5.8 Инсектициды с различными механизмами действия
Фипронил – это инсектицид широкого спектра действия, относящийся к фенилпиразолам:
В центральной нервной системе насекомых он блокирует обеспечивающие контроль за прохождением сигналов возбуждения ГАМК- и глютамат-зависимые хлорные каналы, вызывая перевозбуждение мышечных тканей с исчерпанием энергетических ресурсов мышечных клеток. Фипроинил – это медленно действующий яд. При использовании его в качестве инсектицида в приманках для уничтожения колоний насекомых отравленное насекомое может стать носителем яда для других обитателей колонии. Так, например, на фоне применения приманок с фипронилом 95 % муравьев и тараканов погибают в течение трёх дней.
Несмотря на достаточно высокую токсичность для теплокровных (ЛД50 97 мг/кг, крысы), его используют для борьбы с эктопаразитами у домашних животных и птиц. В Евросоюзе запрещено использовать фипронил при производстве пищевых продуктов животного происхождения. Вещество сорбируется кожей животных и потом остаётся в мясе, а в случае с курицами и в яйцах. В больших дозах фипронил может повредить почки, печень и щитовидную железу человека, в небольших дозах вызывает раздражение глаз и кожи, а также тошноту. В 2017 г. в 16 европейских странах фипронил был обнаружен в куриных яйцах. Количество уничтоженных яиц с фипронилом составило более 10 млн. Обработка растительной продукции этим инсектицидом разрешена.
Другим производным пиразола с аналогичным механизмом действия является пирипрол:
Его применяют в составе ветеринарных инсектоакарицидов, например, в средстве для борьбы с блохами и клещами у собак Прак-тик (Prac-tic).
В качестве ветеринарных инсектоакарицидов применяют также соединения из группы изоксазолов, блокирующие хлорные каналы нейронов торможения у насекомых. В качестве примера приводится структурная формула флураланера, который входит в состав препарата Бравекто:
Новый инсектицид Флубендиамид представляет собой сложный диамид фталевой кислоты:
Его действие направлено на рианодиновые рецепторы (RyR) кальциевых каналов. В мышечных клетках животных и человека они выполняют важнейшую функцию сопряжения потенциала действия с мышечным сокращением. Флубендиамид парализует мышцы насекомых, увеличивая внутриклеточную концентрацию ионов кальция.
5.9 Репелленты и аттрактанты членистоногих
Насекомые и другие членистоногие реагируют на присутствие в окружающем воздухе природных летучих веществ, многие из которых воспринимаются и нами как пахучие или даже душистые. Эти вещества используются, например, растениями в качестве репеллентов для защиты от растительноядных представителей животного мира или в качестве аттрактантов, когда, например, надо привлечь опылителей к цветам. При этом одно и то же содержащееся в растении вещество может быть как репеллентом, так и аттрактантом для тех видов, которые этим растением питаются. Так, например, аллилгорчичное масло образуется при ферментативном гидролизе гликозида синигрина, содержащегося в растениях рода капустных (крестоцветных). Это едкое соединение с резким запахом, представляющее собой аллилизотиоцианат, отпугивает практически всех насекомых, но в то же время оно привлекает бабочек белянок для яйцекладок на капусте или на других пахнущих аллилгорчичным маслом растениях, поскольку именно ими питаются гусеницы этих бабочек. Содержащиеся в растении токсичные вещества могут даже накапливаться в насекомых, обеспечивая им защиту от поедания птицами. В качестве примера можно назвать североамериканских бабочек данаид, гусеницы которых едят красивое растение ваточник с едким млечным соком. Его токсичные компоненты остаются в гусеницах и в бабочках, делая их неаппетитными для птиц. Бабочки данаиды окрашены в предупреждающий яркий оранжевый с чёрным цвет.
