In recent years, beekeepers have struggled to maintain healthy honey bee colonies throughout the northern hemisphere. In the first study to investigate the effects of neonicotinoids on drones, and one of the first to study the effects of these agricultural chemicals on males in general, an international research team led by the University of Bern and Agroscope has found that two neonicotinoids may inadvertently reduce drone lifespan and number of living sperm. Because queen survival and queen productivity are intimately connected to successful mating with males, any influence on sperm quality may have profound consequences for the health of the queen, as well as the entire colony. In light of recent beekeeper surveys that identified poor queen health as an important reason for honey bee colony losses, this study further strengthens calls for more thorough environmental risk assessments of these insecticides, as well as other crop protection products, to protect bees and other beneficial organisms.

‘We know multiple stressors can affect honey bee health, including parasites and poor nutrition. It is possible that agricultural chemicals may also play an important role’, says senior author Geoff Williams of the University of Bern and Agroscope. In 2013, the European Union and Switzerland took a precautionary approach by partially restricting the application of the widely used neonicotinoid insecticides thiamethoxam, clothianidin, and imidacloprid, with the mandate to perform further environmental risk assessments. A new inter-governmental review is currently taking place. Previous research suggests that these chemicals cause both lethal and sub-lethal effects on honey bee females from exposure, but nothing is known about how they may affect males of the species.

A research team from the institutes of bee health and veterinary public health at the University of Bern (Switzerland) and Agroscope at the Swiss Confederation (Switzerland), alongside collaborators from Chiang Mai University and Mae Fah Luang University (Thailand) and the University of Koblenz-Landau (Germany) recently demonstrated in an article in the prestigious scientific journal Proceedings of the Royal Society of London B: Biological Sciences that male honey bees, also called drones, are vulnerable to the neonicotinoids thiamethoxam and clothianidin.

Reduced longevity and sperm quality

The study showed that males maintained in the laboratory after colony-level exposure had a shorter lifespan and produced fewer living sperm. This could have important consequences for colonies because queens, which are essential to colony functioning, must be properly inseminated with healthy sperm from multiple males. Factors affecting the health of drones could therefore have profound consequences not just for the queen, but for the entire colony, as replacement of poorly mated queens is resource intensive and not without risks.

 ‘Most neonicotinoid studies that employ honey bees have focused on workers, which are typically the non-reproductive females of the colony. Male honey bees have really been neglected by honey bee health scientists; while not surprising, these results may turn a few heads’, says lead author and doctoral student Lars Straub from the University of Bern. Co-author Peter Neumann from Bern states ‘these results, coupled with the importance of males to honey bee reproduction, highlight the need for stringent environmental risk assessments of agricultural chemicals to protect biodiversity and ecosystem functioning.’

Bees, pollination, and honey

Honey bees, like all insect pollinators, provide crucial ecosystem and economic services. Annually in Europe and North America, millions of honey bee colonies produce honey and contribute to the pollination of a range of agricultural crops – from carrots to almonds to oilseed rape – that is valued at billions of Euros. 

Publication details:

Straub, L., Villamar-Bouza, L., Bruckner, S., Chantawannakul, P., Gauthier, L., Khongphinitbunjong, K., Retschnig, G., Troxler, A., Vidondo, B., Neumann, P., Williams, G.R. 2016. Neonicotinoid insecticides can serve as inadvertent insect contraceptives. Proc. R. Soc. B 20160506 doi: 10.1098/rspb.2016.0506. Available at: http://dx.doi.org/10.1098/rspb.2016.0506

Die vorliegende Studie untersuchte erstmals die Auswirkungen von Neonikotinoiden auf Drohnen – männliche Honigbienen – und ist eine der ersten, die sich mit den Auskwirkungen auf männliche Insekten überhaupt befasst. Wie Forschende der Universität Bern und der Agroscope zusammen mit Kollegen in Thailand und Deutschland herausgefunden haben, verkürzen Neonikotinoide unbeabsichtigt die Lebensspanne von Drohnen und reduzieren die Anzahl ihrer lebenden Spermien. Weil das Überleben und die Leistungsfähigkeit der Bienenkönigin von der erfolgreichen Begattung mit Männchen abhängt, hat eine schlechte Spermienqualität schwerwiegende Folgen für die Gesundheit der Königin und somit der ganzen Kolonie. Aktuelle Forschungsergebnisse haben bereits gezeigt, dass eine schwache Gesundheit der Königin eine wichtige Ursache für das Bienensterben darstellt. In diesem Zusammenhang fordern die Forschenden gründlichere Abklärungen der Risiken von Neonikotinoiden und ähnlicher Mittel.

