Hoạt chất trừ sâu Buprofezin

Nhóm 16 theo phân loại IRAC chỉ chứa một hoạt chất duy nhất là Buprofezin. Nó được phân loại là một chất điều hòa sinh trưởng côn trùng (IGR) thế hệ mới, hay còn gọi là thuốc trừ sâu thế hệ thứ ba, với đặc tính chọn lọc cao và độc tính thấp hơn đối với động vật có xương sống so với nhiều loại thuốc trừ sâu thông thường.

Kể từ khi được giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1984, hoạt chất trừ sâu Buprofezin đã tạo nên một cuộc cách mạng trong ngành nông nghiệp nhờ cơ chế tác động độc đáo và hiệu quả cao đối với các loài sâu hại thuộc bộ Cánh đều (Homoptera). Nihon Nohyaku đã thành công trong việc tổng hợp và sàng lọc ra hoạt chất này, đặt tên thương mại ban đầu là Applaud®.

Về mặt hóa học, Buprofezin có tên gọi theo IUPAC là (Z)-2-(tert-butylimino)-3-isopropyl-5-phenyl-1,3,5-thiadiazinan-4-one (C₁₆H₂₃N₃OS) với khối lượng phân tử 305,4 g/mol.

Tính chất vật lý và hóa học

Buprofezin tồn tại ở điều kiện thường dưới dạng tinh thể rắn, màu trắng đến vàng nhạt. Điểm nóng chảy 104,8-106,1°C. Độ tan trong nước rất thấp, khoảng 0,9 mg/L ở 20°C, nhưng tan nhiều trong các dung môi hữu cơ chloroform: 520; toluene: 320; acetone: 240; ethanol: 80; n-hexane: 20 (g/L ở 25°C). Áp suất hơi 5.05×10−4 Pa (hoặc 3.79×10−6 mmHg) ở 25°C, rất thấp, cho thấy hoạt chất này không bay hơi đáng kể ở điều kiện thường. Buprofezin không có hằng số phân ly (pKa), không bị ảnh hưởng trong dải pH thông thường của môi trường, tính ổn định cao, bám dính tốt, dễ dàng thấm qua lớp biểu bì sáp của lá cây và vỏ ngoài côn trùng, từ đó phát huy tác dụng diệt trừ một cách hiệu quả.

Cơ chế tác động

Dựa trên các nghiên cứu về mối quan hệ giữa cấu trúc và hoạt tính (SAR), các thành phần mang hoạt tính (toxophore) bao gồm:

Nhóm 2-imino và nhóm thế tert-butyl được xem là phần quan trọng bậc nhất đối với hoạt tính diệt ấu trùng. Nhóm imino (C=N) là trung tâm phản ứng chính. Nhóm thế tert-butyl cồng kềnh, có vai trò quan trọng trong việc tạo ra sự phù hợp về mặt không gian và tương tác kỵ nước với vị trí mục tiêu trên enzyme tổng hợp chitin. Cấu hình (Z) của liên kết đôi C=N cũng đã được xác định là dạng đồng phân có hoạt tính cao.

Vòng 1,3,5-thiadiazinan-4-one đóng vai trò như một "bộ khung" vững chắc để định vị các nhóm chức quan trọng khác vào đúng vị trí không gian cần thiết để có thể liên kết hiệu quả với mục tiêu sinh học. Nguyên tử lưu huỳnh (S) và các nguyên tử nitơ (N) trong vòng, cùng với nhóm carbonyl, tạo ra một cấu trúc điện tử đặc thù, góp phần vào ái lực liên kết của toàn bộ phân tử.

Vòng phenyl có khả năng tham gia vào các tương tác kỵ nước hoặc tương tác π-π với các axit amin thơm tại vị trí hoạt động của enzyme mục tiêu, giúp cố định phân tử Buprofezin vào đúng vị trí và tăng cường độ bền của liên kết. Nhóm isopropyl cũng góp phần vào việc tạo ra cấu trúc không gian phù hợp và tương tác kỵ nước, tối ưu hóa sự gắn kết của phân tử với enzyme.

Khi côn trùng (chủ yếu ở giai đoạn ấu trùng, nymth) tiếp xúc hoặc ăn phải Buprofezin, phân tử này sẽ xâm nhập vào cơ thể. Cơ chế chính xác của Buprofezin là ức chế quá trình sinh tổng hợp chitin. Chitin là một polysaccharide thiết yếu, tạo nên độ cứng và sự bền chắc cho lớp biểu bì (vỏ ngoài) của côn trùng.

