Hoa Cúc Trừ Sâu (Hoa Cúc Pyrethrum) và Thuốc Trừ Sâu Pyrethroid

Hoa cúc pyrethrum (hay còn gọi là Chrysanthemum cinerariifolium – kim ngân hoa – hoa cúc trăng) là nguồn nguyên liệu chính cho pyrethrins – một loại thuốc trừ sâu tự nhiên ít độc hại đối với động vật có vú và không để lại tồn dư lâu dài trong môi trường. Tuy nhiên, các phiên bản tổng hợp của pyrethrins, gọi là pyrethroid, đã được phát triển qua nhiều bước cải tiến hóa học, giúp nâng cao hiệu quả và độ bền của chúng trong việc kiểm soát sâu bệnh.

Tại Sao Pyrethroid Là Quan Trọng?

Trong hơn 35 năm qua, nhiều loại thuốc trừ sâu thông dụng, chẳng hạn như organochlorine, organophosphorus và methylcarbamates, đã giúp kiểm soát nhiều loài sâu bệnh gây hại cho cây trồng, vật nuôi và con người. Tuy nhiên, do những ảnh hưởng tiêu cực về môi trường, khả năng tồn dư lâu dài, và tác động độc hại tới sức khỏe con người, nhiều trong số các loại thuốc này đã bị hạn chế hoặc cấm sử dụng. Đây là lý do tại sao pyrethroid đã trở thành lựa chọn hàng đầu của các dịch vụ phun thuốc diệt muỗi, vì chúng mang lại hiệu quả cao, bền vững và ít gây hại cho con người và động vật.

Trong ngành kiểm soát côn trùng tại Việt Nam, pyrethroid thường được sử dụng rộng rãi để diệt muỗi, ruồi, kiến và các loại côn trùng khác trong môi trường gia đình và nông nghiệp. Đặc biệt, việc kết hợp pyrethroid với các loại chất điều hòa tăng cường như piperonyl butoxide đã giúp tăng hiệu quả kiểm soát côn trùng gấp nhiều lần, giúp hạn chế sự hồi phục của côn trùng sau khi bị tiếp xúc với thuốc.

Ưu Điểm Của Pyrethroid

Pyrethroid có nhiều ưu điểm nổi bật như:

Hiệu quả cao trong việc kiểm soát sâu bệnh: Chúng hoạt động mạnh mẽ trên hầu hết các loại côn trùng gây hại, từ sâu bọ đến muỗi và ruồi.
An toàn với con người và động vật: Với liều lượng phù hợp, pyrethroid ít gây độc hại cho con người và động vật nuôi.
Không tích tụ lâu trong môi trường: Do tính không ổn định dưới ánh sáng và trong không khí, pyrethroid không để lại tồn dư lâu dài, giúp giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường.

Pyrethroid: Giải pháp tiềm năng

Các pyrethroid được phát triển trong vòng bảy năm qua đang góp phần đáp ứng nhu cầu này. Chúng là các biến thể cấu trúc của pyrethrin, một trong những chất kiểm soát côn trùng lâu đời nhất, có hiệu quả đáng kể nhưng không ổn định. Các pyrethroid mới có hiệu lực và độ ổn định được cải thiện đáng kể.

Bài viết này sẽ đánh giá nguồn gốc, đặc tính và các khía cạnh an toàn của pyrethroid so với pyrethrin, đồng thời xem xét tiềm năng của chúng trong việc lấp đầy những khoảng trống hiện tại và tương lai trong khả năng kiểm soát côn trùng.

Lịch sử phát triển của thuốc trừ sâu

Cho đến những năm 1940, việc kiểm soát côn trùng gây hại đạt được thành công vừa phải chủ yếu bằng cách sử dụng các hợp chất từ nguồn gốc tự nhiên, trực tiếp hoặc sau khi chiết xuất đơn giản hoặc xử lý khác. Các loại thuốc trừ sâu “thế hệ đầu tiên” này là các chất độc vô cơ chứa asen hoặc flo, hoặc các chất chiết xuất từ thực vật như nicotine, rotenone và pyrethrin. Ngoại trừ pyrethrin, chúng đã được thay thế vào những năm 1940 và 1950 bằng các loại thuốc trừ sâu hữu cơ tổng hợp hay “thế hệ thứ hai” cung cấp khả năng kiểm soát gần như hoàn toàn với chi phí thấp hơn do hiệu lực cao hoặc khả năng tồn tại lâu hoặc cả hai đặc tính này. Có bốn nhóm thuốc trừ sâu thế hệ thứ hai chính, đó là các hợp chất hữu cơ phốt pho, methylcarbamate, hydrocarbon clo hóa và pyrethroid; tất cả đều hoạt động như chất độc thần kinh. Hai nhóm đầu tiên ức chế acetylcholinesterase và do đó phá vỡ sự truyền synap. Các loại thuốc trừ sâu khác có thể hoạt động ở màng thần kinh chủ yếu bằng cách thay đổi cơ chế dẫn truyền natri. Một số hydrocarbon clo hóa (ví dụ: DDT, aldrin và dieldrin) đã bị hạn chế hoặc cấm do khả năng tồn tại không thể chấp nhận được, ảnh hưởng đến động vật hoang dã và bằng chứng về khả năng gây ung thư. Một số loại thuốc trừ sâu hữu cơ phốt pho và methylcarbamate quan trọng rất nguy hiểm khi sản xuất, pha chế và áp dụng do độc tính cấp tính cao khi nuốt phải, hít phải hoặc hấp thụ qua da. Hầu hết các pyrethroid hiện nay dường như có các đặc điểm tồn lưu và độc tính học nói chung là thuận lợi.

Thuốc trừ sâu thế hệ thứ ba

Các loại thuốc trừ sâu thế hệ thứ nhất và thứ hai tác động lên các hệ thống quan trọng cho sự sống còn của cả sinh vật gây hại và các sinh vật khác, bao gồm cả động vật có vú. Do đó, chúng thiếu tính chọn lọc vốn có thể có về mặt lý thuyết với hormone hoặc antihormone, các tác nhân phá vỡ lớp biểu bì hoặc sự hình thành chitin, hoặc các loại thuốc điều hòa sinh trưởng côn trùng khác. Các loại thuốc trừ sâu “thế hệ thứ ba” này vẫn chưa được hoàn thiện để sử dụng rộng rãi và có những hạn chế nhất định về các loại côn trùng gây hại mà các hợp chất tác dụng chậm như vậy có thể được chấp nhận. Kiểm soát côn trùng bằng hóa chất hiện nay gần như hoàn toàn phụ thuộc vào các loại thuốc trừ sâu thế hệ thứ nhất và thứ hai, bao gồm pyrethrin và pyrethroid. Tên thông thường của các hợp chất quan trọng được đưa ra trong Bảng 1.

Bảng 1: Tên thông thường của các este tự nhiên và các chất tương tự tổng hợp và nguồn gốc hoặc nguồn gốc có thể có của tên gọi.

Tên gọi	Nguồn gốc
Vật liệu tự nhiên
Pyrethrin	Pyrethrum cinerariifolium (tên chi cũ)
	Có nguồn gốc từ axit chrysanthemum monocarboxylic hoặc axit chrysanthemic
	Có nguồn gốc từ metyl este của axit chrysanthemum dicarboxylic, tức là axit pyrethric
Rethrins	Pyrethrin và các dẫn xuất cyclopentenolone liên quan
Cinerin	Tanacetum cinerariifolium
Jasmolin	Cấu trúc tương tự như jasmone từ Jasminium grandiflorum
Các chất tương tự Pyrethrin với các nhóm hóa học cụ thể
Allethrin	Chất tương tự Allyl
Phenothrin	Chất tương tự Phenoxy
Tetramethrin	Chất tương tự Tetrahydrophthalimidomethyl
Các chất tương tự Pyrethrin bởi Michael Elliott và cộng sự
Resmethrin	Được phát hiện tại Trạm Thí nghiệm Rothamsted
Permethrin	Tăng cường khả năng tồn tại
CyPermethrin	Chất tương tự Cyano của Permethrin
Decamethrin	Hiệu lực gấp mười (10) lần
Nguồn gốc khác
Kadethrin	Chất tương tự hạ gục của pyrethrin
Fenvalerate	Một pyrethroid phenylisovalerate

