSKA B., PIENIĄŻEK D., HUTNIKI K., DUDA W. 2007. Acetylo- i Butyrylocholinoesteraza – budowa, funkcje i ich inhibitory. Current Topics in Biophysics. 30 (suppl. A). 11-23.

CIESIELSKI S., LOOMIS D. P., MIMS S. R., AUER A. 1994. Pesticide exposures, cholinesterase depression, and symptoms among North Carolina migrant farmworkers. American Journal of Public Health. 84, 3, 446-451.

DASGUPTA S., MEISNER C., WHEELER D., XUYEN K., LAM N. T. 2007. Pesticide poisoning of farm workers – implications of blood test results from Vietnam. International Journal of Hygiene and Environmental Health. 210, 121-132.

GAO F., LU X. 2015. Detection of pesticides in foods by enzymatic biosensor. [W:] Yada R. Y. (red.): Improving and tailoring enzymes for food quality and functionality. Woodhead Publishing Ltd. 147-161.

GOMÓŁKA E., HYDZIK P. 2014. Ostre zatrucia inhibitorami acetylocholinoesterazy – analiza danych Pracowni Toksykologii w Krakowie z lat 2003-2013. Konferencja szkoleniowo-naukowa Polskiego Towarzystwa Toksykologicznego: Człowiek, Żywność, Środowisko – Problemy Współczesnej Toksykologii. Olsztyn. 16-19 września 2014 r. (poster)

GREIG N. H., UTSUKI T., YU Q. S., ZHU X., HOLLOWAY H.W., PERRY T. A., LEE B., INGRAM D. K., LAHIRI D. K. 2001 A new therapeutic target in Alzheimer’s disease treatment: attention to butyrylcholinesterase. Current Medical Research and Opinion. 17, 3, 159-165.

GUNNELL D., EDDLESTON M., PHILLIPS M. R., KONRADSEN F. 2007. The global distribution of fatal pesticide self-poisoning: systematic review. BMC Public Health. 7, 357, 2007.

KACHAIYAPHUM P., HOWTEERAKUL N., SUJIRARAT D., SIRI S., SUWANNAPONG N. 2010. Serum cholinesterases levels of Thai chili-farm workers exposed to chemical pesticides: prevalence estimates and associated factors. Journal of Occupational Health. 52, 89-98.

KILANOWICZ A. 2006. Pestycydy. [W:] PIOTROWSKI J. K. (red.): Podstawy toksykologii. Wydawnictwo WNT. Warszawa. 319-355.

LANGAUER-LEWOWICKA H., PAWLAS K. 2015. Związki endokrynnie czynne – prawdopodobieństwo niepożądanego działania środowiskowego. Medycyna Środowiskowa – Environmental Medicine. 18, 1, 7-11.

MALINOWSKA E., JANKOWSKI K., WYRĘBEK H., TRUBA M. 2015. Struktura sprzedaży i zużycia środków ochrony roślin w Polsce w latach 2000-2012. Zeszyty Naukowe Uniwersytetu Przyrodniczo-Humanistycznego w Siedlcach. Seria: Administracja i Zarzadzanie. 104, 173-185.

MALINOWSKI H. 2006. Insektycydy systemiczne i możliwości ich wykorzystania w ochronie kasztanowców przed szrotówkiem kasztanowcowiaczkiem (Cameraria ohridella Deschka & Dimić). Sylwan. 1, 48-57.

MARTY J. L., LECA B., NOUGER T. 1998. Biosensors for the detection of pesticides. Analusis Magazine. 26, 6, 144-149.

MARTY J. L., MIONETTO N., LACORTE S., BARCELO D. 1995. Validation of an enzymatic biosensor with various liquid chromatographic techniques for determining organophosphorus pesticides and carbaryl in freeze-dried waters. Analytica Chimica Acta. 311, 265-271.

MASSON P., LOCKRIDGE O. 2010. Butyrylcholinesterase for protection from organophosphorus poison: Catalytic complexities and hysteretic behavior. Archives of Biochemistry and Biophysics. 494, 107-120.

MATTHEWS G., BATEMAN R., MILLER P. 2014. Pesticide application methods. John Wiley & Sons. New York. 1-23.

MULCHANDANI A., CHEN W., MULCHANDANI P., WANG J., ROGERS K. R. 2001. Biosensors for direct determination of organophosphate pesticides. Biosensors & Bioelectronics. 16, 225-230.

NEUPANE D., JØRS E., BRANDT L. 2014. Pesticide use, erythrocyte acetylcholinesterase level and self-reported acute intoxication symptoms among vegetable farmers in Nepal: a cross-sectional study. Environmental Health. 13:98, 1-7.

NIGG H. N., KNAAK J. B. 2000. Blood cholinesterase as human biomarkers of organophosphorus pesticide exposure. Reviews of Environmental Contamination and Toxicology. 163, 29-111.

POHANKA M. 2013. Butyrylcholinesterase as a biochemical marker. Bratislavskie Lekarske Listy. 114, 726-734.

SAVOLAINEN K. M. 2005. Foreword. [W:] GUPTA R. C. (red.): Toxicology of Organophosphate & Carbamate Compounds. Elsevier Academic Press Inc. XV-XVI.

SKLÁDAL P., PAVLÍK M., FIALA M. 1994. Pesticide biosensor based on coimmobilied acetylcholinesterase and butyrylcholinesterase. Analytical Letters. 27, 29-40.

SZPAK D., GOMÓŁKA E. 2015. Struktura zatruć ksenobiotykami w oparciu o oznaczenia toksykologiczne wykonane w Pracowni Toksykologii w Krakowie w latach 2003-2013. Przegląd Lekarski. 72, 3, 136-139.

TIMOFEEVA O. A., ROEGGE C. S., SEIDLER F. J., SLOTKIN T. A., LEVIN E. D. 2008 Persistent cognitive alterations in rats after early postnatal exposure to low doses of the organophosphate pesticide, diazinon. Neurotoxicology and Teratology. 30, 38-45.

TRAN-MINH C., PADNEY P.C., KUMARAN S. 1990. Studies of acetylcholine sensor and its application based on the inhibition of cholinesterase. Biosensors & Bioelectrics. 5, 461-471.

VAN DEN BERG H. 2009. Global status of DDT and its alternatives for use in vector control to prevent disease. Environmental Health Perspectives. 117, 11, 1656-1663.

WALESIUK A., WOJEWÓDZKA-ŻELAZNIAKOWICZ M., HALIM N., ŁUKASIK-GŁĘBOCKA M., CZABAN S. L., MYĆKO G., PAZIO L., ŁADNY J. R. 2010. Zatrucia środkami ochrony roślin. Postępy Nauk Medycznych. 9, 729-735.

WEBSTER L. R., MCKENZIE G. H., MORIARTY H. T. 2002. Organophosphate-based pesticides and genetic damage implicated in bladder cancer. Cancer Genetics and Cytogenetics. 133, 112-117.

Adrianna Rafalska,

Magdalena Krauze

Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie,

Wydział Biologii i Hodowli Zwierząt,

Katedra Biochemii i Toksykologii,

e-mail: adrianna.rafalska94@gmail.com

 magdalena.krauze@up.lublin.pl