15.06.2015
ForschungUmwelt

Pflanzenschutzmittel in der Umwelt

Kontrollierte Innovation oder unkontrollierte Risiken?

  • Landwirtschaftliche Fläche (grau) und globale Verteilung der Insektizidbelastungsdaten aus Stehle und Schulz [3]. Die Farben geben die prozentuale Anzahl der Überschreitungen der regulatorisch akzeptablen Konzentrationen (hier abgekürzt durch RTL) durch die in Gewässern gemessene Insektizidkonzentrationen (measured insecticide concentrations, MIC) wieder.Landwirtschaftliche Fläche (grau) und globale Verteilung der Insektizidbelastungsdaten aus Stehle und Schulz [3]. Die Farben geben die prozentuale Anzahl der Überschreitungen der regulatorisch akzeptablen Konzentrationen (hier abgekürzt durch RTL) durch die in Gewässern gemessene Insektizidkonzentrationen (measured insecticide concentrations, MIC) wieder.
  • Landwirtschaftliche Fläche (grau) und globale Verteilung der Insektizidbelastungsdaten aus Stehle und Schulz [3]. Die Farben geben die prozentuale Anzahl der Überschreitungen der regulatorisch akzeptablen Konzentrationen (hier abgekürzt durch RTL) durch die in Gewässern gemessene Insektizidkonzentrationen (measured insecticide concentrations, MIC) wieder.
  • Abb. 1: Verfahren der regulatorischen Risikobewertung von Pflanzenschutzmitteln im Zulassungsverfahren basierend auf der Expositionsbewertung (abgeleitete Zielgröße: predicted environmental concentration, PEC), der Effektbewertung (abgeleitete Zielgröße: regulatory acceptable concentration, RAC) und dem Risikomanagement.
  • Abb. 2: Typisches Insektizidexpositionsmuster eines landwirtschaftlichen Gewässers im Jahresverlauf. Die senkrechten Pfeile oben kennzeichnen die Insektizidapplikationen und die gestrichelten Linien stellen die regulatorisch akzeptablen Konzentrationen für die drei Wirkstoffe dar. Grafik abgeändert nach [4].
  • Abb. 3: (a) Verhältnis der in Gewässern gemessenen Insektizidkonzentrationen (MIC) zu ihren regulatorisch akzeptablen Konzentrationen (RTL). (b) Regionale Abnahme der aquatischen Biodiversität in Abhängigkeit des Verhältnisses von Pflanzenschutzmittelkonzentration zur regulatorisch akzeptablen Konzentration. Grafik entnommen aus [3].
  • Sebastian Stehle
  • Prof. Dr. Ralf Schulz

Dieser Leitartikel stellt die historische Entwicklung des chemischen Pflanzenschutzes in der weltweiten Landwirtschaft am Beispiel der Insektizide dar. Nach einer Einführung in die regulatorische Umweltrisikobewertung von Pflanzenschutzmitteln werden anhand realer Insektizidbelastungsdaten für Gewässer Schwächen der Risikobewertung und Auswirkungen des chemischen Pflanzenschutzes auf die Umwelt aufgezeigt.

Entwicklung von Insektiziden
Der globale Markt für Pflanzenschutzmittel ist in den letzten Jahrzehnten kontinuierlich gewachsen und hat heute ein Volumen von ca. 50 Mrd. Dollar. Gegenwärtig werden mehr als 2 Millionen Tonnen an Pflanzenschutzmittelwirkstoffen in der globalen Landwirtschaft angewendet. Für die nächsten Jahrzehnte wird aufgrund der steigenden Weltbevölkerung, Resistenzbildungen und Auswirkungen des Klimawandels eine weitere Zunahme des chemischen Pflanzenschutzes prognostiziert.

Die unbeabsichtigten Folgen des massiven Einsatzes von Pestiziden wurden bereits vor über 50 Jahren durch Rachel Carsons Buch „Silent Spring“ (erschienen 1962) erstmalig dokumentiert. Carson zeigte insbesondere anhand der heute veralteten und in Industriestaaten nicht mehr zugelassenen Organochlorinsektizide erstmalig kritische Umweltauswirkungen von Pestiziden auf. Darüber hinaus legte Carson dar, wie begrenzt das damalige Wissen über die Auswirkungen von Pflanzenschutzmitteln auf Tiere und Pflanzen, aber auch den Menschen, in der Öffentlichkeit, bei Politikern und Behörden war. Carsons Buch hat dadurch die Thematik „Umweltchemikalien“ einer breiten Öffentlichkeit und der Politik ins Bewusstsein gebracht und somit auch den Wissenschaftsbereich der Ökotoxikologie begründet.

