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Belastung von kleinen Gewässern in der Agrarlandschaft mit Pflanzenschutzmittel-Rückständen - TV1 Datenanalyse zur Pilotstudie Kleingewässermonitoring 2018/2019
(Umweltbundesamt, 2023) Liess, Matthias; Böhme, Alexander; Gröning, Jonas; Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung; Deutschland. Umweltbundesamt; Müller, Alexandra; Hitzfeld, Kristina
m Kleingewässermonitoring 2018/2019 wurde eine umfangreiche Datenbasis zum Belastungszustand kleiner Fließgewässer in der deutschen Agrarlandschaft mit Pflanzenschutzmitteln (PSM) geschaffen. Mit den hier dargestellten vertieften Analysen der Daten wurden die treibenden Faktoren für die Einträge von PSM in Gewässer, die Effektivität von Risikominderungsmaßnahmen sowie die Toxizität von Pestiziden allein und in Kombination im Gewässer untersucht. Es zeigte sich, dass Gewässerrandstreifen den PSM-Eintrag insbesondere für gering mobile Stoffe effektiv mindern können und, dass auch nur zeitweise wasserführende Gräben den PSM-Eintrag erhöhen. Die große Anzahl an zeitgleich gefundenen PSM-Wirkstoffen in den Gewässerproben verdeutlicht das zusätzliche Risiko durch PSM-Mischungen, was die Risikobewertung im Zulassungsverfahren von PSM bislang nicht berücksichtigt. Ein weiteres Gewässermonitoring in 2021 ergänzt die Daten des Kleingewässermonitorings. Es bildet Trends der inzwischen im Feldanbau verbotenen Neonicotinoide ab und zeigt die Bedeutung der als Ersatzstoff zunehmend verwendeten Pyrethroide. Eine erste Auswertung von Anwendungsdaten aus den Einflusskorridoren der Messstellen zeigt darüber hinaus die Abhängigkeit der in den Gewässern gefundenen Belastungen vom PSM-Einsatz. Diese Auswertungen unterstreichen das Potential und die Notwendigkeit der Verfügbarkeit von PSM-Anwendungsdaten für die Identifikation von Expositionstreibern und für die Überprüfung von Expositionsmodellen und Risikomanagement. Auf Grundlage der Ergebnisse werden Empfehlungen für ein angepasstes Monitoringkonzept gegeben. Quelle: Forschungsbericht
Close to reality? Micro-/mesocosm communities do not represent natural macroinvertebrate communities
(2022) Duquesne, Sabine; Foit, Kaarina Pirko; Liess, Matthias; Karaoglan, Bilgin; Reiber, Lena; Wogram, Jörn
Background: The European environmental risk assessment of plant protection products considers aquatic model ecosystem studies (microcosms/mesocosms, M/M) as suitable higher tier approach to assess treatment-related effects and to derive regulatory acceptable concentrations (RAC). However, it is under debate to what extent these artificial test systems reflect the risks of pesticidal substances with potential harmful effects on natural macroinvertebrate communities, and whether the field communities are adequately protected by the results of the M/M studies. We therefore compared the composition, sensitivity and vulnerability of benthic macroinvertebrates established in control (untreated) groups of 47 selected M/M studies with natural stream communities at 26 reference field sites. Results: Since 2013 the number of benthic macroinvertebrate taxa present in M/M studies has increased by 39% to a mean of 38 families per study. However, there is only an average of 4 families per study that comply with the recommendations provided by EFSA (EFSA J 11:3290, 2013), i.e.: (i) allowing statistical identification of treatmentrelated effects of at least 70% according to the minimum detectable difference (here criteria are slightly modified) and (ii) belonging to insects or crustaceans (potentially sensitive taxa for pesticidal substances). Applying the criterion of physiological sensitivity according to the SPEARpesticides concept, the number of families decreases from 4 to 2.3 per study. Conclusions: Most taxa established in recent M/M studies do not suitably represent natural freshwater communities. First, because their abundances are often not sufficient