Variability of pesticide residues in medium and large size vegetable crop units

Abstract

Variability of pesticide residues among food items is very important for consumer food safety evaluation and risk assessment. To estimate the residue variability of selected pesticides in individual food items of medium (eggplant) and large size vegetable commodities (cabbage, cauliflower and melon) an effective multi-residue method is required. Therefore, four multi-residue methods have been developed and validated by employing the quick, easy, cheap, effective, rugged, and safe (QuEChERS) extraction technique coupled with liquid chromatography-triple quadrupole mass spectrometry (LC-MS/MS) for the determination of thirteen pesticides in/on eggplant, ten pesticides in melon, and seven pesticides in/on cabbage and cauliflower, respectively. All the methods are simple, efficient, easy, accurate, and rapid. The average recoveries for all of the selected pesticides ranged from 71.8 to 112% with RSDr ≤ 16.2% for eggplant; 82 to 106% with RSDr ≤ 6% for melon; 80 to 110% with RSDr ≤ 16% for cabbage; 74-110% with RSDr ≤ 8% for cauliflower when processing samples of four fortification levels of 0.01, 0.05, 0.10 and 0.20 mg/Kg with all of the selected matrices except for eggplant for which the respective levels were 0.01, 0.05, 0.10 and 0.50 mg/Kg. The LOD values ranged from 0.001 to 0.003 mg/Kg for all the analytes. The LOQ was set at 0.01 mg/kg for all the analytes that was lower than the respective EU-MRLs. The correlation coefficients (R2) were ≥0.997 for all of the selected pesticides when matrix matched calibration standards were used. Matrix effects of eggplant, melon, cabbage and cauliflower for all the selected pesticides were estimated in this study. The effect of the matrix was prominent in eggplant for thiamethoxam, cypermethrin and deltamethrin and it was -69%, +57% and +93%, respectively, in melon for thiamethoxam and deltamethrin and it was -53% and +135%, respectively, in cabbage for cypermethrin and deltamethrin and it was +49% and +97%, respectively, and in cauliflower for cypermethrin and deltamethrin and it was +90% and +145%, respectively. Variability is defined as the variation in concentrations of pesticide residues among individual units of any commodity. Variability factor is defined as the ratio between the 97.5th percentile of the residue levels and the mean of residue level of the same lot of a certain commodity. Variability factors are used in the acute dietary intake assessment of pesticides to account for the unit-to-unit residue variability in the composite samples.All the analytical methods were applied successfully for pesticide residue analysis of eggplant, melon, cabbage and cauliflower fruits collected from different market places in Thessaloniki, Greece for the purpose of estimating the respective residue variability factors of pesticide residues existing among items of these commodities. A total of 142 samples of eggplant were analyzed. Among the analyzed samples, 67 (47% of the total no. of samples) had pesticide residues, of which 9 had multiple pesticides residues and 58 had single pesticide residues. Only one sample was found contaminated with dimethoate at a level above the EU-MRLs (European Commission, 2005). In the case of melon, a total of 122 samples were analyzed. Among the analyzed samples, 32 (26% of the total no. of samples) had