Rhizosphere processes as determinants for glyphosate damage of non-target plants

Abstract

Due to low production costs and high herbicidal efficiency, glyphosate is the most widely used wide-spectrum herbicide. Glyphosate acts as a non-selective, total herbicide by inhibiting the biosynthesis of aromatic amino acids. Apart from glyphosate drift contamination, risks of glyphosate toxicity to crop plants and other non-target organisms are generally considered as marginal, because glyphosate is almost instantaneously inactivated by adsorption to the soil matrix and rapid microbial/chemical degradation in the soil solution. However, in the recent past, an increasing number of yet unexplained observations on significant damage of crop plants have been reported in the literature and by farmers, suggesting gaps in the risk assessment, with respect to the fate glyphosate in the rhizosphere and the interaction with rhizosphere processes. According to these observations, the aim of present study was a systematic evaluation of potential rhizosphere effects of glyphosate, including direct toxicity, risks of re-mobilisation by fertiliser application, potential role of pathogens and allelopathic compounds, and interactions with micronutrients, both in glyphosate-sensitive and transgenic glyphosate-resistant crops. A series of field trials in reduced soil tillage cropping systems as well as green-house experiments on soils with contrasting properties with sunflower, winter wheat and soybean, consistently revealed a close clausal relationship between crop damage and (a) short waiting times between glyphosate application on target weeds and subsequent sowing of crops and (b) the density and speed of decay of glyphosate-treated weeds. The results suggested that damage of crop plants is induced by a rhizosphere transfer of glyphosate from weeds to subsequently sown crops. This transfer might take place by contact contamination due to exudation of glyphosate from living roots of treated weeds and/or release during decomposition of the root residues.

A comparison between phytotoxic effects of glyphosate and aminomethylphosphonic acid (AMPA) as major metabolite of glyphosate in soils, revealed high toxicity in case of root exposure to glyphosate, but not to AMPA. By contrast, a significant decline of germination was induced by seed exposure to AMPA, while germination was not affected by glyphosate treatments. The observed differences in sensitivity to glyphosate and AMPA in different stages of plant development may explain variable symptoms of crop damage under field conditions, ranging from growth depressions and chlorosis to reduced field emergence.

The results of the present study further suggest that risks for crop damage associated with rhizosphere transfer of glyphosate are additionally influenced by a range of environmental factors, such as growth season (spring or fall application), temperature, soil moisture, redox potential of soils and soil microbial activity. These factors might shorten or prolongate the time window for crop damage of glyphosate contact contamination in the rhizosphere under field conditions.

Model experiments investigating the sensitivity of different plant species to glyphosate root exposure, revealed significant differences between winter wheat, maize and soybean in terms of glyphosate-induced plant damage but also in their ability for recovery from glyphosate damage suggesting marked genotypic differences in the expression of damage symptoms also under field conditions.

In agreement with previous investigations, results of the present study indicated a rapid inactivation of glyphosate by adsorption to the soil matrix. Glyphosate adsorption in soils seem to be mainly mediated by the phosphonate group of the molecule in a way similar to the adsorption of inorganic phosphate. Accordingly glyphosate re-mobilisation is possible via ligand exchange by phosphate application. The results of the present study have demonstrated for the first time that depending on soil properties also the application of fertiliser phosphate is able to re-mobilise glyphosate in sufficient quantities to mediate crop damage in pot experiments. This finding suggest, that re-mobilisation of glyphosate potentially by fertiliser P or root-induced chemical modifications for P and Fe mobilisation needs to be considered as additional potential rhizosphere pathway for glyphosate damage to non-target plants.

Field trials and model experiments under soil and hydroponic conditions consistently revealed a significantly impaired nutritional status of glyphosate-sensitive but also glyphosate-resistant crops. However, depending on the culture conditions different mineral nutrients were affected by the glyphosate treatments and plant damage was not related with a certain nutrient deficiency. These findings suggest that damaged root growth, induced by glyphosate toxicity, rather than specific interactions with certain mineral nutrients are responsible for the observed impairment of nutrient acquisition. In conclusion, results of the present study highlight that risks for crop damage associated with glyphosate toxicity in the rhizosphere can be substantial and is influenced by factors such as waiting time after herbicide application, weed density, cropping systems, fertilizer management, genotypic differences, and probably also environmental factors including temperature, soil moisture, and soil microbial activity. The independency between these factors is so far not entirely clear but should be investigated in future studies. Nevertheless, results of present study suggest that risks could be minimized by simple management tools such as the consideration of waiting times between application of glyphosate and sowing of crops particularly in case of high weed densities and alternation of herbicides to reduce not only risk for remobilization of glyphosate but also problems associated to the selection of glyphosate-resistant weeds.