Das von Carson aufgebrachte Thema besitzt jedoch auch heute, in Zeiten neuer und moderner Pflanzenschutzmittelwirkstoffe, weiterhin eine deutliche Relevanz. Dieses zeigt sich insbesondere bei den äußerst toxischen, biologisch hochaktiven und auf das Nervensystem von Tieren gezielt einwirkenden Insektiziden. Betrachtet man die historische Entwicklung dieser Klasse synthetischer Pflanzenschutzmittel, so zeigt sich, dass diese erstmals in den 1940er und 50er Jahren ein wesentlicher Bestandteil der sich immer mehr industrialisierenden Landwirtschaft wurden.

Die erste Generation der Insektizide stellten dabei die oben schon angesprochenen Organochlorinsektizide dar. Diese Insektizide sind äußerst persistent, aufgrund ihrer hohen Fettlöslichkeit bioakkumulierend und reichern sich in der Nahrungskette an (Biomagnifikation). Aufgrund ihrer langen Umwelthalbwertszeiten findet man diese Wirkstoffe und ihre Abbauprodukte gegenwärtig aufgrund globaler Transportprozesse ubiquitär auf der Erde, insbesondere auch fernab ihrer Ausbringungsflächen in kalten Klimaten wie der Arktis und der Antarktis. 1972 wurden wichtige Vertreter dieser Insektizide (z.B. DDT) in vielen Industrieländern (z.B. Deutschland, Schweiz, USA) aufgrund ihrer negativen Umwelteigenschaften und insbesondere ihrer Effekte auf Greifvogelpopulationen verboten. Organochlorinsektizide kommen jedoch auch heute noch in Entwicklungsländern (z.B. zur Malariabekämpfung) zum Einsatz.

In den 1950er und 1960er Jahren erfolgte dann die Markteinführung der Organophosphate. Diese Insektizidklasse, deren Vertreter oftmals von im 2. Weltkrieg entwickelten Nervengasen abstammen, wurde schnell die dominierende Insektizidklasse und wird bis heute vielfach weltweit in der Landwirtschaft eingesetzt. Organophosphate sind weniger persistent, jedoch im Vergleich zu Organochlorinsektiziden deutlich toxischer, insbesondere für Vögel, Säugetiere und den Menschen. Aus diesem Grunde wurden insbesondere in den letzten 15 Jahren viele Vertreter dieser Insektizidklasse in Industrieländern verboten. Sie stellen jedoch global betrachtet weiterhin die bedeutendste Insektizidklasse dar.
In den 1970er Jahre fand die Markteinführung der Pyrethroide statt. Diese entwickelten sich insbesondere in den 1980er und 1990er Jahre aufgrund von auftretenden Resistenzen und der einsetzenden Verbote von Organophosphaten zu einer bedeutenden Insektizidklasse. Pyrethroide gelten als deutlich weniger persistent als Organochlorinsektizide und haben eine deutlich geringere Säugetiertoxizität als Organophosphate. Sie sind jedoch bereits bei sehr niedrigen Umweltkonzentrationen extrem toxisch für aquatische Insekten und Krebstiere. Negative Effekte können zum Teil ab 5 ng/l in Gewässern und somit häufig bereits bei Konzentrationen unterhalb der analytischen Nachweisgrenze von Pyrethroiden auftreten. Dieses Phänomen stellt eine kritische Herausforderung für das Gewässermonitoring dieser Insektizide dar.