Hoa Cúc Vạn Thọ (Hoa Cúc Pyrethrum)

Lịch sử sử dụng

Vào đầu những năm 1800, hoa cúc vạn thọ (Hoa Cúc Pyrethrum) đã được các bộ tộc da trắng và ở Ba Tư sử dụng để kiểm soát chấy rận trên cơ thể. Hoa được sản xuất thương mại lần đầu tiên ở Armenia vào năm 1828. Việc sản xuất bắt đầu ở Dalmatia (Nam Tư) vào khoảng năm 1840 và tập trung ở đó cho đến Thế chiến thứ nhất, ở Nhật Bản cho đến ngay trước Thế chiến thứ hai, và ở Đông Phi kể từ đó. Hiện nay, hơn một nửa sản lượng hoa cúc vạn thọ (Hoa Cúc Pyrethrum) trên thế giới đến từ Kenya, với một lượng đáng kể từ Tanzania, Rwanda và Ecuador. Bột côn trùng lần đầu tiên được nhập khẩu vào Hoa Kỳ vào khoảng năm 1860, và trong 90 năm sau đó, một số nỗ lực không thành công đã được thực hiện để sản xuất hoa thương mại ở quốc gia này. Khoảng 60 năm trước, hoa được chiết xuất bằng dầu hỏa hoặc dung môi tương tự để tạo ra các loại thuốc xịt dạng lỏng hiệu quả hơn so với bột.

Đặc điểm thực vật

Cây cúc vạn thọ thương mại là loài cúc, Tanacetum cinerariifolium (Trev.) Schultz Bip. [Pyrethrum cinerariifolium Trev. và Chrysanthemum cinerariifolium (Trev.) Vis.], một loại cây thân thảo thuộc họ Cúc. Các khu vực sản xuất gần đường xích đạo, ở độ cao từ 1800 đến 4000 mét, với lượng mưa từ 50 đến 200 cm trải dài trong ít nhất bảy tháng của năm. Trong điều kiện trồng trọt này, cây ra hoa liên tục trong vòng 7 đến 11 tháng mỗi năm. Chỉ riêng ở Kenya, hơn 85.000 hộ gia đình đang tham gia trồng cúc vạn thọ. Trên toàn thế giới, có lẽ 200.000 nông dân tham gia vào việc trồng cúc vạn thọ. Sản lượng cúc vạn thọ hiện nay ước tính khoảng 15.000 tấn hoa khô mỗi năm, bằng khoảng một nửa số lượng cần thiết cho thị trường thế giới. Hoa khô chứa 1-2% pyrethrin theo trọng lượng, trung bình khoảng 1,3%; do đó, sản lượng pyrethrin là khoảng 150 đến 200 tấn mỗi năm. Sản lượng hàng năm hiện nay đạt trung bình khoảng 560 kg hoa khô mỗi ha, mặc dù việc chọn lọc cây trồng và cải thiện kỹ thuật nhân giống và canh tác có thể tạo ra 900 kg hoa khô 1,8% hoặc cao hơn hàng năm ở một số vùng trồng trọt.

Chiết xuất và tinh chế

Pyrethrin được tập trung trong các ống tiết của quả bế, nơi chúng được bảo vệ khỏi sự phân hủy quang hóa và được phân lập để không gây độc cho côn trùng ăn hoặc ghé thăm hoa cúc vạn thọ. Hoa được hái bằng tay khi bốn hoặc năm hàng hoa đĩa nở, và mỗi bông hoa chứa khoảng 3-4 mg pyrethrin. Sau khi phơi khô dưới ánh nắng mặt trời hoặc bằng máy móc, hoa được nghiền và chiết xuất bằng hexane. Quá trình làm bay hơi hexane tạo ra một loại cô đặc nhựa dầu sẫm màu, nhớt, chứa khoảng 30% pyrethrin. Cô đặc này được pha loãng với dầu thực vật hoặc dầu khoáng đến 25% pyrethrin (chiết xuất nhựa dầu) hoặc được tinh chế bằng cách chiết xuất metanol và xử lý than củi để tạo ra một chiết xuất tinh chế đã được tẩy sáp và khử màu. Quá trình tinh chế này loại bỏ các thành phần trước đó gây ra phản ứng dị ứng biểu hiện là viêm da ở những người nhạy cảm với phấn hoa cỏ phấn hương.

Ứng dụng của chiết xuất Pyrethrum

Chiết xuất Pyrethrum rất quan trọng để kiểm soát côn trùng gây hại trong gia đình, trong chuồng trại và trong các sản phẩm dự trữ, và để áp dụng trực tiếp cho người và vật nuôi. Trước Thế chiến thứ hai, bột hoa cúc vạn thọ hoặc chiết xuất pyrethrum đã được sử dụng để kiểm soát sâu bệnh nông nghiệp và làm vườn, một ứng dụng phần lớn được thay thế vào những năm 1940 bằng các loại thuốc trừ sâu hydrocarbon clo hóa và hữu cơ phốt pho hiệu quả hơn và đơn giản hơn. So với các loại thuốc trừ sâu hữu cơ tổng hợp này, khả năng tồn tại của pyrethrin, ngay cả với các chất phụ gia khác nhau để làm chậm quá trình quang hóa, là không đủ cho việc bảo vệ mùa màng hoặc trồng rừng. Các ứng dụng hiện tại của pyrethrum là các phương pháp kiểm soát côn trùng đã được thiết lập tốt và đáng tin cậy, nhưng cho các mục đích rất cụ thể không có khả năng thay đổi trong tương lai gần. Việc lựa chọn các chủng kháng thuốc, một vấn đề với hầu hết các loại thuốc trừ sâu khác, ít ảnh hưởng đến mô hình sử dụng pyrethrin.

Cơ chế tác động

Pyrethrin hạ gục ruồi nhà, muỗi và các loại côn trùng bay khác một cách nhanh chóng và, ở liều lượng thích hợp, côn trùng sẽ chết sau vài phút hoặc vài giờ. Hướng dẫn sử dụng thuốc xịt không gian hoặc thuốc xịt aerosol trong suốt những năm 1940 đã cảnh báo người dùng phải gọn gàng và ngăn nắp, đồng thời quét ruồi ra khỏi nhà sau khi hạ gục; trong những trường hợp này, người dùng không để ý đến sự phục hồi của ruồi. Trạng thái kích thích quá mức trước hoặc liên quan đến việc hạ gục cũng hữu ích theo những cách khác. Nó xua đuổi và làm mất phương hướng ruồi cắn và muỗi, do đó chúng cắn ít thường xuyên hơn. Nó xua đuổi gián ra khỏi nơi ẩn náu của chúng để tiếp xúc với liều lượng gây chết của thuốc trừ sâu. Ba phát triển đã giúp thiết lập và duy trì các ứng dụng này cho pyrethrum. Đầu tiên là một phương pháp thay thế để phân phối pyrethrin để kiểm soát muỗi bằng cách kết hợp hoa cúc vạn thọ xay với các thành phần khác vào nhang muỗi, khi đốt cháy suốt đêm, tạo ra khói xua đuổi, tống xuất, hạ gục hoặc tiêu diệt muỗi trong môi trường sống của con người. Thứ hai vào năm 1941 là bình xịt hoặc “bom”, mặc dù hiện nay được sử dụng để phân tán nhiều loại chất gia dụng và công nghiệp, ban đầu được hoàn thiện để phân phối chiết xuất pyrethrum. Nó tạo ra các giọt có đường kính dưới 30 μm, cần thiết cho hiệu quả tối đa và sử dụng pyrethrin một cách kinh tế. Phát triển cuối cùng là một chất phụ gia hoặc chất hiệp đồng, piperonyl butoxide, được phát hiện vào năm 1949. Mặc dù về cơ bản không phải là thuốc trừ sâu, nhưng nó làm tăng hiệu lực của pyrethrum lên hơn bốn lần khi được thêm vào với tỷ lệ hai đến mười phần chất hiệp đồng trên một phần pyrethrin. Sự kết hợp pyrethrin-chất hiệp đồng tiết kiệm hơn nhiều so với chỉ riêng thuốc trừ sâu, vì chất hiệp đồng có giá thấp hơn 5% trên một đơn vị trọng lượng của pyrethrin. Chất hiệp đồng cũng làm tăng khả năng côn trùng bị hạ gục sau đó sẽ chết thay vì hồi phục. Ngoài piperonyl butoxide, một loại chất hiệp đồng khác, MGK 264, cũng đã rất quan trọng trong nhiều năm.

