Leipzig, Germany
December 10, 2013
Foto: Kara-Fotolia.de
In order to improve the evaluation process for the long-term consequences of pesticides, scientists have developed a new detection method and a model that can enable determinations regarding whether and how readily biodegradable the residues of pesticides are. The study, conducted by scientists at the Helmholtz-Centre for Environmental Research (UFZ), the Rhine-Westphalian Technical University Aachen (RWTH) and the Technical University of Denmark has recently appeared in the scientific journal “Critical Reviews in Environmental Science and Technology”.
Pesticides have a bad reputation: they harm the environment, have negative effects on the diversity of species and pollute the soil. “This is partially correct, but also partially incorrect. Pesticides are important for the efficacy of our modern agriculture methods. And pesticides are not necessarily pesticides – differentiation is necessary in this context. Generally speaking, biodegradability is supposed to be the top priority when deploying pesticides”, says Prof. Dr. Matthias Kästner, Director of the Department Environmental Biotechnology at the Helmholtz-Centre for Environmental Research – UFZ in Leipzig.
Worldwide, today approximately 5,000 pesticides are utilized as substances for plant protection and for pest control. As varied as their respective effectiveness is, their effects on the environment are equally varied. Some pesticides are quickly biodegraded, while others take longer. And some of them create chemical bonds with components in the soil and form the so-called bound residues. One has always previously assumed that these residues were, per se, toxic. This is why pesticides that form more than 70% bound residues are no longer in compliance today. Kästner: “But what exactly is concealed behind these bound residues, i.e. whether or not they really are toxic or what chemical structures they have hidden, could not yet been evaluated.”
By applying the so-called 13C-method, Kästner and his team applied pesticides onto various reference soils and examined them thoroughly regarding their fate. For this purpose, they initially marked the pesticide to be examined with the non-radioactive, heavy carbon isotope 13C – and tracked it in various bio-molecules with the aid of a mass spectrometer after completion of the experiment timeframe. In this manner the scientists were able to determine the residues, the changes in the pesticide, and its breakdown products in the soil.
The most significant result from the study states – there are various groups of bound residues. In the current issue of the technical journal “Critical Reviews in Environmental Science and Technology“, the UFZ research scientists compile their results and introduce a classification system and a modelling approach for bound residues. As regards Type 1, the pesticide itself or its breakdown products of organic materials are deposited in the soil (humus) or trapped within, and can in principle be released at any time. If the pesticide has undergone a chemical bond with the humus, bound residues are allocated to the Type 2, which can only be released with difficulty. Residues from both Type 1 and Type 2 are to be categorised as toxicologically relevant. “At this juncture a precise examination must be carried out regarding whether or not approval of a pesticide that forms such residues in the soil is possible and defensible,” says Matthias Kästner. As regards residues of the Type 3, the pesticide was decomposed by bacteria, and the carbon contained therein was transported into the microbial bio-mass. “For these kinds of residues, we can give the “all-clear” signal and confirm that there is no further risk”, Kästner states. Pesticides, from which the bound residues in the soil are allocated to Type 3, could thus be approved without risk in the future. Conversely, pesticides, which heretofore were considered to be risk-free, could possibly be classified as critical using this method. Kästner says “Only when we are capable of differentiating between biodegradable and high-risk pesticide residues we can act accordingly. This is why we hope that the 13C-method will be included in the dossiers of the approval procedure in the future. This is what we suggested to the German Federal Environmental Agency as well.”
