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Beeinflussung der Mykorrhizierung aufgrund von Fungizid- und Herbizidexposition durch Maßnahmen zum Pflanzenschutz in der Land- und Forstwirtschaft am Beispiel der Rotbuche

Influencing the mycorrhization by exposition to fungicides and herbicides through measurements of plant protection in agriculture and forestry using the example of the copper beech

  • Durch die fortschreitende Intensivierung der landwirtschaftlich genutzten Flächen in Deutschland wird im Rahmen der Ertragsteigerung oftmals ein erhöhter Einsatz von Düngemitteln und Pestiziden beobachtet. Da bislang nur wenige Abstandsauflagen zu Saumbiotopen bei der Zulassung von Substanzen festlegt wurden und darüber hinaus durch Abdrift, vor allem in Hauptwindrichtung von Agrarflächen, eine ungewollte Applikation ausgebrachter Fungizide auf Waldsäume (hier: Nichtzielfläche) anzunehmen ist, kann eine Gefährdung von Nichtzielorganismen nicht ausgeschlossen werden. Durch einen zulässigen Einsatz von Fungiziden im Forst und in Baumschulen werden Bestände auch unmittelbar mit Pestiziden exponiert. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Symbiose zwischen Bäumen als Nichtzielpflanzen und Ektomykorrhiza-Pilzen (ECM) als Nichtzielorganismen unter Fungizid- und Herbizid-Exposition untersucht. Als Modellsubstanzen wurden sowohl Pestizide mit einer Zulassung für Forstwirtschaft und Baumschulen wie auch mit Ackerbauzulassung gewählt. Die Anwendungsbereiche werden durch Konzentrationsniveaus (100% bzw. 10% der empfohlen Aufwandmenge, AM) abgebildet. Buchen, welche eine intakte Symbiose mit Ektomykorrhiza aufweisen, sind besser an ihre Umwelt angepasst und verfügen über Standortvorteile aufgrund einer effektiveren Nährstoff- und Wasseraufnahme. Diese Symbiose reagiert sensibel auf anthropogene Störungen wie Pestizidanwendungen. Die Substanzen können dabei sowohl über eine direkte Wirkung auf die Mykorrhiza-Pilze, wie auch über eine indirekt schädigende Wirkung auf die Wirtspflanze, die Symbiose beeinflussen. Ziel der Arbeit war es zu untersuchen, ob und welche Auswirkungen auf den Endpunkt Myzelwachstum von Ektomykorrhiza Pilzen durch eine Exposition zu beobachten sind. Zur Gefährdungsabschätzung wurden gemessene Pestizidkonzentrationen (MEC) in Gewächshausversuchen bestimmt; ECx Werte aus Konzentrations-Wirkungskurven ermittelt und die daraus resultierenden ökotoxikologischen Kenngrößen QR (Quotient Ratio) und TER (Toxic Exposure Ratio) berechnet. Dazu wurden zunächst in vitro Hemmversuche unter definierten Laborbedingungen durchgeführt. Als Endpunkt wurde das Myzelwachstum von Ektomykorrhiza-Pilzen definiert und entsprechende Kenngrößen wie EC10, EC50 und EC90 Werte für verschiedene Pestizid- ECM Modelle ermittelt. Als Modellorganismen wurden Pisolithus arhizus, Hebeloma crustuliniforme, Lyophyllum sp. und Cenococcum geophilum eingesetzt. Als Pestizide wurden die Wirkstoffe Quinoxyfen, Boscalid, Tebuconazol, Azoxystrobin sowie die Formulierungen Orius, Collis und Basta untersucht. Ergänzend dazu wurden Expositionsversuche im Gewächshaus durchgeführt und die Konzentrationen und Verteilungen der Wirkstoffe Tebuconazol und Boscalid in den Kompartimenten Boden1, Wurzelnaher Boden2 und Wurzel bestimmt. Hierzu wurde eine Methode zur Aufbereitung, Extraktion und Analyse mittels LC- MSMS in den verschiedenen Kompartimenten entwickelt. Ebenfalls wurde eine Methode zur Messung der Substanz Tebuconazol im Myzel von Pisolithus arhizus entwickelt. Aufgrund der Ergebnisse konnte gezeigt werden, dass die Toleranz der Mykobionten auf eine Exposition von dem untersuchten Testorganismus und dem eingesetzten Wirkstoff sowie dessen Konzentration abhängt. Hierbei wurde für den sensibelsten Testorganismus im Versuch, Pisolithus arhizus, ein EC50 Wert kleiner 0,026 ng g-1 für eine Exposition mit Orius ermittelt. Für eine Exposition von Pisolithus arhizus mit dem Herbizid Basta wurde ein EC50 Wert von 0,4% AM entsprechend 6 g ha -1 Glufosinat berechnet. in dem für die Symbiose relevanten Kompartiment Wurzelnaher Boden Wirkstoffkonzentrationen im Bereich von 100 - 500 ng g-1 für Boscalid und 150 - 700 ng g-1 für Tebuconazol bestimmbar sind. in dem Kompartiment Wurzel sowohl der Wirkstoff Tebuconazol wie auch Boscalid nachgewiesen werden konnte. im exponierten Myzel von Pisolithus arhizus der Wirkstoff Tebuconazol nachgewiesen werden konnte. Es wird somit von einer Bioverfügbarkeit der Substanz Tebuconazol ausgegangen. aufgrund der Datenlage und einer Berücksichtigung eines TER-Wertes < 5, für nahezu alle Kombinationen ein erhöhtes ökotoxikologisches Risiko anzunehmen ist. Einzig für eine Exposition mit 10% AM Boscalid auf den Testorganismus Cenococcum geophilum konnte ein TER > 9 ermittelt werden. Somit erscheinen weitere Untersuchungen bezüglich der Auswirkung von Pestiziden auf die Nichtzielorganismengruppe Ektomykorrhiza sinnvoll und notwendig. Für die Bewertung muss ein geeignetes Testsystem für Bodenmikroorganismen wie Mykorrhiza-Pilze standardisiert und validiert werden. Die entwickelte und angewendete Plattenmethode als Standardmesssystem erscheint dafür geeignet. Im Rahmen der Pestizidzulassungen müssen in Zukunft möglicherweise Mykorrhiza-Symbiosen bedacht werden und Schutzmaßnahmen wie Anwendungsbeschränkungen oder Abstandsregelungen zu Saumbiotopen überdacht werden.
