Nhóm thuốc trừ sâu METI-I

Nhóm 21A bao gồm các hoạt chất có cơ chế tác động đặc trưng là ức chế chuỗi vận chuyển điện tử tại Phức hợp I của ty thể (Mitochondrial Electron Transport Inhibitors - METI). Bằng cách can thiệp vào quá trình hô hấp tế bào, các hợp chất này làm gián đoạn quá trình sản xuất Adenosine Triphosphate (ATP), nguồn năng lượng thiết yếu cho mọi hoạt động sống của tế bào. Sự thiếu hụt năng lượng này nhanh chóng dẫn đến tê liệt và cuối cùng là tử vong ở các loài dịch hại nhạy cảm.

Sự phát triển của Nhóm 21A không phải là một sự kiện ngẫu nhiên mà là một phản ứng tất yếu của ngành công nghiệp hóa nông trước cuộc khủng hoảng kháng thuốc lan rộng trong những năm 1970 và 1980. Điều đáng chú ý là mặc dù có cùng một đích tác động phân tử (Phức hợp I), các hoạt chất này lại thuộc về các lớp hóa học hoàn toàn khác nhau, cho thấy đây là một "điểm nóng" nghiên cứu thu hút sự quan tâm của toàn ngành.Các hợp chất này nhanh chóng được chấp nhận trên toàn cầu nhờ phổ tác động rộng và hiệu lực tồn lưu kéo dài.

• Pyridaben: Thuộc lớp hóa học pyridazinone, được phát hiện và giới thiệu bởi Nissan Chemical Industries, Ltd. (Nhật Bản). Nó được tiếp thị lần đầu tiên tại Bỉ vào năm 1990, là một trong những sản phẩm METI-I sớm nhất trên thị trường.
• Fenpyroximate: Thuộc lớp pyrazole-oxime, được phát triển bởi Nihon Nohyaku Co., Ltd. (Nhật Bản) và ra mắt với tên thương mại Danitron vào năm 1991.
• Tebufenpyrad: Thuộc lớp pyrazole-carboxamide, được phát triển bởi Mitsubishi Chemical Corporation (sau này trở thành một phần của Nihon Nohyaku) và được giới thiệu vào năm 1992.
• Tolfenpyrad: Một hoạt chất khác thuộc lớp pyrazole, được Mitsubishi Chemical Corporation phát hiện vào năm 1991 và được phê duyệt lần đầu tại Nhật Bản vào năm 2002.

Điều này cho thấy vị trí liên kết trên Phức hợp I của ty thể có thể bị ức chế bởi nhiều loại phân tử khác nhau. Hệ quả là, mặc dù có cùng đích tác động, các hoạt chất này có thể có những khác biệt tinh vi về hiệu lực, độc tính, số phận trong môi trường và quan trọng hơn là cách chúng bị các enzyme giải độc của dịch hại xử lý. Sự khác biệt này có ý nghĩa quan trọng trong việc xây dựng các chiến lược luân phiên thuốc để quản lý tính kháng một cách hiệu quả.

Bên cạnh đó, Rotenone được xếp vào nhóm 21B riêng biệt thay vì chung nhóm 21A. Tuy có cùng một cơ chế tác động, Rotenone liên kết tại vị trí gắn của ubiquinone (Q-site) trên Phức hợp I, nhưng tại một túi gắn (binding pocket) khác biệt so với các hoạt chất nhóm 21A dẫn đến khả năng xảy ra kháng chéo giữa nhóm 21A và 21B là rất thấp. Dựa trên hiệu lực thực tế ở Việt Nam, Rotenone chưa có hiệu quả phòng trừ sâu hại thực sự rõ rệt nên không nghiên cứu sâu.

Cơ chế tác động

Chuỗi vận chuyển điện tử (ETC) đóng vai trò trung tâm trong quá trình hô hấp tế bào và sản xuất ATP, nguồn năng lượng chính của tế bào. ETC bao gồm bốn phức hợp protein chính (I, II, III, IV) và ATP synthase (Phức hợp V), tất cả đều nằm trên màng trong của ty thể. Việc ức chế bất kỳ phức hợp nào trong chuỗi này sẽ làm gián đoạn sản xuất năng lượng, đây là một phương thức tác động cực kỳ hiệu quả và gây chết cho dịch hại. Các loại thuốc trừ sâu này thường được gọi là METI (Mitochondrial Electron Transport Inhibitor - Chất ức chế chuỗi vận chuyển điện tử ty thể).

