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Der stumme Frühling - Zur Notwendigkeit eines umweltverträglichen Pflanzenschutzes
(2018) Schäffer, Andreas; Filser, Juliane; Frische, Tobias; Deutsche Akademie der Naturforscher Leopoldina
Chemikalien können unbeabsichtigt oder absichtlich in die Umwelt gelangen. Pflanzenschutzmittel, für die nachfolgend das Synonym Pestizide verwendet wird, stellen dabei den quantitativ bedeutendsten Anteil willentlich ausgebrachter Schadstoffe. Chemische Pestizide werden zum Schutz von Nutzpflanzen und Pflanzenprodukten vor Schadorganismen und durch sie ausgelöste Krankheiten angewendet und enthalten einzelne oder mehrere chemische, i.d.R. synthetisch hergestellte Wirkstoffe. Pestizide bekämpfen als Schadorganismen Tiere, z.B. Insekten (Insektizide) oder Nagetiere (Rodentizide), schützen vor Krankheiten wie Pilzbefall (Fungizide) oder dienen auch vereinfachten Produktionsverfahren und entsprechender Kostensenkung durch Arbeitszeitreduktion. Herbizide, die zur Bekämpfung von Unkräutern eingesetzt werden, zählen ebenfalls zu den Pestiziden. Weitere Anwendungen dienen der Wachstumsregulation von Pflanzen und der Konservierung von Pflanzenerzeugnissen. Einträge von Pestiziden sind neben dem Klimawandel, massiven Veränderungen der globalen Nährstoffkreisläufe, der Zerstörung von Lebensräumen und weiteren Faktoren eine wesentliche Größe im Konzept der planetaren (Belastungs-)Grenzen, wonach das Überschreiten kritischer Grenzwerte zu tiefgreifenden Störungen im Erdsystem führt. Quelle: Verlagsinformation
Fate and behavior of 14C-labelled ionic compounds in a soil simulation test
(2021) Ackermann, Juliane; Claßen, Daniela; Schäffer, Andreas
The influence of an ionic functional group on the fate and behavior of chemicals in the environment has so far not been systematically investigated. This study, therefore, examines the following three substances with high structural similarity but differing charge: non-charged 4-n-dodecylphenol[phenylring-14C(U)] (14C-DP), negatively charged 4-n-dodecylbenzenesulfonicacid[phenylring-14C(U)] sodium salt (14C-D-) and positively charged 4-n-dodecylbenzyltrimethylammonium chloride[phenylring-14C(U)] (14C-DA+). They were investigated in a soil simulation study according to the OECD 307 test guideline by measuring the distribution of the applied radioactivity (AR) among volatile, mineralized, extractable and non-extractable residues (NER) in one soil after 0, 1, 7, 14, 49, 84 and 124 days of incubation. Extractable portions of 14C were examined by means of radio-TLC and -HPLC analyses. Microbial activity of the soil incubated with and without 14C-DP, 14C-DS- and 14C-DA+ was determined measuring the reduction of dimethylsulfoxide (DMSO) over time. After 124 days of incubation highest mineralization could be observed for 14C-DS- (64.5% AR). Except CO2, no volatile residues were formed over time. Besides the parent compounds, polar (14C-DP, 14C-DS- and 14C-DA+) and nonpolar (14C-DA+) transformation products were detected. Highest amounts of 14C were extracted using methanol and were thus potentially bioavailable for soil microorganisms. Microbial activity was markedly higher in soil incubated with 14C-DP and 14C-DS- compared to 14C-DA+ or soil without any treatment. Half-lives (DT50 k2) at 18 ËÌC were as follows: DA+ (61.8 days) > DS- (18.2 days) > DP (10.0 days). In case of the cationic compound and its transformation products we conclude that a higher sorption affinity to soil particles leads to reduced bioavailability for microorganisms and thus reduced mineralization resulting in a higher persistence compared to anionic and non-charged organic compounds in soil. The impact of our findings on the persistence assessment of chemicals when performing OECD guideline tests in soil, water-sediment and surface water is discussed. © 2021 Published by Elsevier B.V.
