Koblenz-Landau, Germany
April 14, 2015
A study performed at the Institute for Environmental Science of the University of Koblenz-Landau evaluated for the first time comprehensive global insecticide contamination data for agricultural surface waters using the legally-accepted regulatory threshold levels (RTLs) as defined during the official pesticide authorisation procedures. The results are alarming: more than 40% of the water-phase samples with a detection of an insecticide concentration, exceeded respective RTLs. Concerning the exposure of sediments (i.e., deposits at the bottom of the surface water bodies), more than 80% of the insecticide concentrations exceeded RTLs, which, however, often are less binding from a regulatory perspective. Overall, the results of this study indicate that insecticides pose substantial threats to the biodiversity of global agricultural surface waters and that the current regulatory risk assessment schemes and pesticide authorisation procedures fail to protect the aquatic environment.
The results of this study fundamentally challenge the current regulatory risk assessment procedures for pesticides and indicate threats to the freshwater biodiversity at the global scale. “Potential reasons for these findings are failures of current risk assessment procedures or farmers` non-adherence to pesticide application prescriptions“ says Ralf Schulz, one of the authors of this study. Fundamentally reforming global conventional agricultural systems and the adoption of promising approaches from organic farming are possible ways to meet the twin challenges of providing sufficient food for a growing human population and reversing the adverse impacts of agricultural pesticides on global ecosystems such as surface waters.
The environmental risk assessment for pesticides, which is mandatorily conducted by regulatory agencies prior to their authorisation, is generally perceived as highly elaborated. These risk assessment procedures should ensure that the agricultural pesticide applications do not lead to unacceptable adverse effects on aquatic and terrestrial ecosystems or on the human health. During the authorisation procedure of a given pesticide, a specific concentration level (i.e., the RTL) is defined at which the ecological effects are considered to be acceptable, e.g., at which no unacceptable effects on the ecological integrity of surface waters and aquatic organisms are expected to occur. After a pesticide is authorised and in use, farmers must adhere to specific application prescriptions, e.g. a 20 m no-spray buffer zone next to a surface water body. These prescriptions should ensure that the RTL is not exceeded in the field. In essence, pesticide registration in the US or the EU is granted only if all risk assessment requirements are met and assuming that farmers adhere to the respective application prescriptions. However, it is important to note that the RTLs defined during the prospective pesticide authorisation procedures do not denote official water quality criteria as the regulatory risk assessment is based on the assumption that these RTL are never exceeded in the field due to the comprehensive risk assessment schemes and farmers application prescriptions.
The meta-analysis performed by the researchers from the University Koblenz-Landau considered 28 insecticide compounds, of which the majority is currently authorised in the EU or the US, respectively, and it comprised in total 11,300 insecticide concentrations detected in more than 2,500 surface water sites located in 73 countries and that were reported between 1962 and 2012 in 838 peer-reviewed, scientific studies. Overall, 8,166 insecticide concentrations were detected in the water-phase and 3,134 in sediments of global water bodies. However, out of all 11,300 insecticide concentrations, more than 52% (5,915 cases, more than 68.5% of the surface water sites analysed) exceeded the RTL, in parts up to a factor of 10,000 and beyond. According to the authors, these findings indicate substantial threats to global surface waters as insecticide concentrations equalling the RTL (i.e., those considered still acceptable from a regulatory perspective) already led to a 30% reduction of freshwater biodiversity.
The researchers from the University Koblenz-Landau list in their study several reasons why the actual situation in the field potentially is even worse: First, insecticide contamination data could be retrieved for only about 10% of global agricultural surface waters, which indicates that there is no scientific knowledge on the insecticide contamination of surface waters in large parts of the world, especially concerning Russia or large parts of South America. Moreover, insecticide concentrations in surface waters are very hard to detect as they occur even in highly contaminated surface waters only very briefly, i.e. only during a few days per year. However, due to the high toxicity of insecticides for aquatic organisms, these short-term peak concentrations, which occur repeatedly each year in agricultural surface waters, lead to substantial and long-lasting adverse effects on aquatic communities. Further on, in more than 80% of the samples that were analysed for various pesticide compounds, more than one, in some cases even up to 30 further pesticides were detected. Although the resulting adverse effects of these pesticide mixtures potentially are substantially higher compared to those of single compounds, they are, however, not considered in the regulatory risk assessment procedures. In general, aquatic organisms are highly susceptible already to insecticide surface water concentrations far below benchmark levels defined, for example, those for drinking water. However, as stated above, legally binding environmental quality criteria are available for only very few insecticide compounds.