pesticide residues, of which 2 had multiple pesticide residues and 30 had single pesticide residues. None of the samples were found contaminated with the detected pesticide residues at levels above the EU-MRLs (European Commission, 2005 & European Food Safety Authority, 2014). A total of 132 fresh cabbage samples were analyzed. Among the analyzed samples, 41 (31% of the total no. of samples) had pesticide residues, of which 2 had multiple pesticide residues and 39 had single pesticide residues. Only one sample was found contaminated with deltamethrin at a level above the EU-MRLs (European Commission, 2005). In the case of cauliflower, a total of 120 samples were analyzed. Among the analyzed samples, 48 (40% of the total no. of samples) had pesticide residues. None of the samples were found contaminated with multiple pesticides residues. Only one sample was found contaminated with chlorpyrifos at a level above the EU-MRLs (European Commission, 2005). Variability of pesticide residues originating from the analyisis of eggplant and cauliflower individual fruit units collected from respective supervised field trials were also estimated in this study. In these supervised field trials, cypermethrin and deltamethrin in mixture at the recommended application rates were applied as the last pre-harvest application and samples were collected at the specified PHI (pre-harvest interval). The estimated variability factors for cypermethrin and deltamethrin residues were 2.38 and 2.32, respectively for the samples of cauliflower, while it was 2.54 and 2.51, respectively for the samples of eggplant. Comparison between the residue levels estimated from the individual units and the composite samples of eggplant and cauliflower were investigated and found that the mean residue levels of both pesticides were higher in the composite samples than the mean of residue levels estimated from the individual samples. In this study, the variation of cypermethrin and deltamethrin residue levels present in the exposed and non exposed (fruits covered with leaves) cauliflower units was also investigated and found that exposed cauliflower units bare higher concentrations of pesticide residues than those present in the cauliflower units covered with leaves (non-exposed). Furthermore, the variation of pesticide residue concentrations present in the upper and lower sections of individual cauliflower units was also investigated and it was found that most of the cypermethrin and deltamethrin residues were present in the upper portion of the cauliflowers units. Within plants of eggplant unit to unit residue variation was also studied. The results revealed that exposed units of eggplant fruits (fruits collected from the outer periphery of the plant) had higher residues for both pesticides compared to the non exposed units of eggplant (fruits collected from the inner section of the plant). The variability factors from the marketed samples of eggplant, melon, cabbage and cauliflower, respectively, were also estimated in this study. A total of 517 samples of 4 vegetables were collected from different market places of Thessaloniki in Greece. For eggplant, the estimated variability factors ranged from 1.00 to 7.09 with the detected pesticides; for melon, it was from 1.00 to 4.85; for cabbage, it was from 1.00 to 6.75, and for cauliflower, it was from 2.40 to7.12 with the detected pesticides. The average VFs