Đánh giá an toàn

Pyrethrum thường được coi là loại thuốc trừ sâu an toàn nhất và từng được dán nhãn là “không độc hại đối với người và vật nuôi”. Nhãn này không còn được phép nữa, vì vậy người dùng khó có thể phân biệt được mức độ an toàn tương đối của các sản phẩm thuốc trừ sâu gia dụng khác nhau. Sau khi sử dụng trong hơn một thế kỷ, có rất ít trường hợp mắc bệnh ở người liên quan đến việc tiếp xúc với pyrethrum, và hầu hết trong số này là các báo cáo ban đầu về viêm da hoặc phản ứng dị ứng do tạp chất không còn tồn tại trong chiết xuất tinh khiết. Pyrethrin đã từng được sử dụng với ba liều hàng ngày liên tiếp là 10-20 mg mỗi người lớn hoặc 5 đến 10 mg mỗi trẻ em để kiểm soát giun đường ruột mà không có tác dụng phụ nào được báo cáo. Tuy nhiên, người ta biết rằng việc vô tình tiếp xúc với liều lượng lớn pyrethrin qua đường uống hoặc qua da có thể gây tê tạm thời ở lưỡi và môi. Chiết xuất Pyrethrum có độc tính cấp tính thấp đối với động vật có vú và chim mặc dù có độc tính rất cao đối với côn trùng, động vật không xương sống và cá khác (nồng độ gây chết người vài phần tỷ trong nước). Các thử nghiệm với động vật có vú trong phòng thí nghiệm chỉ ra rằng pyrethrum, ngay cả ở liều lượng cao hoặc kết hợp với piperonyl butoxide, không tạo ra tác dụng gây ung thư, gây đột biến hoặc quái thai. Bất kỳ thay đổi bệnh lý nào được quan sát thấy ở liều lượng cao đều xảy ra ở gan.

Xem thêm Thuốc diệt muỗi sinh học fendona 10SC - Hiệu quả và an toàn nhất

Tính không ổn định

Pyrethrin rất không ổn định dưới ánh sáng và không khí, hạn chế các khu vực mà chúng có hiệu quả nhưng cũng cung cấp một yếu tố an toàn chống lại sự tích tụ các chất cặn độc hại. Việc sử dụng pyrethrum và các chất hiệp đồng của nó được điều chỉnh bởi các hạn chế theo Cơ quan Bảo vệ Môi trường và bởi các dung sai đối với mức độ trong thực phẩm và thức ăn chăn nuôi theo Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm. Các giá trị dung sai cho các ứng dụng sau thu hoạch đối với các sản phẩm thực vật khác nhau thường là 1-3 ppm đối với pyrethrin và 8-20 ppm đối với piperonyl butoxide. Trong một số trường hợp, các hợp chất này được miễn yêu cầu về dung sai vì mức độ an toàn tương đối của chúng so với mức độ có thể có trong điều kiện bình thường đã được công nhận.

Công thức hóa học của Pyrethrin

Chiết xuất Pyrethrum chứa sáu este diệt côn trùng có liên quan chặt chẽ với nhau, được gọi chung là pyrethrin, chỉ khác nhau ở các nhóm thế đầu cuối trong chuỗi bên của thành phần axit và rượu. Axit là một axit cyclopropanecarboxylic được thế và rượu là một cyclopentenolone được thế. Ba loại rượu có liên quan là pyrethrolone, cinerolone và jasmolone tương ứng cho pyrethrin, cinerin và jasmolin (Bảng 2). Hai axit là axit chrysanthemic cho nhóm I và axit pyrethric cho nhóm II. Các đặc điểm cấu trúc chính của các hợp chất này đã được làm sáng tỏ từ năm 1910 đến năm 1916 nhưng không được báo cáo cho đến năm 1924 bởi Hermann Staudinger và Leopold Ruzicka, hai nhà hóa học người Thụy Sĩ, mỗi người sau đó đã được trao giải Nobel cho những khám phá tiên phong trong một số lĩnh vực hóa học. Những đóng góp quan trọng về đặc tính và tổng hợp trong giai đoạn 1919 đến 1966 cũng được thực hiện bởi Masanao Matsui và Ryo Yamamoto ở Nhật Bản, William Barthel, Frances LaForge, Milton Schechter và các đồng nghiệp ở Hoa Kỳ, và Leslie Crombie, Michael Elliott, Peter Godin và Stanley Harper và các cộng sự của họ ở Anh. Sáu este riêng lẻ không có sẵn trên thị trường và được sản xuất kinh tế hơn dưới dạng thực vật hơn là bằng phương pháp sản xuất hóa học. Chúng có thể thu được, nếu cần, bằng phương pháp tổng hợp hoàn toàn, bằng cách tái tạo từ các axit và rượu có nguồn gốc từ hoa cúc vạn thọ, hoặc bằng cách phân lập các vật liệu tự nhiên bằng cách sử dụng các kết hợp khác nhau của sắc ký hấp phụ và phân vùng cột, sắc ký khí-lỏng và sắc ký lỏng cao áp.

Bảng 2: Các thành phần của Pyrethrin và tỷ lệ phần trăm tương đối của chúng trong hoa.

Tên gọi	R	%
Chrysanthemate
Pyrethrin I	CH=CH2	35
Cinerin I	CH3	10
Jasmolin I	CH2CH3	5
Pyrethrate
Pyrethrin II	CH=CH2	32
Cinerin II	CH3	14
Jasmolin II	CH2CH3	4

Các con đường mà hoa cúc vạn thọ sử dụng trong quá trình sinh tổng hợp các phần axit của pyrethrin từ axit mevalonic đã được thiết lập rõ ràng và các phần rượu được hiểu một phần. Các pyrethrate có nguồn gốc sinh tổng hợp từ axit chrysanthemic hoặc chrysanthemate bằng cách oxy hóa nhóm metyl trans của nhóm thế isobutenyl, sau đó là quá trình sinh metyl hóa [Phương trình (1)]. Quá trình oxy hóa nhóm thế metyl isobutenyl có liên quan đến quá trình sinh tổng hợp pyrethrate trong hoa cúc vạn thọ và quá trình chuyển hóa chrysanthemate ở động vật có vú và côn trùng. Nhóm thế R’ có thể là hydro như trong axit chrysanthemic hoặc một phần rượu như trong pyrethrin. Oxidase và dehydrogenase yêu cầu các đồng yếu tố pyridine nucleotide như đã chỉ ra. Quá trình sinh metyl hóa sử dụng S-adenosylmethionine làm chất cho metyl. Các este thủy phân pyrethrate không yêu cầu đồng yếu tố.

Hoạt tính sinh học của các thành phần pyrethrum phụ thuộc vào cấu trúc và đặc điểm lập thể hóa học của cả thành phần axit và rượu. Pyrethrin I và II mạnh hơn đáng kể so với cinerin và jasmolin. Chrysanthemate (I) thường mạnh hơn để tiêu diệt và pyrethrate (II) để hạ gục. Do đó, pyrethrum chứa một sự kết hợp của một tác nhân hạ gục tuyệt vời (pyrethrin II) và một thành phần diệt côn trùng mạnh (pyrethrin I). Pyrethrin có ba tâm chiral và do đó có thể có tám dạng hoạt động quang học khác nhau (Hình 1). Ngoài ra còn có đồng phân hình học (E hoặc Z) trong chuỗi bên của rượu (chrysanthemate) hoặc của axit và rượu (pyrethrate) làm tăng số lượng đồng phân lập thể có thể lên 16 đối với chrysanthemate và 32 đối với pyrethrate. Mặc dù tất cả các đồng phân này chưa được điều chế và thử nghiệm, nhưng bằng chứng hiện có cho thấy mạnh mẽ rằng cấu hình xuất hiện tự nhiên có thể là cấu hình mạnh nhất.

