Zulassung von Pflanzenschutzmitteln

Ökotoxikologische Tests mit Bodenorganismen

Regenwurm, Schnecke und Co.: Dieser Übersichtsartikel gibt einen Überblick über die gegenwärtigen rechtlichen Anforderungen an diese Tests im Rahmen der Zulassung von Pflanzenschutzmitteln in der Europäischen Union.

Auch die Helix pomatia, die Weinbergschnecke, kann in der Bodenanalytik zum Einsatz kommen. © Shutterstock/Andrey Armyagov

Im Februar 2017 hat die EFSA (European Food and Safety Authority) ein Dokument veröffentlicht, in dem die wissenschaftlichen Grundlagen der Umweltrisikobeurteilung von Pflanzenschutzmitteln (PSM) für Bodenorganismen (Mikroben und Invertebraten) diskutiert werden [1]. Neben einem kurzen Überblick über die gegenwärtigen rechtlichen Anforderungen für ökotoxikologische Tests werden darin Vorschläge für die Weiterentwicklung der geltenden Vorschriften [2] gemacht. Konkret wird gefordert, dass wichtige ökosystemare Leistungen landwirtschaftlich genutzter Böden (z. B. Nährstoffkreisläufe oder die Bodenstruktur) zu schützen sind. Da diese Leistungen vor allem von der Zusammensetzung und Aktivität der Bodenorganismengemeinschaften abhängen, sind für diese konkrete Schutzziele und Methoden (= Testverfahren) im Rahmen einer umfassenden Umweltrisikobeurteilung zu definieren.

Das Ziel dieses Beitrags ist es, ausgehend von einer kurzen Zusammenfassung der gegenwärtig notwendigen Tests mit Bodenorganismen, die künftigen Daten-Anforderungen für deren Schutz zu skizzieren. Mit anderen Worten: Gibt es entsprechend geeignete (d. h. wissenschaftlich belastbare und standardisierte) Methoden? Konkret werden dabei vor allem schon international durch die OECD (Organization for Economic Co-operation and Development) oder die ISO (International Organization for Standardization) standardisierte Tests betrachtet [3].

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Heute von der EU geforderte Tests mit Bodenorganismen

Tabelle 1: Von der EU für die PSM-Zulassung potenziell geforderte Tests mit Bodenorganismen. © ECT Oekotoxikologie GmbH

In der Tabelle 1 sind die nach der gegenwärtig gültigen Anforderung für die PSM-Zulassung notwendigen Tests zusammengestellt. Einige der seit Anfang der Neunziger Jahre geforderten Tests wurden kürzlich wegen erwiesener Unempfindlichkeit gestrichen. Nicht alle dieser Tests sind für jede Substanz durchzuführen, sie sind Teil einer mehrstufigen Matrix: im Minimum, d. h. bei geringer Toxizität, sind nur jeweils ein Mikroben-, Pflanzen- und Regenwurmtest notwendig. Wenn aber in diesen Tests Wirkungen bei umweltrelevanten Konzentrationen (unter Einrechnung eines Sicherheitsfaktors) auftreten, sind weitere Untersuchungen bis hin zum Regenwurmfreilandtest notwendig.

Mögliche neue Testverfahren

Im Folgenden werden die beiden wichtigsten Aspekte neu durchzuführender Tests vorgestellt: die zu verwendende Testspezies sowie der zu testende Boden.

Test-Spezies (Organismengruppe)
In dem oben erwähnten EFSA-Dokument [1] werden zehn Organismengruppen aufgeführt, die im Rahmen der PSM-Zulassung geschützt werden sollten: Regenwürmer (Lumbricidae), Springschwänze (Collembola), Raubmilben (Gamasida), Moos-Milben (Oribatida), Topfwürmer (Enchytraeidae), Asseln (Isopoda) und Rundwürmer (Nematoda), Schnecken (Gastropoda), Mykorrhiza-Pilze (Mycorrhiza) sowie Bodenbakterien. Tests mit den ersten drei Invertebratengruppen (Regenwürmer, Springschwänze und Raubmilben) werden schon gefordert, doch auch für die anderen sieben Gruppen gibt es Standard-Testverfahren, die im Folgenden kurz vorgestellt werden.

Topfwürmer (Enchytraeidae): Ein Reproduktionstest mit verschieWürmerdenen Arten (Enchytraeus albidus, Enchytraeus crypticus) wurde schon 2004 von der OECD standardisiert [13] und wird regelmäßig für wissenschaftliche PSM-Untersuchungen verwendet [14].

