Effects of multiple pesticides and their interactions on the soil microbial community

Abstract

Pesticides are regularly applied to agricultural fields with the aim to prevent crop loss and improve the quality and quantity of crops. In the process, they are intentionally released into the environment, where they can inadvertently spread to other areas. They reach the soil directly through application and spray drift, as well as other means of pesticide distribution, where non-target soil microorganisms are among the first organisms to interact with them. These are an essential part of the soil ecosystem performing key ecosystem services. Various interactions between soil microorganisms and pesticides can occur, driven by either the pesticides, the microorganisms or both. While microorganisms are able to degrade various pesticides and derive energy or nutrients from them, pesticides can also negatively affect them. Past studies have demonstrated interactions with varying results, revealing both positive and negative effects of the pesticides. Given the vast number of pesticides currently in use and found in the environment, identifying the processes behind these effects is challenging for scientists. Until recently, most of the studies focused on single pesticides, paying little attention to the fact that, in reality, more than one pesticide is present in soils. However, in order to understand the processes effected and the mechanisms behind these effects, it is essential to investigate the effects of multiple pesticides on soil microorganisms. Closing this knowledge gap will improve our understanding of the impact pesticides have on our soils and the ecosystem services performed by soil microorganisms. Therefore, this thesis aimed to reveal these interactions between soil microorganisms and pesticides, focusing on pesticide mixtures, the processes affected and the underlying mechanisms. Utilizing samples from the field sampling campaign of the SPRINT project, we first aimed to establish the missing link between the presence of multiple pesticides and their in situ effects on soil microorganisms. To further deepen our understanding of the affected processes and the mechanisms behind them, we set up two microcosm experiments in which soil was exposed to pesticide mixtures up to 56 days. There we focused on investigating two ecosystem functions performed by soil microorganisms: The degradation of a pesticide, and the degradation of organic substrate. With the latter we additionally aimed to simulate the incorporation of plant material as a pesticide carrier and investigate how substrate quality affects the pesticide effects. Based on the results of these studies, this thesis introduced concepts that describe and explain the interactions between pesticides and soil microorganisms, including the presence and impact of multiple pesticides. Separating the effects into direct-specific, direct-unspecific, and indirect effects allowed for classification of the effects and showed potential new interaction pathways. As hypothesized, pesticides with a mode of action that targets processes that are also present in non-target organisms, had a stronger effect on soil microorganisms. Among them especially fungicides affected the microbial community, as they intentionally target processes in pathogenic fungi, showing that their effect is not limited to those. Interestingly, the herbicide prosulfocarb, aiming to disrupt the synthesis of fatty acids in weeds, also affected the synthesis of membrane lipids in bacteria, triggering a cascade of reactions to compensate for the effects of the pesticide. The latter effects were classified as direct-unspecific as they are a direct consequence of the pesticide, in this case triggered by the mode of action. Similarly, a stress response was observed in the microbial community exposed to the herbicide MCPA. Since MCPA's mode of action likely does not target a process in soil microorganisms, this was classified as a direct-unspecific effect, representing a general reaction of soil microorganisms to pesticides. But MCPA also showed an interaction with the herbicide glyphosate. By competing for binding sites, MCPA increased the bioavailability of glyphosate, hence increasing the contact chance with microorganisms. This resulted in an increased degradation of glyphosate by soil microorganisms, attributed to an indirect effect of MCPA and an effect that only occurs when multiple pesticides are present. Contrary we observed a lag phase in the degradation of the fungicide boscalid when the herbicide prosulfocarb was present, which we attributed to the faster degradation potential of prosulfocarb. These two results showed that abiotic interactions of pesticides can be reflected in the biotic reaction. Another abiotic variable was the substrate quality of added maize leaves, where likely a larger proportion of sensitive microorganisms was present in the presence of fresh maize, that resulted in an increased effect of the pesticides. This thesis revealed various interactions between soil microorganisms, pesticides, and environmental conditions extending our knowledge of the effects pesticides can have on these organisms. The presented concepts are able to classify the effects and incorporate the complex interactions between the variables. This should profoundly impact how we view the effects of pesticides on soil microorganisms, and regulatory work must adapt to incorporate more than just "worst case scenarios" of single pesticides, as these definitely do not reflect the actual effects of pesticides and their vast interactions in our agricultural soils.

