The pesticides Cypermethrin and Signum : potential genotoxicity and effects on reproductive biology of female albino rats

Other Title(s)

المبيدان سابيرميثرين و سيغنوم : سميتهما الجينية و تأثيرهما على بيولوجيا التناسل لإناث جرذان التجارب

Dissertant

Mashni, Salsabil

Thesis advisor

Suwaylih, Khalid

University

Birzeit University

Faculty

Faculty of Science

Department

Department Nutrition and Dietetics

University Country

Palestine (West Bank)

Degree

Master

Degree Date

2021

Arabic Abstract

تعتبر مبيدات الآفات من أكثر المواد الكيميائية استخداماً على نطاق العالم والتي تلوث البيئة.

يمكن العثور على بقايا من هذه المواد في المنتجات النباتية والحيوانية.

تعد بقايا هذه المواد ضارة بصحة الإنسان والحيوان على حد سواء، حيث يمكن لها أن تؤثر على توازن الهرمونات في الحيوانات، وقد تؤدي إلى السمية الجينية.

ولمكافحة الحشرات والأمراض الفطرية في الزراعة، يقوم معظم المزارعون برش خليط من مبيد حشري إلى جانب مبيدات فطري يعتبر المبيد الحشري مابيرميترين والمبيد الفطري سيجنوم من بين المبيدات الأكثر استخداماً على نطاق واسع على مستوى العالم.

أما في الضفة الغربية وقطاع غزة، حيث تستخدم كميات كبيرة من مبيدات الآفات التي قد تكون محظورة دوليا، بعد السيبرميترين والسيغنوم من المبيدات شائعة الاستخدام.

تهدف هذه الدراسة إلى تقييم تأثير تراكيز مختلفة من المبيدان سيبرميترين وسيجنوم كل على حدا أو مزيج منهما، على بيولوجيا التناسل لإناث فئران التجارب، بالإضافة إلى تقييم السمية الجينية للمبيدان باستخدام تقنية ال RAPD.

لتنفيذ التجربة، تم تقسيم إناث الفئران إلى 7 مجموعات ( المجموعة المرجعية "C"، مجموعة 10 ملغ / كغم سيبرمثرين "CYP1"، مجموعة 20 ملغ / كغم سیر میترین "CYP2"، مجموعة 10 ملغ / كغم سيجنوم "SIG1 مجموعة 20 ملغ / كغم سيجنوم "SIG2"، بالإضافة إلى مجموعة مزيج من 10 ملغ / كغم سيرمترین و 10 ملغ / كغم سيجنوم MIX1" ومجموعة مزيج من 20 ملغ / كغم سيبرميثرين و 20 ملغ/كغم سيجنوم "MIX2".

تم اعطاء إناث الفئران في المجموعات ال 7 الجرعة المحددة بالفم 5 مرات في الأسبوع بمقدار 0.5 مل في المرة الواحدة.

استمرت إناث الفئران في اخذ الجرعات المحددة لمدة 42 يوم تقريبا، أي طوال فترة الحمل والرضاعة.

تشير النتائج إلى أن المبيدان و مخاليطهما لا تظهران أي تأثير حقيقي على نسبة الحمل لدى إناث الفئران، حيث تراوحت النسبة من 75-96100.

كذلك، لم يكن هناك اختلاف يذكر بين أوزان إناث الفئران اللاتي تلقين الجرعات المختلفة من المبيدات بالمقارنة مع المجموعة المرجعية.

علاوة على ذلك، لم يظهر أي فرق يذكر في معدل أوزان الفئران حديثة الولادة.

ولكن، ظهر هناك انخفاض في أوزان الفئران الصغيرة في المجموعة MIX1 في عمر ال21 يوم.

كذلك، أظهرت النتائج عدم وجود اختلاف في متوسط عدد المواليد بين المجموعات حيث تراوح معدل عدد المواليد من 6-8.8 لكل أنثى.

وبالتالي، وضمن ظروف التجربة الحالي، تشير هذه النتائج إلى عدم وجود تأثير يذكر للمبيدين، منفردين أو ممزوجين على حمل و وزن الفئران الكبيرة و ووزن و عدد المواليد.