Замечено, что кровососущие насекомые и мухи меньше досаждают около кустов можжевельника, чёрной бузины, чубушника, более известного как садовый жасмин, в тени грецкого ореха. Мухи избегают помещений с букетами пижмы и других растений с приятными для нас запахами. Хорошими репеллентными свойствами отличаются многие эфирные масла цитрусовых, лемонграсса, лаванды, тимьяна, базилика, мяты, эвкалиптов, но лучше всего использовать для защиты от комаров, мошки и слепней гвоздичное масло. Репеллентом является ванилин, который в виде гликозида содержится в плодах и листьях некоторых орхидных растений. Он защищает даже от клещей. Есть репеллентные свойства и у инсектицидных пиретринов из растений семейства астровые, но они токсичны и для теплокровных.
Широкое применение находят синтетические репелленты, защищающие человека, скот и домашних животных от кровососущих членистоногих. Здесь не просто желание избавиться от зудящих укусов, хотя, например, при работе в тайге и в тундре комары и слепни могут снизить производительность труда на 30 %. Нельзя также забывать, что возбудитель чумы переносится блохами, вши заражают сыпным тифом, комары и москиты переносят малярию и геморрагические лихорадки, в числе которых лихорадка Эбола с коэффициентом летальности до 90 %, а также другие вирусные заболевания. Комары переносят протозойные инфекции, в числе которых, например, лейшманиоз. Клещи являются носителями возбудителей клещевого энцефалита, боррелиоза, туляремии и других инфекций.
Одним из первых синтетических репеллентов стал диметиловый эфир фталевой кислоты – диметилфталат (Репудин). Он практически не защищает от слепней, к тому же он нефротоксичен и нейротоксичен, но его до сих пор включают в смесевые композиции.
Одним из лучших репеллентов, защищающим от комаров, гнуса, слепней и клещей, является диэтиламид м-толуиловой кислоты – ДЭТА, действие которого сохраняется в течение времени до 6 ч. В высоких концентрациях у ДЭТА также проявляется нейротоксичность, но терапевтическая широта этого вещества позволяет считать его достаточно безопасным. Его гомолог – диэтиламид 2,5-диметилбензойной кислоты (ДЭКСА) используется преимущественно для пропитки тканей и в качестве ветеринарного репеллента. Защищают от кровососов и другие амиды карбоновых кислот, в частности, получивший обозначение SS 220 амид с двумя асимметрическими атомами углерода, образующийся при ацилировании 2‑метилпиперидина производными циклогексенкарбоновой кислоты:
В состав репеллентных средств Bayrepel, Saltidin входит икаридин с карбаматной функциональной группой:
Его токсичность для теплокровных составляет более 5 г/кг.
Известны и другие репелленты, однако самым безопасным в настоящее время считается этиловый эфир N-ацетил-N-бутил-3-аминопропионовой кислоты (IR3535), входящий, например, в состав средства Mosquitall копании Мерк.
И всё же синтетические репелленты стараются заменить натуральными эфирными маслами, которые считаются ещё более безопасными. Превосходит по репеллентной активности ментол пара-ментан-3,8-диол, отличающийся от ментола присутствием дополнительной гидроксильной группы в положении 8. Он содержится в небольших количествах в эфирных маслах, а эфирном масле лимонного эвкалипта (Eucalyptus citriodora) содержится до 78 % (+)‑цитронеллаля, из которого пара-ментан-3,8-диол может быть получен в виде смеси пространственных изомеров по реакции Принса:
В роли катализатора этой реакции может выступать лимонная кислота, что позволяет отнести такой способ получения пара-ментан-3,8-диола к «зелёной химии». С 7 %-ным раствором лимонной кислоты при 50°С реакцию проводят в течение 15 ч, при этом степень превращения по цитронеллалю составляет 82 %, селективность по целевому продукту 80 %. Аромат пара-ментан-3,8-диола похож на мятный, кроме того он, как и ментол, создает приятное ощущение холодка на коже. Если эфирное масло лимонного эвкалипта обеспечивает защиту от комаров в течение примерно 20 минут, то образовавшийся после обработки этого эфирного масла лимонной кислотой пара-ментан-3,8-диол в смеси с 24 другими компонентами и с продуктами их превращений в присутствии лимонной кислоты обеспечивает защиту от комаров в течение около 5 часов. В тех же условиях длительность защитного эффекта чистого пара-ментан-3,8-диола составляет около 5,5 ч, тогда как ДЭТА обеспечивает защиту в течение примерно 6,5 часов.
