La infestación por insectos plaga es una de las causas principales de pérdidas cuantitativas y
cualitativas en el área de productos alimenticios almacenados (granos y productos derivados),
tanto por sus daños directos como los indirectos. Los gorgojos Sitophilus oryzae L. (Coleoptera,
Curculionidae) y Lasioderma serricorne F. (Coleoptera, Anobiidae) son dos de los principales
protagonistas en el ataque de alimentos durante las fases de producción o en las subsiguientes
etapas de distribución y almacenamiento. Entre las prácticas comunes para prevenir su
infestación, se incluyen el empleo diversos insecticidas sintéticos. Sin embargo, el uso excesivo
de estos productos ha provocado el recrudecimiento de la resistencia en insectos plaga,
problemas en la salud humana y efectos adversos en el medio ambiente y en organismos no
blanco. En este sentido, los bioinsecticidas basados en aceites esenciales (AEs) se muestran
como una alternativa segura, de bajo costo y ambientalmente viable. En el presente trabajo se
propuso desarrollar nanopartículas poliméricas (NPs) cargadas con AEs y evaluar los efectos
letales y subletales en S. oryzae y L. serricorne y determinar su perfil ecotoxicológicos al
investigar sus efectos en organismos no blanco acuáticos (Artemia salina L. (Anostraca,
Artemiidae), terrestres (Tenebrio molitor L. (Coleoptera, Tenebrionidae) y Blaptica dubia Serville
(Blattodea, Blaberidae) y en células de mamíferos del tipo osteoblástico.
En consecuencia, se evaluó la actividad insecticida de los AEs de menta (Mentha piperita L. -
Lamiaceae), palmarosa (Cymbopogon martinii (Roxb.) Wats - Poaceae), geranio (Geranium
maculatum L. - Geraniaceae), lavanda (Lavandula angustifolia Mill. - Lamiaceae), orégano
(Origanum vulgare L. - Lamiaceae), laurel (Laurus nobilis L. - Lauraceae) y árbol de té (Malaleuca
alternifolia Maiden y Betche - Myrtaceae). En primera instancia, por cromatografía gaseosa
acoplada a espectrometría de masas (CG-EM) se obtuvo la composición química de los AEs, en
la cual se observó que en la mayoría de los casos los componentes mayoritarios fueron los
monoterpenos (≈60%) y sesquiterpenos (≈30%), seguidos de hidrocarburos aromáticos, ácidos
carboxílicos y derivados (≈5-10%). En cuanto a la actividad insecticida por exposición a
superficies tratadas, se observó que en S. oryzae los aceites de geranio y palmarosa fueron los
más efectivos, mientras que en L. serricorne, el AE de palmarosa fue el que generó la mayor
actividad. Por exposición a vapores, en S. oryzae, el aceite de árbol de té fue el que produjo
mayor toxicidad y en L. serricone, el AE de geranio. Además, se estudió el efecto combinado de
un insecticida sintético con los AEs, observándose que en S. oryzae, la combinación β cipermetrina y los AEs de geranio, palmarosa, orégano y laurel tuvo mayor efecto tóxico
respecto a los compuestos individuales; en L. serricorne, la combinación de β-cipermetrina y los
AEs de menta, lavanda y orégano fue más efectiva que la aplicación de los compuestos libres.
A través del método de fusión-dispersión se obtuvieron las NPs de PEG-6000 cargadas con AEs
con un rango de tamaños entre 191 y 534 nm, siendo las NPs cargadas con aceite de palmarosa,
árbol de té, geranio y orégano las más pequeñas. El análisis del índice de polidispersión (IPD)
indicó que las NPs de palmarosa, geranio, orégano y laurel fueron monodispersas (IPD<0,25), las
NPs de lavanda y árbol de té tuvieron una distribución variable de tamaños (0,25<IPD<0,4),
mientras que las NPs de menta fueron polidispersas (IPD>0,4). Con respecto a la eficiencia de
cargado (EC), todas las NPs tuvieron una EC>70%. Las NPs de palmarosa, geranio, orégano, laurel
y árbol de té mostraron una EC cercana al 90%, mientras que las NPs de menta y lavanda con
valores de EC cercanos al 75%. Un total de 29 componentes fueron identificados por CG-EM en
la fase éter de extracción de las NPs poliméricas, reconociéndose monoterpenos (≈73%),
sesquiterpenos (≈21%) e hidrocarburos aromáticos (≈7%).
En cuanto a la actividad insecticida de las NPs, por exposición a superficies tratadas, en S. oryzae,
las NPs cargadas con aceite de orégano fueron las más efectivas, potenciando la toxicidad del
aceite 7,51 veces; en L. serricone, las NPs elaboradas con los aceites de orégano y geranio fueron
las que promovieron mayor toxicidad, potenciando la bioactividad de los AEs 3,58 y 3,30 veces,
respectivamente. Cabe resaltar que las NPs de orégano fueron 2 veces más tóxica que el
insecticida piretroide. En cuanto a la actividad por exposición a vapores, ninguna de las NPs
generó toxicidad en S. oryzae y L. serricorne. Los porcentajes de mortalidad luego de la
exposición a una combinación de β-cipermetrina y las NPs mostró que en S. oryzae, la
combinación del insecticida con las NPs de palmarosa, geranio, orégano, lavanda y laurel fueron
más efectivas que los productos aplicados individualmente; para L. serricorne, este efecto fue
corroborado con la combinación del insecticida y de las NPs de menta, palmarosa, geranio y
orégano.