for eggplant, melon, cabbage, and cauliflower were 3.89, 2.89, 5.00, and 5.11, respectively. Considering the commodity groups, the average VF for medium-sized crops was 3.89 while it was 4.33 for the large-sized crops. However, the average VF for all commodity crops was 4.11. Generally, the residue variability factors estimated from the marketed samples were higher than those found for the samples collected from the field trials. On the basis of the experimental data presented here a default VF value of 3 for field trials is adequately appropriate to be used in acute dietary intake assessment but for the marketed samples, a VF value should be reconsidered when more data are available, especially data concerning large-sized crops.

Η παραλλακτικότητα των υπολειμμάτων γεωργικών φαρμάκων μεταξύ τεμαχίων τροφίμων είναι πολύ σημαντική κατά την αξιολόγηση της ασφάλειας των τροφίμων και της επικινδυνότητας στον άνθρωπο. Για τον προσδιορισμό της παραλλακτικότητας των υπολειμμάτων επιλεγμένων γεωργικών φαρμάκων σε τεμάχια τροφίμων μεσαίου (μελιτζάνες) και μεγάλου μεγέθους λαχανικών (λάχανα, κουνουπίδια και πεπόνια) απαιτείται να είναι διαθέσιμη μία αποτελεσματική πολυδύναμος μέθοδος ανάλυσης των υπολειμμάτων. Για τον λόγο αυτό τέσσερες πολυδύναμες μέθοδοι ανάλυσης υπολειμμάτων αναπτύχθηκαν και επικυρώθηκαν εφαρμόζοντας την γρήγορη, εύκολη, φτηνή, αποτελεσματική, απόλυτη και ασφαλή (QuEChERS) τεχνική εκχύλισης συνδυασμένη με υγρή χρωματογραφία-φασματομετρία μάζας τριπλού τετραπόλου (LC-MS/MS) για τον προσδιορισμό 13 γεωργικών φαρμάκων επάνω/μέσα στις μελιτζάνες, δέκα φαρμάκων στα πεπόνια, και επτά φαρμάκων μέσα/επάνω στα λάχανα και κουνουπίδια, αντίστοιχα. Όλες οι μέθοδοι που αναπτύχθηκαν είναι απλές, αποτελεσματικές, εύκολες, ακριβής και γρήγορες. Οι μέσες τιμές των ανακτήσεων όλων των επιλεγμένων γεωργικών φαρμάκων κυμάνθηκαν από 71,8 με 112% με RSD (Σχετική τυπική απόκλιση)<16,2% για τις μελιτζάνες, 82 με 106% και RSD<6% για τα πεπόνια, 80 με 110% και RSD<16% για τα λάχανα και 74 με 110% και RSD<8% για τα κουνουπίδια όταν επεξεργάστηκαν δείγματα ανάκτησης σε τέσσερα επίπεδα (0,01, 0,05, 0,10 και 0,20 mg/Kg) για όλα τα επιλεγμένα λαχανικά εκτός από τις μελιτζάνες για τις οποίες τα αντίστοιχα επίπεδα ανάκτησης ήταν 0,01, 0,05, 0,10 και 0,50 mg/Kg. Οι τιμές των LOD (Όριο Ανίχνευσης, Level of Detection) κυμάνθηκαν από 0,001 με 0,003 mg/Kg για όλες τις ουσίες που αναλύθηκαν. Η τιμή του LOQ (Όριο ποσοτικού προσδιορισμού, Level of Quantification) τέθηκε στο 0,01 mg/Kg για όλες τις ουσίες το οποίο ήταν σε χαμηλότερο επίπεδο από τα αντίστοιχα επίπεδα των MRLs (Ανώτατα επιτρεπτά επίπεδα υπολειμμάτων γεωργικών φαρμάκων στα παραγόμενα γεωργικά προϊόντα, Maximum Residue Limits) της Ευρωπαϊκής Κοινότητας.Οι συντελεστές συσχέτισης των καμπυλών αναφοράς ποσοτικού προσδιορισμού ήταν (R2)>0,997 για όλα τα γεωργικά φάρμακα που επιλέχθηκαν, όταν τα διαλύματα των προτύπων ουσιών παρασκευάστηκαν με την χρησιμοποίηση διαλυμάτων εκχυλισμάτων των αντίστοιχων υποστρωμάτων. Οι επιδράσεις των υποστρωμάτων της μελιτζάνας, πεπονιού, λαχάνου και κουνουπιδιών, αντίστοιχα, στην ευαισθησία όλων των γεωργικών φαρμάκων που περιλαμβανόταν στην έρευνα υπολογίσθηκαν στο πλαίσιο της μελέτης αυτής. Η επίδραση του υποστρώματος της μελιτζάνας ήταν πολύ σημαντική στην ευαισθησία της μεθόδου κατά την ανάλυση του thiamethoxam, cypermethrin και deltamethrin κατά -69%, +57% και +93%, αντίστοιχα. Η επίδραση του υποστρώματος του πεπονιού είχε σημαντική επίδραση στην ευαισθησία του thiamethoxam και deltamethrin ανερχόμενη σε -53% και +135%, αντίστοιχα. Το υπόστρωμα του λαχάνου είχε σημαντική επίδραση στην ευαισθησία της cypermethrin και deltamethrin και ανήλθε σε +49% και +97%, αντίστοιχα. Τέλος το υπόστρωμα του κουνουπιδιού είχε σημαντική επίδραση στην ευαισθησία της cypermethrin και deltamethrin στα επίπεδα του +90% και +145%, αντίστοιχα.