Các gốc chức trong toxophore của Buprofezin sẽ tương tác và liên kết với enzyme chitin synthase 1 (CHS1). Đây là enzyme chịu trách nhiệm xúc tác cho bước cuối cùng trong quá trình tổng hợp chitin, đó là polymer hóa các đơn vị N-acetylglucosamine.

Khi chitin synthase bị ức chế, quá trình hình thành lớp vỏ mới bị gián đoạn. Đến kỳ lột xác, ấu trùng không thể tạo ra được lớp vỏ mới đủ cứng cáp để thay thế lớp vỏ cũ. Kết quả là quá trình lột xác thất bại, ấu trùng không thể thoát ra khỏi lớp vỏ cũ hoặc lớp vỏ mới quá yếu không thể bảo vệ cơ thể, dẫn đến biến dạng và chết. Ngoài ra, Buprofezin còn có tác động làm giảm khả năng đẻ trứng của côn trùng trưởng thành và làm cho trứng không thể nở (ung trứng).

Phát hiện quan trọng nhất từ việc xác định CHS1 là mục tiêu không chỉ nằm ở việc giải mã cơ chế của Buprofezin. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng Buprofezin (Nhóm 16) có chung vị trí tác động phân tử với hai nhóm thuốc trừ sâu khác, vốn được cho là có cơ chế riêng biệt: Benzoylurea (Nhóm 15) và Etoxazole (Nhóm 10B). Quần thể dịch hại kháng với một loại sẽ tự động kháng với hai loại còn lại. Sự hiểu biết này đã thay đổi căn bản cách các nhà khoa học và chuyên gia nông nghiệp xây dựng các chương trình luân phiên thuốc để bảo vệ hiệu quả của các công cụ quan trọng này.

Do áp lực chọn lọc mạnh mẽ, các loài dịch hại, đặc biệt là rầy nâu (Nilaparvata lugens), đã phát triển các cơ chế kháng Buprofezin phức tạp và đa dạng. Có ba cơ chế chính đã được xác định:

• Kháng tại vị trí tác động (Target-Site Resistance): Đây là cơ chế kháng thuốc mạnh mẽ nhất. Các đột biến điểm trong gen chs1 (ví dụ, đột biến I1042M hoặc G932C) làm thay đổi cấu trúc của enzyme CHS1, khiến Buprofezin không thể liên kết hiệu quả. Điều này có thể dẫn đến mức độ kháng cực kỳ cao, đôi khi lên tới hơn 10.000 lần so với các chủng nhạy cảm.
• Kháng chuyển hóa (Metabolic Resistance): Côn trùng có thể tăng cường sản xuất các enzyme giải độc, đặc biệt là các enzyme cytochrome P450 monooxygenases (P450s). Các enzyme này có khả năng chuyển hóa và phá vỡ phân tử Buprofezin trước khi nó đến được vị trí tác động, làm giảm hiệu quả của thuốc.
• Kháng thuốc qua trung gian vi khuẩn cộng sinh (Symbiont-Mediated Resistance): Đây là một cơ chế mới được khám phá và mang tính cách mạng. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng các quần thể rầy nâu ngoài đồng ruộng có thể thu nhận các vi khuẩn cộng sinh, chẳng hạn như Serratia marcescens, từ môi trường đất và nước. Những vi khuẩn này sống bên trong cơ thể côn trùng và sở hữu các gen cho phép chúng phân hủy Buprofezin một cách hiệu quả, qua đó bảo vệ vật chủ khỏi tác động của thuốc trừ sâu.

Tác động đến môi trường

Thời gian bán phân hủy (DT₅₀​) ngoài đồng (điều kiện hiếu khí) của Buprofezin khoảng 24-80 ngày. Thời gian này thay đổi nhiều tùy thuộc vào loại đất, nhiệt độ, độ ẩm và hoạt động của vi sinh vật. Trong môi trường nước, Buprofezin rất ổn định và bền vững. Quá trình thủy phân (phân hủy do nước) diễn ra rất chậm, đặc biệt là trong môi trường trung tính và kiềm. Thời gian bán hủy do thủy phân ở pH 7 là 378 ngày và ở pH 9 là 396 ngày. Quá trình này nhanh hơn một chút trong môi trường axit, với DT₅₀​ ở pH 5 là 51 ngày.