Neonicotinoide, eingeführt in den 1990er Jahren, repräsentieren die aktuellste Insektizidgeneration. Diese verzeichnet insbesondere in den letzten Jahren ein enormes Wachstum. Neonicotinoide wirken systemisch (d.h. sie verteilen sich in der gesamten Pflanze) und weisen eine hohe Wasserlöslichkeit und längere Umwelthalbwertszeiten als Pyrethroide auf. Sie stehen aktuell im Verdacht insbesondere die für die landwirtschaftliche Bestäubung essentiellen Bienen massiv zu gefährden und ein Faktor für das global zu beobachtenden Bienensterben zu sein. Ihre neurotoxischen Wirkungen auf Wild- und Honigbienen führten im Jahre 2013 zu einer Aussetzung der Zulassung dreier Neonicotinoidwirkstoffe für bestimmte landwirtschaftliche Anwendungen in der EU. Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass obwohl die initial von Rachel Carson kritisierten Organochlorinsektizide in den letzten Jahrzehnten weitgehend durch neue Generationen von weniger persistenten Insektiziden ersetzt wurden, aufgrund der sehr hohen Toxizitäten der neueren Wirkstoffe die globale Insektizidproblematik weiterhin hoch aktuell bleibt.

Regulatorische Bewertung der Umweltrisiken
Pflanzenschutzmittel gehören aufgrund ihrer hohen biologischen Aktivität und ihrer Ausbringung in die Umwelt zu den am längsten und am stärksten regulierten Chemikalien. In der EU muss im Rahmen der Direktive EC 1107/2009 vor der Zulassung einzelner Wirkstoffe sichergestellt werden, dass ihre Anwendung keine unakzeptablen Auswirkungen auf Menschen und die Umwelt zur Folge haben. Die aquatische Risikobewertung fußt auf dem Vergleich der mittels Expositionsmodellen unter Verwendung von worst-case Annahmen vorhergesagten maximalen Umweltkonzentration (predicted environmental concentration, PEC) mit einem regulatorischen Schwellenwert, bei dem die im Gewässer zu erwartenden Effekte gerade noch als vertretbar angesehen werden (regulatory acceptable concentration, RAC) (Abb. 1). Diese Effektkonzentration wird mittels einfacher Labortestsystemen und komplexer Halbfreilandstudien (Mesokosmen), sowie unter Anwendung von Sicherheitsfaktoren festgelegt. Ein Pflanzenschutzmittel ist prinzipiell nur zulassungsfähig, wenn die vorhergesagte Umweltkonzentration (PEC) kleiner als die regulatorisch akzeptable Konzentration (RAC) ist (Abb. 1). Damit dieser Effektschwellenwert durch den landwirtschaftlichen Einsatz eines Mittels nach der Zulassung nicht überschritten wird, müssen Landwirte bei der Ausbringung von Pestiziden oftmals Auflagen einhalten, wie zum Beispiel einen Mindestabstand von bis zu 20 m zum nächsten Gewässer (Abb. 1). Die im Rahmen des Zulassungsverfahrens definierten regulatorisch akzeptablen Konzentrationen stellen jedoch keine Grenzwerte im eigentlichen Sinne dar, 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 Risikobewertung auf dem Prüfstand
Inwieweit die im Rahmen der regulatorischen Risikobewertung verwendeten Expositions- und Effektkenngrößen (also PEC und RAC) in der Praxis jedoch tatsächlich nicht überschritten werden, kann im Rahmen der prospektiven Risikoabschätzung nicht bewertet werden. Diese Frage ist jedoch von essentieller Bedeutung für die Bewertung der tatsächlichen Umweltrisiken von Pflanzenschutzmitteln sowie für die Bewertung der Protektivität der regulatorischen Risikobewertung. Aktuelle Untersuchungen, die dieser Frage nachgegangen sind, zeigen dabei erhebliche Defizite der Umweltrisikobewertung auf: So zeigten zwei aktuelle Studien [1, 2] für Insektizide und Fungizide, dass die im Rahmen des Zulassungsverfahrens modellierten Gewässerkonzentrationen in bis zu 30 % der Fälle von den realen Pflanzenschutzmittelkonzentrationen überschritten werden.