Lịch sử của Pyrethroid

Việc tổng hợp các hợp chất tự nhiên và các chất tương tự hoạt tính sinh học của chúng là một phần bình thường của nghiên cứu hóa học các sản phẩm tự nhiên. Các nghiên cứu này rất quan trọng trong việc làm sáng tỏ cấu trúc, thường sử dụng các hợp chất đơn giản làm mô hình. Nếu các hóa chất mô hình cho các thành phần pyrethrum là thuốc trừ sâu, thì chúng là thuốc trừ sâu pyrethroid. Các nguyên tắc mà theo đó các loại thuốc trừ sâu thế hệ thứ hai sau đó được phát hiện đã được công nhận từ hơn 60 năm trước, vì Staudinger và Ruzicka đã điều chế khoảng 100 loại pyrethroid tiềm năng từ năm 1910 đến năm 1916, mặc dù không có loại nào đặc biệt là thuốc trừ sâu. Sau khi sửa một số chi tiết về cấu trúc pyrethrin do Staudinger và Ruzicka chỉ định, LaForge, Barthel và Schechter đã tạo ra một chất tương tự tổng hợp đơn giản hơn, trong đó một nhóm allyl thay thế chuỗi bên pentadienyl của phần rượu. Hợp chất này, allethrin, pyrethroid thương mại đầu tiên, là đỉnh cao của nghiên cứu thời chiến ở cả Hoa Kỳ và Anh nhằm tìm kiếm các chất thay thế pyrethrum để giảm thiểu sự phụ thuộc vào vật liệu tự nhiên được sản xuất ở những khu vực mà các kênh vận chuyển và do đó nguồn cung cấp có sẵn có thể bị gián đoạn.

Rất ít pyrethroid mới được phát hiện sau khi allethrin được thương mại hóa cho đến những phát triển khoảng 15 năm trước trong các phòng thí nghiệm của Công ty Hóa chất Sumitomo (Osaka và Takarazuka, Nhật Bản) và của Michael Elliott, Norman Janes và các đồng nghiệp của họ tại Trạm Thí nghiệm Rothamsted (Harpenden, Anh). Phần axit được tiêu chuẩn hóa thành axit chrysanthemic hiện có bán trên thị trường và các phần rượu mới đã được kiểm tra. Các pyrethroid được phát triển vào thời điểm này về cơ bản đóng vai trò là chất thay thế pyrethrum mà không mở rộng phạm vi sử dụng chung. Các biến thể của phần axit sau đó được thực hiện, sử dụng các phần rượu tốt nhất hiện có. Hiện nay, hàng chục phòng thí nghiệm ở nhiều quốc gia đang kiểm tra hàng nghìn loại pyrethroid tiềm năng mỗi năm. Hiện tại có bốn mục tiêu tối ưu hóa chính: hiệu quả cao như các tác nhân hạ gục đối với ruồi và muỗi (ví dụ: chất thay thế pyrethrum); hiệu lực tối đa như thuốc trừ sâu phổ rộng; độ ổn định đầy đủ để bảo vệ thực vật; chi phí hợp lý so với mức sử dụng để kiểm soát dịch hại đầy đủ.

Đôi khi rất khó để quyết định liệu một loại thuốc trừ sâu tổng hợp có phải là pyrethroid hay không. Nói chung, các hợp chất mới có thể được coi là pyrethroid nếu các đặc tính sinh học của chúng phụ thuộc vào các đặc điểm lập thể hóa học tương tự như pyrethrin. Các hợp chất hoạt động mạnh nhất là este của axit cacboxylic với các nguyên tử cacbon liền kề với nhóm cacboxyl mang các nhóm thế thích hợp được định vị, nếu chúng ở tâm chiral, trong một cấu hình tương ứng với pyrethrin I. Việc tối ưu hóa cấu trúc thường đạt được bằng cách thay thế đồng vị tuần tự các nhóm thế quan trọng, như được minh họa trong Phương trình (2) cho phần rượu và Phương trình (3) cho phần axit. Việc lựa chọn các nhóm thay thế thích hợp không hề dễ dàng hay rõ ràng như vẻ ngoài của nó. Mỗi phần mới lạ được phát hiện trong các thử nghiệm của hàng trăm hoặc hàng nghìn este, hầu hết trong số đó được chứng minh là về cơ bản không phải là thuốc trừ sâu. Một số phần axit và rượu có liên quan chặt chẽ đến các este tự nhiên, trong khi những phần khác dường như bị loại bỏ, ví dụ: các phần axit chứa clophenyl và các phần rượu chứa cyano. Một thử nghiệm cho một phần axit pyrethroid là xác định xem nó có mạnh nhất với các phần rượu pyrethroid thông thường hay không; lập luận tương tự cũng áp dụng cho việc ghép ứng cử viên rượu với các phần axit. Các phần axit của một số pyrethroid có sự tương đồng về cấu trúc gần gũi với một phần của các phân tử thuộc loại DDT, đặt ra câu hỏi liệu pyrethroid và DDT có thể hoạt động một phần ở các thụ thể thần kinh giống nhau hay không. Mặc dù có nhiều điểm tương đồng về tác dụng giữa pyrethroid và DDT, nhưng các thụ thể thần kinh có liên quan không được xác định đầy đủ nên các xét nghiệm sinh lý thần kinh cụ thể không thể được sử dụng để phân biệt rõ ràng pyrethroid với không phải pyrethroid.

Năm loại pyrethroid được sử dụng theo cách giống như chiết xuất pyrethrum (Hình 2). Chúng có tính diệt côn trùng cao nhưng không đủ bền để sử dụng trong nông nghiệp. Ba loại chủ yếu là chất hạ gục và hai loại còn lại rất mạnh để tiêu diệt. Thuốc xịt gia dụng thường là hỗn hợp để bắt chước tác dụng của pyrethrum. Chúng chứa một tác nhân hạ gục, một thành phần diệt côn trùng mạnh hơn và một chất hiệp đồng, thường là piperonyl butoxide. Ngoại trừ kadethrin, các hợp chất này là chrysanthemate.

Đặc tính hạ gục yêu cầu khả năng thâm nhập nhanh chóng được tạo ra bởi tính phân cực của thành phần axit hoặc rượu. Tính không ổn định là do dễ bị quang hóa ở các nhóm thế allyl, isobutenyl, furan và thiolactone. Ví dụ, nhóm isobutenyl của chrysanthemate trải qua quá trình epoxy hóa và oxy hóa metyl và vòng furan bị phân hủy thông qua chất trung gian peroxide không ổn định. Các năm để khám phá hoặc báo cáo đầu tiên trong tài liệu được đưa ra. Việc thương mại hóa thường diễn ra sau đó vài năm. Allethrin được sử dụng dưới dạng đồng phân được hiển thị (S-bioallethrin) hoặc dưới dạng hỗn hợp của hai (4RS hoặc bioallethrin) hoặc tám đồng phân. Tetramethrin, resmethrin và phenothrin có sẵn dưới dạng hỗn hợp của bốn đồng phân (IRS, cis, trans) và có khả năng là các hỗn hợp khác nhau của hai đồng phân (1RS, trans; 1RS, cis; IR, cis, trans hoặc hỗn hợp forte). Kadethrin được sử dụng dưới dạng đồng phân riêng lẻ được hiển thị.

S-Bioallethrin, đồng phân mạnh nhất của allethrin, có cấu hình quang học giống như pyrethrin I. Nhìn chung, nó kém hoạt động hơn pyrethrin nhưng ổn định hơn do chuỗi bên phần rượu ít bị oxy hóa. Hai loại pyrethroid hạ gục còn lại, trái ngược với pyrethrin và allethrin, chứa các nguyên tố ngoài carbon, hydro và oxy, tức là nitơ trong tetramethrin của Công ty Hóa chất Sumitomo và lưu huỳnh trong Kadethrin của Roussel-Uclaf (Paris). Kadethrin là chất hạ gục mạnh nhất, thậm chí còn hoạt động mạnh hơn pyrethrin II, nhưng rất không bền do tính không bền với ánh sáng của cả vòng furan và phần thiolactone.

Resmethrin có hiệu lực diệt côn trùng tương đương hoặc vượt trội so với pyrethrin trên nhiều loại dịch hại. Nhân cyclopentenolone của pyrethrin được thay thế bằng đơn vị furylmethyl tương đương về mặt không gian và chuỗi bên pentadienyl bằng một nhóm benzyl.

