Determinación del potencial insecticida y repelente de mezclas de constituyentes químicos bioactivos presentes en aceites esenciales para el control de Tribolium castaneum

Abstract

Tribolium castaneum is a cosmopolitan insect considered one of the most aggressive warehouse pests because it causes considerable losses in different stored grains. Considering that several of these foods have been classified as essential to guarantee food security worldwide, efficient control of this pest insect is necessary. Currently, this control is carried out mainly with synthetic insecticides, which have had negative impacts on human health and the environment; in addition to the emergence of generations of resistant insects. In the search for new safe and effective control alternatives, natural products have played a crucial role in the last decades. Particularly, essential oils (AEs) have the highest number of reports of insecticidal activity on different warehouse pests. However, because AEs are complex mixtures of different volatile compounds, it is difficult to assume which compounds could be responsible for the activity. For this reason, in this study it was proposed to evaluate the insecticidal activity of pure volatile compounds commonly found in AEs, in order to establish its possible relationship with the activity on T. castaneum. For this purpose, 49 major and most frequent compounds in promising AEs identified in previous studies carried out in the research groups in Chemistry of Bioactive Natural Products (QuiProNaB) and the research group in Phytochemistry at the Javeriana University (GIFUJ) were selected; as well as others reported in the literature. Initially, a screening by fumigant mode of action of the 49 compounds was carried out, where it was found that 25 of these, exhibited high insecticidal potential against the weevil. The promising compounds were evaluated for its insecticidal activity by four modes of action: fumigant, toxic by contact, repellent and food deterrence; for the first two, the mean concentrations and doses were determined respectively (LC50, LD50). Among the results obtained, it was found that due to the fumigant mode of action, the R and S enantiomers of pulegone had the greatest insecticidal potential with LC50 less than 3 ppm. While in contact toxicity, S-(+)-carvone showed an activity comparable to the positive control with an LD50 of 4.17 μg / insect. Likewise, for the promising compounds, the repellency classes

(0 and V) and the food deterrence indices were established; These results showed that the evaluated compounds presented a lower activity potential for these modes of action compared to fumigant and contact toxic activity. Additionally, from the obtained results in the previous phase, the compounds with the highest insecticidal potential were selected to design binary mixtures in order to get a synergistic effect for insect control. To accomplish this, a statistical model of combination indices was used to design combinations with possible toxic activity fumigant and contact. The binary mixtures were prepared and the activity against the insect was evaluated. It was found that 8 from 15 fumigant mixtures designed from the statistical model, showed some type of synergism, the most promising was obtained from compounds with low or moderate individual activity. For example, the combination of 4-undecanone and ρ-cimero showed the best synergistic results with a combination index (CI) of 0.39. On the other hand, in the case of toxic contact mixtures, the synergism results predicted by the mathematical model were not obtained in in vitro tests. Finally, the mixtures with the highest insecticidal potential underwent a preliminary stability study evaluating some of their physicochemical properties; as well as biological activity at different times. The results of this study allow us to suggest some compounds and combinations that could be used in the formulation of insecticides of botanical origin.

Tribolium castaneum es un insecto cosmopolita considerado una de las plagas de almacén más agresivas debido a que causa de considerables pérdidas en diferentes granos almacenados. Teniendo en cuenta que varios de estos alimentos han sido catalogados como indispensable para garantizar la seguridad alimentaria a nivel mundial, se hace necesario el control eficiente de este insecto plaga. Actualmente este control se realiza principalmente con insecticidas sintéticos, los cuales han presentado impactos negativos sobre la salud humana y el medio ambiente; además del surgimiento de generaciones de insectos resistentes. En la búsqueda de nuevas alternativas de control que puedan ser inocuas y eficaces, los productos naturales han jugado un papel crucial en las últimas décadas. Particularmente, los aceites esenciales (AEs) poseen el mayor número de reportes de actividad insecticida sobre diferentes plagas de almacén. Sin embargo, debido a que los AEs son mezclas complejas de diferentes compuestos volátiles se hace difícil presumir que compuestos podrían ser los responsables de la actividad. Por esta razón, en el presente estudio se planteó evaluar la actividad insecticida de compuestos volátiles puros comúnmente encontrados en AEs, a fin de establecer su posible relación con la actividad sobre T. castaneum. Para este fin, se seleccionaron 49 compuestos mayoritarios y más frecuentes en AEs promisorios identificados en estudios previos realizados en los grupos de investigación en Química de Productos Naturales Bioactivos (QuiProNaB) y el grupo de investigación en Fitoquímica de la Universidad Javeriana (GIFUJ); así como otros reportados en la literatura. Inicialmente se realizó un tamizaje por modo de acción fumigante de los 49 compuestos, con lo que se encontró que 25 de estos exhibieron alto potencial insecticida frente al gorgojo. A los compuestos promisorios se les evaluó la actividad insecticida por cuatro modos de acción: fumigante, tóxica por contacto, repelente y disuasión alimentaria; para las dos primeras se determinaron las concentraciones y dosis medias respectivamente (CL50, DL50). Dentro de los resultados obtenidos se encontró que por el modo de acción fumigante los enantiómeros R y S de la pulegona presentaron el mayor potencial insecticida con CL50 menores a 3 ppm. Mientras que en la toxicidad por contacto la S-(+)-carvona presentó una actividad comparable al control positivo con una

DL50 de 4,17 μg/insecto. Asimismo, para los compuestos promisorios se establecieron las clases de repelencia (0 y V) y los índices de disuasión alimentaria; estos resultados mostraron que los compuestos evaluados presentaron un menor potencial de actividad por estos modos de acción en comparación con la actividad fumigante y tóxica por contacto. Adicionalmente, a partir de los resultados obtenidos en la fase anterior se seleccionaron los compuestos con el mayor potencial insecticida para diseñar mezclas binarias en busca de obtener un efecto sinergista para el control del insecto. Para ello, se empleó un modelo estadístico de índices de combinación para diseñar combinaciones con posible actividad fumigante y tóxica por contacto. Las mezclas binarias fueron preparadas y se evaluó la actividad frente al insecto. De allí encontramos, que de las 15 mezclas fumigantes diseñadas a partir del modelo estadístico 8 mostraron algún tipo de sinergismo, siendo las más promisorias aquellas que se obtuvieron a partir de compuestos con baja o moderada actividad individual. Por ejemplo, la combinación de 4-undecanona y ρ-cimero mostró los mejores resultados de sinergismo con un índice de combinación (IC) de 0,39. Por otro lado, en el caso de las mezclas tóxicas por contacto no se lograron obtener en los ensayos in vitro los resultados de sinergismo predichos por el modelo matemático. Finalmente, a las mezclas con el mayor potencial insecticida se les realizó un estudio de estabilidad preliminar evaluando algunas de sus propiedades fisicoquímicas; así como la actividad biológica a diferentes tiempos. Los resultados de este estudio permiten sugerir algunos compuestos y combinaciones que podrían ser utilizadas en la formulación de insecticidas de origen botánico.