Die regulatorische Expositionsbewertung, die konservativ die maximal zu erwartenden Umweltkonzentrationen vorhersagen soll, ist demnach als nicht protektiv einzustufen. Mögliche Gründe hierfür sind Defizite in den Expositionsmodellen oder die Nichtbeachtung der Anwendungsbestimmungen durch die Landwirte (z. B. Verletzung des geforderten Mindestabstandes zum Gewässer). Eine weitere aktuelle Studie [3] verglich weltweit die in der wissenschaftlichen Literatur dokumentierten Insektizidkonzentrationen in Gewässern mit den regulatorisch akzeptablen Konzentrationen. Das Ergebnis dieser Meta-Studie liefert dabei interessante Erkenntnisse über die globale Insektizidproblematik: So konnten trotz umfangreicher Recherche und Auswertung von ca. 20.000 Fachartikeln nur für ca. 10% der globalen landwirtschaftlichen Fläche Informationen zur Insektizidexposition von Gewässern eruiert werden (Aufmacherbild). Dieses bedeutet, dass für 90 % der häufig durch hohen Insektizideinsatz gekennzeichneten Landwirtschaftsflächen weltweit keine Daten zur Gewässerbelastung vorliegen.

Weiterhin zeigte diese [3] und eine weitere Studie [4], dass der tatsächliche Nachweis der ökotoxikologisch relevanten Insektizidkonzentrationen in Gewässern äußerst schwierig ist. Die diffusen Insektizideinträge in Gewässer finden vor allem durch Sprühabdrift während der Applikation und nach der Applikation während Starkregenereignissen durch die Abwaschung von den landwirtschaftlichen Flächen statt. Aufgrund der in der Regel distinkt stattfindenden Anwendungen von Insektiziden nur bei akutem Schadbefall, sowie der durch ihre hohe Toxizität begründeten niedrigen Aufwandmengen und kurzen Umwelthalbwertszeiten moderner Insektizide, sind auch hoch belastete Gewässern nur für extrem kurze (weniger als 1% des Jahres) Zeiträume gegenüber Insektiziden exponiert (Abb. 2), so dass sich die kurzfristig auftretenden Maximalkonzentrationen nur mittels ereignisbezogener Probenahme (z. B. während Starkregenereignissen) exakt detektieren lassen. Die Umweltüberwachung steht somit im Falle von Insektiziden vor der Herausforderung räumlich und zeitlich sehr distinkt auftretende, dabei jedoch ökotoxikologisch höchst relevante Spurenkonzentrationen exakt zu detektieren.

Das wichtigste Ergebnis der Studie von Stehle und Schulz [3] war jedoch, dass 52% aller im Freiland tatsächlich detektierten (nur in rund 3% aller Proben (n > 430.000) gelang ein Insektizidnachweis) Insektizidkonzentrationen (n = 11.300, Betrachtung von Wasser- und Sedimentproben) die für die Zulassung festgesetzte regulatorisch akzeptable Konzentration um bis zu einem Faktor von 100.000 überschritten (Abb. 3a). Bei den direkt bioverfügbaren und somit ökotoxikologisch besonders relevanten Wasserkonzentrationen überschritten 40,8% den regulatorischen Schwellenwert. Die Folgen erhöhter Insektizidbelastungen für die Gewässerlebensgemeinschaften sind enorm, da selbst bei den gemäß Zulassungsverfahren noch als unbedenklich einzustufenden Insektizidkonzentrationen, die aquatische Biodiversität bereits um etwa 30% reduziert wird (Abb. 3b). Es ist also anzunehmen, dass Insektizide ein wichtiger Einflussfaktor für die in den letzten Jahrzehnten in globalen Gewässern festgestellten Biodiversitätsverluste sind. Auch wenn die Belastungsdaten in Gewässern in 73 Ländern weltweit erfasst wurden, so zeigte sich bei der Betrachtung der Situation in hochregulierten Ländern (z.B. USA, EU, Australien, Japan) mit 40% Überschreitungen der regulatorisch akzeptablen Konzentrationen in der Wasserphase keine deutlich niedrigere Belastung. Es muss somit konstatiert werden, dass die in den 1960er Jahren implementierten und seit Anfang der 1990er Jahre verschärften, restriktiven Bewertungs- und Zulassungsverfahren in der EU oder den USA kritische, durch den Einsatz von Insektiziden verursachte, Umweltrisiken nicht verhindern können.

Spezifisch für Deutschland wurden in der wissenschaftlichen Literatur nur 138 gemessene Konzentrationen für die betrachteten Insektizide dokumentiert. Diese relativ geringe Anzahl von Messwerten zeigt, dass in Deutschland zur Insektizidbelastung 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 (siehe Abb. 2) 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.