Higher-tier multi-species studies in soil
(2017) Scholz-Starke, Björn; Egerer, Sina; Schäffer, Andreas
Refinement of the P assessment of ionisable substances: Distribution and degradation of anionic, neutral and cationic organic chemicals in water-sediment systems
(Umweltbundesamt, 2022) Holzmann, Hannah; Schäffer, Andreas; RWTH Aachen. Institut für Umweltforschung; Deutschland. Umweltbundesamt
Die Identifizierung persistenter (P), bioakkumulierender (B) und toxischer(T) Stoffe unter der EU-Chemikalienverordnung REACH (Registration, Evaluation, Authorisation and Restriction of Chemicals) wurde für die Bewertung neutraler, organischer Chemikalien entwickelt. Jedoch können organische Chemikalien unter Umweltbedingungen ionisiert vorliegen, was eine Veränderung ihres Abbauverhaltens in der Umwelt bewirkt. Ziel dieses Projekts war die Untersuchung der Verteilung und des Abbaus anionischer und kationischer organischer Chemikalien im Vergleich zu nicht-ionischen Chemikalien in Sediment und Oberflächenwasser. Mit Hilfe der gewonnenen Daten soll das Bewertungskonzept hinsichtlich der Persistenz ionischer und ionisierbarer Stoffe verbessert werden. Als Modellsubstanzen dienten drei radioaktiv markierte organische Chemikalien: 4-n-Dodecylbenzolsulfonsäure Natriumsalz (DS-, anionisch), 4-n-Dodecylphenol (DP, neutral) und 4-n-Dodecylbenzyltrimethylammoniumchlorid (DA+, kationisch). Mit diesen Substanzen wurden Simulationsstudien nach den OECD Richtlinien 308 (Aerobic and Anaerobic Transformation in Aquatic Sediment Systems) und 309 (Aerobic Mineralization in Surface Water - Simulation Biodegradation Test) durchgeführt. Ziel der Simulationsstudie nach OECD 308 war, das Verhaltens von 14C-DS-, 14C-DP and 14C-DA+ in einem Wasser-Sediment-System über eine Inkubationszeit von 120 Tagen zu untersuchen. Das Sediment wurde sequenziell mit unterschiedlichen Lösungsmitteln (wässrige CaCl2-Lösung, Methanol und Acetonitril) extrahiert. Für 14C-DA+ wurde zusätzlich eine Soxhlet-Extraktion mit Methanol durchgeführt. Nach einer Inkubationszeit von 120 Tagen wurden von 14C-DS- und 14CDP 68 % bzw. 63 % der applizierten Radioaktivität (AR) mineralisiert. Der mineralisierte Anteil von 14C-DA+ betrug 6 % AR. Anhand der Mineralisationsraten und den Anteilen der Modellsubstanzen im CaCl2-Extrakt wurde die direkte Bioverfügbarkeit ermittelt. Diese nahm wie folgt ab: 14C-DS- > 14C-DP > 14C-DA+. Die höchste Menge an nicht-extrahierbaren Rückständen (NER) nach 120 Tagen wurde für 14C-DA+ beobachtet (33 % AR), gefolgt von 14C-DS- (19 % AR) und 14C-DP (14 % AR). Die Berechnung der Halbwertszeit (DT50) erfolgte sowohl für das Gesamtsystem als auch für das Sediment (DT50,sed) und die Wasserphase getrennt (DT50,w). Im Gesamtsystem nahm die DT50 wie folgt ab: 14C-DA+ (162 Tage) >14C-DS- (22 Tage) > 14C-DP (14 Tage). DT50,sed betrug für 14C-DA+ 267 Tage, für 14C-DP 24 Tage und für 14C-DS- 22 Tage. Deutlich geringere Halbwertszeiten (< 1 Tag) aller Modellsubstanzen wurden für die Wasserphase ermittelt. Das Verhalten der Modellsubstanzen in Oberflächenwasser wurde anhand von Simulationsstudien nach OECD 309 untersucht. Zur Untersuchung des Abbaus von 14C-DS- und 14C-DP wurden zunächst Vorversuche als pelagische Tests (nur Oberflächenwasser) und suspendierte Sedimenttests (Oberflächenwasser mit Zugabe von suspendiertem Sediment) durchgeführt. Hinsichtlich des biologischen Abbaus der Testsubstanzen konnte kein wesentlicher Unterschied zwischen beiden Testdesigns festgestellt werden: Im pelagischen Test betrug die Mineralisation von 14C-DS- bis zu 51 % AR, im suspendierten Sedimenttest wurden an Versuchsende (nach 60 Tagen) bis zu 56 % AR mineralisiert. Die mineralisierten Anteile von 14CDP betrugen im pelagischen Test bis zu 56 % AR und im suspendierten Sedimenttest bis zu 60 % AR nach 60 Tagen. Hauptversuche zum Abbau von 14C-DS-, 14C-DP und 14C-DA+ wurden als suspendierter Sedimenttestunter Verwendung verschiedener Testkonzentrationen (10 (mikro)g/l und 100 (mikro)g/l) durchgeführt. Zusätzlich wurde der abiotische Abbau der Modellsubstanzen unter sterilen Bedingungen untersucht. Unter nicht-sterilen Bedingungen wurden nach 62 Tagen (10 (mikro)g/l) bzw. 60 Tagen (100 (mikro)g/l) 75 % AR (14C-DS-) und 69 % AR (14C-DP) bzw. 63 % AR (14C-DS-) und 58 % AR (14C-DP) mineralisiert. Die Mineralisation von 14C-DA+ lag bei beiden Testkonzentrationen bei 7 % AR. Unter sterilen Bedingungen war die Mineralisation vernachlässigbar (< 0,1 % AR). Nach 60 Tagen wurden die höchsten Mengen an NER für 14C-DP beobachtet (21 % AR), gefolgt von 14C-DA+ (14 % AR) und 14C-DS- (9 % AR). Unter sterilen Bedingungen wurden deutlich geringere NER Mengen von 14C-DS-, 14C-DP und 14C-DA+ gebildet (0,1 %, 0,6 % und 5,5 % AR). Die Halbwertszeiten nahmen bei einer Testkonzentration von 10 (mikro)g/l wie folgt ab: 14C-DA+ (26 Tage) > 14C-DP (2 Tage) > 14C-DS- (1 Tag). Bei einer Testkonzentration von 100 (mikro)g/l betrug die DT50 von 14C-DA+ 13 Tage, von 14C-DP und 14C-DS jeweils 1 Tag. Unter Verwendung unterschiedlich geladener Modellsubstanzen, die ansonsten eine hohe strukturelle Ähnlichkeit besitzen, konnte gezeigt werden, dass eine positive Ladung im Vergleich zu ungeladenen Substanzen einen negativen Einfluss auf den Abbau organischer Chemikalien im Wasser-Sediment-System und Oberflächenwasser hat. Im Vergleich zu ungeladenen Stoffen beeinflusst eine negative Ladung den Abbau jedoch positiv. Aufgrund der geringeren Abbaubarkeit weisen positiv geladene Substanzen höhere Halbwertszeiten auf als negativ geladene oder neutrale Substanzen und sind deutlich persistenter als diese. Im Hinblick auf die Persistenzbewertung ionischer und ionisierbarer Stoffe empfehlen wir die Verwendung der DT50 des gesamten Wasser-Sediment-Systems als Bewertungsgrundlage sowohl für ionische als auch für neutrale organische Chemikalien. Des Weiteren sollte der pelagische Test nach OECD 309 als Standardtest Anwendung finden, da er eine ähnlich hohe Abbauleistung wie der Test unter Zugabe von suspendiertem Sediment aufweist, jedoch das Potential zur Bildung von NER begrenzt. Quelle: Forschungsbericht
Simulating spray series of pesticides in agricultural practice reveals evidence for accumulation of environmental risk in soil
(2020) Sybertz, Alexandra; Bär, Susanne; Ottermanns, Richard; Frische, Tobias; Schäffer, Andreas; Ullrich, Christian
Multiple pesticide residues in the environment originate from combination products with two or more active substances, from tank mixtures prepared by the farmers and from subsequent applications of pesticides in spray series. Consequently, mixtures of pesticide residues in agricultural soils are often detected long after application. To simulate the â€Ìaccumulated mixture riskâ€Ì towards earthworms resulting from a pesticide spray series for apple orchards, a model was applied considering both the dissipation of the applied pesticides over time and their individual toxicities. The model simulation for assessing the time-dependent mixture risk is applicable for several years and revealed that the â€Ìaccumulated mixture riskâ€Ì for earthworms clearly did not meet the threshold values for an acceptable risk according to the legal requirements in the EU approval procedure. Multiple pesticide residues from spray series are not yet considered in the environmental risk assessment (ERA) which is based on the application of single pesticide substances and products. We propose that the accumulation of residues during typical agricultural spray series should be included when assessing the risk of pesticides. © 2019 Elsevier B.V.
The silent spring - on the need for sustainable plant protection
(2018) Schäffer, Andreas; Filser, Juliane; Frische, Tobias; Deutsche Akademie der Naturforscher Leopoldina
Chemikalien können unbeabsichtigt oder absichtlich in die Umwelt gelangen. Pflanzenschutzmittel, für die nachfolgend das Synonym Pestizide verwendet wird, stellen dabei den quantitativ bedeutendsten Anteil willentlich ausgebrachter Schadstoffe. Chemische Pestizide werden zum Schutz von Nutzpflanzen und Pflanzenprodukten vor Schadorganismen und durch sie ausgelöste Krankheiten angewendet und enthalten einzelne oder mehrere chemische, i.d.R. synthetisch hergestellte Wirkstoffe. Pestizide bekämpfen als Schadorganismen Tiere, z.B. Insekten (Insektizide) oder Nagetiere (Rodentizide), schützen vor Krankheiten wie Pilzbefall (Fungizide) oder dienen auch vereinfachten Produktionsverfahren und entsprechender Kostensenkung durch Arbeitszeitreduktion. Herbizide, die zur Bekämpfung von Unkräutern eingesetzt werden, zählen ebenfalls zu den Pestiziden. Weitere Anwendungen dienen der Wachstumsregulation von Pflanzen und der Konservierung von Pflanzenerzeugnissen. Einträge von Pestiziden sind neben dem Klimawandel, massiven Veränderungen der globalen Nährstoffkreisläufe, der Zerstörung von Lebensräumen und weiteren Faktoren eine wesentliche Größe im Konzept der planetaren (Belastungs-)Grenzen, wonach das Überschreiten kritischer Grenzwerte zu tiefgreifenden Störungen im Erdsystem führt. Quelle: Verlagsinformation