Insect pests can be controlled through direct application of insecticides. Insect control by residual protectants is relatively inexpensive and has an advantage of destroying all stages of infestations. The efficacy of control is largely determined by the concentration of insecticides to which the pest species is exposed. A reduction in the period of control in the field afforded by a specific level of a protectant indicates that resistance has developed. An increase in the level of protectant is required to maintain control, and the efficacy of currently used insecticides has been severely reduced by insecticide resistance in pest species. Development of resistance to particular insecticide varies with species because insecticide resistance is often correlated with increased levels of certain enzymes, which are cytochrome P450-dependent monooxygenases, glutathione S-transferases and esterases. Some sections of insecticide molecules can be modified by one or more of these primary enzymes. A reduction in the sensitivity of the action site of a xenobiotic also constitutes a mechanism of resistance. Acetylcholinesterase is a major target site for insecticide action, as are axonal sodium ion channels and ${\gamma}$-aminobutyric acid receptors. Development of reduced sensitivity of these target sites to insecticides usually occurs. This review not only may contribute to a better understanding of insecticide resistance, but also illustrates the gaps still present for a full biochemical understanding of the resistance.
In Korea, due to its broad efficacy as a systemic insecticide, imidacloprid has been widely used in rice paddies to control sucking insects, soil insects, and some chewing insects and in apple orchards to control various insects pests. To quantify the imidacloprid residue concentrations, samples are assayed in vitro using enzyme-linked immunosorbent assays(ELISA). These assays generally require several hours to perform. As a biosensor, a competitive imidacloprid ELISA was modified to measure insecticide concentrations. It was found that a total assay time of 15 min(10-min antibody-antigen binding, and 5-min substrate development) is sufficient for monitoring imidacloprid concentrations. Further work is needed to improve the sensitivity of the measurement protocol.
This study was carried out to develop a small-sized biosensor based on surface plasmon resonance (SPR) for the rapid identification of insecticide residues for food safety. The SPR biosensor module consists of a single 770 nm-light emitting diodes (LED) light source, several optical lenses for transferring light, a hemisphere sensor chip, photo detector, A/D converter, power source, and software for signal processing using a computer. Except for the computer, the size and weight of the sensor module are 150 (L)$\times$70 (W)$\times$120 (H) mm and 828 g, respectively. Validation and application procedures were designed to assess refractive index analysis, affinity properties, sensitivity, linearity, limits of detection, and robustness which includes an analysis of baseline stability and reproducibility of ligand immobilization using carbamate (carbofuran and carbaryl) and organophosphate (cadusafos, ethoprofos, and chlorpyrifos) insecticide residues. With direct binding analysis, insecticide residues were detected at less than the minimum 0.01 ppm and analyzed in less than 100 sec with a good linear relationship. Based on these results, we find that the binding interaction with active target groups in enzymes using the miniaturized SPR biosensor could detect low concentrations which satisfy the maximum residue limits for pesticide tolerance in Korea, Japan, and the USA.
In this study, a biological reaction and measurement control system was developed to rapidly measure the insecticide imidacloprid residues in agricultural products. The biological reaction part of the system was designed to include micro-pumps and valves for fluid transport, and a polystyrene covet as a reaction chamber. The measurement control part of the system consisted of a photodiode with a light-emitting diode for optical density measurement, and a control microcomputer to implement assay. Signal output was read as the rate of change in optical density at 645 nm. The sensitivity of the system was 2.2 ng/mL ($IC_50$). The system could execute a measurement cycle in about 19 minutes. Research will be continued to develop an automatic sampler fur imidacloprid residues from agricultural products.
Natural zooplankton communities are composed of many different species at different trophic levels in the aquatic food web. Several researchers have reported that in mesocosm/enclosure experiments, larger cladocerans tend to be more sensitive to carbamate insecticides than smaller ones (Daphnia > Moina, Diaphanosoma > Bosmina). In contrast, results from individual-level laboratory tests have suggested that large cladoceran species are more tolerant than small species. To clarify this inconsistency, we conducted a microcosm experiment using model zooplankton communities with different species compositions, where animals were exposed to lethal (near to the 24 h LC50, concentration estimated to kill 50% of individuals within 24-h for the small cladoceran Bosmina) and lower, sublethal concentrations of carbaryl. In the experiment, population densities of the small cladocerans (Bosmina and Bosminopsis) decreased subsequent to the applications of chemical, but no impacts were observed on the large cladoceran Daphnia. Our results supported the reports of previous individual level toxicity tests, and indicated that the sensitivity of zooplankton to the insecticide was unchanged by biological interactions but the response of population can be modified by compensation of population through hatching from resting eggs and/or the persistence of insecticide in the systems.