for statistical detection of treatment-related effects in order to determine an appropriate endpoint and subsequent RAC. Recommendations are given to improve the detectability of such effects and their reliability. Second, the taxa often do not represent especially sensitive or vulnerable taxa in natural communities in terms of their traits. The uncertainties linked to vulnerable taxa in M/M studies are especially high considering their representativity for field assemblages and the comparability of factors determining their recovery time. Thus considering recovery for deriving a RAC (i.e., ERO-RAC) is not recommended. In addition, this paper discusses further concerns regarding M/M studies in a broader regulatory context and recommends the development of alternative assessment tools and a shift towards a new paradigm. Quelle:© The Author(s) 2022
Crustacean biodiversity as an important factor for mosquito larval control
(2013) Kroeger, Iris; Duquesne, Sabine; Liess, Matthias
Newly established ponds, which are highly dynamic systems with changing levels of biological interactions among species, are common larval mosquito habitats. We investigated the impact of crustacean abundance and taxa diversity on mosquito oviposition and larval development. The effects of the biological larvicide Bacillus thuringiensis israelensis (Bti) on mosquito larvae were monitored according to fluctuations in crustacean communities. Populations of the mosquito Culex pipiens colonized artificial ponds that contained crustacean communities at different time points of colonization by crustaceans: 1) ´no colonization (no crustaceans), 2) ´simultaneous colonization by crustaceans and mosquitoes, and 3) ´head-start colonization by crustaceans (preceding colonization by mosquitoes). All types of ponds were treated with three concentrations of Bti (10, 100, or 1,000 Ţg/liter). Colonization of all ponds by Cx. pipiens (in terms of oviposition, larval abundance, and larval development) decreased significantly with increasing diversity of crustacean taxa. The total abundance of crustaceans had a minor effect on colonization by Cx. pipiens. The presence of crustaceans increased the sensitivity of Cx. pipiens larvae to Bti treatment by a factor of 10 and delayed the time of recolonization. This effect of Bti was relevant in the short term. In the long term, the presence of Cx. pipiens was determined by crustacean biodiversity.Quelle: http://onlinelibrary.wiley.com
Environmental risks of pesticides between forecast and reality: How reliable are results of the environmental risk assessment for individual products in the light of agricultural practice (tank mixtures, spray series)?
(2019) Knillmann, Saskia; Liess, Matthias; Scholz-Starke, Björn; Bär, Susanne; Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung
Viele Pflanzenschutzmittel (PSM), die in der Europäischen Union für den landwirtschaftlichen und privaten Gebrauch zugelassen sind, enthalten mehr als einen Wirkstoff. Solche Kombinationsprodukte und auch Monoformulierungen mit einem Wirkstoff werden häufig mit anderen Pflanzenschutzmitteln in Tankmischungen in einer Sequenz von Feldanwendungen eingesetzt. Daher stellt die Bewertung von realistischen Behandlungsregimes einen wesentlichen Bestandteil der Umweltrisikobewertung von PSM dar. Seit Jahrzehnten beschäftigen sich viele Studien mit den Effekten von Schadstoffmischungen auf verschiedene Organismen und Endpunkte. Das Modell der Konzentrationsadditivität (CA) gilt in vielen Fällen als geeignet die Wirkung von Schadstoffmischungen vorherzusagen. Dennoch fehlt es an Kenntnissen zur Vorhersagbarkeit von chronischen Mischungseffekten und von Effekten auf aquatische oder terrestrische Gemeinschaften. Zur Beantwortung dieser Fragestellung haben wir im COMBITOX-Projekt vorhandenes Wissen und Daten zu chronischen Effekten sowie für aquatische und terrestrische Gemeinschaften ausgewertet. Zudem