Phenothrin có nguồn gốc từ resmethrin bằng cách thay thế vòng furan bằng một nhóm phenyl và cầu metylen bằng oxy, tạo ra một hợp chất ổn định hơn nhưng thường kém hoạt động hơn. Cả hai loại thuốc trừ sâu đều thiếu các đặc tính hạ gục đáng kể và các đồng phân 1R, trans (tức là bioresmethrin và biophenothrin) mạnh hơn với một số loài và các đồng phân 1R, cis với các loài khác. Các chất hiệp đồng có ít hoặc không có giá trị với resmethrin và phenothrin ở tỷ lệ chất hiệp đồng trên thuốc trừ sâu bình thường. Resmethrin được phát hiện ở Rothamsted và được Tổng công ty Phát triển Nghiên cứu Quốc gia (NRDC) có trụ sở tại London cung cấp để thương mại hóa. Phenothrin được phát hiện độc lập ở Anh và Nhật Bản.

Bốn loại pyrethroid hiện đang được sử dụng để bảo vệ mùa màng: permethrin, cypermethrin, decamethrin và fenvalerate, các hợp chất thu được bằng cách thay thế các trung tâm quang hóa trong các este trước đó bằng các đơn vị cấu trúc thay thế và ổn định hơn (Hình 3). Các pyrethroid này có nguồn gốc từ rượu phenoxybenzyl được tổng hợp lần đầu tiên cho các mục đích khác vào năm 1935 hoặc từ rượu α-cyanophenoxybenzyl được biết đến từ năm 1973. Phần axit của permethrin được Jiři Farkaš ở Praha nghiên cứu lần đầu tiên vào năm 1958. Ông đã điều chế chất tương tự allethrin với hoạt tính diệt côn trùng tăng cường so với chrysanthemate. Phải mất 15 năm để axit dichlorovinyl này xuất hiện một lần nữa trong tài liệu, khi Elliott chỉ ra tầm quan trọng của nó như một phần axit pyrethroid sau khi suy ra nó bằng cách sửa đổi đồng vị. Permethrin, chứa thành phần quang bền này, là pyrethroid đầu tiên có các đặc tính thích hợp để bảo vệ mùa màng. Các dẫn xuất α-cyano, cypermethrin và decamethrin, cũng được điều chế lần đầu tiên tại Rothamsted, là những loại thuốc trừ sâu cực kỳ hoạt động. Nhóm thế cyano trong cấu hình S làm tăng hiệu lực lên khoảng 3 đến 6 lần. Cấu hình R về cơ bản không hoạt động. Decamethrin và đồng phân 1R, cis tương đương của cypermethrin là các pyrethroid mạnh nhất hiện nay. Nghiên cứu của Công ty Hóa chất Sumitomo đạt đến đỉnh cao là fenvalerate liên quan đến một loạt các khám phá, tức là các đặc tính hữu ích của rượu phenoxybenzyl, chất tương tự α-cyano của nó, và của axit không phải cyclopropanecarboxylic được chỉ ra như một chất thay thế tuyệt vời cho các chất tương tự axit chrysanthemic. Fenvalerate nhìn chung có hiệu lực gấp từ 0,3 đến 2 lần permethrin, tùy thuộc vào loài gây hại.

Xem thêm KIỂM SOÁT HÓA HỌC TRONG PHÒNG CHỐNG MUỖI

Hai cách đã được sử dụng để tăng cường độ ổn định và do đó hiệu lực của pyrethroid như pyrethrin I. Cách đầu tiên liên quan đến việc thêm chất hiệp đồng hoặc chất chống oxy hóa để làm chậm các phản ứng oxy hóa trao đổi chất hoặc quang hóa. Quy trình thứ hai và hiệu quả hơn nhiều là thay thế các nhóm thế dễ bị phân hủy quang hóa hoặc trao đổi chất bằng các nhóm thay thế tạo độ ổn định tổng thể cao hơn cho phân tử. Phần lớn sự an toàn của pyrethrin được cho là do tính không ổn định của chúng. Do đó, quá trình ổn định có khả năng tạo ra các hợp chất tồn tại ở động vật có vú và hoạt động như các chất gây ô nhiễm môi trường. Pyrethroid phải được bảo vệ khỏi sự phân hủy phi sinh học (chủ yếu là quang hóa) và sự trao đổi chất của côn trùng nhưng dễ bị trao đổi chất ở động vật có vú và các hệ thống môi trường. Tác giả và các đồng nghiệp của ông tại Berkeley đã nhấn mạnh nghiên cứu về sự trao đổi chất và suy thoái môi trường, cũng như Miyamoto, Ohkawa và các đồng nghiệp của Sumitomo.

Giải độc trao đổi chất là một yếu tố chính hạn chế hoạt tính diệt côn trùng của pyrethrin và các chrysanthemate khác. Ruồi nhà chuyển hóa pyrethrin I, S-bioallethrin và biotetramethrin bằng cách oxy hóa một nhóm metyl trong nhóm thế isobutenyl thành axit cacboxylic tương ứng, một con đường song song với các bước đầu tiên trong quá trình chuyển đổi sinh tổng hợp axit chrysanthemic hoặc este của nó thành axit pyrethric hoặc pyrethrate trong hoa cúc vạn thọ [Phương trình (1)]. Ruồi nhà cũng oxy hóa allethrin trong thành phần rượu, có thể ở liên kết đôi và nhóm metylen của phần allyl. Các phản ứng này được thực hiện bởi hệ thống oxidase chức năng hỗn hợp microsome của ruồi nhà khi được tăng cường với nicotinamide-adenine dinucleotide phosphate khử (NADPH), đồng yếu tố quan trọng.

Tác dụng hiệp đồng liên quan đến việc ức chế giải độc pyrethroid dẫn đến khả năng tồn tại lâu hơn ở côn trùng và hiệu lực cao hơn. Hệ thống oxidase chức năng hỗn hợp microsome chuyển hóa cả pyrethroid và chất hiệp đồng, ví dụ: allethrin và piperonyl butoxide. Các vị trí oxy hóa được biểu thị bằng các mũi tên trong Phương trình (4). Piperonyl butoxide, cả in vivo và in vitro, ức chế sự trao đổi chất của allethrin ở ruồi nhà và các chrysanthemate khác, chất hiệp đồng trong quá trình trải qua quá trình trao đổi chất tại các nhóm thế metylen liền kề với các nguyên tử oxy. Chất hiệp đồng thường là chất ức chế trao đổi chất tốt hơn ở côn trùng so với động vật có vú.

Các cân nhắc về trao đổi chất đóng một vai trò quan trọng trong việc thiết kế các phần axit và rượu pyrethroid để tăng cường hoạt tính diệt côn trùng. Quá trình oxy hóa ở nhóm metyl isobutenyl đã được khắc phục bằng cách thay thế dihalovinyl hoặc bằng cách chuyển sang phần axit fenvalerate. Pyrethroid cũng được giải độc bằng các quá trình thủy phân. Este của côn trùng thường thủy phân trans-chrysanthemate nhanh hơn cis-chrysanthemate, cung cấp một phần giải thích cho độc tính cao hơn của đồng phân cis trong một số trường hợp. Các chất ức chế estease thích hợp hiệp đồng hoạt tính diệt côn trùng của một số pyrethroid nhưng các kết hợp như vậy không được sử dụng phổ biến. Nhóm thế α-cyano cũng làm chậm quá trình thủy phân estease và có thể cả quá trình giải độc oxy hóa. Do đó, các đặc điểm cấu trúc được sử dụng để tối ưu hóa hoạt tính diệt côn trùng của decamethrin là những đặc điểm được thiết kế để chống lại quá trình trao đổi chất, tức là nhóm dihalovinyl, đồng phân cis xung quanh vòng cyclopropane và nhóm thế cyano. Ngay cả những sửa đổi này cũng không khắc phục hoàn toàn được tác dụng hạn chế của quá trình giải độc decamethrin ở ruồi nhà, vì nó có thể được hiệp đồng ít nhất gấp mười lần bởi một lượng rất lớn piperonyl butoxide hoặc chất hiệp đồng liên quan.