Moosmilben (Oribatida): Ein Test mit der Art Oppia nitens, kürzlich in Kanada entwickelt, wird gerade von der ISO standardisiert [15]. Er ist aufgrund des komplexen Vermehrungszyklus der Art nicht ganz einfach durchzuführen und bedarf, da ursprünglich für saure Waldböden entwickelt, noch der Anpassung für landwirtschaftliche Böden.

Asseln (Isopoda): Speziell die Arten Porcellio scaber [16] und Porcellionides pruinosus [17] sind leicht zu züchten und zu testen, doch ist ihr Reproduktionszyklus komplex und relativ lang, so dass andere, z. B. physiologische, Endpunkte zu verwenden sind. Zudem sind diese Tiere, ähnlich wie Regenwürmer, allein aufgrund ihrer Größe als Akkumulationsindikatoren geeignet [18, 19].

Rundwürmer (Nematoda): Die Art Caenorhabditis elegans ist ein Modellorganismus in der physiologischen und medizinischen Forschung, so dass ihre Biologie sehr gut bekannt ist. Zudem kommt sie sowohl in Sedimenten wie Böden vor (und ist in beiden Substraten leicht züchtbar), so dass sie, vor allem in der Limnologie, schon lange als Testspezies in einem ISO-Verfahren [20] eingesetzt wird – und Erfahrungen aus der Pestizidtestung liegen auch vor [21]. Gegenwärtig wird die ISO-Richtlinie überarbeitet, um den Einsatz von Nematoden in unterschiedlichen Böden zu optimieren.

Schnecken (Gastropoda): Eine ISO-Richtlinie zum Einsatz von Weinbergschnecken in Tests mit (vor allem mit Metallen) kontaminierten Böden liegt vor [22], doch fehlen bisher Erfahrungen mit Pestiziden sowie chronischen Endpunkten. Zudem erfolgt die Exposition weitgehend über die Bodenoberfläche, so dass eine Überarbeitung der ISO-Richtlinie zu empfehlen ist.

Mykorrhiza-Pilze (Mycorrhiza): Diese ökologisch sehr wichtige Gruppe von Bodenpilzen ist schwierig zu testen, da sie symbiotisch mit den Wurzeln höherer Pflanzen verbunden sind. Seit kurzem gibt es eine ISO-Richtlinie mit der Art Glomus mosseae [23], die auch schon für die Pestizid-Testung eingesetzt wurde [24].

Bodenmikroorganismen (Bacteria, Archaea): Aufgrund der hohen taxonomischen, physiologischen und ökologischen Heterogenität dieser Gruppe kann sie im Rahmen dieses Überblicks nicht genauer dargestellt werden. Allerdings wurden in den letzten Jahren die für diese Organismen zur Verfügung stehenden (oft von der ISO standardisierten) Testmethoden mehrfach vorgestellt [25, 26], durchaus auch mit Bezug zur PPP-Zulassung [27].

Test-Böden
Bisher wurden die in den ersten Stufen der PPP (Plant Protection Products)-Zulassung geforderten Tests mit Bodenorganismen vor allem mit dem OECD-Kunstboden (= Artificial Soil) durchgeführt. Dabei handelt es sich um eine Mischung aus Sand, Ton, Torf und Wasser, die für die bisher getesteten bzw. neu vorgeschlagenen Bodeninvertebraten gut geeignet ist (Mikroorganismen werden nur in verschiedenen natürlichen Böden mit spezifischen Eigenschaften getestet). Allerdings unterscheiden sich die Eigenschaften (z. B. in Hinsicht auf den Gehalt an organischem Material) dieses Kunstbodens erheblich von natürlichen, speziell landwirtschaftlichen Böden. Daher stellt sich die Frage: Wie viele natürliche Böden werden für ein Standardtestprogramm gebraucht und nach welchen Kriterien werden diese ausgewählt? Sicher ist, dass die drei Standardböden der LUFA Speyer, die seit vielen Jahren in wissenschaftlichen Untersuchungen mit Pestiziden eingesetzt werden, eine wichtige Rolle in zukünftigen Bodentestprogrammen spielen werden [28, 29]. Zumindest für deutsche sowie mediterrane Böden wurden entsprechende Boden-Sets schon vorgeschlagen [30, 31].