haben wir verfügbare Modelle und Ansätze (z.B. HAIR 2014, SYNOPS-WEB, PRIME-beta etc.) kritisch evaluiert, um deren Nutzen für eine Risikovorhersage von Behandlungsregimes in terrestrischen und aquatischen Ökosystemen zu bewerten. Weiterhin wurde ein einzigartiger und großer Datensatz von agrarwirtschaftlichen Spritzfolgen für verschiedene Agrarkulturen in Deutschland analysiert. Aus diesem Datensatz haben wir vier Spritzfolgen ausgewählt, die verschiedene Behandlungsszenarien (Worst-Case- und Typical-Case-Spritzfolgen) für Apfel- und Winterraps darstellen. Für diese Spritzfolgen wurde das zusätzliche Umweltrisiko im Vergleich zur Einzelanwendung von PSM quantifiziert. Das zusätzliche Risiko wurde mit dem maximalen kumulativen Verhältnis (MCR) berechnet (Verhältnis des geringsten toxicity exposure ratio, TER, für die toxischste Substanz zum kumulativen TER einer Mischung oder Spritzfolge). Unsere Analysen ergaben, dass CA chronische Mischungseffekte auf Individuenebene in vielen Fällen vorhersagen kann, wenn die Toxizitätsdaten auf ECX-Werten im Vergleich zu weniger präzisen NOEC-Werten basieren. Aus der verfügbaren wissenschaftlichen Literatur und regulatorischen Studien konnten keine klaren Aussagen zur Anwendbarkeit von CA oder Effektaddition für die Vorhersage von Mischungseffekten auf Gemeinschaftsebene getroffen werden. Anhand der Spritzfolgendaten haben wir kulturspezifische Muster bezüglich der angewandten PSM-Klassen und der Behandlungshäufigkeit identifiziert. Für die vier Spritzfolgen wurde ein zusätzliches Risiko der Behandlungsregime mit einem Faktor von 2,18 (50. Perzentil) bis 5,26 (90. Perzentil) über alle untersuchten Risikoindikatoren und Spritzfolgen ermittelt. Darüber hinaus wurde ein neuer Ansatz, MITAS, entwickelt, um die zeitabhängige Mischungstoxizität in einem Behandlungsregime bewerten zu können. Es wird geschlussfolgert, dass das zusätzliche Risiko von PSM-Anwendungen in Spritzfolgen ökotoxikologisch relevant ist und für eine protektive Risikobewertung von PSM berücksichtigt werden muss. Unsicherheiten bestehen noch hinsichtlich des Einflusses von Synergismen, indirekten Effekten, Saatgutbehandlung, wiederholter Exposition oder Umweltstressoren auf die Effekte von PSM-Spritzfolgen. Quelle: Forschungsbericht
Environmental risks of pesticides between forecast and reality: How reliable are results of the environmental risk assessment for individual products in the light of agricultural practice (tank mixtures, spray series)?
(Umweltbundesamt, 2021) Knillmann, Saskia; Liess, Matthias; Scholz-Starke, Björn; Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung; Deutschland. Umweltbundesamt; Bär, Susanne; Frische, Tobias; Ullrich, Christian
Viele Pflanzenschutzmittel (PSM), die in der Europäischen Union für den landwirtschaftlichen und privaten Gebrauch zugelassen sind, enthalten mehr als einen Wirkstoff. Solche Kombinationsprodukte und auch Monoformulierungen mit einem Wirkstoff werden häufig mit anderen Pflanzenschutzmitteln in Tankmischungen in einer Sequenz von Feldanwendungen eingesetzt. Daher stellt die Bewertung von realistischen Behandlungsregimes einen wesentlichen Bestandteil der Umweltrisikobewertung von PSM dar. Seit Jahrzehnten beschäftigen sich viele Studien mit den Effekten von Schadstoffmischungen auf verschiedene Organismen und Endpunkte. Das Modell der Konzentrationsadditivität (CA) gilt in vielen Fällen als geeignet die Wirkung von Schadstoffmischungen vorherzusagen. Dennoch fehlt es an Kenntnissen zur Vorhersagbarkeit von chronischen Mischungseffekten und von Effekten auf aquatische oder terrestrische Gemeinschaften. Zur Beantwortung dieser Fragestellung haben wir im COMBITOX-Projekt vorhandenes Wissen und Daten zu chronischen Effekten sowie für aquatische und terrestrische Gemeinschaften ausgewertet. Zudem haben wir verfügbare Modelle und Ansätze (z.B. HAIR 2014, SYNOPS-WEB, PRIME-beta etc.) kritisch evaluiert, um deren Nutzen