Auf der Organo-Phosphatverbindung Glyphosat ([N-Phosphonomethyl] Glycine) beruhende Produkte wie Roundup, Clinic, Touchdown etc. sind wegen niedriger Herstellungskosten, hoher Wirksamkeit und vergleichsweise guter biologischer Abbaubarkeit die weltweit am häufigsten eingesetzten Herbizide. Glyphosat wirkt durch die Hemmung der Biosynthese aromatischer Aminosäuren als Totalherbizid und damit generell phytotoxisch. Die Anwendung wird aufgrund des schnellen mikrobiellen Abbaus und der starken Adsorption in Böden in der Regel als problemlos für die landwirtschaftliche Praxis betrachtet. Somit kommt dem Glyphosateinsatz eine kontinuierlich steigende Bedeutung zu. Durch die Einführung transgener, Glyphosat-resistenter Nutzpflanzen, wie z.B. Soja, Mais, Raps, Baumwolle, Zuckerrübe und Weizen, sowie durch die zunehmende Bedeutung von Anbausystemen mit reduzierter Bodenbearbeitung ist vorhersehbar, dass der Einsatz von Glyphosat weltweit und künftig auch in Europa noch weiter ansteigen wird.

Im Gegensatz zur propagierten Unbedenklichkeit der Glyphosat-Anwendung häufen sich jedoch in jüngerer Zeit weltweite Beobachtungen von signifikanten Schäden an Kulturpflanzen. Die beobachteten Schäden lassen einen Zusammenhang mit der Anwendung von Glyphosat vermuten und weisen häufig auf Interaktionen mit Rhizophärenprozessen hin, die bislang nur ansatzweise verstanden sind, sodass die Sicherheitsbewertung für Glyphosatanwendungen in der Praxis, trotz umfangreicher Voruntersuchungen, bei weitem noch nicht als abgeschlossen betrachtet werden kann.

Vor diesem Hintergrund bestand das Ziel der hier vorliegenden Promotionsarbeit in einer systematischen Untersuchung der möglichen Schädigung von Kulturpflanzen durch Glyphosatexposition im Wurzelraum. Dabei lag der Schwerpunkt der Untersuchungen auf der Aufklärung der relevanten Transferpfade, insbesondere der Bedeutung von Pflanzenrückständen behandelter Unkrautpflanzen als Glyphosatspeicherpools mit nachfolgender Glyphosatfreisetzung und der Bedeutung einer möglichen Remobilisierung von an der Bodenmatrix adsorbiertem Glyphosat. Darüber hinaus sollte die Möglichkeit einer Glyphosat-induzierten Einschränkung der Mikronährstoffversorgung bei Glyphosat-resistenten und nicht Glyphosat-resistenten Pflanzen untersucht werden.

In einer Reihe von Feldversuchen in Anbausystemen mit reduzierter Bodenbearbeitung in enger Zusammenarbeit mit betroffenen Landwirten und in kontrollierten Modellversuchen unter Gewächshausbedingungen auf Böden mit unterschiedlichen Charakteristika zeigte sich bei Weizen, Sonnenblumen und Sojabohnen übereinstimmend ein enger kausaler Zusammenhang zwischen Pflanzenschäden und (i) den Wartezeiten nach einer Glyphosatanwendung und der Aussaat der Kulturpflanzen, und (ii) der Dichte des behandelten Unkrautbestandes bzw. der Geschwindigkeit des Absterbens der behandelten Unkrautpflanzen. Diese Ergebnisse weisen auf eine Speicherung von Glyphosat in der organischen Substanz absterbender bzw. bereits abgestorbener Unkrautpflanzen und hier insbesondere im Wurzelmaterial hin, bei dessen mikrobiellem Abbau es zu einer Freisetzung von Glyphosat und zur Schädigung der Folgekultur kommen kann. Die Ergebnisse weisen auch darauf hin, dass die mit einem Rhizosphären-Transfer von Glyphosat verbundenen Risiken für Kulturpflanzen stark von Umweltfaktoren, wie Temperatur, Bodenfeuchte, Redoxpotenzial und mikrobieller Aktivität abhängig sind, da diese die Abbaugeschwindigkeit der organischen Substanz in Böden bestimmen. Vergleichende Untersuchungen von Glyphosat und seinem primären Abbauprodukt Aminomethyl-Phosphonsäure (AMPA) bezüglich ihrer toxischen Wirkung im Wurzelraum zeigten im Falle einer kurzzeitigen Exposition von Weizenkeimlingen ausschließlich für Glyphosat eine signifikante Schädigung der Pflanzen. Im Gegensatz dazu verursachte AMPA, aber nicht Glyphosat, nach einer kurzzeitigen Exposition von Weizensamen eine signifikante Hemmung der Keimrate. Diese Ergebnisse deuten an, dass unter Feldbedingungen unterschiedliche Schadbilder auftreten können, je nachdem ob toxische Mengen an Glyphosat oder AMPA oder beider Substanzen in einem sensitiven Stadium der Pflanzenentwicklung vorliegen.