Pestizide werden regelmäßig auf landwirtschaftlichen Feldern ausgebracht, um Ernteverluste zu vermeiden und die Qualität und Quantität der Ernten zu verbessern. Dabei werden sie absichtlich in die Umwelt freigesetzt, wo sie sich ungewollt auf andere Gebiete ausbreiten können. Sie gelangen durch die Ausbringung und den Abdrift, sowie durch andere Verbreitungswege der Pestizide direkt in den Boden, wo Bodenmikroorganismen als Nicht Zielorganismen zu den ersten gehören, die mit ihnen in Kontakt kommen. Diese sind ein wesentlicher Bestandteil des Bodenökosystems und leisten einen wichtigen Beitrag zu Ökosystemleistungen. Verschiedene Wechselwirkungen zwischen Bodenmikroorganismen und Pestiziden können auftreten, die entweder von den Pestiziden, den Mikroorganismen oder von beiden verursacht werden. Während Mikroorganismen in der Lage sind, verschiedene Pestizide abzubauen und aus ihnen Energie oder Nährstoffe zu gewinnen, können Pestizide auch negative Auswirkungen auf sie haben. Studien haben Wechselwirkungen mit unterschiedlichen Ergebnissen aufgezeigt, wobei sowohl positive als auch negative Auswirkungen der Pestizide festgestellt wurden. Angesichts der großen Anzahl von Pestiziden, die derzeit verwendet werden und in der Umwelt aufzufinden sind, ist es für Wissenschaftler eine Herausforderung, die Prozesse hinter diesen Effekten zu identifizieren. Bis vor kurzem konzentrierten sich die meisten Studien auf einzelne Pestizide und schenkten der Tatsache, dass in Wirklichkeit mehr als ein Pestizid in Böden vorhanden ist, wenig Beachtung. Um die betroffenen Prozesse und die Mechanismen hinter diesen Effekten zu verstehen, ist es jedoch unerlässlich, die Auswirkungen mehrerer Pestizide auf Bodenmikroorganismen zu untersuchen. Die Schließung dieser Wissenslücke wird unser Verständnis der Auswirkungen von Pestiziden auf unsere Böden und der von Bodenmikroorganismen erbrachten Ökosystemleistungen verbessern. Das Ziel dieser Arbeit war es daher, die Wechselwirkungen zwischen Bodenmikroorganismen und Pestiziden aufzudecken, wobei der Schwerpunkt auf Pestizidgemischen, den betroffenen Effekten und den zugrunde liegenden Mechanismen lag. Anhand von Proben der Probenahmekampagne des SPRINT-Projekts wollten wir zunächst die fehlende Verbindung zwischen dem Vorhandensein mehrerer Pestizide und ihrer In-situ-Wirkung auf Bodenmikroorganismen herstellen. Um unser Verständnis der betroffenen Prozesse und der damit verbundenen Mechanismen weiter zu vertiefen, haben wir zwei Mikrokosmos-Experimente durchgeführt, in denen der Boden bis zu 56 Tage lang Pestizidmischungen ausgesetzt war. Dabei haben wir uns auf die Untersuchung von zwei Ökosystemfunktionen konzentriert, die von Bodenmikroorganismen ausgeführt werden: Den Abbau eines Pestizids und den Abbau von organischem Substrat. Mit letzterem wollten wir zusätzlich die Einbringung von Pflanzenmaterial als Pestizidträger simulieren und untersuchen, wie die Substratqualität die Pestizidwirkung beeinflusst. Auf der Grundlage der Ergebnisse dieser Studien wurden in dieser Arbeit Konzepte vorgestellt, die die Wechselwirkungen zwischen Pestiziden und Bodenmikroorganismen, einschließlich des Vorhandenseins und der Auswirkungen multipler