أظهر التحليل الهرموني لأناث الفئران في اليوم 42 من التجربة أنه لم يكن هناك اي فرق بين مستويات البروجيستيرون وال FSH في جميع المجموعات بالمقارنة بالمجموعة المرجعية، هذا يدل على عدم تأثير سييرميترين وسيحنوم ومخاليطهما على هذين الهرمونين.

أما بالنسبة ل هرمون LH فقد كان مستواه في المجموعة المرجعية أعلى من مستواه في باقي المجموعات باستثناء 5162.

هذا يشير إلى أن سيبر میترین ، سیجنوم و مخاليطهما تسبب انخفاضا في مستويات هرمون ال LH في الدم.

كما أظهرت النتائج، أن مستوى الاستراديول في مجموعة CYP2 كان أعلى من مستواه في المجموعة المرجعية وبعض المجموعات الأخرى، مما يشير إلى تأثير محتمل للسيرميثرين على مستوى الاستراديول في الدم.

أظهر تحليل الهرمونات الإناث الفئران الصغيرة (الجراء) عدم وجود إختلاف واضح في مستويات LH بين المجموعات والمجموعة المرجعية، بينما أظهر مستوى مستوى البروجيستيرون ارتفاعا في مجموعة CYP2 مقارنة بالمجموعة المرجعية.

أما م هرمون الإستراديول فقد كانت مستوياته في المجموعة CYP1 أقل من المجموعة المرجعية مستويات هرمون ال FSH أظهرت إنخفاضا في جميع المجموعات باستثناء المجموعة ،CYP1 بالمقارنة مع المجموعة المرجعية وتظهر هذه النتائج تأثير CYP على مستويات البروجستيرون والإستراديول في الجراء التي تلقت أمهاتها المبيدان أثناء الحمل والرضاعة .

و بالإضافة إلى ذلك، تشير نتائج التحليل الهرموني في كل من الأمهات الإناث وذريتهن إلى أن CYP هو معطل هرموني أقوى من SIG .

أظهرت فحوصات الأنسجة لمبايض الأمهات المعرضة ل CYP2 و 12 انخفاضا عاما في عدد الحويصلات الطبيعية (9.3 و 12 على التوالي مقارنة بالمجموعة المرجعية (257) حويصلة طبيعية، هذا بالاضافة لوجود أنسجة غير طبيعية المظهر.

أما المبايض في مجموعة MIX2، فقد كانت صغيرة الحجم بشكل لافت مقارنة بباقي المجموعات، حيث كانت تقريبا نصف حجم المبايض في المجموعة المرجعية.

هذا بالإضافة إلى انخفاض عام في عدد الحويصلات الطبيعية (13.5).

وبشكل عام، فقد كان معدل عدد الحويصلات الطبيعية في مبايض المجموعة المرجعية أعلى منها في باقي المجموعات.

كذلك، فقد أظهرت نتائج الدراسة التشريحية لأمراض أنسجة المبايض للمجموعة CYP2 انخفاضا في أعداد الحويصلات الثانوية وحويصلات غراف مقارنة بالمجموعة المرجعية مع عدم اختلاف أعداد الحويصلات الأولية والأجسام الأصفر.

كذلك، أظهرت الدراسة وجود احتقان في الأوعية الدموية في مقاطع تشريحية من المبايض لإناث من نفس المجموعة أظهرت الدراسة أيضا أن أنسجة مبايض الإناث التي تعرضت ل SIG2 CYP2 و MIX2 كونت العديد من الأنوية الصغيرة والفراغات الكبيرة بين الخلايا، كما ارتفع عدد الحويصلات الأترينية Atretic follicles (965) مقارنة بالمجموعة المرجعية (9615.5) بشكل عام، المبيدان سايبرميترين وسيحتوم و مخاليطهما يؤديان الى العديد من التغيرات النسيجية لمبايض الفئران التي تعرضت للجرعات الأعلى (20 ملغ / كيلوغرام) من المبيدين.

في أنسجة المبايض للمواليد الإناث لم يكن هناك اختلاف في اعداد الحويصلات الأولية والثانوية بين جميع المجموعات.