für eine Risikovorhersage von Behandlungsregimes in terrestrischen und aquatischen Ökosystemen zu bewerten. Weiterhin wurde ein einzigartiger und großer Datensatz von agrarwirtschaftlichen Spritzfolgen für verschiedene Agrarkulturen in Deutschland analysiert. Aus diesem Datensatz haben wir vier Spritzfolgen ausgewählt, die verschiedene Behandlungsszenarien (Worst-Case- und Typical-Case-Spritzfolgen) für Apfel- und Winterraps darstellen. Für diese Spritzfolgen wurde das zusätzliche Umweltrisiko im Vergleich zur Einzelanwendung von PSM quantifiziert. Das zusätzliche Risiko wurde mit dem maximalen kumulativen Verhältnis (MCR) berechnet (Verhältnis des geringsten toxicity exposure ratio, TER, für die toxischste Substanz zum kumulativen TER einer Mischung oder Spritzfolge). Unsere Analysen ergaben, dass CA chronische Mischungseffekte auf Individuenebene in vielen Fällen vorhersagen kann, wenn die Toxizitätsdaten auf ECX-Werten im Vergleich zu weniger präzisen NOEC-Werten basieren. Aus der verfügbaren wissenschaftlichen Literatur und regulatorischen Studien konnten keine klaren Aussagen zur Anwendbarkeit von CA oder Effektaddition für die Vorhersage von Mischungseffekten auf Gemeinschaftsebene getroffen werden. Anhand der Spritzfolgendaten haben wir kulturspezifische Muster bezüglich der angewandten PSM-Klassen und der Behandlungshäufigkeit identifiziert. Für die vier Spritzfolgen wurde ein zusätzliches Risiko der Behandlungsregime mit einem Faktor von 2,18 (50. Perzentil) bis 5,26 (90. Perzentil) über alle untersuchten Risikoindikatoren und Spritzfolgen ermittelt. Darüber hinaus wurde ein neuer Ansatz, MITAS, entwickelt, um die zeitabhängige Mischungstoxizität in einem Behandlungsregime bewerten zu können. Es wird geschlussfolgert, dass das zusätzliche Risiko von PSM-Anwendungen in Spritzfolgen ökotoxikologisch relevant ist und für eine protektive Risikobewertung von PSM berücksichtigt werden muss. Unsicherheiten bestehen noch hinsichtlich des Einflusses von Synergismen, indirekten Effekten, Saatgutbehandlung, wiederholter Exposition oder Umweltstressoren auf die Effekte von PSM-Spritzfolgen. Quelle: Forschungsbericht
Pesticides are the dominant stressors for vulnerable insects in lowland streams
(2021) Liess, Matthias; Hitzfeld, Kristina; Liebmann, Liana; Müller, Alexandra; Vormeier, Philipp; Wogram, Jörn
Despite elaborate regulation of agricultural pesticides, their occurrence in non-target areas has been linked to adverse ecological effects on insects in several field investigations. Their quantitative role in contributing to the biodiversity crisis is, however, still not known. In a large-scale study across 101 sites of small lowland streams in Central Europe, Germany we revealed that 83% of agricultural streams did not meet the pesticide-related ecological targets. For the first time we identified that agricultural nonpoint-source pesticide pollution was the major driver in reducing vulnerable insect populations in aquatic invertebrate communities, exceeding the relevance of other anthropogenic stressors such as poor hydro-morphological structure and nutrients. We identified that the current authorisation of pesticides, which aims to prevent unacceptable adverse effects, underestimates the actual ecological risk as (i) measured pesticide concentrations exceeded current regulatory acceptable concentrations in 81% of the agricultural streams investigated, (ii) for several pesticides the inertia of the authorisation process impedes the incorporation of new scientific knowledge and (iii) existing thresholds of invertebrate toxicity drivers are not protective by a factor of 5.3 to 40. To provide adequate environmental quality objectives, the authorisation process needs to include monitoring-derived information on pesticide effects at the ecosystem level. Here, we derive such thresholds that ensure a protection of the invertebrate stream community. © 2021 Elsevier Ltd.
