Введение

Ротенон — это бесцветный, не имеющий запаха, кристаллический изофлавон, используемый в качестве инсектицида широкого спектра действия, писцида и пестицида. Он содержится в семенах и стеблях ряда растений, таких как джикама, а также в корнях других представителей семейства Бобовые (Fabaceae). Ротенон был первым описанным представителем семейства химических соединений, известных как ротеноиды.

Открытие

Самая ранняя письменная запись об известных сейчас растениях, содержащих ротенон, использовавшихся для уничтожения листогрызущих гусениц, относится к 1848 году; на протяжении веков те же растения использовались для отравления рыбы. Активный химический компонент был впервые выделен в 1895 году французским ботаником Эммануэлем Джефроем, который назвал его никоулином, из образца Robinia nicou, теперь известного как Deguelia utilis, во время путешествия по Французской Гвиане. Он описал это исследование в своей диссертации, опубликованной в 1895 году после его смерти от паразитарного заболевания. В 1902 году Кадзуо Нагай, японский инженер-химик из Генерал-губернаторства Тайваня, выделил чистое кристаллическое соединение из Derris elliptica, которое он назвал ротеноном, по тайваньскому названию растения 蘆藤, переведенному на японский язык как 2=ローテン (3=rōten). К 1930 году было установлено, что никоулин и ротенон химически идентичны.

Применение

Ротенон используется в качестве пестицида, инсектицида и неселективного писцида (средства для уничтожения рыбы). Исторически ротенон использовался коренными народами для ловли рыбы. Обычно растения семейства бобовых (Fabaceae), содержащие ротенон, измельчают и вносят в водоем. Ротенон нарушает клеточное дыхание, в результате чего пораженная рыба поднимается к поверхности, чтобы глотнуть воздух, где ее легче поймать. В настоящее время он часто используется для удаления инвазивных видов рыб, поскольку имеет относительно короткий период полураспада (дни) и исчезает из рек в течение нескольких дней, а из озер – в течение нескольких месяцев, в зависимости от (сезонного) перемешивания, содержания органических веществ, освещенности и температуры. Правительственные учреждения используют ротенон для уничтожения рыбы в реках и озерах в США с 1952 года, в Канаде и Норвегии – с 1980-х годов. В странах ЕС он используется реже из-за строгих правил, но применяется в некоторых странах, таких как Великобритания (топорик), Швеция (щука и тыквенная семечка), Испания (топорик, гамбузия) и Венгрия (прусский карп). Ротенон разлагается посредством метаболитов, а конечные продукты распада – вода и углекислый газ. Благодаря этому он также используется в небольших количествах в других полевых исследованиях в морской среде. Исследователи рыб используют ротенон в малых масштабах для сбора скрытых или труднодоступных видов рыб, которые являются важным компонентом прибрежных рыбных сообществ, поскольку он оказывает незначительное и временное воздействие на окружающую среду. Он продается под названиями кубе, туба или деррис в виде отдельных препаратов или в синергетической комбинации с другими инсектицидами. В США и Канаде постепенно прекращается все использование ротенона, кроме как в качестве писцида. В настоящее время его использование запрещено в США в органическом сельском хозяйстве. В Великобритании продажа инсектицидов на основе ротенона (под торговым названием Derris) была запрещена в 2009 году. Ротенон также используется в порошкообразной форме для лечения чесотки и головных вшей у людей, а также для борьбы с паразитическими клещами у кур, домашнего скота и домашних животных. В сельском хозяйстве он также неселективен и уничтожает колорадского жука, огуречного жука, блохового жука, капустную совку, малинового жука и спаржевого жука, а также большинство других членистоногих. Он быстро разлагается в почве: 90% разлагается в течение 1–3 месяцев при 20 °C и в три раза быстрее при 30 °C.

Механизм действия

Ротенон действует, нарушая работу цепи переноса электронов в комплексе I митохондрий, что относит его к классу 21 IRAC MoA (подгруппа 21B). Он подавляет перенос электронов от железосерных центров комплекса I к убихинону. Это препятствует работе NADH при образовании доступной для клеток энергии (АТФ). Ротенон также ингибирует сборку микротрубочек.

Токсичность для человека

Всемирная организация здравоохранения классифицирует ротенон как вещество умеренной опасности. Он обладает слабой токсичностью для человека и других млекопитающих, но крайне токсичен для насекомых и водных организмов, включая рыбу. Более высокая токсичность для рыб и насекомых обусловлена тем, что липофильный ротенон легко всасывается через жабры или трахею, но не так легко – через кожу или желудочно-кишечный тракт. Ротенон токсичен для эритроцитов in vitro. Минимальная смертельная доза для ребенка неизвестна, однако смерть наступила у 3,5-летнего ребенка, проглотившего раствор ротенона в дозе 40 мг/кг. Смертельные случаи отравления ротеноном у людей редки, поскольку его раздражающее действие вызывает рвоту. Преднамеренное употребление ротенона может привести к летальному исходу. Это соединение разлагается под воздействием солнечного света и обычно сохраняет активность в окружающей среде в течение шести дней. Оно окисляется до ротенолона, который примерно в десять раз менее токсичен, чем ротенон. В воде скорость разложения зависит от ряда факторов, включая температуру, pH, жесткость воды и воздействие солнечного света. Период полураспада в естественных водоемах варьируется от половины дня при 24 °C до 3,5 дней при 0 °C. Исследование 2018 года, изучавшее влияние введения ротенона на клеточные культуры, имитирующие свойства развивающегося мозга, показало, что ротенон может быть нейротоксичным веществом, влияющим на развитие; то есть, воздействие ротенона на развивающийся плод может нарушить нормальное развитие мозга человека, что потенциально может иметь серьезные последствия в будущем. Исследование выявило, что ротенон особенно вреден для дофаминергических нейронов, что соответствует ранее полученным данным.