Cơ chế tác động độc đáo của Nhóm 21A là yếu tố cốt lõi tạo nên giá trị của chúng trong nông nghiệp. Tất cả các hoạt chất trong nhóm này đều nhắm vào cùng một mục tiêu sinh hóa: Phức hợp I (còn gọi là NADH:ubiquinone oxidoreductase) của chuỗi vận chuyển điện tử nằm trên màng trong của ty thể. Các nghiên cứu sâu hơn về cấu trúc của Phức hợp I, một cấu trúc protein khổng lồ gồm hơn 40 tiểu đơn vị, đã chỉ ra rằng các tiểu đơn vị cốt lõi tham gia vào vị trí liên kết của METI bao gồm PSST, TYKY, ND1, ND5 và tiểu đơn vị 49kDa. Trong đó, tiểu đơn vị PSST đã được xác định là vị trí quan trọng nơi các đột biến gây kháng thuốc thường xảy ra.

Quá trình hô hấp tế bào bình thường diễn ra như sau: Phức hợp I đóng vai trò là điểm khởi đầu, nhận điện tử từ NADH (một phân tử mang năng lượng), sau đó chuyển các điện tử này đến một phân tử trung gian là ubiquinone (Coenzyme Q). Quá trình này đồng thời bơm các proton (H⁺) từ trong chất nền ty thể ra không gian giữa hai lớp màng, tạo ra một gradient điện hóa. Gradient này chính là động lực để enzyme ATP synthase tổng hợp ATP từ ADP và Pi. Khi một hoạt chất METI thuộc Nhóm 21A xâm nhập vào tế bào, nó sẽ liên kết đặc hiệu với vị trí khử quinine của enzyme trong Phức hợp I. Sự liên kết này hoạt động như một chiếc "chìa khóa gãy trong ổ khóa", làm tê liệt chức năng của Phức hợp I. Kết quả là dòng chảy điện tử từ NADH bị chặn đứng ngay từ đầu, quá trình bơm proton qua màng trong ty thể bị đình trệ, gradient proton không được hình thành, khiến ATP synthase không thể hoạt động.

Hậu quả cuối cùng là sự sụp đổ hoàn toàn của quá trình sản xuất ATP, "đồng tiền năng lượng" của tế bào. Các tế bào của dịch hại nhanh chóng cạn kiệt năng lượng, dẫn đến việc chúng không thể duy trì các hoạt động sống cơ bản như di chuyển, kiếm ăn, sinh sản và phát triển. Điều này giải thích cho hiệu ứng "hạ gục" nhanh chóng, khi dịch hại trở nên bất động và ngừng ăn ngay sau khi tiếp xúc với thuốc, và cuối cùng dẫn đến tử vong. Cơ chế "gây chết đói năng lượng" này có tính phổ quát và tác động đến mọi tế bào sống, giải thích tại sao nhóm thuốc này có hiệu quả trên nhiều giai đoạn phát triển của nhện, kể cả trứng.

Các hoạt chất thuộc Nhóm 21A được biết đến chủ yếu là thuốc trừ nhện hiệu lực cao. Chúng có phổ tác động rộng trên nhiều loài nhện gây hại có ý nghĩa kinh tế quan trọng trong nông nghiệp. Một trong những ưu điểm nổi bật của nhóm METI-I là hiệu quả trên tất cả các giai đoạn phát triển của nhện, từ trứng (ovicidal), ấu trùng (larvicidal), nhộng (nymphicidal) đến con trưởng thành (adulticidal), kết hợp với hiệu lực tồn lưu kéo dài, giúp kiểm soát quần thể dịch hại một cách toàn diện.

Tác động đến môi trường

Sự phân hủy trong đất chủ yếu diễn ra thông qua hoạt động của vi sinh vật. Tuy nhiên, thời gian bán phân hủy (DT₅₀) lại khá biến động tùy thuộc vào hoạt chất và điều kiện môi trường. Sự phân hủy bởi ánh sáng mặt trời là một con đường phân hủy quan trọng đối với một số hoạt chất.