En cuanto a los efectos subletales, las NPs potenciaron la actividad repelente de los AEs, siendo
las formuladas con los aceites de menta, palmarosa (72 h) y orégano (60 h) las más efectivas en
S. oryzae y L. serricorne. Además, se evaluaron los efectos conductuales de los AEs y sus NPs en
ambos insectos, por medio del estudio de variables como la distancia total recorrida y velocidad
(de 0 a 96 horas pos-tratamiento). En S. oryzae, los AEs de geranio y árbol de té y sus NPs fueron
los más efectivos al modificar las variables hasta las 48 y 72 h post-tratamiento. En L. serricorne,
los AEs de geranio, lavanda, orégano, laurel y árbol de té modificaron las variables durante 24
h, mientras que las NPs de geranio, lavanda, orégano y árbol de té extendieron sus efectos hasta
las 48 y 72 h post-tratamiento. Por otro lado, los AEs y sus NPs modificaron los índices
nutricionales de ambos insectos luego de 72 h de exposición. Los AEs de geranio y orégano y sus
NPs fueron las que produjeron mayores alteraciones al disminuir los índices TCR, TRC y ECAI.
Con el objetivo de obtener valores de referencia sobre la toxicidad de los AEs y sus NPs en
ambiente acuáticos, se seleccionó al insecto plaga de interés sanitario Culex pipiens pipiens L.
(Diptera, Culicidae) como representante de este tipo de medio. Tales valores fueron utilizados
para comparar los efectos de estos productos sobre A. salina. En larvas IV de Cx. p. pipiens los
AEs de orégano y laurel y las NPs de geranio y orégano fueron selectivas para este organismo.
Se demostró que los AEs y sus NPs fueron ligeramente tóxicas en A. salina, específicamente, los
AEs y sus NPs tuvieron valores de CL50 en un rango entre 11,38 y 77,37 ppm siendo las NPs de
árbol de té el tratamiento con mayor efecto tóxico (11,38 ppm). Además, los AEs y sus NPs,
demostraron ser prácticamente no tóxicos para larvas de T. molitor y ninfas de B. dubia, por lo
tanto, resultan ser un producto seguro para su aplicación en ambientes terrestres. Con respecto
a los estudios relacionados con las células de mamíferos de tipo osteoblástico, ninguna de las
NPs produjo citotoxicidad luego de 24 h de exposición; mientras que a las 48 h solo las NPs de
geranio y árbol de té fueron citotóxicas. Cabe destacar que a las 72 h las NPs de geranio
revertieron el efecto mencionado mientras que las elaboradas con el aceite de árbol de té lo
acentuaron. / Infestation by insect pest is one of the main causes of qualitative and quantitative losses in the
stored food area (cereals and cereal products), due to both direct and indirect damage. The
weevils such as Sitophilus oryzae L. (Coleoptera, Curculionidae) and Lasioderma serricorne F.
(Coleoptera, Anobiidae) are two of the most common species, which infest food during
production or in the subsequent stages of distribution and storage. Traditional methods to
prevent their infestation include the use of several synthetic insecticides. However, the overuse
of these products has led to an increase of pest resistance, human health problems, and harmful
effects on the environment and non-target organism. In this sense, bioinsecticides based on
essential oils (EOs) are a safe, cost effective and ecofriendly alternative. In the present work, it
was proposed to develop polymeric nanoparticles (PNs) loaded with EOs and evaluate their
lethal and sublethal effects against S. oryzae and L. serricorne. Moreover, the ecotoxicological
profile of the PNs was evaluated on aquatic (Artemia salina (L.)) and terrestrial (Tenebrio molitor
(L.) and Blaptica dubia (Serville)) non-target organisms and mammalian osteoblast cell.
The insecticidal activity of peppermint (Mentha piperita L. - Lamiaceae), palmarosa
(Cymbopogon martinii (Roxb.) Wats - Poaceae), geranium (Geranium maculatum L. -
Geraniaceae), lavender (Lavandula angustifolia Mill. - Lamiaceae), oregano (Origanum vulgare
L. - Lamiaceae), laurel (Laurus nobilis L. - Lauraceae) and tea tree (Malaleuca alternifolia Maiden
and Betche- Myrtaceae) EOs was evaluated. First, gas chromatography/mass spectrometry (GC MS) was used to determine the chemical composition of the EOs. Generally, the main
compounds of these oils were monoterpenes (≈60%) and sesquiterpenes (≈30%), followed by
aromatic hydrocarbons and carboxylic acids and their derivatives (≈5-10%).
