Μελέτη και αξιοποίηση της ελληνικής φυσικής και αγροτικής βιοποικιλότητας για την ανάπτυξη νέων βιοκτόνων

Abstract

Mosquitoes, besides being the most annoying group of all bloodsucking arthropods, also act as transmitters of various serious diseases with severe and diverse social and financial consequences. Nowadays, the rapid spreading of invasive mosquito species worldwide, together with the intercrossing environmental, legislative and economical constraints of current mosquito control strategies, have triggered demand for the development of novel, potent and eco-friendly products for mosquito control. In this context, essential oils (EOs), due to their larvicidal and repellent potency and their safe environmental profile congregate a combination of crucial and highly desirable characteristics as potential natural biocides. Present thesis, established on this broader framework, aims to contribute to the effort of novel, natural mosquito control agent development via the exploitation of Greek natural and agricultural biodiversity. To achieve this goal, 67 EOs derived from the following three distinct groups of Greek plant biodiversity were evaluated: A) indigenous biodiversity - the genus Juniperus (33 EOs), Β) agricultural biodiversity - the genus Citrus (18 EOs), C) Greek aromatic - culinary herbs (16 EOs). In the first part of the thesis, the EOs retrieved by hydro-distillation from the selected plant parts were studied in respect to yield performance and chemical composition by GC-MS analysis, while a combination of crucial factors (seasonal variation, mechanical processing, industrial processing of plant material) were evaluated concerning the prospects for exploiting the relevant results. The most suitable EOs, in terms of yield performance, were further assessed in respect to their biocidal potency (repellent and larvicidal) against the invasive mosquito species Aedes (Stegomyia) albopictus (Skuse, 1894) (Asian Tiger mosquito). According to the bio-prospecting results, four EOs of group A, retrieved from leaf samples of Juniperus phoenicea and J. drupacea, two EOs of group B, retrieved from the fruits of Citrus sinensis and C. japonica, and three EOs of group C, retrieved from the Lamiaceae species Thymbra capitata, Origanum onites and Satureja thymbra were evaluated as effective biocides as they displayed both significant larvicidal and repellent potency against Ae. albopictus. The carvacrol rich essential oils (CREOs), retrieved from the three aforementioned species of group C, emerged as the most suitable, in terms of yield, content and bioactivity, group of EOs for further development. The second part of the thesis aimed in developing a streamlined process for the valorization of the CREOs in product development, charting the path from the laboratory bench to eld assessment. In this context, the CREO of the commercial variety Origanum vulgare ssp. hirtum, was selected and subjected to dose-response and eco-toxicity studies prior to the field assessments. The CREO presented signicant larvicidal (LC90 of 58,747 mg/L), and repellent (0,2 µL/cm2) properties, but also severe toxicity (LC90 of 12,806 mg/L) against the non-targeted organism Macrocyclops albidus. CREO was tested per se as larvicidal agent, and emulsied for both repellent and larvicidal eld activity. The emulsied CREO’s spatial repellent assessment showed maximum efcacy of 86% in day 1 that gradually declined in the following 2 days (81%, 69%). Both emulsied and crude CREO proved to be efcient larvicidal agents against Ae. albopictus and Culex pipiens, with crude CREO (3 weeks) overrunning slightly the emulsied (2 weeks) in terms of endurance. In conclusion, the product developed in the context of the present thesis may be considered as a promising natural mosquito control agent, applicable in both precautionary and emergency response measures.