Eine weitere wichtige Erkenntnis der durchgeführten Metaanalyse [3] war, dass neuere Insektizidgenerationen im Gegensatz zu älteren Wirkstoffen ein höheres Umweltgefährdungspotential aufweisen. So überschritten 66% der Wasserproben der aktuell vielfach eingesetzten Pyrethroide die nach den regulatorischen Zulassungsdaten akzeptablen Maximalkonzentrationen, wohingegen dieser Wert bei den älteren Organophosphaten (43,7%) und insbesondere den heute weitestgehend vom Markt genommenen Organochlorinsektiziden (24,4%) deutlich niedriger lag. Das akute Risiko für Gewässer ist demnach im Laufe der vergangenen Jahrzehnte mit der Einführung neuerer Wirkstoffklassen sogar gestiegen. Dabei ist jedoch zu bedenken, dass andere, oben beschriebene Umweltrisikokenngrößen wie z.B. die hohe Säugetiertoxizität von Organophosphaten oder die langen Umwelthalbwertszeiten der Organochlorinsektizide in diesem Vergleich der Insektizidgenerationen unberücksichtigt sind. Nichtsdestotrotz führt die extrem hohe Toxizität moderner Insektizide zu unvertretbaren Auswirkungen auf Gewässerorganismen bereits bei sehr niedrigen Konzentrationen und stellt somit eine Herausforderung für die aktuelle und zukünftige Risikobewertung dieser Substanzen dar.

Ausblick
Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass auch über 50 Jahre nach der wegweisenden Veröffentlichung des Buches „Silent Spring“ die Umweltauswirkungen von Pestiziden immer noch aktuell sind und sogar in einzelnen Bereichen zugenommen haben. Der moderne chemische Pflanzenschutz als integraler Bestandteil der global stattfindenden, hochindustrialisierten Landwirtschaft, befindet sich in einem kritischen Spannungsfeld zwischen Sicherstellung der Erträge für eine wachsende Weltbevölkerung und unvertretbaren Risiken für globale Ökosysteme. Die zentrale Aufgabe der gegenwärtigen und zukünftigen Chemikalienpolitik und regulatorischen Risikobewertung ist es nachhaltig sicherzustellen, dass die mit dem Pflanzenschutzmitteleinsatz einhergehenden Umweltrisiken erstmalig auf ein vertretbares Niveau reduziert werden.

Literaturverzeichnis
[1] Knäbel A. et al.: Environmental Science and Technology 46, 8397-8404 (2012)
[2] Knäbel A. et al.: Environmental Science and Technology 48, 455-463 (2014)
[3] Stehle S. und Schulz R.: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 112, 5750-5755 (2015)
[4] Stehle S. et al.: Environmental Monitoring and Assessment 185, 6295-6310 (2013)

Lebensläufe

Sebastian Stehle
hat Umweltwissenschaften an der Universität Koblenz-Landau mit Schwerpunkt Ökotoxikologie studiert. Er befindet sich aktuell in der Endphase seiner Promotion zum Thema Risikobewertung der globalen Insektizidbelastung von Gewässer-ökosystemen. Seit dem Jahr 2010 ist er am Institut für Umweltwissenschaften der Univeristät Koblenz-Landau als wissenschaftlicher Mitarbeiter tätig.

Prof. Dr. Ralf Schulz
hat Biologie an der TU Braunschweig studiert und dort auch zum Thema Pestizide und Gewässer promoviert. Nach Auslandsaufenthalten u.a. in Südafrika und den USA leitete er für mehrere Jahre den Bereich Freilandstudien für die Risikobewertung von Pestiziden bei der Syngenta AG in Bracknell, UK. Seit 2004 ist er als Professor für Umweltwissenschaften an der Universität Koblenz-Landau tätig. Neben der aquatischen Ökotoxikologie von Pestiziden, Bioziden und Nanomaterialien beschäftigt er sich mit Fragen der aquatisch-terrestrischen Systemkopplung sowie der Artenschutzgenetik.

Weitere Beiträge zum Thema Wasseranalytik: http://www.git-labor.de

Originalartikel:
S. Stehle and R. Schulz: Agricultural insecticides threaten surface waters at the global scale (2015). DOI: 10.1073/pnas.1500232112

Autor(en)

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Universität Koblenz- Landau - Institut für Umweltwissenschaften
Im Fort 7
76829 Landau

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