  • The increased demand for foodstuffs, as well as the expansion of energy production from energy crops, leads to the intensification of agriculturally used areas in Germany. The increase in crop yields is often associated with a higher fertiliser and pesticide application. To date, only few distance requirements to biotopes bordering agricultural areas are being imposed at product approval. In view of the fact, furthermore, that fungicides administered on agricultural lands reach woodland margins (here: non-target areas) by unintentional airborne application, particularly in prevailing wind direction, exposure of non-target organisms cannot be excluded. Administering fungicides into forestry and tree nurseries also directly exposes tree populations to pesticides. This work investigates the symbiosis between trees as non-target plants and Ectomycorrhizal fungi (ECM) as non-target organisms exposed to fungicides and herbicides. Pesticides approved for forestry and tree nursery use, as well as for tilled land, serve as model substances. The application domains are represented by concentration levels (100% or 10% respective, of the recommended rate of application). Beeches, which exhibit an intact symbiosis with Ectomycorrhizal fungi, are better adapted to their environment. Furthermore, their effective nutrient and water uptake provides them with locational advantages. This symbiosis is sensitive to anthropogenous disturbances, such as pesticide applications. These substances can also interfere into the symbiosis not only by direct effect on mycorrhizal fungi, but also by indirect contamination of the host plant. This study aims at investigating if such effects can be observed on the end point of mycelial growth of ectomycorrhizal fungi by exposition, and if so, which ones. For risk assessment, the pesticide concentrations measured (MEC, Measured Environmental Concentration) was determined in greenhouse experiments and the ECxs determined from concentration-response curves and the resulting ecotoxicological indicators, such as QR (Quotient Ratio) and TER (Toxic Exposure Ratio) values were computed. In order to do so, inhibition experiments were conducted first in-vitro under specific laboratory conditions. Mycelium growth of Ectomycorrhizal fungi was defined as end point and corresponding indicators, such as EC10, EC50 and EC90 values were calculated for various pesticide ECM-models. Pisolithus arhizus, Hebeloma crustuliniforme, Lyophyllum sp. und Cenococcum geophilum were used as model organisms. As pesticides, the active ingredients quinoxyfen, boscalid, tebuconazole, azoxystrobin, as well as the formulations Orius, Collis and Basta were investigated. In addition, exposure trials were carried out in greenhouses and the concentrations and distributions of the active agents tebuconazole and boscalid in the compartments soil, rhizospheric soil and roots determined. In order to do so, methods consisting of preparation, extraction and analysis using LC- MSMS in the various compartments was elaborated. A measurement method for the substance tebuconazole in the mycelium of Pisolithus arhizus was also developed. The results provided the basis to the following findings: The tolerance of the mykobiont to exposition depends on the test organisms and the active agent used, as well as its concentration. An EC50 value lower than 0.026 ng g-1 for exposition to Orius was established for Pisolithus arhizus, the most sensitive test organism of the study. For an exposition of Pisolithus arhizus to the herbicide Basta, an EC50 value of 0.4% AM corresponding to 6 g ha -1 glufosinate was computed. A combination of active agents within the 100-500 ng g-1 range for boscalid and 150-700 ng g-1 for tebuconazole was established in the compartment relevant for the symbiose (rhizospheric soil). In the root compartment, not only the active agent tebuconazole, but also boscalid were detected in treatment. In the exposed mycelium of Pisolithus arhizus, the active agent tebuconazole was detected. This suggests a bioavailability of the substance tebuconazole. Based on available data and taking a TER value <5 into consideration, an increased eco-toxicological risk must be assumed. It has been possible to detect only one TER>9 on the test organism Cenococcum geophilum for exposure to 10%AM boscalid. Thus, further studies on the impact of pesticides on ectomycorrhizal, a non-target group of organisms, appear reasonable and necessary. For these types of evaluations, a suitable test system for soil microorganisms such as mycorrhizal fungi must be standardized and validated. The plate method developed and applied here as a standard measurement system appears suitable. Future pesticide certification procedures should take mykorrhiza symbioses into account as well as reconsider protective measures, such as application restrictions or distance regulations to ecotons.

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Metadaten
Author:Isabell Zunker
URN:urn:nbn:de:gbv:luen4-opus-144135
URL: https://pub-data.leuphana.de/frontdoor/index/index/docId/777
Advisor:Wolfgang Ruck (Prof. Dr.)
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2016
Date of Publication (online):2016/09/28
Publishing Institution:Leuphana Universität Lüneburg
Granting Institution:Leuphana Universität Lüneburg, Nachhaltigkeit
Date of final exam:2016/09/12
Release Date:2016/09/28
Tag:mycorrhiza; pesticide
GND Keyword:Mykorrhiza; Pestizid
Institutes:Fak 3 - Umwelt und Technik (alt) / Chemie
Dewey Decimal Classification:3 Sozialwissenschaften / 33 Wirtschaft / 333.7 Natürliche Ressourcen, Energie und Umwelt