И всё же главная роль в коммуникаци насекомых принадлежит феромонам, которые наряду с аттрактантными свойствами проявляют и гормональные. Феромоны, предназначенные для внутривидовой коммуникации насекомых, абсолютно избирательны, т.е. их можно использовать для мониторинга численности или для борьбы с одним определённым вредителем, сохраняя в биоценозе всех других насекомых. Их воздействие на окружающую среду минимально, поскольку в ловушках их количество составляет от десятков мкг до нескольких мг. Это связано с высокой чувствительностью насекомых к феромонам. Так, например, для полового феромона самки тутового шелкопряда бомбикола (10E,12Z)-гексадека-10,12-диен-1-ол) минимальная концентрация, вызывающая ответную реакцию самцов этих насекомых, составляет 10-12 мкг/мл, т.е. примерно 2500 молекул в 1 мл. Такая высокая чувствительность рецепторов на феромоны не оставляет места для поиска их синтетических аналогов. Это означает, что для работающих в этой области биологически активных веществ специалистов остаётся только установление строения и разработка способов синтеза естественных феромонов. При этом для их получения можно использовать лабораторные установки с производительностью в несколько сот грамм на операцию.
На практике реализуются три основных способа использования феромонов: расстановка ловушек с целью мониторинга численности вредителей, снижение численности популяции в результате уничтожения самцов и дезориентация самцов путём создания высокой концентрации феромонов в период спаривания.
Рынок феромонов в мире составляет около 15 млрд долл. США. Около 200 получаемых соединений используются для изготовления ловушек и около 30 для борьбы с вредителями методом дезориентации. Наиболее значимые виды контролируемых с помощью феромонов вредителей представлены плодожорками, совками, хлопковой молью, жуками короедами и шелкопрядами.
Опасными могут быть даже обычные мухи. Эти насекомые садятся на все органические субстраты, часто предпочитая разлагающуюся органику. Следствием этого становится их загрязнение гнилостными и инфекционными микроорганизмами, которые они могут переносить на пищевые продукты и корма для животных. Поэтому для животноводческих хозяйств разработаны средства борьбы и с этими насекомыми, содержащие половой феромон мух мускалюр. В качестве примера можно назвать пищевую приманку Флай Байт – гранулы жёлтого цвета, в состав которых входят инсектицидный карбамат метомил (1,0 %) с токсичностью от 20 до 40 мг/кг, цис-9-трикозен (мускалюр) и четвертичное аммонийное соединение Битрекс с горьким вкусом, который ощущается людьми, животными и птицами в ничтожных концентрациях. Непредельный углеводород 9-цис-трикозен представлен формулой:
Его получают по реакции Виттига из нонаналя и алкилиденфосфорана, образующегося в присутствии сильных оснований из бромида тетрадецилтрифенилфосфония. Разработаны также способы получения 9-цис-трикозена алкилированием ацетиленовых соединений с последующим гидрированием тройной связи на катализаторе Линдлара (нанесенный на карбонат кальция палладий, частично дезактивированный ацетатом свинца).
Для уничтожения мух Флай Байт распределяют в количестве около 2,5 г/м2. Инсектицидная активность препарата сохраняется до трёх месяцев. Съевшие приманку мухи погибают в течение примерно 15 минут.