Τα κουνούπια αποτελούν μία από τις πλέον οχλούσες ομάδες αιμομυζητικών εντόμων που συχνά λειτουργούν ως διαβιβαστές σοβαρών λοιμωδών νοσημάτων με σημαντικό κοινωνικό και οικονομικό αντίκτυπο. Tο εντεινόμενο φαινόμενο των «χωροκατακτητικών ειδών», σε συνδυασμό με τους αλληλένδετους περιβαλλοντικούς, νομοθετικούς και οικονομικούς περιορισμούς που εμφανίζει η σύγχρονη αντιμετώπιση των κουνουπιών, καθιστούν επιτακτική την ανάγκη ανεύρεσης νέων, αποτελεσματικών και φιλικών προς το περιβάλλον μεθόδων διαχείρισής τους. Υπό το πρίσμα αυτό, τα αιθέρια έλαια (ΑΕ), εξαιτίας των σημαντικών προνυμφοκτόνων και εντομο-απωθητικών ιδιοτήτων τους, αλλά και του ασφαλούς περιβαλλοντικού τους προφίλ αποτελούν μία υποσχόμενη πηγή εναλλακτικών φυσικών βιοκτόνων. Η παρούσα διατριβή, εντάσσεται στο πλαίσιο αυτό, έχοντας ως αντικείμενο την μελέτη και αξιοποίηση αιθερίων ελαίων της ελληνικής φυσικής και αγροτικής βιοποικιλότητας για την ανάπτυξη νέων αποτελεσματικών φυσικών παραγόντων ελέγχου των κουνουπιών. Για το σκοπό αυτό μελετήθηκαν – αξιολογήθηκαν συνολικά 67 ΑΕ που παραλήφθηκαν από τρεις ευδιάκριτες ομάδες φυτών της ελληνικής βιοποικιλότητας: Α) αυτοφυής βιοποικιλότητα - το γένος Juniperus (33 ΑΕ), Β) αγροτική βιοποικιλότητα - το γένος Citrus (18 ΑΕ), Γ) ελληνικά αρωματικά - αρτυματικά φυτά (16 ΑΕ). Στο πρώτο μέρος της διατριβής μελετήθηκε η απόδοση των αιθερίων ελαίων που προέκυψαν από την υδρο-απόσταξη των υπό μελέτη φυτικών μερών και προσδιορίστηκε η χημική τους σύσταση με αέρια χρωματογραφία - φασματομετρία μαζών (GC-MS). Στο μέρος αυτό αξιολογήθηκε και μια σειρά κρίσιμων παραγόντων (εποχιακή διακύμανση, μηχανική επεξεργασία, βιομηχανική επεξεργασία του φυτικού υλικού) που αφορούν τις προοπτικές και δυνατότητες αξιοποίησης των σχετικών αποτελεσμάτων. Τα ΑΕ που εμφάνισαν ικανοποιητικές αποδόσεις μελετήθηκαν στη συνέχεια ως προς την απωθητική και προνυμφοκτόνο δράση τους έναντι του χωροκατακτητικού είδους Aedes (Stegomyia) albopictus (Skuse, 1894) (Ασιατικό κουνούπι Τίγρης). Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, τέσσερα ΑΕ της ομάδας Α, προερχόμενα από συλλογές φύλλων των ειδών Juniperus phoenicea και J. drupacea, δύο ΑΕ της ομάδας Β, προερχόμενα από τους καρπούς των ειδών Citrus sinensis και C. japonica, και τρία ΑΕ της ομάδας Γ, προερχόμενα από τα είδη Thymbra capitata, Origanum onites και Satureja thymbra (οικογένεια Lamiaceae), αξιολογήθηκαν ως αποτελεσματικά βιοκτόνα, καθώς εμφάνισαν ταυτόχρονα ισχυρή προνυμφοκτόνο και απωθητική δράση έναντι του Ae. albopictus. Τα πλούσια σε καρβακρόλη αιθέρια έλαια (ΠΚΑΕ) των προαναφερθέντων τριών ειδών της ομάδας Γ αναδείχθηκαν, από πλευράς απόδοσης, σύστασης και βιοδραστικότητας, ως η πλέον πρόσφορη προς περαιτέρω ανάπτυξη ομάδα αιθερίων ελαίων για τον έλεγχο των κουνουπιών. Στο δεύτερο μέρος της διατριβής, παρουσιάζεται η εξελικτική πορεία ανάπτυξης, των ΠΚΑΕ, από το επίπεδο των εργαστηριακών βιοδοκιμών στις εφαρμογές πεδίου. Για την αύξηση κλίμακος των βιοδοκιμών επιλέχθηκε το ΠΚΑΕ της εμπορικής ποικιλίας Origanum vulgare ssp. hirtum για το οποίο διενεργήθηκαν μελέτες δόσης–απόκρισης και οικο-τοξικότητας, δείχνοντας ότι διαθέτει σημαντική προνυμφοκτόνο (LC90: 58,747 mg/L) και απωθητική δράση (0,2 μL/cm2) ενάντια στο Ae. albopictus, αλλά και υψηλή τοξικότητα (LC90: 12,806 mg/L) στο είδος Macrocyclops albidus. Γαλάκτωμα του ΠΚΑΕ ρίγανης αξιολογήθηκε ως απωθητικό χώρου στο πεδίο, εμφανίζοντας μέγιστη δράση την πρώτη ημέρα μετά την εφαρμογή (86%), η οποία σταδιακά εξασθένισε τις επόμενες δύο ημέρες (81% και 69%). Κατά τις δοκιμές της προνυμφοκτόνου δράσης σε λεκάνες απορροής ομβρίων υδάτων, μελετήθηκαν τόσο καθαρό ΠΚΑΕ ρίγανης, όσο και γαλάκτωμα αυτού, τα οποία αποδείχθηκαν ιδιαίτερα αποτελεσματικά εναντίον των ειδών Ae. albopictus και Culex pipiens, με το πρώτο (τρεις εβδομάδες) να παρουσιάζει σχετικά μεγαλύτερη διάρκεια σε σχέση με το δεύτερο (δυο εβδομάδες). Το τελικά προϊόν που αναπτύχθηκε στο πλαίσιο διενέργειας της διατριβής είναι δυνατόν να αποτελέσει ένα πολλά υποσχόμενο εναλλακτικό φυσικό εντομοκτόνο.