General Introduction To Pesticides And Insecticide Resistance Management PDF

General Introduction to Pesticides and Insecticide Resistance Management Dr. Ahmed Fathy Bedair Researcher at central agricultural pesticide laboratory (CAPL) Why Do Farmers Need Crop Protection Tools? Crop protectio...

General Introduction to Pesticides and Insecticide Resistance Management Dr. Ahmed Fathy Bedair Researcher at central agricultural pesticide laboratory (CAPL) Why Do Farmers Need Crop Protection Tools? Crop protection tools are vital for an abundant and reliable food supply. Each year, 20-40% of crops are lost even with the use of crop protection products. Without crop protection, these losses could be at least 50% more.. Pesticides Play a Key Role in Crop Protection Farmers use pesticides along with other tools to protect their crops and preserve their fields Safely Precisely Responsibly Right Place, Right Time, Right Instruction, Right Amount Precision Plays an Important Role When Applying Pesticides The United Nations Organization for Food and Agriculture (FAO) defines pesticides as any substance or mixture of substances intended for preventing, destroying or controlling any pest, including vectors of human disease or animal species not unwanted plants or animals that cause damage or otherwise interfere in the production, processing, storage, transport or marketing of food, agricultural products, wood and wood products or animal feeds or which may be administered to animals for the control of insects , arachnids or other pests in or on their bodies. This diagram shows how different types of control strategies could impact a pest population. Control 1 doesn't reduce the population as much as control 2, but last a bit longer in its effectiveness. Combining both controls may have an even greater effect in reducing pest population.  Types of Pesticides Used in Agriculture Herbicides – Protect crops against weed competition Insecticides – Reduce crop losses from insect feedings Fungicides – Promote healthy plants and keep them free of diseases Pesticides can be organic or synthetic Source: http://ipm.ncsu.edu/safety/factsheets/pestuse.pdf  ‫‪ -2‬تقسيم المبيدات حسب الطريقة التي يصل بها المبيد إلى اآلفة‬ ‫ سموم معدية ‪ : Stomach poisons‬تستعمل هذه الموواد لققاواع ىقوى الحتورات‬ ‫ذات أجزاع الفم القارض مثل الحترات التابعة لرتبة حرتفية األجنحة ‪Lepidoptera‬‬ ‫ سموم بالمالمسة ‪ : Contact poisons‬وهذه تؤثر ىقى اآلفات وتقاي ىقيها ىنود‬ ‫مالمستها لآلفة من الخارج حيث لها القودر ىقوى النفواذ مون خوالل الكيوتيكول والثغوور‬ ‫التنفسية الى داخل الجسم الحترات ثم قتقها ‪.‬‬ ‫ سموم جهازيه ‪ :Systemic insecticides‬وهذه المواد ىند رتها ىقوى األجوزاع‬ ‫الخارية لقنبات فإن النبات يمتصها وتسور فوي ىصوارته التوي تصوب سوامه بالنسوبة‬ ‫لآلفات المراد مكافحتها بينما تكون غير سامه لقنبات‬ ‫ الغازات واألبخر ‪ : gases and Fumigants‬يتم فوي هوذه الطريقوة اسوتعمال‬ ‫المبيدات في الصور الغازية مثل بروميد الميثيل‬  ‫‪ : Repellents‬هي مواد كيائيه يهدف استعمالها الى طرد‬ ‫المواد الطارد‬ ‫الحترات وابعادها ىن المكان المعامل سواع كان ذلك في المحاصيل او الحيوانات‬ ‫ مانعات التغذية ‪ : Antifeedants‬وهذه مواد إذا ىومل بها العائل النباتي فإن‬ ‫الحترات ترفض التغذية ىقيه تماما ‪ ,‬ىقى الرغم من ان هذا العائل يكون مفاال لها‬ ‫كثيرا في حالة غياب تقك الماد ‪.