Mature acetylcholinesterase (AChE) gene (gm, 1,836 bp) was cloned from the housefly and successfully expressed in the E. coli CodonPlus (DE3) RIL system (GM-E, 72 kDa) with a yield of 1,630 mU/g fresh cells. Using the gm, 10 kinds of mutants were constructed and expressed for enhancing sensitivity to insecticides. The sensitivity of these mutants to five kinds of organophosphate (OP) and three carbamate insecticides was investigated by measuring the apparent bimolecular inhibition constant ($k_i=k_2/K_d$). Surprisingly, the sensitivity of quadruple mutant IGFT was enhanced as much as 7-fold for acephate, 164-fold for demeton-S-methyl, 484-fold for dichlorvos, 523-fold for edifenphos, 30-fold for ethoprophos, 30-fold for benfuracarb, 404-fold for carbaryl, and 107-fold for furathiocarb, compared with that of GM-E, although the sensitivity of each single point mutant was slightly increased. These mutational studies indicated that (i) contradictory to Walsh et al. [39], the residue 327 is the important key residue for enhancing sensitivity as much as the residue 262, (ii) the residue 82 and additional residues of 234, 236, and 585 are also important, and (iii) sensitivity was cooperatively accelerated as the number of strategic mutations increased.
Acetylcholinesterase(AChE) and esterase activities as mechanisms of resistance to fenobucarb, carbofuran and diazinon in the insecticide-selected brown planthopper strains were investigated. Although there was no significant difference in AChE activity from suscept tible and resistant strains, AChE insensitivity was highly increased in the carbam없e insecticide-selected strains. On the other hand, esterase activity was moderately increa잃d in all the s selected strains. It is concluded that the cross-resistance and the level of resistance in the b brown planthopper can be explained by the combination of altered AChE and high esterase a activity, although a possible involvement of other factor(s) can not be excluded.
Resistance mechanism of organophosphorus insecticides (OPs) in the spiraea aphid, whose populations were originated from several apple orchards where various OPs were frequently sprayed, was investigated. For Wonju population to which insecticides were not sprayed, resistance ratios (BRs) for pirimicarb, phosphamidon, and demeton S-methyl re 49, 31, and 5, respectively. However, for Yesan population to which OPs were sprayed 5 times, RRs for pirimicarb, phosphamidn, and dementon were 830, 536, and 204, respectively. The esterase activities of Wonju and Yesean populations increased by 44.5 and 92.0% compare to that of Kwagju population. R/S a values (S clone Kwangju population; R clone: Iechon opulation) for acetylcholinesterase (AChE) inhibition (${I}_{50}$) by pirimicarb and phosphamidon were 299.2 and 186.0, respectively. Our results indicate that increase of esterase activity and reduction of AChE sensitivity seemed to contribute insecticide resistance of the spiraea aphid.
Kim, Bok-Hee;Park, Eun-Yong;Lee, Yong-Tae;Lee, Jung-Hun;Lee, Sang-Hee
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.17
no.6
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pp.1002-1009
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2007
A rapid, convenient homogeneous competitive enzyme immunoassay for estimating the amount of fenthion is described. The assay utilizes glucose-6-phosphate dehydrogenase-hapten conjugates that are inhibited in solution by antibodies obtained from bovine serum albumin-hapten conjugates. In order to investigate the effects of bridging group recognition on the sensitivity of dose response characteristics, the bridging groups of varying alkyl chain length were attached at the phosphate position of fenthion. Among the antibodies used, the one obtained from the use of hapten (fenthion analog) with the same bridging group structure that was used in preparing the enzyme-fenthion conjugates showed maximum inhibition (up to 51.8%) in the absence of fenthion. In the presence of fenthion, the activity of the enzyme-hapten conjugate is regained in an amount proportional to the fenthion concentration. Under the optimized condition, the $ED_{50}$ value for fenthion was $0.809{\mu}g/ml$. The assay developed in this study is a rapid effective screening method for fenthion prior to precise analysis.
Journal of Korean Society of Environmental Engineers
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v.27
no.2
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pp.191-197
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2005
A new method, ToxTemp (TOXcity test based on TEMPerature control) using Ceridaphnia dubia was applied to evaluate the toxicity of insecticide materials and compared with the standard 48 hr acute bioassay. BPMC, diazinon and fenitrothion may cause the inhibition to the biological process in sewage treatment plant and need to detect toxicity within short contact time. The ToxTemp method showed sensitive detection with more shorter contact of 1-1.5 hr time than that of the standard 48 hr acute bioassay. To evaluate toxicity of real wastewater/sewage, the inhibition rate of nitrification and oxygen uptake rate (OUR) using activated sludge, the standard 48hr acute bioassay and ToxTemp method using C. dubia were compared, respectively. On the basis of the inhibition rate of nitrification, the OUR test showed the less sensitive results at the relatively strong toxic sewage. On the other hands, the standard 48hr acute bioassay and ToxTemp method using C. dubia represented the toxicity of each wastewater/sewage with high sensitivity. Even the slightly low (about 1.5%) sensitivity, the ToxTemp method showed the high applicability to the real site of sewage treatment plant.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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