The study, that was just published in the scientific journal Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, evaluated also whether newer insecticide compounds pose lower risks to surface waters compared to older compounds. However, the opposite was true: Newer, increasingly used insecticides, such as pyrethroids, exceeded the regulatory threshold levels by even 66%, whereas the older and due to other environmental concerns currently banned or less frequently used organochlorine insecticide compounds, led to only 24% RTL exceedances. The authors conclude that the acute environmental risk for surface waters apparently even increased with the development of newer insecticide classes. In addition, the risks of insecticides for aquatic ecosystems are unacceptably high even in highly regulated countries such as the EU or the US although currently used major pesticide legislations were enforced in the regions already at the beginning of the 1990s. Moreover, an in-depth analysis showed that in less regulated countries (e.g., countries in Africa or Asia), 42% of the insecticide concentrations exceeded the RTL; surprisingly, this figure is only slightly lower (i.e., 40% RTL exceedances) in highly regulated countries such as the US, EU, Canada, Japan or Australia.
Die Insektizidbelastung in Gewässern ist weltweit deutlich höher als erwartet
Wissenschaftler des Instituts für Umweltwissenschaften der Universität Koblenz-Landau haben erstmals umfangreiche globale Daten der Insektizidbelastung von Gewässern mit den für die jeweiligen Insektizide durch die Behörden definierten maximal akzeptablen Konzentrationen verglichen. Das Ergebnis ist alarmierend: In über 40% der Fälle, in denen ein Insektizid durch eine Wasserprobe in einem Gewässer weltweit nachgewiesen wurde, war die gefundene Konzentration höher als sie laut behördlichem Zulassungsverfahren sein dürfte. Bei Sedimenten, den Ablagerungen am Gewässergrund, für die häufig weniger bindende behördlich festgelegte Werte vorliegen, waren über 80% der Messwerte inakzeptabel hoch. Diese Ergebnisse zeigen, dass Insektizide eine signifikante Gefahr für die Biodiversität in Gewässern weltweit darstellen und dass die behördliche Risikobewertung für die Zulassung von Pflanzenschutzmitteln offensichtlich keinen ausreichenden Schutz bietet.
Insgesamt stellt die Studie die aktuelle Risikobewertung von Insektiziden grundsätzlich infrage und weist auf zu erwartende flächendeckende negative Einflüsse der gemessenen Belastungen auf die Biodiversität von Gewässern hin. „Neben Schwächen bei der Risikobewertung, kommen nicht eingehaltene Auflagen beim Ausbringen von Pestiziden auf der landwirtschaftlichen Fläche als Gründe in Betracht“, erklärt Ralf Schulz, einer der Autoren der Studie. Nur eine generelle Reform der Landwirtschaft und ein verstärkter ökologischer Anbau würden auf globaler Ebene die Sicherstellung der Ernährung einer wachsenden Bevölkerung bei gleichzeitiger Reduktion der negativen Einflüsse der auf den Einsatz von Pestiziden basierenden intensiven Landwirtschaft auf Ökosysteme, wie Gewässer, ermöglichen.
Pestizide werden generell vor der Zulassung einem umfangreichen Risikobewertungs- und Zulassungsverfahren durch die zuständigen Behörden unterzogen. Damit soll unter anderem ausgeschlossen werden, dass es bei ihrer Anwendung in der Landwirtschaft zu negativen Auswirkungen auf Gewässer, andere Ökosysteme oder auch den Menschen kommt. Im Rahmen dieses Zulassungsverfahrens wird für jedes Pestizid eine Konzentration festgelegt, die als unbedenklich einzustufen ist, bei der also beispielsweise keine negativen Auswirkungen auf ein Gewässer und die darin lebenden Organismen zu erwarten sind. Damit diese Konzentration auch in der Praxis nicht überschritten wird, müssen Landwirte bei der Ausbringung von Pestiziden oftmals Auflagen einhalten, zum Beispiel einen Mindestabstand von bis zu 20 m zum nächsten Gewässer. Nur unter der Annahme der Einhaltung dieser Auflagen werden viele Pestizide in der EU oder in den USA zugelassen. Die im Rahmen des Zulassungsverfahrens als unbedenklich eingestuften maximalen Umweltkonzentrationen haben allerdings nicht den Charakter eines Grenzwerts, da davon ausgegangen wird, dass sie aufgrund der vermeintlich schutzbietenden Risikobewertung und der Auflagen für die Ausbringung von Pestiziden in der Praxis nicht überschritten werden.
Die Wissenschaftler aus Landau haben auf der Grundlage von 838 Studien insgesamt 11.300 Fälle identifiziert, in denen ein Insektizid in einem Gewässer gemessen wurde. In dieser Metaanalyse der wissenschaftlichen Literatur aus Zeitschriften mit peer-review wurden 28 verschiedene Insektizide berücksichtigt, von denen der größte Anteil in der EU oder den USA auch aktuell noch zugelassen ist. Insgesamt stammen die Gewässerkonzentrationen von über 2500 Probestellen aus 73 verschiedenen Ländern und wurden zwischen 1962 und 2012 in der wissenschaftlichen Literatur veröffentlicht: 8.166 Konzentrationen stammen aus Wasserproben und 3.134 aus Sedimentproben von Gewässern. Für diese Wasser- und Sedimentproben lagen mehr als 52% der Messwerte (5.915 Proben) aus dem Freiland über den maximal akzeptablen Konzentrationen. An 68,5% der betrachteten Probestellen wurde eine Insektizidkonzentration im Gewässer festgestellt, die gemäß Zulassungsverfahren eigentlich nicht vorkommen dürfte. Teilweise lagen die gemessenen Werte um den Faktor 10.000 höher als gemäß Zulassungsverfahren maximal vertretbar. Die Folgen für die Gewässer sind enorm, selbst bei den gemäß Zulassungsverfahren noch als unbedenklich einzustufenden Insektizidkonzentrationen wird die Biodiversität der Gewässerorganismen bereits um etwa 30% reduziert.
