Umweltanalytik at Karlsruher Institut für Technologie

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Was ist Pflanzenschutz?

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Gesetzliche Grundlagen für Pflanzenschutz?

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Was genau umfasst die gute fachliche Praxis?

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Wozu führt die Verpflichtung zur Anwendung der guten fachlichen Praxis?

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PSM im konventionellen Anbau?

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Was sind Herbizide?

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Wirkmechanismen von Herbiziden?

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(Übersicht über den) Fremdstoffmetabolismus in Pflanzen?

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Phase III des Fremdstoffmetabolismus von Pflanzen?

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Was sind Safener?

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Unkrautdruck bei Herbiziden?

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Triazinherbizide?

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Umweltanalytik

Was ist Pflanzenschutz?
Schutz der Pflanzen vor:
- tierischen Schädlingen
- pflanzenpathogenen Mikroorganismen
- Konkurrenten um Wasser, Licht, ...
- ...

- wird seit Jahrhunderten betrieben (zb gebrannter Schwefel (SO2))
- gezielte Verwendung von PSM seit Mitte des 19. Jhdts (“Bordeaux-Brühe“: CuSO4 und Cu(OH)2 gegen falschen Mehltau der Weinrebe)
- Pflanzenschutz durch chemische PSM, biologischen Pflanzenschutz, geeignete Fruchtfolgen, ackerbautechnische Maßnahmen, Sortenauswahl, etc möglich

Umweltanalytik

Gesetzliche Grundlagen für Pflanzenschutz?
VO (EG) 1107/2009 über das Inverkehrbringen von PSM:
Regelt u.a. Prüfung und Zulassung von PSM und deren Wirkstoffen 

RL 2009/128/EG über Aktionsrahmen der Gemeinschaft für nachhaltige Verwendung von Pestiziden :
- Regelt Anwendung von PSM
- Umsetzung im PflSchG und im nationalen Aktionsplan zur nachhaltigen Anwendung von PSM

National: Pflanzenschutzgesetz (PflSchG):
§3 Gute fachliche Praxis und integrierter Pflanzenschutz:
(1) Pflanzenschutz darf nur nach guter fachlicher Praxis durchgeführt werden. [...] (Dies) umfasst die Einhaltung der allgemeinen Grundsätze des integrierten Pflanzenschutzes.

§2 integrierter Pflanzenschutz: 
Eine Kombination von Verfahren, bei denen unter vorrangiger Berücksichtigung biologischer, biotechnischer, pflanzenzüchterischer, sowie anbau- und kulturtechnischer Maßnahmen die Anwendung chemischer PSM auf das notwendigste beschränkt wird. (Siehe auch Anhang III der RL 2009/128/EG)

Umweltanalytik

Was genau umfasst die gute fachliche Praxis?
Gesunderhaltung und Qualitätssicherung von Pflanzen und Pflanzenerzeugnissrn durch:
(a) vorbeugende Maßnahmen
(b) Verhütung der Einschleppung oder Verschleppung von Schadorganismen
(c) Abwehr oder Bekämpfung von Schadorganismen
(d) Förderung natürlicher Mechanismen zur Bekämpfung von Schadorganismen

Maßnahmen zum Schutz vor sowie die Abwehr von Gefahren, die durch die Anwendung, das Lagern und den sonstigen Umgang mit PSM oder durch andere Maßnahmen des Pflanzenschutzes, insbesondere für die Gesundheit von Mensch und Tier und für den Naturhaushalt, einschließlich des Grundwassers entstehen können

Grundsätze für die Durchführung der guten fachlichen Praxis werden vom BMEL (früher: BMELV) formuliert und im Einvernehmen mit dem Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit im Bundesanzeiger veröffentlicht

- dynamisches System, das sich aufgrund neuer Ergebnisse und praktikabler Verfahren ständig weiterentwickelt

Umweltanalytik

Wozu führt die Verpflichtung zur Anwendung der guten fachlichen Praxis?
- biologische, biotechnische, pflanzenzüchterische, sowie kulturtechnische Pflanzenschutzmaßnahmen müssen vorrangig berücksichtigt werden
- Anwendung chemischer PSM erfolgt nur in notwendigem Maß
- es wird Rücksicht auf vorbeugenden Verbraucherschutz genommen
- Rücksichtnahme auf Schutz des Naturhaushaltes 

Umweltanalytik

PSM im konventionellen Anbau?
Ende 19. Jhdt: “Bordeaux-Brühe“
1910er: Einführung von Methylquecksilber
1930: patentierung von Thiram (Dicarbamid, Funghizid)
1940er: Einführung von DDT (Insektizid), Zulassung von 2,4-D (Herbizid)
1960er: Entdeckung systemischer Fungizide

Neben Verwendung im Anbau, werden PSM auch in der Vorratshaltung verwendet (v.a. CO2 als Insektizid!)