Do có hệ số phân bố octanol/nước (Kow) cao và độ tan trong nước rất thấp, các hoạt chất METI-I có ái lực mạnh với các thành phần hữu cơ. Điều này dẫn đến việc chúng có xu hướng liên kết chặt chẽ với các hạt đất và mùn hữu cơ. Hệ quả là khả năng di chuyển của chúng trong cột đất rất hạn chế, từ thấp đến không di động, làm giảm đáng kể nguy cơ rửa trôi và gây ô nhiễm nguồn nước ngầm.

Nhóm 21A có tiềm năng lý thuyết cao về tích lũy sinh học (BCF) trong các mô mỡ của sinh vật từ trung bình đến cao.

Nhóm METI 21A nói chung được phân loại là có độc tính cao đối với ong, ngoại trừ Fenpyroximate. Các hoạt chất này được xác định là có độc tính rất cao đến cực kỳ cao đối với sinh vật thủy sinh, bao gồm cả cá và động vật không xương sống.

Độc tính với sức khỏe con người

Dựa trên các nghiên cứu trên động vật thí nghiệm, các hoạt chất chính trong Nhóm 21A được phân loại là có độc tính cấp tính ở mức vừa phải qua đường miệng.

Các triệu chứng ngộ độc cấp tính ở liều cao bao gồm giảm tiêu thụ thức ăn, tiêu chảy, hạ thân nhiệt, giảm hoạt động tự phát, dáng đi bất thường, và suy nhược hệ thần kinh trung ương cũng như hệ tim mạch.

Để giảm thiểu nguy cơ phơi nhiễm và các tác động bất lợi đến sức khỏe, cần tuân thủ nghiêm ngặt các biện pháp phòng ngừa an toàn khi sử dụng và tiếp xúc với thuốc trừ sâu nói chung.

• Đọc kỹ hướng dẫn trước khi sử dụng.
• Mang đồ bảo hộ lao động, không ăn uống, hút thuốc trong khi pha trộn và phun thuốc. Bao bì thuốc phải được sục rửa 3 lần. Bỏ bao bì thuốc sau khi sử dụng đúng nơi quy định. Không sử dụng lại bao bì thuốc vì bất kỳ mục đích nào khác. Không sục rửa dụng cụ phun xịt gần nơi ao hồ nuôi cá, nguồn nước sinh hoạt.
• Sau khi phun thuốc phải tắm rửa sạch sẽ, thay quần áo mới. Không đi vào khu vực vừa phun thuốc cho đến khi thuốc trên cây đã khô. Nếu thuốc dính vào da, rửa ngay bằng xà phòng. Nếu thuốc văng vào mắt, giữ mắt mở và rửa dưới vòi nước sạch trong 15 phút. Nếu hít phải thuốc, đưa nạn nhân ra nơi thoáng khí. Nếu nuốt phải thuốc, đưa nạn nhân đến cơ sở y tế gần nhất, mang theo nhãn thuốc gây ngộ độc.
• Bảo quản, cất giữ, xử lý bao bì thuốc sau khi sử dụng. Bảo quản nơi khô thoáng, nhiệt độ không quá 35^oC, tránh ánh nắng trực tiếp, để xa tầm tay trẻ em, thức ăn và động vật.

Các hoạt chất thuộc nhóm METI-I thông dụng ở Việt Nam

• Pyridaben (Spinner 25SC; Sieunhen 300EC; Muteki 200EC; Proben super 500EC; Pyramite 400WP, 500SC)
• Fenpyroximate (Ortus 5SC; Simson 50SC; Startus 150SC; Rebat 20SC)
• Tebufenpyrad (Fist 500WP)
• Tolfenpyrad (Aoba 15EC; Tolena 200SC)

Kết luận

Nhóm 21A ra đời như một giải pháp cho cuộc khủng hoảng kháng thuốc, cung cấp một cơ chế tác động độc đáo nhắm vào quá trình sản xuất năng lượng của tế bào. Chúng có hiệu quả cao, tác động nhanh, phổ rộng trên các loài nhện hại quan trọng và hiệu lực tồn lưu kéo dài. Để khai thác các lợi ích của Nhóm 21A trong khi giảm thiểu các rủi ro liên quan, việc áp dụng một cách có trách nhiệm và khoa học là điều bắt buộc.