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Doctoral Thesis
2023
Einfluss moderner Pflanzenschutzmittel auf die Mobilität von POP-belasteten Agrarflächen am Beispiel von DDT : ein Feldversuch
Einfluss moderner Pflanzenschutzmittel auf die Mobilität von POP-belasteten Agrarflächen am Beispiel von DDT : ein Feldversuch
Abstract (English)
Due to their recalcitrance, the chloropesticide DDT and its structurally related compounds (DDX) are difficult to degrade. Consequently, farmers are still frequently confronted with DDX contamination in their fields that was left over from the 1960s. This problem is particularly prevalent in contaminated soils that are intended to cultivate plants of the Cucurbitaceae family. These plants release so-called root exudates, which function as natural surfactants that mobilize the DDX present in the soils. Furthermore, surfactants are a common constituent of modern plant protection product (PPP) formulations, which can likewise cause DDX mobilization. The higher mobility of DDX caused by these surfactants can result in the absorption and accumulation of chlorinated pesticides in plants. The side effects of such surfactant-containing PPP formulations have historically been overlooked in the context of standard spraying protocols.
The potential mobilization of DDX in soils and its accumulation in Cucurbita pepo due to the surfactants present in standard PPPs formulations was investigated using two field trials. One field was treated with a conventional PPP, while the other was treated with a biological PPP; a control field was left untreated, within which pumpkins were cultivated. Soil samples were taken before and after the application of PPP. The DDX content was subsequently determined in extracts from the soil phase samples and soil water fractions.
The background DDX contamination of the soils was comparable in all three test fields. The comparative evaluation showed that the field treated with the biological PPP formulation exhibited a considerable increase in DDX mobility compared to the untreated and conventionally cultivated areas (Paper 1). An analysis of its respective water fraction revealed that it was more contaminated with DDX than the control treatments. This increase suggests a higher bioavailability that can be traced back to the presence of surfactants and oils in the PPP formulations (Paper 1). This higher bioavailability may have been accompanied by an increase in the DDX uptake of the cultivated plants. Furthermore, it was found that treatment with specific formulations of emulsifiable concentrates (EC) promoted DDX mobilization. This mobilizing effect was most likely due to the differing composition of the surfactant and proportions of oils in the PPPs.
The second field test focused on differential DDX accumulation in Cucurbita pepo cv. Howden by different PPPs. Fields were treated with PPP in accordance with the official spraying plans and regulations set out by the Federal Ministry of Food and Agriculture (BMEL). Samples from the pumpkin plants roots, shoots, as well as the pumpkins themselves were taken during the cultivation period. The DDX content in the roots from the control fields and the fields with conventional PPP treatments remained virtually unchanged; however, the DDX content increased in the biologically treated area (Paper 2). The pumpkin shoots did not exhibit any increases in DDX concentration during the growing phase regardless of the field sampled. However, an increased DDX content was detected in the shoots of the plants in all test fields shortly before harvesting. At the end of the growing phase, fruits from the biologically treated area showed a higher DDX content than those from the control and conventionally treated areas. In addition, the most critical DDT metabolite, DDE, was found to have been transported to distant parts of the plant, while DDD was detectable in the roots and shoots but not in the fruits of the pumpkins (Paper 2).
An assessment of the results of both experiments confirmed a direct correlation between DDX mobilization in the soil and plant uptake. In addition, the bioaccumulation factors of the biologically treated areas were markedly higher than those seen in the conventionally treated and control areas.
The results of the field trials show that the mobilization of DDT, as well as the likely mobilization of other lipophilic contaminants, can become problematic for farmers using surfactant-containing EC formulations. However, this observation also provides opportunities for improved phytoremediation by applying EC formulations with high mobilization potentials.
The field trials indicate that the mobilizing effects of DDT prompted by EC mixtures depend on the surfactant content in the PPP formulations as well as environmental conditions such as soil conditions, soil water content, and precipitation. Unravelling the optimal range of surfactant-rich formulations and environmental conditions could lead to a promising strategy for soil phytoremediation.
Abstract (German)
Das Chlorpestizid und seine strukturell verwandten Verbindungen (DDX) weisen eine hohe Persistenz gegenüber Abbauprozessen auf. Dies hat zur Folge, dass Landwirte auf ihren Anbauflächen z. T. heute noch mit DDX-Altlasten aus den 1960er Jahren konfrontiert sind. Dies gilt besonders für belastete Böden, auf denen Pflanzen der Gattung Cucurbitaceae angebaut werden sollen. Diese setzen sog. Wurzelexsudate frei, die als natürliche Tenside fungieren und damit im Boden vorhandenes DDX mobilisieren können. Darüber hinaus kann die DDX-Mobilisierung auch durch Tenside, die Bestandteil der Formulierungen von gegenwärtig eingesetzten Pflanzenschutzmitteln (PSM) sind, erfolgen. Eine durch diese Tenside erhöhte DDX-Mobilität kann zur Aufnahme und Akkumulation des Chlorpestizids in die Pflanze führen. Derartige Nebeneffekte tensidhaltiger PSM-Formulierungen wurden bisher noch nicht im Rahmen gängiger Spritzprotokolle untersucht.