‬‬ ‫ المواد الجاذبة ‪ Attractants:‬وهي مواد ذات رائحة تجوذب الحتورات إليهوا تواو‬ ‫هذه المواد في مصائد ويمكن قتقهوا بسوهوله ‪ ,‬وتكوون اغقوب الموواد الجاذبوة ىبوار ىون‬ ‫زيوت طياره كزيت الخردل وزيت الصنوبر ‪ ,‬أو تكون ىبا ره ىون كحوو ت واسوترات‬ ‫ناتجة ىن تخمر بعض المحاليول السوكرية والعسول ‪.‬ويجوب أ ننسوى فوي هوذا المجوال‬ ‫الجاذبات الجنسية ‪ Sex Attractants‬التوي ىون طريقهوا يمكون جوذب احود جنسوي‬ ‫الحتر أو كقيهما داخل المصائد ثم إىدامه‪.‬‬  ‫‪ -3‬تقسيم المبيدات حسب طريقة تأثيرها ‪Mode of action‬‬ ‫‪ – 1‬مواد تؤثر بخواصها الطبيعية ‪Physical Poisons‬‬ ‫استخدام زيوت معدنية – استخدام مساحيق مواد معدنية ناىمة جدا تعمل ىقى إزالة الطبقة التمعية التي‬ ‫تغطي جدار الجسم فيفقد الماع من الحتر وتموت بالجفاف‬ ‫‪ – 2‬سموم تؤثر ىقى البروتوبالزم ‪Protoplasmic Poisons‬‬ ‫(مواد تسبب ترسيب أو تجقط البروتوبالزم مثل الزرنيخيت و الزرنيخات والفقسقيكات والفقوالومينات)‬ ‫‪ – 3‬السموم التنفسية ‪Respiratory Poisons‬‬ ‫(غاز الهيدروسيانيك وغاز ثاني كبريتور الكربون حيث توقف تنفس الخاليا ألنها تتحد م األنزيمات‬ ‫التي تساىد ىقى استعمال األوكسجين)‬ ‫‪ – 4‬سموم ىصبية ‪ nerve Poisons‬تؤثر في الجهاز العصبي منها ‪:‬‬ ‫الهيدروجينات المكربنة المكقور (‪) DDT‬‬ ‫الهيدروجينات المكربنة األروماتية واألليفاتية (نفثالين – كيروسين – جازولين)‬ ‫مواد مستخرجة من النبات (بيرثرين – نيكوتين)‬ ‫مركبات فوسفور ىاوية‬ ‫مواد مثل ثاني كبريتور الكربون – األنيقين‬ ‫‪ – 5‬السموم العامة ( ثيوسيانات ىاوية – روتيون)‬  ‫‪ -4‬تقسيم المبيدات حسب تركيبها الكيماو ومصدرها‬ ‫‪ – 1‬مركبات غير ىاوية ‪Inorganic Compounds‬‬ ‫مثل مركبات الزرنيخ والفقور التي تؤثر ىقى البروتوبالزم‬ ‫‪ – 2‬مركبات ىاوية ‪Organic Compounds‬‬ ‫وهذه تنقسم إلى مجامي منها ‪:‬‬ ‫أ – مبيدات فوسفورية ىاوية ( ‪ : ) OP‬مالثيون – دورسبان – تمارون – أكتيقيك –‬ ‫كوراكرون –باسودين – ريقدان – برفكثيون‬ ‫ب – مبيدات كقورينية ىاوية ( ‪) OC‬‬ ‫ج – مبيدات كاربامات ( ‪ : ) C‬منها– نيت‬ ‫د – مبيدات دايثيوكاربامات ‪ :‬مانيب – مانكوزيب – دياثين م – كوبروزان – جالبين‬ ‫نحاس – ريدوميل مانكوزيب‬ ‫ه – مبيدات البيروثريدات ( ‪ : ) SP‬سومي ألفا – بستوكس – فاستاك – كندو –ميوثرين‬ ‫– سيمبوش – ديسيس‬ ‫ى – مبيدات مسيقة لقدم ‪ :‬راكومين – رات كيقر‬  ‫مستحارات المبيدات‬ ‫مستحار المبيد‪ :‬هو ىبار ىن ناتج ىمقية تجهيز الماد الفعالة‬ ‫‪ Active Ingredient‬في أفال صور ألداع الغرض منها‪.‬‬ ‫الماد الخامقة أو المساىد ‪ :‬وهى ىبار ىن مواد تااف إلى الماد‬ ‫الفعالة لتجهيز المستحار النهائي لقمبيد وهذه المواد ليس لها تأثير‬ ‫ىقى اآلفة‬  formulation active ingredient (a.i.) inert ingredient carrier & adjuvants Carriers are materials mixed with an active ingredient to make the product safer to handle easier to apply or better suited for storage. (water, oil, solvents, talc, clay, walnut shells, or corn cob bits) Adjuvants are added to pesticide formulations to increase their effectiveness.  ‫أو ‪ :‬المستحارات السائقة ‪Emulsifiable concentrate‬‬ ‫صور‬ ‫العيوب‬ ‫المميزات‬ ‫الوصف‬ ‫ىاد ما يكون تركيزها ىاليا‬ ‫سهقة التداول والنقل‬ ‫‪- Liquid‬‬ ‫يحتاج القائمون بالخقط لمالبس‬ ‫والتخزين‬ ‫‪formulation‬‬ ‫أكثر وقاية من تقك التي يحتاجها‬ ‫يمكن استخدامها م معظم‬ ‫‪- Oil‬‬ ‫المطبقون‬ ‫أنواع آ ت الرش‬ ‫‪based‬‬ ‫احتمال زياد أو انخفاض الجرىة‬ ‫تحتاج لققيل من الرج لوىاع‬ ‫‪emulsion‬‬ ‫نتيجة ألخطاع الخقط والمعاير‬ ‫تترسب‬ ‫الرتاتة ألنها‬ ‫قد تتسبب في السمية النباتية‬ ‫تتسبب في تأكل الوىاع أو‬ ‫لقمحاصيل حتوائها ىقى مذيبات‬ ‫البتبورى‬ ‫سهولة امتصاصها ىبر الجقد‬ ‫تتسبب في انسداد‬ ‫احتمال تأثير المذيبات ىقى‬ ‫المرتحات أو البتابير‬ ‫المطاط والبالستيك والخراطيم‬ ‫‪...‬الخ‬ ‫قابقة لالتتعال‪.‬‬  ‫ثانيا‪ :‬المستحارات الجافة التي تخفف بالماع ‪Wettable Powder‬‬ ‫صور‬ ‫العيوب‬ ‫المميزات‬ ‫الوصف‬ ‫يحتاج القائمون بالخقط إلى مالبس أكثر‬ ‫سهقة التداول والنقل‬ ‫‪- Dry‬‬ ‫وقاية من تقك التي يستخدمها المطبقون‬ ‫والتخزين‪.‬‬ ‫‪formulation‬‬ ‫تحتاج إلى رج مستمر لوىاع الرتاتة‬ ‫يمكن استخدامها م‬ ‫‪- Fine‬‬ ‫وإ تعرات لقترسيب السري‬ ‫معظم آ ت الرش‬ ‫‪powder‬‬ ‫تحدث تأكل في البتابير والماخات‬ ‫سهقة القياس والخقط‬ ‫‪mixable‬‬ ‫يمكن ان تؤد إلى إنسداد الفالتر‬ ‫أقل سمية نباتية من‬ ‫‪with‬‬ ‫والبتابير‬ ‫المركزات المستحقبة‬ ‫‪water‬‬ ‫احتمال استنتاق المسحوق إثناع الخقط‬ ‫أقل قابقية‬ ‫احتمال تراكم الماد الخامقة ىقى‬ ‫لالمتصاص ىبر‬ ‫المحصول وارور إزالتها قبل‬ ‫الجقد من المركزات‬ ‫التسويق‪.‬‬ ‫المستحقبة‬ ‫ثالثا‪ :‬المستحارات القابقة لقتدفق )‪Suspension Concentrate (SC‬‬ ‫صور‬ ‫العيوب‬ ‫المميزات‬ ‫الوصف‬ ‫يحتاج القائمون بالخقط إلى مالبس‬ ‫سهقة التداول والنقل‬ ‫‪- Liquid‬‬ ‫أكثر وقاية من تقك التي يستخدمها‬ ‫والتخزين‪.‬‬ ‫‪formulation‬‬ ‫المطبقون‬ ‫يمكن استخدامها م‬ ‫‪- Water‬‬ ‫تحتاج إلى رج الوىاع‪/‬العبو قبل‬ ‫معظم آ ت الرش‬ ‫‪based‬‬ ‫ا ستخدام لامان تمام الخقط‬ ‫سهقة القياس والخقط‬ ‫‪suspens‬‬ ‫تحدث تأكل في البتابير والماخات‬ ‫أقل سمية نباتية من‬ ‫‪ion‬‬ ‫إلى إنسداد الفالتر‬ ‫يمكن ان تؤد‬ ‫المركزات المستحقبة‬ ‫والبتابير‬ ‫أقل قابقية لالمتصاص‬ ‫إحتمال استنتاق المسحوق إثناع‬ ‫من‬ ‫الجقد‬ ‫ىبر‬ ‫الخقط‬ ‫المركزات المستحقبة‬ ‫احتمال تراكم الماد الخامقة ىقى‬ ‫إزالتها قبل‬ ‫المحصول وارور‬ ‫التسويق‪.‬‬  When you combine mixtures of two or more pesticides and/or fertilizers at the time of application, you create a tank mix. Incompatibility Incompatibility is a condition that prevents pesticides from mixing together properly to form a uniform solution or suspension. Always evaluate a tank mixture by performing the compatibility test. Sometimes tank mixes seem compatible during testing And after mixing in the spray tank, but problems arise during application. This is known as field incompatibility. The temperature of the water in the tank can cause this problem. It could also be due to water impurities. Water pH (acidity vs. alkalinity) also may unexpectedly change for some unknown reason. Sometimes the amount of time the spray mixture has been in the tank causes field incompatibility. ‫االستخدام األمن للمبيدات والبطاقة‬ ‫االستداللية‬ Pesticides are used to control agricultural pests and their correct application is the most accepted and effective for maximum production and quality of crops The increasing use and improper handling of these substances have raised concerns about the risks and damage that could result in the economy, the environment and public health September 27, 1962, December 4, 1970. ‫البطاقة ا ستد لية ىقى وىاع المبيد هوي المصودر الرئيسوي لقمعقوموات‬ ‫ىن المنتج‪.‬وتتامن البطاقة كل المعقومات الارورية‪:‬‬ ‫ا سم التجار ‪ ،‬الماد الفعالة وتركيزها‪،‬‬ ‫المحاصيل واآلفات التي تم تسجيل المبيد من أجقها والجرىات المستخدمة‬ ‫والسمية واحتياطات األمان‬ ‫وفترات ما قبل الحصاد (آخر معالجة)‬ ‫وتاريخ انتهاع الصالحية واسم التركة المصنعة واسم المستورد‪.‬‬  ‫ا سم الكيميائي‪ :‬يطقق ىقى كل ماد فعالة اسم كيميائي يصف تركيبها الفعقي‪.‬‬ ‫وغالبا ما يكون ا سم الكيميائي طويال ومعقدا‪.‬وقد يظهر ىقى البطاقة ا ستد لية‬ ‫لقعبو بين قوسين‪.‬‬ ‫ا سم التائ ‪ :‬يطقق ىقى كل ماد فعالة اسم معروف دوليا ويسهل استخدامه وتذكره‬ ‫ىن ا سم الكيميائي‪.‬وىاد ما يتير ا سم العام إلى نفس الماد الفعالة بغض النظر‬ ‫ىن التركة المصنعة لقمنتج‪.‬ويظهر ا سم العام ىقى البطاقة ا ستد لية‪.‬‬ ‫ا سم التجار ‪ :‬تطقق التركة المصنعة لقمبيد اسما خاصا لمنتجها الذ يحتو ىقى‬ ‫ماد فعالة معينة‪.‬وهذا هو ا سم التجار الذ يظهر بحروف مطبوىة وااحة‬ ‫ىقى البطاقة ا ستد لية‪.‬‬  Insect Resistance Experts estimate that there are over 500 species of insects and mites known to be resistant to at least one class of pesticide. Every major agricultural crop and ornamental has one or more resistant pests. In addition to synthetic chemicals, pests can develop resistance to insecticidal soaps, B.t. and even pheromone disruption. 39 Pesticide Resistance Pesticide resistance can be defined as the ability of an insect, fungus, weed, rodent, or other pest to tolerate a pesticide that once controlled it. Resistance develops because intensive pesticide use kills the susceptible individuals in a population, leaving only the resistant ones to reproduce. Initially, higher labeled rates and more frequent applications are needed to ontrol resistant pests. Why resistance is important? 1. Many insects are becoming resistant 2. Resistance is costly 3. Insecticide resistance limits management options 4. Resistance causes more environmental pollution 5. Farmers may lose benefits 6. Increase in harmful insecticides What is an Insecticide’s ‘Mode of Action’? The Mode of action defines the process of how an insecticide works on an insect at the molecular level Why know the Mode of Action of Insecticides? The Key To Managing Resistance (target site)  How do neurotransmitters work? You have billions of nerve cells in your body. Nerve cells are generally made up of three parts: A cell body. The cell body is vital to producing neurotransmitters and maintaining the function of the nerve cell. An axon. The axon carries the electrical signals along the nerve cell to the axon terminal. An axon terminal. This is where