Schädigung von Weibchen bereits nachgewiesen

«Wir wissen, dass verschiedene Faktoren der Bienengesundheit schaden, darunter Parasiten und schlechte Ernährung. Agrochemikalien gehören auch dazu», sagt Geoff Williams von der Universität Bern und der Agroscope, Letztautor der Studie. Bisherige Studien weisen darauf hin, dass die Chemikalien sowohl tödliche als auch nicht-tödliche Auswirkungen auf weibliche Honigbienen haben. Bisher war aber nichts über die Auswirkungen auf Männchen bekannt. Bereits 2013 wurde vorsorglich die breite Anwendung der drei Wirkstoffe Thiamethoxam, Clothianidin und Imidacloprid in Europa stark eingeschränkt, um die Auswirkungen auf die Bienengesundheit genauer zu untersuchen. In Anlehnung an die EU wurde der Einsatz dieser Neonikotinoide in der Schweiz ebenfalls teilweise verboten. Aktuell ist eine neue Abklärung durch die Bewilligungsbehörden Europas im Gang.

Die Forschergruppe der Institute für Bienengesundheit und Veterinary Public Health der Universität Bern und dem Zentrum für Bienenforschung der Agroscope wiesen nun gemeinsam mit Kollegen der Chiang Mai Universität, der Mae Fah Luang Universität (Thailand) und der Universität Koblenz-Landau (Deutschland) nach, dass auch männliche Bienen – Drohnen – durch die Neonikotinoide Thiamethoxam und Clothianidin geschädigt werden. Die Studie wurde im Journal Proceedings of the Royal Society of London B: Biological Sciences publiziert.

Kürzeres Leben und verminderte Spermienqualität

Die Studie zeigt, dass im Labor gehaltene Drohnen, nachdem sie den Neonikotinoiden in einem Volk ausgesetzt waren, eine kürzere Lebensdauer aufwiesen und weniger lebende Spermien produzierten. Dies hat auch Konsequenzen für die Bienenköniginnen: da diese als einzige Eier legen können, müssen sie mit den gesunden Spermien von mehreren Drohnen befruchtet werden, um ihre zentrale Rolle für das Volk wahrzunehmen. Wird eine Königin von Männchen mit schlechter Spermienqualität begattet, beeinträchtigt dies ihre Legetätigkeit, worauf die Kolonie sie durch eine andere ersetzen muss – was ressourcenintensiv und mit Risiken verbunden ist. «Die meisten Studien zu Neonikotinoiden haben sich bisher auf Arbeiterinnen (die nicht reproduzierfähigen Weibchen im Volk) beschränkt. Männliche Honigbienen wurden bisher vernachlässigt – und obwohl die Resultate nicht überraschen, könnten sie nun zu einem Umdenken in Sachen Neonikotinoide führen», sagt Lars Staub, Hauptautor der Studie und Doktorand am Institut für Bienengesundheit.

«Zusammen mit weiteren Studienergebnissen und der Bedeutung, die männliche Honigbienen für die Fortpflanzung der Gattung haben, unterstreichen unsere Resultate die Dringlichkeit von Risikoabschätzungen der Agrochemikalien, um die Biodiversität und Öksysteme zu erhalten», sagt Ko-Autor Peter Neumann, Leiter vom Institut für Bienengesundheit.

Zusammenhang zwischen Bienengesundheit, Bestäubung und Honigproduktion

Honigbienen erfüllen, wie alle bestäubenden Insekten, eine sehr wichtige Rolle für das Ökosystem und dadurch auch für die Wirtschaft. Jedes Jahr produzieren Millionen von Honigbienenvölkern in Europa und Nordamerika Honig und tragen massgeblich zur Bestäubung von landwirtschaftlichen Pflanzen bei. Die Vielfalt der bienenbestäubten Pflanzen reicht von der Karotte über die Mandel bis hin zum Raps. Die gesamte Bestäubungsleistung beträgt jährlich mehrere Milliarden Euro.

Die Studie wurde finanziell unterstützt vom Schweizerischen Bundesamt für Umwelt, der Agroscope, den Stiftungen Vinetum und Ricola, ETH Global (People Exchange Grant), und dem Chiang Mai University Fund. Sie wurde durchgeführt von Forschenden der Universität Bern (Institut für Bienengesundheit und Institut für Veterinary Public Health), der Agroscope (Schweizer Institut für Bienenforschung), der Universität Koblenz-Landau, der Chiang Mai University und der Mae Fah Luang University.

Angaben zur Publikation:

Straub, L., Villamar-Bouza, L., Bruckner, S., Chantawannakul, P., Gauthier, L., Khongphinitbunjong, K., Retschnig, G., Troxler, A., Vidondo, B., Neumann, P., Williams, G.R. 2016. Neonicotinoid insecticides can serve as inadvertent insect contraceptives. Proc. R. Soc. B 20160506 doi: 10.1098/rspb.2016.0506. Available at: http://dx.doi.org/10.1098/rspb.2016.0506