Cuticular penetration studies

Abstract

The growing global population will increase the demand for food, requiring more sustainable and efficient food production. In modern agriculture, crop protection products help to achieve high efficiency. To improve sustainability, the efficacy of these products must be enhanced, and understanding the uptake of active ingredients is crucial. <br/> The first chapter of this dissertation introduces a new approach to measure how surfactants affect the permeability of isolated leaf cuticles. Fluorescein was used as a model compound because its physicochemical properties are very similar to many active ingredients in crop protection products. The method for measuring cuticular permeability was validated by radiometric control measurements, showing that fluorometry is a reliable, non-radioactive alternative for studying lipophilic substances. Various alcohol ethoxylates were compared. All enhanced the permeability of fluorescein. As the HLB (hydrophilic-lipophilic balance) increased, the surfactants' ability to accelerate fluorescein diffusion decreased, allowing identification of effective surfactants. <br/> In the second chapter of this dissertation, the importance of consistent wetting and coverage of the cuticle surface in penetration studies was highlighted. The influence of a homogeneous coverage was negligible for lipophilic substances, while the penetration of hydrophilic substances can be impeded or not take place at all. Blocking the polar pathway with silver chloride precipitates showed a decrease in penetration for hydrophilic and semi-hydrophilic compounds, while lipophilic substances were unaffected. <br/> In the third chapter, the enhancing effect of three very different adjuvants (alcohol polyglucosides, sodium lauryl ether sulfate, and methylated rapeseed oil) on the penetration of three very different substances (methyl glucose, thiamethoxam, and terbuthylazine) was investigated. Both the adjuvants and the substances varied in their polarity. The polar alcohol polyglucosides had no enhancing effect on the penetration of the three active ingredients characterized by different polarity. Sodium lauryl ether sulfate and methylated rapeseed oils enhanced the penetration of lipophilic and hydrophilic compounds. These adjuvants likely plasticize the cuticular wax, enhancing the diffusion of lipophilic and polar substances, respectively. <br/> Overall, this thesis provides insights into how different physicochemical properties of adjuvants and active ingredients can influence the diffusion of substances across the plant cuticle. These findings can help to optimize the selection of adjuvants for improving agrochemical efficacy, leading to reduced application rates and more sustainable agricultural practices. Further research exploring the effects of relative humidity, pore blockage, and the role of adjuvants on diffusion can improve our understanding of cuticular penetration and enhance the development of more efficient crop protection products.

Die wachsende Weltbevölkerung wird die Nachfrage nach Nahrungsmitteln erhöhen, was eine nachhaltigere und effizientere Nahrungsmittelproduktion erforderlich macht. In der modernen Landwirtschaft tragen Pflanzenschutzprodukte zur Erreichung hoher Effizienz bei. Um die Nachhaltigkeit zu verbessern, muss die Wirksamkeit dieser Produkte gesteigert werden, wobei das Verständnis der Aufnahme von Wirkstoffen entscheidend ist. <br/> Der erste Teil dieser Dissertation stellt eine neue Methode vor, um zu messen, wie Tenside die Permeabilität isolierter Blattkutikeln beeinflussen. Fluoreszin wurde als Modellsubstanz verwendet, da dessen physikochemische Eigenschaften vielen Wirkstoffen in Pflanzenschutzprodukten sehr ähnlich sind. Die Methode zur Messung der kutikulären Permeabilität wurde durch radiometrische Kontrollmessungen validiert, was bestätigte, dass Fluorometrie eine zuverlässige, nicht-radioaktive Alternative zum Studium lipophiler Substanzen darstellt. Verschiedene Alkoholethoxylate wurden verglichen. Alle erhöhten die kutikuläre Permeabilität von Fluoreszin. Mit steigendem HLB (hydrophilic-lipophilic Balance) nahm die Fähigkeit der Tenside, die Diffusion von Fluoreszein zu beschleunigen, ab, wodurch effektive Tenside identifiziert werden konnten. <br/> Im zweiten Teil dieser Dissertation wurde die Bedeutung einer gleichmäßigen Benetzung und Bedeckung der Kutikulaoberfläche in Penetrationsstudien untersucht. Der Einfluss einer homogenen Bedeckung war für lipophile Substanzen eher vernachlässigbar, während die Penetration hydrophiler Substanzen ohne homogene Benetzung der Kutikula behindert oder gar nicht stattfand. Die Blockierung des polaren Pfades mit Silberchlorid-Niederschlägen zeigte eine Verringerung der Penetration für hydrophile und semi-hydrophile Verbindungen, während lipophile Substanzen unbeeinflusst blieben. <br/> Im dritten Teil dieser Dissertation wurde der fördernde Effekt von drei sehr unterschiedlichen Adjuvantien (Alkoholpolyglucosid , Natriumlaurylethersulfat und methyliertes Rapsöl ) auf die Penetration drei sehr unterschiedlicher Stoffe (Methyl-Glucose, Thiamethoxam und Terbuthylazin) untersucht. Sowohl die Adjuvantien als auch die Stoffe variierten in ihrer Polarität. Das polare Alkoholpolyglucosid hatte keinen fördernden Einfluss auf die Penetration der drei Wirkstoffe mit unterschiedlicher Lipophilie. Natriumlaurylethersulfat und methyliertes Rapsöl dagegen konnten die Penetration lipophiler und hydrophiler Verbindungen verbessern. Die Wirkung dieser Adjuvantien beruht wahrscheinlich auf einem Weichmachereffekt in den kutikulären Wachsen, wodurch lipophile bzw. polare Substanzen schneller diffundieren können. <br/> Insgesamt liefert diese Dissertation Erkenntnisse darüber, wie verschiedene physikochemische Eigenschaften von Adjuvantien und Wirkstoffen die Diffusion durch die Kutikula beeinflussen. Die Ergebnisse können dazu beitragen die Wirksamkeit von Agrochemikalien mit Hilfe von Adjuvantien zu verbessern, was zu einer Reduzierung der Anwendungsraten und einer nachhaltigeren Landwirtschaft führt. Weitere Forschung zu den Auswirkungen von relativer Luftfeuchtigkeit, der Blockierung der Poren und der Rolle von Adjuvantien auf die Diffusion können unser Verständnis der kutikulären Penetration vertiefen und die Entwicklung effizienterer Pflanzenschutzprodukte fördern.