В качестве примера синтетических подходов к получению феромонов чешуекрылых приводится получение диспарлюра – полового аттрактанта для самцов бабочек непарного шелкопряда. Этот вредитель распространён на всей территории северного полушария, включая Северную Америку. Его гусеницы объедают лиственные породы деревьев. Вспышки численности непарного шелкопряда наносят серьёзный вред лесам, паркам и садам. Для мониторинга его популяции и борьбы с ним используют ловушки с диспарлюром. Один из способов получения этого вещества представлен реакциями, включающими алкилирование октилбромидом ацетиленида лития, образующегося в обменной реакции из бутиллития и ацетилена:
Ещё одно исходное соединение получают действием изоамилмагнийбромида на этиленоксид с переводом образующегося в этой реакции 5-метилгексанола в бромид действием трибромида фосфора:
Из полученного на предыдущей стадии дец-1-ина получают ацетиленид магния (реагент Йоцича) действием, например, этилмагнийбромида и алкилируют его 5‑метилгексилбромидом:
Образовавшийся замещённый ацетилен гидрируют в присутствии катализатора Линдлара. Основным продуктом этой реакции становится преимущественно цис-изомер 2-метилгексадец-7-ена. Его эпоксидируют действием м‑хлорнадбензойной кислоты (mCPBA) и получают диспарлюр – 2-(5-метилгексил)-3-децилоксиран:
В природе реализуются и более сложные коммуникационные отношения насекомых с участием летучих веществ со свойствами аттрактантов и репеллентов. В качестве примера можно привести специфические поведенческие реакции, характерные для химической коммуникации в популяции серьёзного вредителя хвойных лесов жука короеда Ips typographus и родственных ему видов. По составу терпеновых углеводородов, которые входят в состав живицы, самцы короедов выбирают ослабленные хвойные деревья, которые не могут эффективно защититься от внедрившегося под кору насекомого обильным выделением смолы. Чаще всего это растущие на сухой почве деревья возрастом старше 60 лет. Правда, если популяция жуков достаточно велика, то они могут нападать и на здоровые деревья. Проникшие под кору дерева первые поселенцы начинают выделять вещества, которые вместе с летучими компонентами смолы дерева (мирцен, α-пинен) выполняют роль агрегационного феромона. Это нужно для того, чтобы привлечь ещё больше самцов и самок вредителя, минимизировав этим защитный эффект смоловыделения. В состав агрегантов входят, в частности:
Мирцен Пинены
Вербенол Экзобревикомин
Ипсдиенол Ипсенол
Следствием увеличения численности поселившихся в дереве жуков становится увеличение количества выделяемых насекомыми феромонов с нарушением оптимального для агрегационного эффекта баланса пахучих веществ из смолы дерева и феромонов жуков. Это служит другим насекомым сигналом о перенаселённости этого дерева, и они выбирают другое. Поражённое короедами дерево погибает, поскольку жуки и их личинки в первую очередь поедают его проводящие ткани и заражают дерево грибками ксилотрофами.
Потери лесного фонда в России по данным аудита Счётной палаты РФ составили в 2019 г. 7 млн га, из них 38,9 % пришлось на пожары и 22,9 % на насекомых вредителей. При этом надо понимать, что участки леса с поражёнными насекомыми и засохшими деревьями чаще всего становятся очагами природных пожаров.
Поражение лесов насекомыми вредителями наблюдается во всех странах, где в лесах или в искусственных насаждениях растут хвойные деревья. В Европе – это Швеция, Норвегия, Германия, Австрия, Швейцария, Польша, Франция и другие страны. При этом важную роль играют изменения климата с засухами и ветровалами, а также антропогенный фактор. Так, например, в Московской области площадь очагов поражения лесов жуком типографом выросла с 288 га в 1998 г. до 7725 га в 2001 г. Принятые меры по защите деревьев замедлили, но не остановили потери лесного фонда в европейской части России. Для борьбы с этим вредителем хвойных лесов использовались феромонные ловушки с препаратом Вертенол (смесь цис-вербенола, диметилвинилкарбинола и препарата АИД-1). В 2001 г. в Подмосковье было использовано более 250 тыс. ловушек с Вертенолом. Уже через 4 года в 2003 г. популяция короеда снизилась и количество ловушек можно было сократить до примерно 85 тыс.
Основной способ борьбы с короедами представлен санитарными вырубками со сжиганием поражённых жуками деревьев. Хвойные насаждения в парках, коттеджных посёлках и на дачах можно защищать безопасными для окружающей среды ловушками с феромонами и инсектицидами, поскольку другие способы уничтожения внедряющихся под кору дерева вредителей малоэффективны.