Παραλλακτικότητα έχει καθοριστεί ως η διακύμανση στη συγκέντρωση των υπολειμμάτων ενός γεωργικού φαρμάκου μεταξύ των τεμαχίων της ίδιας παρτίδας κάποιου γεωργικού προϊόντος. Ως παράγοντας παραλλακτικότητας (VF) καθορίσθηκε ο λόγος μεταξύ του 97,5% των επιπέδων των υπολειμμάτων κάποιας παρτίδας προς τον μέσο όρο των υπολειμμάτων της ίδιας παρτίδας του ίδιου προϊόντος. Οι παράγοντες παραλλακτικότητας χρησιμοποιούνται κατά την αξιολόγηση της έκθεσης του καταναλωτή μέσω της καθημερινής διατροφής ώστε να αντισταθμιστεί η παραλλακτικότητα των επιπέδων των υπολειμμάτων στις διάφορες μονάδες που συνιστούν το σύνθετο δείγμα.Ολες οι αναλυτικές μέθοδοι που αναπτύχθηκαν εφαρμόσθηκαν επιτυχώς στις αναλύσεις υπολειμμάτων γεωργικών φαρμάκων στις μελιτζάνες, πεπόνια, λάχανα και κουνουπίδια που συλλέχθηκαν από διάφορες αγορές της Θεσσαλονίκης με σκοπό την εκτίμηση του παράγοντα παραλλακτικότητας υπολειμμάτων που υφίσταται ανάμεσα στις μονάδες των ανωτέρω λαχανικών. Αναλύθηκαν συνολικά 142 μελιτζάνες και μεταξύ αυτών στις 67 (47%) βρέθηκαν υπολείμματα γεωργικών φαρμάκων. Μεταξύ των 67 μελιτζανών με υπολείμματα στις 9 μόνο μελιτζάνες βρέθηκαν υπολείμματα από περισσότερα του ενός γεωργικά φάρμακα και στις 58 υπήρχαν υπολείμματα μόνο από ένα γεωργικό φάρμακο. Μόνο μία μελιτζάνα βρέθηκε να περιέχει υπολείμματα του dimethoate σε συγκέντρωση ανώτερη από το αντίστοιχο επίπεδο του EU-MRL (European Commission, 2005). Στην περίπτωση των πεπονιών, αναλύθηκαν 122 πεπόνια και μεταξύ αυτών σε 32 πεπόνια (26%) βρέθηκαν υπολείμματα γεωργικών φαρμάκων από τα οποία σε δύο πεπόνια βρέθηκαν υπολείμματα από περισσότερα του ενός γεωργικά φάρμακα και στα υπόλοιπα 30 υπήρχαν υπολείμματα μόνο από ένα γεωργικό φάρμακο. Σε κανένα από τα πεπόνια οι συγκεντρώσεις των υπολειμμάτων που βρέθηκαν υπερέβαιναν τα αντίστοιχα επίπεδα των EU-MRLs (European Commission, 2005 & European Food Safety Authority, 2014).Συνολικά 132 λάχανα συλλέχθηκαν από τις αγορές και αναλύθηκαν. Μεταξύ των δειγμάτων που αναλύθηκαν σε 41 λάχανα (31%) βρέθηκαν υπολείμματα γεωργικών φαρμάκων και από αυτά μόνο δύο λάχανα βρέθηκαν με υπολείμματα από περισσότερα του ενός γεωργικού φαρμάκου και στα υπόλοιπα 39 βρέθηκαν υπολείμματα από ένα μόνο γεωργικό φάρμακο. Σε ένα μόνο λάχανο η συγκέντρωση της deltamethrin που βρέθηκε ήταν σε επίπεδο ανώτερο από το αντίστοιχο επίπεδο του EU-MRL. Στην περίπτωση των κουνουπιδιών συλλέχθηκαν και αναλύθηκαν 120 κουνουπίδια. Μεταξύ των κουνουπιδιών που αναλύθηκαν στα 48 (40%) βρέθηκαν υπολείμματα γεωργικών φαρμάκων. Σε κανένα από τα κουνουπίδια δεν βρέθηκαν υπολείμματα από περισσότερα του ενός γεωργικά φάρμακα και μόνο σε ένα κουνουπίδι η συγκέντρωση του εντομοκτόνου chlorpyrifos που βρέθηκε ήταν σε επίπεδο ανώτερο από το αντίστοιχο επίπεδο του EU-MRL.