In the bioassay by exposure to treated surface, geranium and palmarosa EOs were the most
effective on S. oryzae, while palmarosa EO had the strongest activity on L. serricorne. However,
in the assay by vapors exposure, tea tree oil produced the highest toxicity on S. oryzae and
geranium EO was the most toxic on L. serricorne. When the combination effect of β-
cypermethrin and EOs was studied, geranium, palmarosa, oregano or laurel EOs + β cypermethrin showed higher insecticidal activity than each individual oil on S. oryzae. On the
other hand, on L. serricorne the combination of β-cypermethrin and peppermint, lavender or
oregano was more effective than just the oils or the pyrethroid alone.
The PNs of PEG-6000 loaded with EOs were prepared by melt-dispersion method. Their size
ranged between 191 and 534 nm. Particularly the PNs of palmarosa, tea tree, geranium and
oregano were the smallest. The polydispersity index (PDI) showed that the palmarosa, geranium,
oregano and laurel PNs were monodisperse (PDI<0.25), the lavender and tea tree PNs had a
variable size distribution (0.25<PDI<0.4), whereas peppermint PNs were polydispersed
(PDI>0.4). According to loading efficiency (LE), the PNs presented LE values above 70%. The
palmarosa, geranium, oregano, laurel and tea tree PNs had LE ≈90%, whereas peppermint and
lavender PNs showed LE values of ≈75%. A total of 29 compounds were identified by GC-MS in
the ether phase of PNs. These compounds were monoterpenes (≈73%), sesquiterpenes (≈21%)
and aromatic hydrocarbons (≈7%).
In bioassay by exposure to treated surface, PNs loaded with oregano EO were the most effective
and increased 7.51 folds the insecticidal toxicity of the oil on S. oryzae; while on L. serricorne,
oregano and geranium PNs showed the highest toxicity and enhanced the EOs bioactivity 3.58
and 3.30 folds respectively. It is important to emphasize, that oregano PNs was two times more
toxic than the β-cypermethrin. In vapor exposure, the PNs haven’t shown insecticidal activity on
S. oryzae and L. serricorne. In addition, on S. oryzae, the combination of β-cypermethrin and
palmarosa, geranium, oregano, lavender or laurel PNs showed highest insecticidal activity than
β-cypermethrin or PNs alone. However, on L. serricorne, peppermint, palmarosa, geranium or
oregano PNs + β-cypermethrin were the most effective combinations.
According to the sublethal effects, PNs enhanced the repellent activity of the EOs, and the most
effective were peppermint, palmarosa (72 h) and oregano (60 h) PNs on S. oryzae and L.
serricorne. In addition, the effects of EOs and their PNs on the behavior of both insects were
evaluated by measuring total distance and walking speed variable (0 to 96 h post-treatment).
On S. oryzae, geranium and tea tree EOs and their PNs were the most effective and modified the
variables up to 48 and 72 h post-treatment. On L. serricorne, geranium, lavender, oregano, laurel
and tea tree EOs modified the variables for 24 h, whereas geranium, lavender, oregano and tea
tree PNs extended behavioral effects up to 48 and 72 h post-treatment. On the other hand, the
EOs and their PNs modified the nutritional physiology of both insects after 72 h of exposure.
Geranium and oregano EOs and their PNs produced the most important change in nutritional
physiology by decreasing RCR, RGR and ECI indices.
To obtain reference valuesfor the toxicity of EOs and their PNs in the aquatic environment, Culex
pipiens pipiens L. (Diptera, Culicidae) was selected as a model. These values were used to
compare the effects of these products on A. salina. According to selective index, oregano and
laurel EOs and geranium and oregano PNs showed more toxicity in the larvae IV of Cx. p. pipiens
than A. salina. EOs and their PNs were slightly toxic to A. salina, specifically, the EOs and their
PNs had LC50 values ranging from 11.38 to 77.37 ppm. Tea tree PNs was the treatment with
strongest toxic effect (11.38 ppm). In addition, the EOs and their PNs were practically non-toxic
to T. molitor larvae and B. dubia nymphs, making them safe for use in terrestrial environments.
In mammalian osteoblast cells, the PNs showed not cytotoxicity after 24 h of exposure, while
after 48 h only geranium and tea tree PNs were cytotoxic. It should be noted that after 72 h,
geranium PNs reversed this effect, whereas tea tree PNs enhanced it.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uns.edu.ar/oai:repositorio.bc.uns.edu.ar:123456789/6750 |
| Date | 27 March 2024 |
| Creators | Yeguerman, Cristhian Alan |
| Contributors | Werdin González, Jorge Omar, Murray, Ana Paula |
| Publisher | Universidad Nacional del Sur. Departamento de Biología, Bioquímica y Farmacia |
| Source Sets | Universidad Nacional del Sur |
| Language | Spanish |
| Detected Language | Spanish |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation, Text |
| Format | application/pdf |
| Rights | 2 |
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