Umweltanalytik

Was sind Herbizide?
- PSM, die gegen Unkräuter eingesetzt werden, Pflanzen abtöten oder so schädigen können, dass unerwünschter Pflanzenwuchs ausbleibt

Unkräuter:
- in Landwirtschaft alle Pflanzen außer der Nutzpflanze
- führen zu erheblichen Beeinträchtigungen der Flächenerträge, da sie mit der Nutzpflanze um
- Sonne
- Lebensraum
- Nährstoffe
Konkurrieren

Teilweise, zb. In Gleisanlagen, ist keinerlei Pflanzenwachstum erwünscht (-> gesamte Vegetation = Unkräuter)
Deutsche Bahn setzt zb Glyphosat, Flazasulfuron, Flumioxazin ein

Umweltanalytik

Wirkmechanismen von Herbiziden?
- häufig Interaktion mit Enzymen und Blockierung von Stoffwechselwegen
- häufig ein Hauptmechanismus und weitere Nebenmechanismen 
- die folgenden Stoffwechselwege/Prozesse können Targets für Herbizide sein
+ Photosynthese
+ Pigmentsynthese
+ Aminosäurensynthese
+ Fettsäuresynthese
+ Zellteilung
- Photosynthese ist Target von etwa der Hälfte der im Markt befindlichen Herbizide 
- Wuchsstoffe: synthetische pflanzliche Wachstumshormone vom Auxin-Typ 
+ führen zu unkontrolliertem Wachstum, zb. übermäßigen Wuchs oder Krümmungen und zum Absterben der Pflanzen , zB Dicamba (imitiert Auxin)

Umweltanalytik

(Übersicht über den) Fremdstoffmetabolismus in Pflanzen?
- Fremdstoffe (Xenobiotika) werden in Pflanzen mit dem Ziel der Entgiftung metabolisiert
- kann wie beim Menschen teilweise auch zu einer Giftung führen
- Pflanzen können konjugierte Giftstoffe nicht ausscheiden -> Phase III-Mechanismus zur Langzeitdeposition nicht-toxischer Konjugate 

Phase I:
- Oxidationen
- Reduktionen 
- Hydrolysen

Phase II:
- Konjugation

Phase III:
- zusätzliche Konjugation
- Einlagerung in Zellwand
- Absonderung in Vakuole

Umweltanalytik

Phase III des Fremdstoffmetabolismus von Pflanzen?
- keine Ausscheidung der metabolisierten Xenobiotika möglich
- Deposition als vermutlich nicht cytotoxische Konjugate innerhalb der Pflanze
- Phase III-Mechanismen:
+ zusätzliche Konjugation
+ Absonderung in die Vakuole
+ Einlagerung in Zellwand (wird diskutiert!)

Zusätzliche Konjugation:
- insbesondere Malonylierung (Mal-CoA als Malonsäure-Donor) der Glycoside
- dient wahrscheinlich als vorbereitender Schritt zur Einlagerung in die Vakuole 

Absonderung in die Vakuole:
- Membranproteine als Transporter für die Glutathion-Konjugate und vermutlich die malonylierten Glycoside


Einlagerung in die Zellwände:
- Zellwandpolymere, Polysaccharide, Strukturproteine, Lignine 
- insbesondere die Einlagerung in Polysaccharide (zb Glucoside der Xenobiotika) und in Lignin (Co-Polymerisation phenolischer Wirkstoffe bzw. Metaboliten)  werden diskutiert 

Umweltanalytik

Was sind Safener?
- Zusatzstoffe in Herbiziden, die den Metabolismus der Wirkstoffe in der Kulturpflanze beschleunigen
- viele Safener sind den Wirkstoffen strukturell ähnlich
- können zum Beispiel entgiftende Enzyme induzieren (CytP, GSP, etc)
- Wirkung in Unkräutern/Ungräsern wird nicht beeinflusst
- Selektivität zwischen Unkräutern Hbf Kulturpflanzen wird erhöht
- Einsatz vieler Herbizide wäre sonst nicht möglich

Umweltanalytik

Unkrautdruck bei Herbiziden?
- Beschränkung auf wenige Kulturen und wiederholte Anwendung von Herbiziden begünstigen Resistenzen
- metabolische Resistenz (“schleichende Resistenz“) : einzelne Pflanzen besitzen Fähigkeit, den Wirkstoff schneller zu metabolisieren 
- “Target-site“-Resistenz: Zielenzym am Wirkort genetisch so verändert, dass Wirkstoffe selbst mit hohen Aufwandmengen nicht mehr aktiv werden
- Verhinderung von Resistenzen: Anwendung von Mitteln mit verschiedenen Wirkmechanismen in den Fruchtfolgen 
- Einhaltung bestimmter Bewirtschaftungsfaktoren vermindert Verunkrautung:
+ Unkrautdruck umso geringer, je später die Saat erfolgt, da bei Saatbereitung gekeimte Pflänzchen entwurzelt/verschüttet werden - häufig wird früher gesät (bestimmte Sorten), um den Ertrag zu erhöhen
+ vielfältige Fruchtfolge: Wachstumszeit, Zeitpunkt und Intensität von Bodenbearbeitung und mechanischer Unkrautbekämpfung sowie Konkurrenzstärke der Kulturen ändern sich, kein Unkraut/Ungras kann sich übermäßig vermehren

Umweltanalytik

Triazinherbizide?
Von Triazinen und Triazinonen abgeleitete Herbizide:
- H2.2 Triazinherbizide (zb Terbuthylazin, Atrazin)
- Photosynthese-Hemmer
- die meisten Triazine werden über die Wurzel aufgenommen
- v.a. Anwendung im Maisanbau
- Terbuthylazin wurde 2011 auf ca. 86% aller Maisanbauflächen eingesetzt 

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