Die Landauer Umweltwissenschaftler führen in ihrer Studie auch zahlreiche Gründe an, warum die tatsächliche Situation im Freiland vermutlich sogar durch noch höhere Belastungswerte gekennzeichnet ist, als die ausgewerteten Daten nahelegen. Insgesamt beschreiben die bisher vorhandenen und in der Metaanalyse zusammengetragenen Daten nur einen geringen Teil der weltweit vorhandenen landwirtschaftlichen Flächen: Für etwa 90% liegen keine Messdaten für Gewässer vor. So gibt es keine Werte für Russland oder große Teile Afrikas und Südamerikas. Selbst in belasteten Gewässern ist die vorhandene Insektizidbelastung oftmals nur für sehr kurze Zeiträume im Jahr tatsächlich messbar. Diese Belastungsspitzen können aber aufgrund der Toxizität der Insektizide und ihrem über Jahre hinweg regelmäßigen Auftreten die Gewässerlebensgemeinschaften dauerhaft verändern. Weiterhin wurden in über 80% der Proben, die auf mehrere Pestizidwirkstoffe untersucht wurden, tatsächlich mehrere Wirkstoffe - teilweise über 30 Wirkstoffe in einer Probe - gleichzeitig nachgewiesen. Die negativen Auswirkungen dieser Pestizidmischungen, die in der behördlichen Zulassung von einzelnen Pestiziden nicht berücksichtigt werden, können dabei deutlich über den von einzelnen Wirkstoffen liegen. Die Organismen im Gewässer reagieren insgesamt sehr empfindlich auf Insektizidkonzentrationen, die weit unterhalb der Werte liegen, die z.B. als Grenzwerte für Trinkwasser festgelegt werden. Tatsächliche Grenzwerte für Insektizide in Oberflächengewässern gibt es allerdings lediglich für sehr wenige Wirkstoffe.
Die Analyse, die aktuell in der Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America erschienen ist, ist auch der Frage nachgegangen, ob neuere Insektizidwirkstoffe im Gegensatz zu älteren Wirkstoffen ein geringeres Umweltgefährdungspotential aufweisen. Das Gegenteil war der Fall: Neuere Wirkstoffe, wie die heute vielfach eingesetzten synthetischen Pyrethroide, zeigen in 66% der Wasserproben Werte, die höher lagen als die nach den Zulassungsdaten akzeptablen Maximalkonzentrationen. Bei vergleichsweise alten Wirkstoffgruppen, wie die aus anderen Gründen inzwischen weitestgehend vom Markt genommenen Organochlorinsektizide, liegt diese Rate nur bei 24% der Proben. Das Risiko für Gewässer ist also im Laufe der vergangenen Jahrzehnte gestiegen. Auch die seit Anfang der 1990er Jahre etablierten restriktiven Bewertungs- und Zulassungsverfahren in der EU oder den USA haben in dieser Hinsicht keinerlei feststellbare Verbesserung erbracht. Bei genauer Betrachtung zeigte sich, dass in Ländern mit vergleichsweise liberaler Umweltgesetzgebung und geringer Regulierung (z.B. in Afrika, Asien) etwa 42% der Wasserproben inakzeptable hohe Insektizidkonzentrationen aufwiesen. In Ländern mit eher anspruchsvoller Umweltgesetzgebung, wie den USA, Kanada, Deutschland, Japan oder Australien war dieser Wert mit 40% erstaunlicherweise kaum geringer.
Aus Deutschland konnten insgesamt 138 gemessene Insektizidkonzentrationen in der Studie berücksichtigt werden. Dies ist eine relativ geringe Anzahl von Messwerten, die zeigt, dass in Deutschland zur Pestizidbelastung von Gewässern in der Landwirtschaft kaum wissenschaftlich fundierte Informationen vorliegen. Von diesen 138 Werten lagen sogar rund 80% über den gemäß Zulassungsverfahren als akzeptabel einzustufenden Konzentrationen. Erklären lässt sich diese eher hohe Belastung mit der Tatsache, dass vergleichsweise kleine Gewässer untersucht wurden und hierbei Methoden angewandt wurden, die selbst kurzzeitige Belastungsspitzen im Gewässer relativ gut erfassen können. Eine Anwendung dieser effektiven Messmethoden auch in anderen Ländern würde daher sehr wahrscheinlich auch dort eine deutlich höhere Gewässerbelastung durch Insektizide ergeben.
Studie:
Stehle, S.; Schulz, R. (2015): Agricultural insecticides threaten surface waters at the global scale. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America doi:10.1073/pnas.1500232112.
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