Η παραλλακτικότητα των επιπέδων των υπολειμμάτων γεωργικών φαρμάκων μεταξύ μελιτζανών και κουνουπιδιών, αντίστοιχα, επίσης μελετήθηκε με την ανάλυση δειγμάτων που συλλέχθηκαν από αντίστοιχους επιτηρούμενους αγρούς. Σε αυτούς τους επιτηρούμενους αγρούς τα εντομοκτόνα cypermethrin και deltamethrin εφαρμόσθηκαν προσυλλεκτικά σε μίγμα στις συνιστώμενες δόσεις και τα δείγματα συλλέχθηκαν στα προκαθορισμένα PHIs (pre-harvest interval), αντίστοιχα. Οι παράγοντες παραλλακτικότητας που υπολογίσθηκαν για τα υπολείμματα της cypermethrin και deltamethrin ήταν 2,38 και 2,32, αντίστοιχα, στα κουνουπίδια και 2,54 και 2,51 στις μελιτζάνες, αντίστοιχα. Σύγκριση των επιπέδων των υπολειμμάτων γεωργικών φαρμάκων που βρέθηκαν σε κάθε ένα από τα λαχανικά που αναλύθηκαν με τα αντίστοιχα επίπεδα των υπολειμμάτων που βρέθηκαν στα σύνθετα δείγματα των κουνουπιδιών και μελιτζανών βρέθηκε ότι οι μέσοι όροι των υπολειμμάτων και για τα δύο γεωργικά φάρμακα ήταν υψηλότεροι στα σύνθετα δείγματα από τους μέσους όρους των υπολειμμάτων που προέκυψαν από την ανάλυση των μεμονωμένων μονάδων μελιτζανών και κουνουπιδιών, αντίστοιχα.Στην μελέτη αυτή επίσης υπολογίσθηκε η παραλλακτικότητα των επιπέδων των υπολειμμάτων της cypermethrin και deltamethrin, αντίστοιχα, σε κουνουπίδια που ήταν καλυμμένα με φύλλα (προστατευμένα) και δίχως φύλλα (μη-προστατευμένα). Βρέθηκε ότι τα υπολείμματα και των δύο εντομοκτόνων βρίσκονταν σε χαμηλότερα επίπεδα στα προστατευμένα κουνουπίδια από εκείνα που βρέθηκαν στα μη-προστατευμένα. Επίσης βρέθηκε ότι οι υψηλότερες συγκεντρώσεις υπολειμμάτων και από τα δύο εντομοκτόνα βρίσκονταν στο άνω ήμισυ του κάθε κουνουπιδιού. Επίσης μελετήθηκε η παραλλακτικότητα των επιπέδων των υπολειμμάτων μεταξύ των μελιτζανών του ιδίου φυτού. Βρέθηκε ότι οι μελιτζάνες που βρίσκονταν κατά τον ψεκασμό στην εξωτερική επιφάνεια του φυτού περιείχαν υψηλότερες συγκεντρώσεις υπολειμμάτων και από τα δύο εντομοκτόνα σε σχέση με τα επίπεδα των υπολειμμάτων που βρέθηκαν στις μελιτζάνες που βρίσκονταν στην εσωτερική περιφέρεια του κάθε φυτού.Οι παράγοντες παραλλακτικότητας (VFs) των υπολειμμάτων των διαφόρων γεωργικών φαρμάκων που βρέθηκαν στις μελιτζάνες, πεπόνια, λάχανα και κουνουπίδια, αντίστοιχα, που συλλέχθηκαν από τις διάφορες αγορές επίσης υπολογίσθηκαν στο πλαίσιο της παρούσας έρευνας. Ένας συνολικός αριθμός 517 δειγμάτων από τα τέσσερα λαχανικά συλλέχθηκαν από διάφορες αγορές της Θεσσαλονίκης και αναλύθηκαν. Για τις μελιτζάνες οι παράγοντες παραλλακτικότητας που υπολογίσθηκαν κυμάνθηκαν από 1,00 με 7,09, για τα πεπόνια από 1,0 με 4,85, για τα λάχανα από 1,0 με 6,75 και για τα κουνουπίδια από 2,40 με 7,12. Ο μέσος όρος των VF για τις μελιτζάνες, πεπόνια, λάχανα και κουνουπίδια ήταν 3,89, 2,89, 5,00 και 5,11, αντίστοιχα. Λαμβάνοντας υπόψη το είδος του λαχανικού ο μέσος όρος του VF για τα λαχανικά μεσαίου μεγέθους ήταν 3,89 και 4,33 για τα λαχανικά μεγάλου μεγέθους. Ο μέσος όρος του VF, λαμβάνοντας υπόψη και τα τέσσαρα είδη λαχανικών που διερευνήθηκαν, ήταν 4,11. Γενικά οι τιμές VF που βρέθηκαν για τα δείγματα που συλλέχθηκαν από τις διάφορες αγορές ήταν υψηλότερες από τις αντίστοιχες τιμές που υπολογίσθηκαν με βάση τα δεδομένα που προέκυψαν από τις αναλύσεις των δειγμάτων που συλλέχθηκαν από τους επιτηρούμενους αγρούς. Με βάση τα πειραματικά δεδομένα που προέκυψαν από την παρούσα έρευνα μία τιμή VF ίση με 3,0 που προκύπτει από επιτηρούμενους αγρούς είναι κατάλληλη να χρησιμοποιηθεί για την εκτίμηση της προσλαμβανόμενης ποσότητας υπολειμμάτων δια της καθημερινής διατροφής, αντίθετα για δείγματα αγοράς μία VF τιμή θα πρέπει να επανεξεταστεί όταν θα υπάρχουν περισσότερα δεδομένα κυρίως δεδομένα για είδη λαχανικών/φρούτων μεγάλου μεγέθους.