the electrical message is changed to a chemical signal using neurotransmitters to communicate with the next group of nerve cells, muscle cells or organs. Action potential What are neurotransmitters? Neurotransmitters are chemical messengers that your body can’t function without. Their job is to carry chemical signals (“messages”) from one neuron (nerve cell) to the next target cell. The next target cell can be another nerve cell, a muscle cell or a gland.  What action or change do neurotransmitters transmit to the target cell? Neurotransmitters transmit one of three possible actions in their messages, depending on the specific neurotransmitter. Excitatory: Excitatory neurotransmitters “excite” the neuron and cause it to “fire off the message,” meaning, the message continues to be passed along to the next cell. Acetylcholine Inhibitory. Inhibitory neurotransmitters block or prevent the chemical message from being passed along any farther. Gamma-aminobutyric acid (GABA), glycine and serotonin are examples of inhibitory neurotransmitters. Modulatory. Modulatory neurotransmitters influence the effects of other chemical messengers. They “tweak” or adjust how cells communicate at the synapse. They also affect a larger number of neurons at the same time. Target site of main insecticide groups Insecticide classes & modes of action Inhibitory post-synaptic potential (IPSP) Inside cell Outside Cell A- Inhibitory post-synaptic Potential K+ K+ 0mV (IPSP) Na+ Na+ Chloride channel in membrane -70mV Cl- Influx of Cl- Cl- Chloride channel chloride ions opens Intracellular recording  Receptor GABA Hyperpolarizes Cl- Cl- membrane potential Inhibition Closed Open ion channel GABA activation stimulates chloride influx: Hyperpolarizes the neuron (resting potential becomes more negative) More depolarization necessary to initiate action potential. Makes it more difficult to stimulate the neuron with excitatory neurotransmitters  Mode of action emamectin benzoate Bind to chloride channel Stimulation of GABA (either glutamate-gated or GABA receptor) level More GABA binds to GABA receptors Chloride channels open Increased chlorine permeability Hyperpolarization of the cells Action potential less likely occur Reduction in motor activity and paralysis  B. Thuringiensis Toxins B. thuringiensis produces Two Types of Toxins Insecticidal Crystal Protein (ICP) Produced During Sporelation (Cry1a, Cry1b, …..etc) Vegetative Insecticidal Protein (VIP) Produced During the Vegetative Cell Growth (Vip3A, Vip2A…) Bacillus thuringiensis on Focus Insecticidal crystals Spores Vegetative cells Bipyramidal shape characteristic of proteins affecting lepidotpera larvae  Domain I : Equipped for Pore Formation in Insect Epithelial membrane Domain II : Responsible for Receptor Recognition (binding) Domain III : Protect the toxin from further degradation during proteolytic processing Honee et al. (1993) & Vontersch et al.