Um die Mobilisierung von DDX im Boden und dessen Akkumulation in Cucurbita pepo durch Tenside im Zuge der Applikation gängiger PSM-Formulierungen zu untersuchen, wurden zwei Freilandversuche durchgeführt. Hierzu wurde je eine konventionell und eine biologisch behandelte Kürbis-Anbaufläche sowie eine unbehandelte, kultivierte Kontrollfläche mit den dafür zugelassenen PSM behandelt. Bodenproben wurden vor und nach der PSM-Applikation entnommen. Anschließend wurden die DDX-Gehalte in der extrahierten Bodenphase und der Bodenwasserfraktion der Bodenproben bestimmt.
Die Hintergrundbelastung des Bodens mit DDX war auf allen drei Versuchsfeldern vergleichbar. Die vergleichende Auswertung ergab, dass die biologische PSM-Formulierung die Mobilität von DDX im Vergleich zur unbehandelten und konventionellen Anbaufläche im Boden erheblich steigerte (1. Veröffentlichung). So lag in der analysierten Wasserfraktion ein höherer DDX-Gehalt als in der Kontrollbehandlung vor. Diese Zunahme wies auf Erhöhung der Bioverfügbarkeit hin, die auf das Vorliegen von Tensid und Öl in den PSM-Formulierungen zurückgeführt werden konnte (1. Veröffentlichung). Auf Grund der erhöhten Bioverfügbarkeit kann es auch zu einer erhöhten DDX-Aufnahme in der Pflanze kommen. Es zeigte sich ebenfalls, dass nur die Behandlung mit bestimmten Formulierungen aus emulgierbaren Konzentraten (emulsifiable concentrate, EC) die DDX-Mobilisierung begünstigte. Dieser Mobilisierungseffekt ging sehr wahrscheinlich auf die unterschiedliche Zusammensetzung der Anteile an Tensiden und Ölen in den PSM zurück.
Im zweiten Freilandversuch stand die DDX-Akkumulation in der Pflanze Cucurbita pepo cv. Howden in Abhängigkeit der applizierten PSM im Vordergrund. Die PSM-Behandlung der Felder entsprach den offiziellen Spritzplänen und Verordnungen des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL). Während der Kultivierungszeit wurden Wurzelproben und Triebe, sowie Proben der Kürbisfrucht entnommen. Die Auswertung ergab, dass die DDX-Gehalte der Wurzeln in der Kontrollfläche und in der konventionellen Fläche nach der PSM-Behandlung nahezu unverändert blieben, während die Wurzeln in der biologischen Fläche höhere DDX-Gehalte aufwiesen (2. Veröffentlichung). Die Triebe aller Versuchsfelder zeigten keinen DDX-Anstieg in der Wachstumsphase. Dagegen wurde kurz vor der Ernte in den Trieben von allen Versuchsfeldern ein Anstieg des DDX-Gehaltes registriert. Am Ende der Wachstumsperiode wiesen die Früchte der biologisch behandelten Fläche höhere DDX-Gehalte als die Früchte der Kontrollfläche und der konventionell behandelten Fläche auf. Der wichtigste DDT-Metabolit DDE wurde auch in weiter entfernte Pflanzenteile transportiert, während DDD nur in den Wurzeln und Trieben nachweisbar war, nicht aber in den Kürbisfrüchten (2. Veröffentlichung).
Die Auswertung beider Versuche bestätigten einen direkten Zusammenhang zwischen einer Mobilisierung von DDX im Boden und der Aufnahme in die Pflanze. Dabei waren die Bioakkumulationsfaktoren der biologisch behandelten Flächen deutlich höher als die in der konventionell behandelten Fläche und in der Kontrollfläche.
Die Ergebnisse der Freilandversuche verdeutlichen, dass die Mobilisierung von DDT und höchstwahrscheinlich auch anderer lipophiler Altlasten bei Einsatz von tensidhaltigen EC-Formulierungen problematisch für Landwirte werden kann. Aus dieser Beobachtung heraus ergeben sich durch Einsatz von EC-Formulierungen mit einem hohen Mobilisierungspotential jedoch auch Chancen für eine verbesserte Phytosanierung.
Die Freilandversuche weisen zudem darauf hin, dass der Mobilisierungseffekt von DDT durch EC-Gemische neben dem Gehalt an Tensid in den verwendeten Formulierungen auch von den Umweltbedingungen wie Bodenbeschaffenheit, Bodenwasseranteil und Niederschlag abhängt. Die Ermittlung des optimalen Gehaltes an tensidreichen Formulierungen und den gegebenen Umweltbedingungen könnte somit zu einer vielversprechenden Strategie für eine Phytosanierung von Böden führen.
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Notes
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Faculty
Faculty of Natural Sciences
Institute
Institute of Food Chemistry
Examination date
2023-02-23
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Language
German
Publisher
Publisher place
Classification (DDC)
570 Biology
Collections
Original object
Free keywords
Standardized keywords (GND)
Sustainable Development Goals
BibTeX
@phdthesis{Neitsch2023,
url = {https://hohpublica.uni-hohenheim.de/handle/123456789/6830},
author = {Neitsch, Julia Simone},
title = {Einfluss moderner Pflanzenschutzmittel auf die Mobilität von POP-belasteten Agrarflächen am Beispiel von DDT : ein Feldversuch},
year = {2023},
school = {Universität Hohenheim},
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