Pestizide, beschreiben und erklären. Die Unterteilung der Auswirkungen in direkte-spezifische, direkte- unspezifische und indirekte Effekte ermöglichte eine Klassifizierung dieser und zeigte potenzielle neue Wechselwirkungswege auf. Wie angenommen, wirkten sich Pestizide mit einen Wirkmechanismus, der auf Prozesse abzielt die auch in Nicht-Zielorganismen vorkommen, stärker auf Bodenmikroorganismen aus. Insbesondere Fungizide wirkten sich auf die mikrobielle Gemeinschaft aus, da diese gezielt Prozesse in pathogenen Pilzen beeinflussen, was zeigt, dass dieser Effekt nicht nur auf diese beschränkt ist. Interessanterweise wirkte sich das Herbizid Prosulfocarb, welches die Synthese von Fettsäuren in Unkräutern stören soll, auch auf die Synthese von Membranlipiden in Bakterien aus und löste eine Kaskade von Reaktionen aus, um die Auswirkungen des Pestizids auszugleichen. Die letztgenannten Effekte wurden als direkt-unspezifisch eingestuft, da sie eine direkte Folge des Pestizids sind, in diesem Fall ausgelöst durch den Wirkmechanismus. In ähnlicher Weise wurde, in der mikrobiellen Gemeinschaft die dem Herbizid MCPA ausgesetzt war, eine Stressreaktion beobachtet. Da der Wirkmechanismus von MCPA wahrscheinlich auf keinen Prozess in Bodenmikroorganismen abzielt, wurde dieser als direkter-unspezifischer Effekt eingestuft, der eine allgemeine Reaktion der Bodenmikroorganismen auf Pestizide darstellt. MCPA zeigte aber auch eine Wechselwirkung mit dem Herbizid Glyphosat. Durch die Konkurrenz um Bindungsstellen erhöhte MCPA die Bioverfügbarkeit von Glyphosat und damit die Kontaktchance mit Mikroorganismen. Dies führte zu einem verstärkten Abbau von Glyphosat durch Bodenmikroorganismen, was auf eine indirekte Wirkung von MCPA und einen Effekt zurückzuführen ist, der nur bei Anwesenheit mehrerer Pestizide auftritt. Im Gegensatz dazu beobachteten wir eine Verzögerung im Abbau des Fungizids Boscalid, in der Gegenwart des Herbizids Prosulfocarb, was wir auf das schnellere Abbaupotenzial von Prosulfocarb zurückführten. Diese beiden Ergebnisse zeigten, dass sich abiotische Wechselwirkungen von Pestiziden in der biotischen Reaktion widerspiegeln können. Eine weitere abiotische Variable war die Substratqualität der zugegebenen Maisblätter, wobei wahrscheinlich ein größerer Anteil sensitiver Mikroorganismen in Gegenwart von frischem Mais vorhanden war, was zu einem verstärkten Effekt der Pestizide führte. Diese Arbeit hat verschiedene Wechselwirkungen zwischen Bodenmikroorganismen, Pestiziden und Umweltbedingungen aufgezeigt und damit unser Wissen über die Auswirkungen von Pestiziden auf diese Organismen erweitert. Die vorgestellten Konzepte ermöglichen es, die Auswirkungen zu klassifizieren und die komplexen Wechselwirkungen zwischen den Variablen zu berücksichtigen. Dies sollte tiefgreifende Auswirkungen auf unsere Sichtweise der Auswirkungen von Pestiziden auf Bodenmikroorganismen haben, und die Regulierungsarbeit muss angepasst werden, um mehr als nur die „Worst-Case-Szenarien” einzelner Pestizide zu berücksichtigen, da diese definitiv nicht die tatsächlichen Auswirkungen von Pestiziden und ihre vielfältigen Wechselwirkungen in unseren landwirtschaftlichen Böden widerspiegeln.