(1994)  Schematic diagram of Cry toxins Interactions (a) After ingestion by the insect, crystals dissolve in the gut juice  Mode of action of Cry toxins (b) Gut proteases subsequently clip off the C-terminal extension in the longer Cry proteins as well as a small N-terminal fragment.  Mode of action of Cry toxins (c) The Resulting ‘Activated’ Toxin Binds to Receptors on the Epithelial cell Membrane  Mode of action of Cry toxins (d) Structural rearrangement of “domain I” might follow allowing a two-helix hairpin to insert into the membrane.  Mode of action of Cry toxins (e) Inserted toxins form pores, but the architecture of the pore is still unknown.  INSECTICIDES THAT TARGET THE INSECT NERVOUS SYSTEM Sodium Channels Acetylcholine System Chloride Channels Pyrethrins & Pyrethroids Organophosphates (OPs) Phenylpyrazole and Carbamates. (Fipronil) delaying the rate at which inhibiting the (AchE) blocking the GABA they close, or turn off. receptor overstimulation of the nerve nerve firing cell uncontrolled nerve firing Oxadiazines (indoxacarb) Neonicotinoids Avermectins completely blocks bind to the Ach receptor sodium ion flow into for very long periods Stimulate chloride nerve cells minutes or greater channels appear paralyzed and are inactivation of nerve cells and a incapable of movement. nerve hyper-stimulation loss of neurological function. similar to indoxacarb  INSECTICIDES THAT DO NOT TARGET THE INSECT NERVOUS SYSTEM Muscular Calcium Channel Toxins Insect Growth Regulators Diamide (chlorantraniliprole) Juvenile Hormone Analogs fenoxycarb stimulate muscular calcium channels, causing uncontrolled calcium release and resultant Chitin Synthesis muscle contractions Inhibitors noviflumuron Early stages of diamide exposure in insects appear as rigid or "contractile" paralysis. In later stages of exposure symptoms are very similar to inhibitory neurotoxins like the oxadiazines & avermectins. Resistance mechanisms, Metabolic resistance Resistance mechanisms, Target site resistance Cross resistance Multiple resistance  Mode of Action Classification All products have been assigned to groups based on their mode of action: – i.e. pyrethroids are Group 3; Neonicotinoids are Group 4A, Spinosad is Group 5, Diamides are Group 28 Product labels include the number corresponding to the mode of action group. The aim is to help product users make better decisions such as product rotations or tank mixing.  IRM Implementation Key Groups IRAC Industry Insecticides or Traits University EPA 97  Integrated Pest Management (IPM) A pest management strategy that utilizes a wide range of pest control methods or tactics. The goal of this strategy is to prevent pests from reaching economically damaging levels (ET) with the least risk to the environment. Once a pest is at or above the action threshold, the technician should implement a full range of IPM strategies to control the pest. The more that you know about a pest, the easier and more successful pest management becomes