Động vật có vú cũng chuyển hóa pyrethroid bằng cách oxy hóa và phân cắt este. Các phản ứng giải độc tương tự giải thích cho độc tính thấp của pyrethrin I và allethrin đối với động vật có vú và nhu cầu sử dụng chất hiệp đồng để tăng độc tính của chúng đối với côn trùng. May mắn thay, piperonyl butoxide khi được sử dụng bình thường sẽ ít hoặc không làm tăng độc tính của các loại thuốc này đối với động vật có vú. Tuy nhiên, hàm lượng chất hiệp đồng cao để ngăn chặn quá trình giải độc ở động vật có vú bằng oxidase (piperonyl butoxide) hoặc estease (các hợp chất hữu cơ phốt pho) thường làm tăng độc tính của pyrethroid. Cần thận trọng khi sử dụng chất hiệp đồng vì những mối nguy hiểm tiềm ẩn như vậy. Các sửa đổi cấu trúc để ổn định pyrethrin đối với quá trình trao đổi chất của côn trùng có thể tạo ra các hợp chất rất nguy hiểm nếu chúng ổn định chúng theo cách tương tự đối với quá trình trao đổi chất của động vật có vú. May mắn thay, điều này không xảy ra đối với các pyrethroid đã được nghiên cứu cho đến nay, ví dụ: decamethrin. Mặc dù nhóm dibromovinyl không bị oxy hóa ở động vật có vú, nhưng vẫn có năm vị trí oxy hóa ở các nhóm metyl và aryl, vị trí 4′ là chủ yếu, và quá trình thủy phân este cũng rất quan trọng [Phương trình (5)]. Quá trình chuyển hóa Decamethrin ở chuột cống và chuột nhắt liên quan đến quá trình hydroxyl hóa ở một trong hai nhóm metyl hoặc bất kỳ vị trí nào trong ba vị trí thơm. Sự phân cắt este bằng tác dụng của estease hoặc các quá trình oxy hóa có thể tạo ra các mảnh axit và rượu. Dẫn xuất cis-hydroxymethyl chỉ được phát hiện sau khi phân cắt este. Cyanohydrin phân hủy thành hydro xyanua và aldehyde, sau đó bị oxy hóa thành axit. Hai axit cacboxylic được bài tiết có hoặc không liên hợp với axit glucuronic hoặc axit amin như glyxin và taurine. Các dẫn xuất hydroxymethyl và phenolic được liên hợp một phần dưới dạng este sunfat. Xyanua được giải phóng nhanh chóng được giải độc bằng cách chuyển đổi thành thiocyanate được bài tiết hoặc liên kết tạm thời trong dạ dày và tóc trước khi bài tiết. Trong đất, một phần của cyano của các hợp chất liên quan được hydrat hóa thành amit.

Các nghiên cứu về quá trình trao đổi chất kiểu này được thực hiện trên pyrethrin I và II và tất cả các chất tương tự tổng hợp được thảo luận ở trên cho thấy rõ ràng rằng các sửa đổi cấu trúc có thể được thực hiện để tăng cường hoạt tính diệt côn trùng và tính quang bền trong khi vẫn duy trì khả năng phân hủy sinh học nhanh chóng ở động vật có vú. Có sự khác biệt phụ thuộc vào cấu trúc về sự tồn tại của dư lượng pyrethroid ở động vật có vú và chim; ví dụ, mặc dù dư lượng thấp, nhưng cis-permethrin ổn định hơn về mặt trao đổi chất tồn tại lâu hơn trans-permethrin trong mỡ, sữa và trứng.

Sự di chuyển và số phận của môi trường ít được quan tâm với pyrethrin không ổn định và chrysanthemate ban đầu nhưng lại có tầm quan trọng đáng kể đối với pyrethroid ổn định hơn được sử dụng để bảo vệ mùa màng. Giống như DDT, các pyrethroid mới chứa halogen có tính ưa béo cao, gần như không tan trong nước và tồn tại trên bề mặt do áp suất hơi thấp (pyrethrin và permethrin là chất lỏng nhớt và decamethrin là chất rắn kết tinh). Các luồng không khí không có khả năng phát tán các pyrethroid này ngoại trừ trong quá trình áp dụng hoặc ngay sau đó. Chúng khá bền trên cây trồng do sự kết hợp của việc lưu giữ trong lớp sáp biểu bì của lá (để chúng không bị nước mưa cuốn trôi), độ bay hơi thấp và khả năng chống phân hủy quang hóa. Các nghiên cứu tại Berkeley cho thấy rằng quá trình phân hủy quang hóa của pyrethroid được hiển thị trong Hình 3 liên quan đến quá trình đồng phân hóa ở vòng cyclopropane [Phương trình (6)], phân cắt este, khử cacboxyl, phân cắt diphenyl ete, oxy hóa thành các dẫn xuất axit benzoic và khử halogen. Những điều này xảy ra đủ chậm đến mức nếu chỉ liên quan đến các yếu tố phi sinh học thì các pyrethroid này sẽ là một số loại thuốc trừ sâu hữu cơ tồn tại lâu nhất.

Quá trình đồng phân hóa quang học được hiển thị trong Phương trình (6) liên quan đến việc phá vỡ và hình thành lại vòng cyclopropane thông qua chất trung gian diradical. Sự cân bằng cuối cùng có lợi cho các đồng phân trans (cấu trúc phía trên) với tỷ lệ khoảng 2: 1 so với các đồng phân cis (cấu trúc phía dưới). Chỉ các đồng phân 1R ở bên trái là có tác dụng diệt côn trùng. X là viết tắt của metyl, halogen hoặc các nhóm thế khác. Đây là một trong nhiều quá trình liên quan đến quá trình phân hủy quang hóa pyrethroid, thường tạo ra các sản phẩm kém hoạt động hơn.

Thật may mắn là việc làm sạch môi trường liên quan đến các quá trình sinh học cũng như phi sinh học vì tốc độ phân hủy của pyrethroid nông nghiệp tăng lên rất nhiều khi chúng xâm nhập vào hệ thống sinh học. Thực vật chuyển hóa các pyrethroid này, khi phân chia ra khỏi lớp sáp biểu bì, bằng cách phân cắt este (đồng phân trans nhanh hơn cis), quá trình oxy hóa metyl và aryl và các phản ứng liên hợp như ở động vật có vú (ngoại trừ các liên hợp glucoside chứ không phải glucuronide được hình thành ở thực vật). Mặc dù không có bằng chứng nào cho thấy các chất chuyển hóa thực vật là nguy hiểm, nhưng các phân tích dư lượng thường xem xét một số chất chuyển hóa và sản phẩm quang hóa ngoài các hợp chất mẹ. Pyrethroid dự kiến sẽ không trải qua quá trình phóng đại sinh học ở mức độ cao khi đi qua chuỗi thức ăn. Chúng gần như không di động trong đất do độ hòa tan trong nước thấp, hấp phụ nhanh và khuếch tán hơi tối thiểu. Mặc dù ô nhiễm hệ thống thủy sinh là một vấn đề tiềm ẩn nghiêm trọng do ứng dụng trực tiếp hoặc xói mòn đất đã xử lý, nhưng nó không có khả năng xảy ra do khuếch tán hoặc rửa trôi. Như vậy, trong điều kiện thực địa, pyrethroid nhanh chóng được hấp thụ vào bờ suối, trầm tích ao và chất hữu cơ để giảm nồng độ của chúng trong nước. Đất có hoạt tính của vi sinh vật cao sẽ chuyển hóa pyrethroid một cách rộng rãi trong vòng vài tuần bằng cách phân cắt este và diphenyl ete, hydrat hóa phần cyano và các phản ứng khác cuối cùng dẫn đến carbon dioxide. Pyrethroid dường như không ảnh hưởng xấu đến vi sinh vật đất.