The initial findings from the UFZ study have already been accepted into the assessment processes of the officials involved in the approval procedure. Thus, for the residues of the approved pesticides 2.4 dichlorphenoxyacetic acid (2.4-D for short) and 2 methyl 4 chlorphenoxyacetic acid (MCPA for short), they were able to give the all-clear. “In order to better control the deployment of pesticides and their environmental consequences, we still have a lot of work to do”, says Kästner. “The problems that we had with DDT (dichlorodiphenyltrichloroethane) and atrazine must not be repeated. Therefore, it is very important to understand what actually happens with pesticides after application.” Nicole Silbermann
Publication
Matthias Kästner, Karolina M. Nowak, Anja Miltner, Stefan Trapp, Andreas Schäffer (2013): Classification and modelling of non-extractable residue (NER) formation of xenobiotics in soil – a synthesis. Critical Reviews in Environmental Science and Technology. DOI: 10.1080/10643389.2013.828270
http://dx.doi.org/10.1080/10643389.2013.828270
This study was funded by the European Commission (EU-Projects RaiseBio and MagicPAH).
Links
Risk Assessment and Environmental Safety Affected by Compound Bioavailability in Multiphase Environments (RAISEBIO):
http://www.ufz.de/index.php?de=10757
Molecular Approaches and MetaGenomic Investigations for optimizing Clean-up of PAH contaminated sites (MAGICPAH):
http://www.magicpah.org/
Bioabbaubar oder nicht? Wissenschaftler erarbeiten Klassifizierung, um leicht abbaubare von langlebigen Pestiziden unterscheiden zu können
Damit die Langzeitfolgen von Pestiziden besser beurteilt werden können, haben Wissenschaftler eine neue Nachweismethode und ein Modell erarbeitet, das Aussagen ermöglicht, ob und wie stark die Rückstände von Pestiziden bioabbaubar sind oder nicht. Die Studie von Wissenschaftlern des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ), der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule (RWTH) Aachen und der Technischen Universität Dänemarks ist jetzt im Fachblatt „Critical Reviews in Environmental Science and Technology“ erschienen.
Pestizide haben einen schlechten Ruf: Sie schaden der Umwelt, haben negative Auswirkungen auf die Artenvielfalt und belasten den Boden. „Das ist teilweise richtig, zum Teil aber auch nicht. Pestizide sind wichtig für die Funktion unserer modernen Landwirtschaft. Und Pestizid ist nicht gleich Pestizid – hier ist eine differenzierte Betrachtung notwendig. Generell sollte beim Einsatz von Pestiziden deren Bioabbaubarkeit oberstes Gebot sein“, sagt Prof. Dr. Matthias Kästner, Leiter des Departments Umweltbiotechnologie am Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung – UFZ in Leipzig.
Weltweit werden heute etwa 5.000 Pestizide als Pflanzenschutzmittel und zur Schädlingsbekämpfung eingesetzt. So unterschiedlich ihre jeweilige Wirkung ist, so unterschiedlich sind auch ihre Auswirkungen auf die Umwelt. Einige Pestizide werden schnell abgebaut, manche langsamer. Und manche binden an Bestandteile des Bodens und bilden so genannte gebundene Rückstände. Bislang ging man davon aus, dass diese Rückstände per se giftig sind. Daher sind Pestizide, die mehr als 70 Prozent gebundene Rückstände bilden, heute nicht mehr zulassungsfähig. Kästner: „Doch was sich genau hinter diesen gebundenen Rückständen verbirgt, ob sie tatsächlich toxisch sind und welche stofflichen Strukturen sich dahinter verbergen, konnte bislang noch nicht untersucht werden.“
Unter Anwendung der so genannten13C-Methode haben Kästner und sein Team Pestizide auf unterschiedliche Referenzböden gegeben und genauer untersucht, was aus ihnen wird. Dazu haben sie im Vorfeld das zu untersuchende Pestizid mit dem nicht-radioaktiven, schweren Kohlenstoffisotop 13C markiert – und dieses nach Ablauf des Versuchszeitraums in verschiedenen Biomolekülen mit Hilfe eines Massenspektrometers aufgespürt. Auf diese Weise konnten die Wissenschaftler den Verbleib und die Veränderung der Pestizide und ihrer Abbauprodukte im Boden nachweisen.