Болезнь Паркинсона

В 2000 году сообщалось, что инъекции ротенона крысам вызывают развитие симптомов, сходных с симптомами болезни Паркинсона (БП). Ротенон непрерывно вводился в течение пяти недель, смешиваясь с ДМСО и ПЭГ для улучшения проникновения в ткани, и вводился в яремную вену. Исследование не указывает напрямую на то, что воздействие ротенона является причиной БП у людей, но соответствует мнению о том, что хроническое воздействие экологических токсинов повышает вероятность развития заболевания. В 2011 году исследование Национальных институтов здоровья США показало связь между использованием ротенона и болезнью Паркинсона у фермеров, указывая на связь между повреждением нервов и легочным поглощением из-за отсутствия средств защиты. Воздействие химического вещества в поле можно избежать, используя газовую маску с фильтром, что является стандартной процедурой охраны труда и техники безопасности при современном применении этого химического вещества. Исследования с первичными культурами нейронов и микроглии крыс показали, что низкие дозы ротенона (менее 10 нМ) вызывают окислительное повреждение и гибель дофаминергических нейронов, и именно эти нейроны в черной субстанции погибают при болезни Паркинсона. Другое исследование также описало токсическое действие ротенона при низких концентрациях (5 нМ) на дофаминергические нейроны в острых срезах мозга крысы. Эта токсичность усиливалась дополнительным клеточным стрессором – повышенной внутриклеточной концентрацией кальция, что подтверждает «гипотезу множественных поражений» в отношении гибели дофаминергических нейронов. Ранее было известно, что нейротоксин MPTP вызывает симптомы, подобные болезни Паркинсона (у людей и других приматов, но не у крыс), вмешиваясь в комплекс I в цепи переноса электронов и убивая дофаминергические нейроны в черной субстанции. Последующие исследования с участием MPTP не показали развития телец Леви, ключевого компонента патологии БП. Однако, по крайней мере, одно недавнее исследование обнаружило признаки агрегации белка того же химического состава, что и тела Леви, с аналогичной патологией болезни Паркинсона у старых макак-резусов, подвергшихся воздействию MPTP. Таким образом, механизм действия MPTP в отношении болезни Паркинсона изучен не полностью. В связи с этими данными ротенон был исследован как возможный фактор, вызывающий болезнь Паркинсона. И MPTP, и ротенон липофильны и могут проникать через гематоэнцефалический барьер. В 2010 году было опубликовано исследование, в котором подробно описано прогрессирование симптомов, подобных болезни Паркинсона, у мышей после хронического перорального приема низких доз ротенона. Концентрации в центральной нервной системе были ниже предела обнаружения, но все же вызывали патологию БП.

Известные администрации

В 1992 году сотрудники Комиссии по охране рыбы и дикой природы Флориды (FWC) использовали ротенон для уничтожения обосновавшейся популяции инвазивных ягуарных цихлид из небольшого пруда в округе Майами-Дейд. Чиновникам удалось уничтожить всех ягуарных цихлид (вместе со всей остальной рыбой) в пруду, но не удалось искоренить их из Флориды; цихлиды уже распространились по каналу Майами и связанным с ним водоемам, и к 1994 году ягуарные цихлиды успешно закрепились по всей Южной и Центральной Флориде. В сентябре 2010 года сотрудники Департамента рыбы и дикой природы штата Орегон использовали ротенон для уничтожения обосновавшейся популяции инвазивных золотых рыбок в озере Манн на востоке Орегона, с целью не навредить популяции местной форели Лахотан. Ротенон успешно справился с этой задачей, уничтожив от 179 000 до 197 000 золотых рыбок и пескарей, и всего три форели. Начиная с 1 мая 2006 года, озеро Пангвич, водохранилище в юго-восточной части штата Юта, было обработано ротеноном с целью потенциального искоренения и контроля инвазивной популяции ютской пескари, которая, вероятно, была случайно завезена рыбаками, использовавшими ее в качестве живой наживки. В 2006 году озеро было вновь зарыблено 20 000 радужных форелей; по состоянию на 2016 год популяция рыб в озере восстановилась. В 2012 году ротенон был использован для уничтожения всех оставшихся рыб в озере Сторми (Аляска) из-за инвазивного щучьего навала, уничтожавшего местные виды, которые были повторно выпущены после завершения обработки. В 2014 году ротенон был использован для уничтожения всех оставшихся рыб в озере Маунтин-Лейк в Сан-Франциско, расположенном в парке Маунтин-Лейк, чтобы избавиться от инвазивных видов, завезенных после миграции европейских поселенцев в этот регион. Ротенон также используется в биомедицинских исследованиях для изучения скорости потребления кислорода клетками, как правило, в сочетании с антимицином А (ингибитором комплекса III цепи переноса электронов), олигомицином (ингибитором АТФ-синтазы) и FCCP (митохондриальным разрыхлителем).

Деактивация

Ротенон может быть деактивирован в воде с использованием перманганата калия для снижения токсичности до допустимого уровня.