إلا أنه ظهره هناك انخفاض في عدد حويصلات غراف في المجموعة CYP2 (10) مقارنة بالمجموعة المرجعية (3.5)، بالأضافة لذلك، فقد كان معدل العدد الكلي للحويصلات في المجموعة المرجعية أعلى من المجموعات الأخرى.

هذا بالإضافة إلى انخفاض واضح في أعداد الأجسام الصفراء في مجموعة 2 (0.5) مقارنة بالمجموعة المرجعية (4.8) بشكل عام، فقد أظهرت المجموعات إنخفاضا بسيطا في نسبة الحويصلات الأثريتية مقارنة بالمجموعة المرجعية.

وبالتالي فإن المبيدان المستخدمان بالجرعة الأعلى (20 ملغ/كغم) يؤديان إلى خلل في أنسجة مبايض إناث الفئران المولودة للأناث التي تعرضت للمبيدان قبل و أثناء الحمل و الرضاعة.

أما فيما يتعلق بالسمية الجينية، فقد كشفت نتائج فحص الRAPD على الDNA المستخلص من خلايا دم من الفئران قبل وبعد التعرض للمبيدان، وجود ما مجموعه 73 قطعة صغيرة من DNA متعددة الشكل polymorphic bands) و تمثل تقریبا %625 من عدد القطع الإجمالي الناتجة.

جميع المجموعات باستثناء المجموعة المرجعية كونت قطعا من المادة الوراثية متعددة الشكل تراوحت بين 6 (CYP1) و 22 (SIG1) نتائج حساب تشابه ال DNA قبل وبعد التجربة تراوحت بين %94.28 (CYP1) إلى %77.92 (SIG1).

وكان مؤشر التشابه في المجموعة MIX1 9684.99، في حين كان المؤشر 9682.15 في المجموعة MIX2.

معدل مؤشر التشابه بعد دمج الجرعتين 10 و 20 معا كانت (90.31(SIG) 84.91(CYP) ،(CYP) و 83.57 ( MIX).

تشير هذه النتائج إلى أن المبيدان المستخدمان يسببان سمية جينية في جميع الجرعات المستخدمة.

بالإضافة إلى ذلك، فإن مزج المبيدين معا يزيد من السمية الجينية.

English Abstract

Pesticides are considered among the most heavily worldwide used chemicals that pollute the environment.

Their residues endanger human and animal health can be found in the environment, as well as in a variety of plant and animal products.

Pesticides can be genotoxic and can affect hormonal balance in animals.

To combat insects and fungal diseases in agriculture, most farmers spray a mixture of an insecticide along with a fungicide.

Cypermethrin (an insecticide) and Signum (a fungicide) are globally among the most widely-used insecticides.

In the West Bank and Gaza, significant amounts of pesticides, including Cypermethrin and Signum, are used, some of which are internationally banned.

The present study aims at evaluating the effects of different concentrations of the two pesticides, Cypermethrin and Signum, and their mixtures on the reproductive biology of female albino rats and evaluating their potential genotoxicity using Randomly Amplified Polymorphic DNA (RAPD) Technology.

Female albino rats were subdivided into 7 groups (control “C”, 10mg/kg.bw Cypermethrin “CYP1”, 20 mg/kg.bw Cypermethrin “CYP2”, 10 mg/kg.bw Signum “SIG1”, 20 mg/kg.bw Signum “SIG2”.

In addition, a mixture of 10 mg/kg.bw Cypermethrin and 10 mg/kg.bw Signum “MIX1” and another mixture of 20 mg/kg.bw Cypermethrin and 20 mg/kg.bw Signum “MIX2”) were used.

Each female in the 7 groups was given 0.5 ml of the appropriate treatment by gavage 5 days a week.

Female rats were subjected to treatments from day one of the experiment to day 21 after birth (about 42 days).

After birth, female pups (F1), whose mothers continued to receive the appropriate dose, were also studied.

Results indicated that the pesticides and their mixtures did not show any significant impact on the percentage of conceiving females in different groups.

The percentage of conceiving females was ranging between 75-100%.

In addition, during the experiment, there was no significant difference between the weights of female rats receiving different treatments compared to the control group.

Moreover, at birth, mean weights of pups in each group did not show any significant difference.