Das wichtigste Ergebnis der Studie: Es gibt unterschiedliche Gruppen gebundener Rückstände. In der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins „Critical Reviews in Environmental Science and Technology“ fassen die UFZ-Forscher ihre Ergebnisse zusammen und stellen eine Klassifizierung und einen Modellierungsansatz für gebundene Rückstände vor. Beim Typ 1 sind das Pestizid selbst oder seine Abbauprodukte an organisches Material im Boden (Humus) angelagert oder darin eingeschlossen und können im Prinzip jederzeit wieder freigesetzt werden. Ist das Pestizid eine feste chemische Bindung mit dem Humus eingegangen, werden gebundene Rückstände dem Typ 2 zugeordnet, welche nur schwer wieder freigesetzt werden. Rückstände vom Typ 1 und Typ 2 sind als toxikologisch relevant einzustufen. „Hier muss genau geprüft werden, ob die Zulassung eines Pestizids, das solche Rückstände im Boden bildet, möglich und vertretbar ist oder nicht“, sagt Matthias Kästner. Bei Rückständen vom Typ 3 wurde das Pestizid durch Bakterien zersetzt und der enthaltene Kohlenstoff in mikrobielle Biomasse eingebaut. „Für diese Art von Rückständen kann prinzipiell Entwarnung gegeben werden. Denn das sind keine Rückstände im eigentlichen Sinne mehr. Da das Pestizid mikrobiell abgebaut wurde, besteht hier keinerlei Risiko mehr“, so Kästner. Pestizide, deren gebundene Rückstände im Boden dem Typ 3 angehören, könnten also in Zukunft gefahrlos zugelassen werden. Umgekehrt könnten mit dieser Methode aber auch Pestizide, die bislang als ungefährlich galten, als kritisch eingestuft werden. Kästner: „Nur wenn wir in der Lage sind, zwischen bioabgebauten oder risikobehafteten Pestizidrückständen zu unterscheiden, können wir entsprechend handeln. Daher hoffen wir, dass die 13C-Methode in Zukunft in die Dossiers der Zulassungsverfahren aufgenommen werden wird. Das haben wir auch dem Umweltbundesamt vorgeschlagen.“
Die ersten Ergebnisse der UFZ-Studie fanden bereits Eingang in die Bewertungen der an der Zulassung beteiligten Behörden. So konnte für die als kritisch eingestuften Rückstände der zugelassenen Pestizide 2,4-Dichlorphenoxyessigsäure (kurz: 2,4-D) und 2-Methyl-4-chlorphenoxyessigsäure (kurz: MCPA) Entwarnung geben werden. „Um den Pestizideinsatz und seine Umweltauswirkungen besser steuern zu können, liegt aber noch viel Forschungsarbeit vor uns“, sagt Kästner. „Die Probleme, die wir mit DDT (Dichlordiphenyltrichlorethan) und Atrazin hatten, dürfen sich nicht wiederholen. Zu verstehen, was mit den Pestiziden nach Anwendung tatsächlich passiert, ist daher sehr wichtig.“
Nicole Silbermann
Publikationen
Matthias Kästner, Karolina M. Nowak, Anja Miltner, Stefan Trapp, Andreas Schäffer (2013): Classification and modelling of non-extractable residue (NER) formation of xenobiotics in soil – a synthesis. Critical Reviews in Environmental Science and Technology. DOI: 10.1080/10643389.2013.828270
http://dx.doi.org/10.1080/10643389.2013.828270
Die Studie wurde gefördert von der Europäischen Kommission (EU-Projekte RaiseBio und MagicPAH).
Links
Risk Assessment and Environmental Safety Affected by Compound Bioavailability in Multiphase Environments (RAISEBIO):
http://www.ufz.de/index.php?de=10757
Molecular Approaches and MetaGenomic Investigations for optimizing Clean-up of PAH contaminated sites (MAGICPAH):
http://www.magicpah.org/
Species