Pyrethroid là thuốc trừ sâu ưa béo mạnh nhất. Chúng cũng là loại thuốc đắt nhất trên một đơn vị trọng lượng. Chi phí tăng lên do sản xuất đồng phân quang học mạnh nhất bằng cách sử dụng các kỹ thuật tổng hợp và phân giải tiên tiến. Các đồng phân và sản phẩm phụ kém hoạt động hơn thường có thể được chuyển đổi thành đồng phân hoặc chất trung gian hữu ích trong quy trình tái chế. Pyrethroid có khả năng cung cấp tỷ lệ chi phí/lợi ích tuyệt vời trong việc kiểm soát côn trùng gây hại nông nghiệp, một phần vì chúng tồn tại đủ lâu để yêu cầu tương đối ít lần áp dụng. Tình hình kinh tế này sẽ thay đổi mạnh mẽ nếu hiện tượng kháng thuốc yêu cầu tăng liều lượng pyrethroid lên gấp hai đến mười lần. Hiệu lực của pyrethroid cũng có nghĩa là gánh nặng môi trường nhỏ hơn của hợp chất mẹ và các sản phẩm quang hóa và chất chuyển hóa của nó, với các tác dụng không mong muốn có thể xảy ra của chúng. Như vậy với decamethrin, một hợp chất duy nhất có độ tinh khiết hóa học và đồng phân cao, ứng dụng ở mức 10 g/ha để kiểm soát dịch hại sẽ cho lượng bám ban đầu là 1 mg/m2. Hầu hết các loại thuốc trừ sâu khác, do hiệu lực thấp hơn, yêu cầu lượng bám cao hơn từ 50 đến 200 lần. Các loại thuốc trừ sâu hoạt động mạnh như một số loại pyrethroid được biết đến trong số các hydrocacbon clo hóa, phốt pho hữu cơ và cacbamat metyl, nhưng với các hợp chất sau này, hoạt tính diệt côn trùng cao đáng kể này thường đi kèm với độc tính ở động vật có vú không thể chấp nhận được.

Pyrethroid không cung cấp các phương pháp tiếp cận mới hoặc độc đáo để kiểm soát côn trùng. Chúng hoàn toàn là chất thay thế hoặc thay thế cho các hợp chất hiện tại. Các chất tương tự tổng hợp đã được sử dụng trong 30 năm như chất thay thế pyrethrum mà không làm giảm nhu cầu về sản phẩm tự nhiên. Tuy nhiên, ngành công nghiệp pyrethrum ở các quốc gia khác nhau phải trở nên có tổ chức tốt hơn và hiệu quả hơn trong sản xuất và phân phối liên tục để cạnh tranh với số lượng chất thay thế tổng hợp ngày càng tăng, mặc dù những chất này cần có thời gian để phát triển hồ sơ an toàn đã được chứng minh như vậy. Các pyrethroid ổn định hơn đang ngày càng được sử dụng để thay thế DDT và các hydrocacbon clo hóa khác. Cả hai loại đều bao gồm các loại thuốc trừ sâu tiếp xúc tồn lưu lâu dài có hiệu quả trên nhiều phức hợp dịch hại giống nhau. Các pyrethroid hiện tại không gây độc thực vật, vì vậy việc sử dụng chúng mang lại năng suất cao hơn so với các loại thuốc trừ sâu khác có hiệu quả tương đương nhưng gây độc thực vật. Pyrethroid không phải là chất thay thế phù hợp cho phốt pho hữu cơ và cacbamat metyl như thuốc trừ sâu nội hấp vì độ hòa tan trong nước thấp hoặc thuốc trừ sâu đất do liên kết đất, chuyển hóa và áp suất hơi thấp. Tương lai của pyrethroid như thuốc trừ sâu tiếp xúc và thuốc diệt côn trùng trong dạ dày sẽ phụ thuộc vào những hạn chế nào nữa được đặt ra đối với các loại thuốc trừ sâu hiện tại, chi phí theo mùa tương ứng để kiểm soát dịch hại bằng pyrethroid và các hợp chất khác, và đánh giá rủi ro cuối cùng dựa trên các phát hiện về độc tính.

Xem thêm Các loại chất bổ trợ và phụ gia tốt nhất cho thuốc diệt côn trùng

Những tiến bộ trong bảy năm qua đã xác lập thuốc trừ sâu pyrethroid là một trong những nhóm hóa chất thuốc trừ sâu chính. Chúng cũng chỉ ra rằng về mặt lý thuyết, các sửa đổi cấu trúc bổ sung có thể làm tăng hiệu lực của chúng hơn nữa gấp 10 lần trở lên và/hoặc giảm chi phí kiểm soát dịch hại theo mùa theo một hệ số tương tự. Các pyrethroid thay thế có sẵn để giới thiệu nếu có vấn đề về độc tính với các hợp chất hiện tại. Việc tối ưu hóa cấu trúc hiện đang tập trung vào các đặc tính mới ngoài hiệu lực, độc tính thấp đối với động vật có vú, giá cả cạnh tranh và khả năng tồn tại phù hợp. Các mục tiêu này là: giảm độc tính đối với cá hoặc ong mật, động vật ăn thịt và ký sinh trùng; phổ hoạt động rộng hơn bao gồm ve và rệp để giảm nhu cầu về hỗn hợp thuốc trừ sâu; có hiệu quả trên các chủng kháng hoặc kháng chéo với pyrethroid hiện tại; mạnh như thuốc diệt trứng đối với trứng côn trùng và ve; có hiệu quả như thuốc diệt tuyến trùng và thuốc tẩy giun sán. Có bao nhiêu pyrethroid mới có thể được chứng minh là hợp lý và có thể phát triển thực tế không? Với chi phí hiện tại hoặc dự đoán, có lẽ không quá 4 đến 8 loại pyrethroid bổ sung có thể được phát triển để sử dụng trong nông nghiệp trong vòng mười năm tới trên cơ sở toàn thế giới. Do đó, điều quan trọng là sử dụng các pyrethroid hiện tại ở liều lượng và theo cách để giảm thiểu sự lựa chọn các chủng kháng thuốc và do đó bảo tồn nguồn tài nguyên quý giá này để kiểm soát côn trùng gây hại trong những năm tới và hy vọng là nhiều thập kỷ tới.

Độc tính học của Pyrethroid

Phổ tác động

Pyrethroid thường là thuốc trừ sâu phổ rộng. Chúng kiểm soát một lượng lớn côn trùng, mặc dù liều lượng hiệu quả có thể khác nhau rất nhiều giữa các loài nhạy cảm nhất và ít nhạy cảm nhất. Trong bảo vệ sản phẩm dự trữ, một chất hiệp đồng thường được thêm vào. Trong sản xuất thực phẩm và sợi, pyrethroid thường được sử dụng trong cùng một lĩnh vực với một hoặc nhiều loại thuốc trừ sâu, thuốc diệt ve hoặc thuốc diệt trứng khác. Để bảo vệ ong mật dễ bị tổn thương, pyrethroid phải được áp dụng vào những thời điểm và với số lượng để giảm thiểu thiệt hại cho ong thụ phấn và tổ ong. Giết chết động vật ăn thịt và ký sinh trùng có thể dẫn đến sự trỗi dậy của dịch hại không còn bị kiểm soát bởi kẻ thù tự nhiên của chúng. Pyrethroid không có hiệu quả trong việc kiểm soát côn trùng đất có thể do liên kết đất và chuyển hóa các hợp chất. Động vật giáp xác và côn trùng thủy sinh có lợi là nạn nhân ngoài mục tiêu tiềm ẩn của việc sử dụng pyrethroid để kiểm soát ấu trùng muỗi và các ấu trùng hai cánh khác có tầm quan trọng về y tế.

Kháng thuốc

Kháng thuốc trước đây đã hạn chế việc sử dụng hầu hết mọi loại thuốc trừ sâu và đặt ra mối đe dọa nghiêm trọng đối với tương lai của pyrethroid. Kháng chéo dường như không phải là vấn đề giữa pyrethroid và phốt pho hữu cơ hoặc cacbamat metyl. Tuy nhiên, việc lựa chọn trước ruồi nhà bằng DDT cho một yếu tố lặn tạo ra khả năng kháng hạ gục (kdr) mang theo khả năng kháng chéo với pyrethroid. Ruồi nhà ở các trang trại của Đan Mạch đã phát triển khả năng kháng pyrethroid khi pyrethrin và pyrethroid thay thế các loại thuốc trừ sâu hydrocacbon clo hóa và phốt pho hữu cơ. Một chủng kháng pyrethroid thực địa sau đó đã được chọn trong phòng thí nghiệm với bioresmethrin đến hệ số kháng gấp 1400 lần. Mặc dù không tiếp xúc trước đó, nhưng chủng này có khả năng kháng decamethrin hơn 60.000 lần. Như vậy, loại thuốc trừ sâu mạnh nhất trong số tất cả các loại thuốc trừ sâu trên một chủng bình thường gần như không có tác dụng đối với chủng kháng thuốc này. Đây là ví dụ ấn tượng nhất hiện có về khả năng kháng pyrethroid. Một số cơ chế kháng thuốc của ruồi nhà được xem xét trong Hình 4. Mức độ kháng thuốc thực địa thấp cũng được biết đến ở các khu vực địa phương với muỗi, bọ ve ở Úc, một số loài gây hại lepidopteran trên bông và một số loài gây hại khác. Có thể ngăn chặn khả năng kháng pyrethroid bằng cách hạn chế sử dụng chúng ở liều lượng tối thiểu và số lần áp dụng và bằng cách sử dụng đầy đủ hơn các hệ thống quản lý dịch hại tổng hợp. Việc áp dụng thường xuyên pyrethroid ở liều lượng cao, như đã làm trong quá khứ với các loại thuốc trừ sâu khác, thực tế đảm bảo rằng khả năng kháng thuốc sẽ đạt đến mức mà việc sử dụng pyrethroid một cách kinh tế là không còn khả thi nữa.