Umsetzung des Nationalen Aktionsplans zur nachhaltigen Anwendung von Pflanzenschutzmitteln (NAP) – Pilotstudie zur Ermittlung der Belastung von Kleingewässern in der Agrarlandschaft mit Pflanzenschutzmittel-Rückständen
(Umweltbundesamt, 2022) Liess, Matthias; Liebmann, Liana; Lück, Maren; Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung; Universität Koblenz-Landau. Institut für Umweltwissenschaften; RWTH Aachen. Institut Biologie und Biotechnologie; Deutschland. Umweltbundesamt; Müller, Alexandra; Hitzfeld, Kristina
Die Pilotphase Kleingewässermonitoring konnte als drittes Teilvorhaben zur "Umsetzung des Nationalen Aktionsplan zur nachhaltigen Anwendung von Pflanzenschutzmitteln (PSM)" erfolgreich als zweijähriges Monitoring umgesetzt werden. Es wurden für mehr als 100 Fließgewässerabschnitte in 13 Bundesländern umfassend der chemische und biologische Zustand kleiner Fließgewässer in der Agrarlandschaft zwischen April und Juli erfasst. Zusätzlich zu Schöpfproben analog zu dem behördlichen Monitoring nach Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) wurden ereignisbasierte Wasserproben genommen, um kurzfristige Peakkonzentrationen infolge von Niederschlägen zu erfassen. Zudem wurden anthropogene Stressoren wie Gewässerstruktur, Nährstoffe und Sauerstoffdefizite hochaufgelöst aufgenommen. Die biologische Untersuchung umfasste die Beprobung der aquatischen Invertebraten- und Algengemeinschaft sowie eine Untersuchung der Ökosystemfunktion in den Kleingewässern. Die Ergebnisse zeigen, dass die im Rahmen des Zulassungsverfahrens von PSM festgelegten RAK-Werte (Regulatorisch Akzeptablen Konzentrationen) an über 73 % der untersuchten Standorte für mindestens einen PSM-Wirkstoff überschritten wurden. Besonders die Ereignisproben infolge von Regenereignissen wiesen erhöhte Konzentrationen auf, die durch Schöpfproben nicht erfasst wurden. Diese Belastungen korrelieren auch mit der ökologischen Situation der Gewässer. So erfüllt der Großteil (über 80 %) der untersuchten Fließgewässerabschnitte anhand des SPEARpesticides-Index nicht die Qualitätskriterien für einen guten Zustand. Die Pilotphase Kleingewässermonitoring zeigt, dass eine realistische Bewertung und regulatorische Nutzung eines Monitorings von PSM-Rückständen in kleinen Gewässern nur dann erfolgen kann, wenn auch erhöhte Einträge infolge von Niederschlagsereignissen berücksichtigt werden. Weiterhin treten auch unterhalb der bestehenden RAK-Werte ökologische Effekte im Gewässer auf, so dass sich die Frage nach der Protektivität der aus Labordaten abgeleiteten RAK-Werte stellt. Die Daten der ermittelten PSM-Belastung der kleinen Gewässer in der Agrarlandschaft werden dazu beitragen, Ursachen für die regelmäßige Überschreitung der bestehenden Grenzwerte zu ermitteln und Schwächen der bisherigen Risikobewertung aufzudecken. Ziel wird sein, auf dieser Basis Möglichkeiten zur Reduzierung der Einträge zu erarbeiten und regulatorische Konsequenzen zu ziehen. Siehe dazu auch Liess et al. (2021) und Weisner et al. (2021). Quelle: Forschungsbericht
Width of vegetated buffer strips to protect aquatic life from pesticide effects
(2023) Liebmann, Liana; Vormeier, Philipp; Liess, Matthias; Weisner, Oliver
Vegetated buffer strips (VBS) are an effective measure to retain pesticide inputs during rain events. Numerous studies have examined the retention effects of VBS onpesticides. However, no study has addressed on a large scale with event-related peak concentrations how wide the VBS should be to avoid ecological impacts onaquatic life. Here, we investigated for 115 lowland stream sections in Germany the relevance of environmental and physico-chemical parameters to determine the in-stream pesticide concentration and their ecological risks. Based on peak concentrations related to rain events with precipitation amount resulting in VBS relevantsurface runoff for 30 of the 115 investigated stream sections (25 to 70 mm/d), we demonstrated that the average width of VBS was the main parameter (R2 = 0.38)reducing the pesticide input ratio, indicating a relevant proportion of surface runoff contributing to the total in-stream pesticide concentrations. Additionally, dryditches within agricultural fields increased pesticide input (R2 = 0.31). Generally, substances classified as slightly mobile were better retained by VBS than mobilesubstances. Other factors including slope, land use and vegetation cover of VBS had only a minor influence. We assessed the ecological risk of in-stream pesticideconcentrations by quantifying exceedances of regulatory- (RAC) and field-validated acceptable concentrations (ACfield). We then translated this ecological risk intoprotective VBS width by calculating the quotient of in-stream concentration and threshold (RQ). We estimate that a VBS width of 18 m is sufficient to meet theRQACfield protection goal for 95% of streams. The presence of dry ditches increased the protective VBS width to 32 m. In current agricultural practice, however, 26%of the water stretches investigated do not comply with the prescribed 5 m VBS. An extension of the VBS area to 18 m would demand 3.8% of agricultural land withinthe catchments. A 50% reduction in pesticide use, as required by the European green deal, would still result in 39% (RAC) and 68% (ACfield) of event-related samplesbeing exceeded. Consequently, we see the extension of the VBS width as the most efficient mearsure to sustainably reduce pesticide concentrations in small streams. © 2023 Elsevier