Hệ số Freundlich (Kf) của Buprofezin dao động 11-69, cho thấy khả năng hấp phụ từ trung bình đến cao vào đất. Hệ số hấp phụ carbon hữu cơ (Koc) cao (2.500-3.800 mL/g) cho thấy Buprofezin có xu hướng liên kết rất chặt với các hạt hữu cơ trong đất, do đó ít có nguy cơ di chuyển và rửa trôi vào nguồn nước ngầm.

Hệ số phân bố octanol/nước (LogKow) là 4,3 cho thấy Buprofezin là một chất ưa chất béo (lipophilic), có xu hướng tích lũy trong các mô mỡ của sinh vật. Hệ số tích lũy sinh học (BCF) khoảng 316-544 L/kg. Giá trị này cho thấy Buprofezin có tiềm năng tích lũy sinh học từ trung bình đến cao trong các sinh vật thủy sinh. Tuy nhiên, nó được chuyển hóa và thải trừ tương đối nhanh ở một số loài.

Buprofezin có độc tính rất thấp đối với ong mật (LD₅₀ >200 µg/con). Buprofezin lại có độc tính rất cao đối với các sinh vật thủy sinh, LC₅₀ với cá Oncorhynchus mykiss là >0,33 mg/L, rận nước Daphnia magna là > 0,42 mg/L. Do đó, việc sử dụng Buprofezin một cách bền vững đòi hỏi phải thực hiện các biện pháp giảm thiểu rủi ro nghiêm ngặt, chẳng hạn như thiết lập các vùng đệm không phun thuốc xung quanh các vùng nước, để ngăn chặn dòng chảy bề mặt và sự trôi dạt của thuốc, nhằm bảo vệ môi trường thủy sinh nhạy cảm.

Độc tính với sức khỏe con người

Khi được đưa vào cơ thể động vật có vú, Buprofezin được xử lý tương đối hiệu quả. Các nghiên cứu trên chuột cho thấy sau khi uống, hoạt chất được hấp thu chậm, đạt nồng độ đỉnh trong máu sau khoảng 9 giờ (Cmax​), và được thải trừ nhanh chóng. Hơn 80% liều lượng được thải ra trong vòng 48 giờ, chủ yếu qua phân (70-74%) và một phần nhỏ hơn qua nước tiểu (22-25%). Các nghiên cứu cho ăn dài hạn không tìm thấy bằng chứng về sự tích lũy đáng kể của Buprofezin trong cơ thể. Các con đường chuyển hóa chính trong gan bao gồm quá trình hydroxyl hóa vòng phenyl và quá trình oxy hóa vòng thiadiazinane, sau đó là các phản ứng liên hợp để tạo điều kiện thải trừ.

Buprofezin có độc tính cấp thấp qua đường miệng và da ở chuột LD₅₀ đều >2.000 mg/kg. LC₅₀​ qua đường hô hấp là >4 mg/L. Nó chỉ gây kích ứng nhẹ cho da và mắt và không phải là chất gây mẫn cảm da.

Trong các nghiên cứu độc tính bán mãn tính và mãn tính, các cơ quan đích chính được xác định ở động vật gặm nhấm là gan và tuyến giáp. Các tác động quan sát được bao gồm tăng trọng lượng cơ quan và các thay đổi vi thể như tăng sản và phì đại tế bào.

Trong các xét nghiệm tiêu chuẩn, Buprofezin được kết luận là không gây đột biến gen hoặc gây độc cho gen.

ADI ở người là 0,009 mg/kg trọng lượng cơ thể/ngày. Đây là lượng Buprofezin mà một người có thể tiêu thụ mỗi ngày trong suốt cuộc đời mà không gây ra rủi ro sức khỏe đáng kể.

Ứng dụng

Buprofezin có thể gia công cùng các hoạt chất khác như Acetamiprid, Dinotefuran, Fenobucarb, Imidacloprid, Pymetrozine

• WP (Ba Đăng 500WP; Khongray 54WP; Dino-top 300WP; Tvdan 300WP; Tvpymemos 300WP)
• EC (Gold-cow 675EC)
• SC (Applaud 25SC)
• WG (Zheds 555WG)

Kết luận

Buprofezin là một loại thuốc trừ sâu chọn lọc và hiệu quả cao, nhưng sự hữu dụng lâu dài của nó hiện đang bị đe dọa bởi tính kháng thuốc lan rộng với nhiều cơ chế phức tạp. Nó vẫn là một công cụ có giá trị, nhưng kỷ nguyên sử dụng đơn giản của nó đã qua. Giờ đây, Buprofezin đòi hỏi một cách tiếp cận quản lý cực kỳ tinh tế và cẩn trọng để có thể được sử dụng một cách bền vững và an toàn.