Độc tính trên các loài khác

Cá rất nhạy cảm với pyrethroid ở mức độ phần tỷ, vì vậy cần hết sức cẩn thận khi xử lý cây trồng nông nghiệp và rừng để tránh làm ô nhiễm hồ và suối cũng như các khu vực sản xuất cá thương mại. Độ nhạy cảm cao của cá có thể liên quan đến khả năng mang của chúng để tập trung pyrethroid, sau đó phá vỡ cơ chế hô hấp do thần kinh kiểm soát. Chim dường như có khả năng chịu đựng đặc biệt và đã sống sót sau liều uống cao của một số loại pyrethroid tổng hợp. Mặc dù cơ chế không nhạy cảm với gia cầm chưa được biết, nhưng gà nhanh chóng chuyển hóa và bài tiết permethrin được sử dụng bằng đường uống.

Động vật có vú dường như tương đối chịu đựng được pyrethroid, vì vậy về mặt này, các loại thuốc trừ sâu tổng hợp này là những lựa chọn thay thế đáng hoan nghênh cho một số tác nhân kiểm soát côn trùng thế hệ thứ hai khác. Tính chọn lọc thường được biểu thị bằng tỷ lệ cho lượng thuốc trừ sâu trên mỗi gam trọng lượng cơ thể để tiêu diệt 50% nhóm chuột được xử lý bằng đường uống chia cho giá trị tương đương đối với các loại côn trùng được xử lý tại chỗ khác nhau. Tỷ lệ chọn lọc này trung bình khoảng 4000 đối với nhiều loại pyrethroid nhưng nhỏ hơn 100 đối với các loại thuốc trừ sâu hydrocacbon clo hóa, phốt pho hữu cơ và cacbamat metyl khác nhau. Một số hợp chất (pyrethrin II và kadethrin) được sử dụng bằng đường tĩnh mạch gây độc cho chuột ở mức độ tương đương với hiệu lực của chúng trên côn trùng nhạy cảm. Do đó, độc tính tương đối thấp đối với động vật có vú sau khi tiếp xúc bằng đường uống, đường da hoặc đường hô hấp chủ yếu là do các yếu tố ngăn cản xâm nhập vào hệ thần kinh, chẳng hạn như giải độc trao đổi chất. Tiếp xúc quá nhiều với một số loại pyrethroid nhất định có thể dẫn đến kích ứng da ở những người nhạy cảm.

Các nghiên cứu cho ăn suốt đời với động vật có vú ít nhất cũng quan trọng như các quan sát về độc tính cấp tính trong việc đánh giá sự an toàn của pyrethroid. Một số nghiên cứu này đã được hoàn thành và những nghiên cứu khác vẫn đang được tiến hành trên mỗi loại pyrethroid được đề xuất hoặc đang sử dụng để bảo vệ mùa màng. Giá trị dung sai hoặc dư lượng tối đa cho phép trong thực phẩm và thức ăn chăn nuôi sẽ dựa trên mức độ ăn kiêng được phát hiện là không có tác dụng, lượng dư lượng thường có khi các hợp chất được sử dụng theo thực hành nông nghiệp tốt và hệ số an toàn để điều chỉnh cho sự khác biệt có thể có về độ nhạy cảm của con người và động vật có vú trong phòng thí nghiệm.

Pyrethroid là chất độc thần kinh, nhưng phương thức hoạt động của chúng ở cấp độ phân tử vẫn còn khó hiểu. Chúng gây ra hiện tượng phóng điện lặp đi lặp lại trong dây thần kinh động vật chân đốt do sự can thiệp vào các kênh natri và kali của sợi trục. Việc kích hoạt lặp đi lặp lại được cho là chủ yếu do kéo dài thời gian tắt của sự gia tăng độ dẫn natri và thứ yếu là do sự ức chế dòng kali tăng lên. Không rõ triệu chứng nào ở côn trùng hoặc động vật khác là do ảnh hưởng đến hệ thần kinh trung ương hoặc ngoại vi hoặc cả hai. Pyrethroid độc hơn đối với côn trùng ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ cao, như trường hợp của DDT. Nhiều loại chế phẩm thần kinh bị cô lập từ côn trùng và động vật chân đốt khác rất nhạy cảm với pyrethroid, nhưng không có hệ thống nào được nghiên cứu cho đến nay là mô hình đầy đủ về tác động đối với sinh vật. Trong trường hợp ngộ độc pyrethroid ở các loài côn trùng, cá và động vật có vú khác nhau, có lẽ không cần viện dẫn một phương thức hoạt động chính khác về cơ bản. Ngộ độc chuột cống và chuột nhắt có liên quan nhưng không nhất thiết phụ thuộc vào mức độ của một số loại pyrethroid trong não.

Các nghiên cứu về cấu trúc-hoạt tính, đặc biệt là với côn trùng được xử lý bằng chất hiệp đồng, giúp xác định cấu hình của thụ thể thần kinh quan trọng về mặt sinh lý. Phân tử pyrethroid linh hoạt với tính đặc hiệu lập thể cao phải áp dụng một cấu trúc mà tất cả các đặc điểm cấu trúc cần thiết cho hiệu lực được định hướng thích hợp với nhau và với một thụ thể chiral bổ sung. Thụ thể nhạy cảm và phù hợp nhất phải được phân lập và xác định về mặt dược lý như là bước khởi đầu để hiểu phương thức hoạt động của pyrethroid ở cấp độ phân tử.

Cá rất nhạy cảm với pyrethroid, ở nồng độ phần tỷ, vì vậy cần hết sức cẩn thận khi xử lý cây trồng nông nghiệp và rừng để tránh làm ô nhiễm hồ và suối cũng như các khu vực sản xuất cá thương mại. Độ nhạy cảm cao của cá có thể liên quan đến khả năng mang của chúng để tập trung pyrethroid, sau đó phá vỡ cơ chế hô hấp do thần kinh kiểm soát. Chim dường như có khả năng chịu đựng đặc biệt và đã sống sót sau liều uống cao của một số loại pyrethroid tổng hợp. Mặc dù cơ chế không nhạy cảm với gia cầm chưa được biết, nhưng gà nhanh chóng chuyển hóa và bài tiết permethrin được sử dụng bằng đường uống.

Trong một số trường hợp, độc tính của pyrethroid đối với động vật có vú tương đương với các hợp chất thế hệ thứ hai khác. Tính chọn lọc thường được biểu thị bằng tỷ lệ cho lượng thuốc trừ sâu trên mỗi gam trọng lượng cơ thể để tiêu diệt 50% nhóm chuột được xử lý bằng đường uống chia cho giá trị tương đương đối với các loại côn trùng được xử lý tại chỗ khác nhau. Tỷ lệ chọn lọc này trung bình khoảng 4000 đối với nhiều loại pyrethroid nhưng nhỏ hơn 100 đối với các loại thuốc trừ sâu hydrocacbon clo hóa, phốt pho hữu cơ và cacbamat metyl khác nhau. Một số hợp chất (pyrethrin II và kadethrin) được sử dụng bằng đường tĩnh mạch gây độc cho chuột ở mức độ tương đương với hiệu lực của chúng trên côn trùng nhạy cảm. Do đó, độc tính tương đối thấp đối với động vật có vú sau khi tiếp xúc bằng đường uống, đường da hoặc đường hô hấp chủ yếu là do các yếu tố ngăn cản xâm nhập vào hệ thần kinh, chẳng hạn như giải độc trao đổi chất. Tiếp xúc quá nhiều với một số loại pyrethroid nhất định có thể dẫn đến kích ứng da ở những người nhạy cảm.

admin

thuốc diệt muỗi