The effect of pesticide mixtures on the degradation of xenobiotics in soil and aquatic sediment systems

• Der Effekt von Pestizidmischungen auf den Abbau von Xenobiotika in Boden und Aquatischen Sedimentsystemen

Wijntjes, Christiaan Wilhelmus; Schäffer, Andreas (Thesis advisor); Hollert, Henner (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2022)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Kurzfassung

Die stetig wachsende Weltbevölkerung benötigt immer mehr Nahrungsmittel und die entsprechende Steigerung von Ernteerträgen führt auch zu einer Zunahme des Düngemittelverbrauchs. Ein Mehr an Nährstoffen bedeutet jedoch auch, dass das Risiko eines Befalls mit pathogenen Pilzen bei der gedüngten Feldfrucht steigt. Infolgedessen sind Fungizide als Pflanzenschutzmittel (PSM) bei der Schädlingsbekämpfung in der Landwirtschaft essenziell wichtig. Agrochemikalien, die in der modernen Landwirtschaft als wirksame PSM ausgebracht werden, können jedoch das Boden-Mikrobiom beeinflussen und dieses erheblich in ihrer Funktion stören. Auch können PSM, die in die terrestrische Umwelt gelangen, durch Versickerung, Verwehung, Abfluss und Entwässerung, oder durch Eintrag über Kläranlagen (Heimgebrauch, Gewächshauswirtschaft) ins Grundwasser oder naheliegende Gewässer gelangen. Infolgedessen werden auch aquatische Ökosysteme von diesen PSM beeinflusst. Effekte von PSM auf aquatische Ökosysteme wurden bislang allerdings nur lückenhaft untersucht. Beim Anbau von Nutzpflanzen ist die sukzessive Behandlung mit unterschiedlichen oder einer Kombination von mehreren PSM gängige Praxis. Durch den Einsatz solcher sogenannter Tankmischungen gelangen verschiedene Agrochemikalien gleichzeitig in terrestrische und aquatische Ökosysteme, wo sie als Chemikaliengemisch zusammenwirken. Die Auswirkung von PSM-Mischungen auf verschiedenste Bodenparameter wurde ausführlich untersucht, aber nur wenig ist bekannt über die Auswirkungen von PSM-Mischungen auf die Abbaubarkeit einzelner Substanzen. Zudem sind die aktuell gültigen internationalen Richtlinien zur Untersuchung und Risikobewertung von Umweltchemikalien (OECD 307, 308) lediglich für Einzelsubstanzen konzipiert. Ein Teil der vorgestellten Forschungsarbeit behandelt die möglichen Auswirkungen von Breitband-Fungiziden in Tankmischungen auf das Abbauverhalten eines Herbizids in europäischen und amerikanischen Böden. Hierzu wurde die Fungizidkombination Tebuconazol und Prothioconazol verwendet. Als Modellherbizid wurde Iodosulfuron-methyl-sodium aus der Gruppe der Sulfonylharnstoffe gewählt, das zusammen mit den beiden Fungiziden Tebuconazol und Prothioconazol als Tankmischung Anwendung findet. Die Ergebnisse der Arbeiten zeigen, dass der biologische Abbau des Herbizids Iodosulfuron-methyl-sodium in vier unterschiedlichen Böden durch das gleichzeitige Vorhandensein der beiden Fungizide Tebuconazol und Prothioconazol beeinträchtigt wurde. Dieser Effekt kann durch die Hemmung der biotischen Transformation des Herbizids zu seinem Hauptabbauprodukt erklärt werden und zeigte sich, außer in einem Boden, nur vorübergehend; gegen Ende der entsprechenden Inkubationsperioden schwächte sich der Effekt ab. Für Iodosulfuron-methyl-sodium stiegen die Halbwertszeiten (DT50) in den vier Fungizid behandelten verglichen mit den unbehandelten Böden um einen Faktor 1.5 bis 2.9, und die DT90-Werte um einen Faktor 1.3 bis 2.2 an. In einem weiteren Teil der vorliegenden Arbeit wurde die gleiche Pestizidkombination in einem aquatischen Sedimentsystem unter kontrollierten Laborbedingungen untersucht. Es wurde, wie im vorherigen Versuchsansatz, die Abbaurate und der Abbauweg des radioaktiv markierten Herbizids verfolgt. Eine Probenserie wurde dafür im Dunkeln und eine bei kontinuierlicher Beleuchtung inkubiert, um Algenwachstum zu begünstigen, ansonsten waren die Bedingungen gleich. Zusätzlich wurde während des Versuchs das Algenwachstum im beleuchteten System unter verschiedenen Bedingungen überwacht und ein eventueller Einfluss der Algen auf die Metabolisierung von Iodosulfuron-methyl-sodium evaluiert. Diese Untersuchungen ergaben, dass der Abbau des Herbizids, welches sich über den gesamten Versuchszeitraum als hydro- und photolytisch stabil zeigte, im beleuchteten aquatischen Sediment begünstigt war, und zwar mit um 1.1 bis 1.2-fach beziehungsweise 2.8 bis 4.5-fach kürzeren DT50- und DT90-Werten, verglichen mit dem dunklen System. Zusätzlich wurde auch ein deutlicher Effekt beider Fungizide auf die DT90-Rate des Herbizids beobachtet, die entsprechend 1.5-fach im beleuchteten und 2.5-fach im dunklen aquatischen Sediment anstiegen. Es konnte zugleich ein möglicher Einfluss der Algenpopulation auf die Metabolisierung des Herbizids im beleuchteten Sediment festgestellt werden, obgleich dieser nur indirekt war. Ferner wurde ein negativer Effekt der Tankmischung mit Tebuconazol und Prothioconazol auf die Pilzbiomasse eines Lehmbodens bestätigt, während auf die aktive Gesamtbiomasse keine solche Wirkung festgestellt wurde. Infolgedessen bleibt es ungewiss, welche spezifischen Interaktionen zwischen den Fungiziden und der Mikroflora sowohl im Boden als auch im aquatischen Sedimentsystem zur Beeinträchtigung des Abbaus von Iodosulfuron-methyl-sodium geführt haben. Diese Prozesse bedürfen weitere Untersuchungen. Die innerhalb dieser Dissertation erlangten Erkenntnisse zeigen bei der Durchführung umweltrelevanter Laborversuche zu regulatorischen Zwecken in Bezug auf Pestizidmischungen im Boden, in Gewässern und in aquatischen Sedimentsystemen, wo deren stimulierende Wirkung auf das Wachstum von Algen und Cyanobakterien von Bedeutung sein können für die Risikoabschätzung von PSM, im speziellen von Fungiziden, in der Umwelt. Überdies ist eine Reduktion der Menge der in der Landwirtschaft verwendeten Fungizide durch vermehrt nachhaltige Nahrungsmittelerzeugung, kombiniert mit restriktivem Einzug von Agrarland in anliegenden Gebiete, sowie Verminderung des Eintrags von Agrochemikalien in die aquatische Umwelt, höchst erstrebenswert.

Einrichtungen

• Fachgruppe Biologie [160000]
• Lehrstuhl für Umweltbiologie und -chemodynamik [162710]