However, at the age of 21 days, only weights of MIX1 pups showed significant decrease in weight compared to the control.

The mean number of offspring/female in each group showed no significant difference and ranged between 6-8.8 pups.

These results indicate that, under the conditions of the present experiment, there was no, or little impact, of the two pesticides and their combinations on conceiving, weight, number of offspring and weight of offspring.

Hormonal analysis of female albino rats at the end of the exposure period (day 42), showed that progesterone and FSH levels in the control and treatment groups did not show any significant difference.

This indicates no impact of CYP and SIG and their combinations on these two hormones.

Levels of LH in the control female groups were significantly higher than those of all groups, except SIG2.

This indicates that the CYP and SIG pesticides and their combinations interfere (by reduction) with LH levels.

Estradiol levels in CYP2 group were significantly higher than those of the Control and some other groups.

This also might indicate an alteration of estradiol levels by CYP but not SIG.

Hormone analysis of female offspring (pups) showed that levels of LH did not show any significant difference between all treatments and the control.

Progesterone levels in CYP2 group was significantly higher than those of the control group.

CYP1 group showed significantly less levels of estradiol than the Control group.

FSH levels in all groups (except CYP1) were significantly less than those of the Control group.

These results show interference of CYP with levels of progesterone, estradiol and FSH in female pups whose mothers received pesticides during pregnancy and lactation.

Besides, results of hormonal analysis in both female mothers and their offspring indicate that CYP is a stronger hormonal disruptor than SIG.

Histopathological examination of the mothers’ ovarian tissues exposed to CYP2 and SIG2 appear to have less number of normal follicles (9.3 and 12, respectively) and more unhealthy-looking tissues than the control group (25.7 normal follicles).

Besides, in MIX 2 group the ovary size was very small, almost half the size of the control and other groups, with a reduced number of normal follicles (13.5).

In addition, the control group had significantly higher mean number of total follicles compared to the treatments.

Histopathological results of ovarian tissues in females subjected to CYP2 indicated less secondary and tertiary follicles compared to the control group, but similar number of primary follicle and corpus luteum.

Besides, ovarian sections of the same group indicated the presence of congested blood vessels.

Moreover, ovaries of mothers from groups exposed to CYP2, SIG2 and MIX2 show the development of micronuclei and vacuolated cells, while those of SIG2 group indicated a significant increase of atretic follicles (51%) compared to the control (15.5%).

In general, both pesticides and their combinations were found to cause many obvious histopathological disorders in mother females’ ovarian tissues exposed to the higher dose of 20 mg/kg.bw.

In pups` ovarian tissues, there was no significant difference in the number of primary or secondary follicles between the four groups.

However, the number of Graafian follicles was significantly reduced in CYP2 group (1.0) compared to the control (3.5).

Besides, the control group had significantly higher mean number of total follicles compared to the treatments.

In addition, the number of corpus lutei in SIG2 (0.5) was statistically less than that of the control (4.8).

The female pups’ groups showed an insignificant increase in the percentage of atretic follicles compared to the control.

Generally, both pesticides at the higher dose of 20 mg/kg.bw caused some histopathological disorders in pups females that are related to total number of normal follicles, Graafian follicles and corpus lutei.

RAPD profiles generated from DNA obtained before exposure and after exposure revealed the formation of a total of 73 polymorphic bands representing around 25% of the total bands obtained after exposure.

All groups, except the control, generated polymorphic bands that ranged between 6 (CYP1) and 22 (SIG1).

The genetic similarity indices calculated for DNA profiles before and after exposure ranged between 94.28% (CYP 1) to 77.92% (SIG1).

MIX1 showed a similarity index of 84.99% while MIX2 showed a similarity index of 82.15%.

The average similarity indices of both doses together were 90.31, 84.91 and 83.57 for CYP, SIG and MIX, respectively.

These findings indicate that both pesticides are genotoxic in all their treatments and doses.

Besides, mixing of both insecticide and fungicides together increases their genotoxicity.

Main Subjects

Biology

No. of Pages

86

Table of Contents

• APA
• MLA
• AMA

Language

English

Data Type

Arab Theses

Record ID

BIM-1412196