Darüber hinaus konnten in weiteren Versuchen Pflanzenart-spezifische Unterschiede in der Empfindlichkeit gegenüber einer Glyphosat-Wurzelexposition gezeigt werden, sodass auch genotypische Unterschiede bei der Ausprägung von Schadsymptomen im Feld in Erwägung gezogen werden müssen.

In den Versuchen der vorliegenden Arbeit zeigten sich übereinstimmend mit den Ergebnissen zahlreicher anderer Studien deutliche Hinweise für eine rasche Inaktivierung von Glyphosat durch Adsorption an die Bodenmatrix die zum Großteil auf der Interaktion der Phosphonatgruppe im Glyphosatmolekül mit kationischen Phosphatbindungsplätzen in Böden beruht. Jedoch konnte in Modellversuchen unter Gewächshausbedingungen gezeigt werden, dass durch die Applikation von anorganischen Phosphatdüngern über Austauschadsorption in Abhängigkeit von der Bodenart Schäden an Kulturpflanzen durch Glyphosat-Remobilisierung induziert werden können. Eine derartige kurzzeitige Remobilisierung von Glyphosat muss also als weiterer möglicher Risikofaktor für Pflanzenschäden in Erwägung gezogen werden.

In den Versuchen der hier vorliegenden Studie verursachte die Applikation von Glyphosat in der Regel eine signifikante Einschränkung der Mineralstoffversorgung der Testpflanzen. Dabei zeigte sich jedoch weder ein klarer Zusammenhang zwischen Glyphosatapplikation und der Induktion eines bestimmten Nährstoffmangels, noch eine eindeutige Beziehung zwischen der Intensität Glyphosat-induzierter Pflanzenschäden und der Nährstoffversorgung. Diese Ergebnisse sprechen dafür, dass die Verminderung der Versorgung von Kulturpflanzen mit mineralischen Nährstoffen eher auf einer generellen Beeinträchtigung des Wurzelwachstums durch Glyphosattoxizität als auf Glyphosatinteraktionen mit spezifischen kationischen Mineralstoffen beruht.

Zusammenfassend weisen die Ergebnisse der vorliegenden Studie auf ein nicht unerhebliches Risiko für Schäden an Kulturpflanzen durch Glyphosat aus den Rückständen behandelter Unkrautpflanzen oder durch Remobilisierung adsorbierter Glyphosatrückstände hin,, das jedoch maßgeblich von Umweltfaktoren beeinflusst wird. Die genauen Zusammenhänge zwischen Glyphosat-induzierten Schäden an Kulturpflanzen und diesen biotischen und abiotischen Faktoren konnten nicht vollständig aufgeklärt werden und bedürfen weiterer Untersuchungen. Dennoch erscheinen nach den Ergebnissen der vorliegenden Studie Maßnahmen, wie die Beachtung von Wartezeiten zwischen Vorsaatapplikation von Glyphosat und Aussaat insbesondere bei dichten Unkrautbeständen und die wechselnde Verwendung verschiedener Maßnahmen zur Unkrautbekämpfung geeignet, um Risiken von Glyphosatschäden an Kulturpflanzen weitgehend zu minimieren und darüber hinaus auch der Bildung von Resistenzen entgegenzuwirken.