Schlussfolgerungen und Ausblick
Angestoßen durch neue EFSA-Dokumente zur Durchführung von Umweltrisikobeurteilungen im Rahmen der Pflanzenschutzmittel-Zulassung sind Veränderungen, genauer gesagt Erweiterungen, der gegenwärtigen Test-Anforderungen für das Kompartiment Boden zu erwarten. Mögliche neue Test-Spezies und deren Einsatz bei der PSM-Zulassung wurden hier vorgestellt. Zudem wurde kurz auf die zukünftige Auswahl der in diesen Tests einzusetzenden Böden eingegangen. Hinsichtlich beider Punkte konnte gezeigt werden, dass es entweder konkrete Vorschläge oder zumindest Forschungsergebnisse gibt, die diese Anforderungen abdecken können (weiterer Standardisierungsbedarf besteht allerdings).

Weitere neue, aus Platzgründen nicht diskutierte Testverfahren betreffen komplexe Multi-Generation-Tests mit Boden-Invertebraten, Halb-Freiland-Tests mit Einzelarten oder künstlich zusammengesetzten Bodenorganismen-Gemeinschaften jenseits der hier diskutierten Laborebene. Zudem fehlen standardisierte Testverfahren auf der Freilandebene, speziell in Hinsicht auf funktionale Endpunkte wie z. B. den Abbau organischen Materials [32, 33].

AUTOR
Dr. Jörg Römbke
ECT Oekotoxikologie GmbH
Flörsheim am Main
j-roembke@ect.de

LITERATUR
[1] EFSA PPR (Panel on Plant Protection Products and their Residues (PPR)) (2017): Scientific Opinion addressing the state of the science on risk assessment of plant protection products for in-soil organisms. EFSA Journal 15 (2) 4690, 225p.

[2] EC (European Commission) (2009): Regulation (EC) No 1107/2009 of the European parliament and the council of 21 October 2009 concerning the placing of plant protection products on the market and repealing Council Directives 79/117/EEC and 91/414/EEC. Official Journal of the European Union L 309:1-50.

[3] Römbke J, Jänsch S Meier M, Hilbeck A, Teichmann H, Tappeser B. (2010): General recommendations for soil ecotoxicological tests suitable for the Environmental Risk Assessment (ERA) of Genetically Modified Plants (GMPs). Integ. Envir. Assess. Manag. (IEAM) 6:287-300.

[4] OECD (Organisation for Economic Co-Operation and Development) (2000a): Guideline for Testing of Chemicals No. 216. Soil microorganisms, Nitrogen Transformation Test. Paris.
[5] OECD (Organisation for Economic Co-Operation and Development) (2000b): Guideline for Testing of Chemicals No. 217. Soil microorganisms, Carbon Transformation Test. Paris.

[6] OECD (Organisation for Economic Co-Operation and Development) (2006a): Terrestrial Plant Test: Seedling Emergence and Seedling Growth Test. Guideline for Testing of Chemicals No. 208. Paris, France.

[7] OECD (Organisation for Economic Co-Operation and Development) (2006b): Terrestrial Plant Test: Vegetative Vigour Test. Guideline for Testing of Chemicals No. 227. Paris, France.

[8] OECD (Organisation for Economic Co-operation and Development) (1984): Earthworm, acute toxicity tests. Guideline for Testing Chemicals No. 207. Paris, France.

[9] OECD (Organisation for Economic Co-operation and Development) (2004c): Guidelines for the testing of chemicals No. 222. Earthworm Reproduction Test (Eisenia fetida / Eisenia andrei). Paris, France.

[10] OECD (Organisation for Economic Co-Operation and Development) (2009): Collembolan Reproduction Test in Soil. Guideline for the testing of chemicals 232. Paris, France.
[11] OECD (Organisation for Economic Co-Operation and Development) (2008b): Predatory mite (Hypoaspis (Geolaelaps) aculeifer) reproduction test in soil. Guideline for the testing of chemicals 226. Paris, France.

[12] ISO (International Organization for Standardization) (1999): Soil quality – Effects of pollutants on earthworms - Part 3: Guidance on the determination of effects in field situations. ISO 11268-3. Geneva, Switzerland.

[13] OECD (Organisation for Economic Co-operation and Development) (2004b): Enchytraeid Reproduction Test. Guidelines for the testing of chemicals No. 220. Paris, France.

[14] Römbke, J., Schmelz, R.M. & Pelosi, C. (2017): Effects of organic pesticides on enchytraeids (Oligochaeta) in agroecosystems: laboratory and higher-tier tests. Frontiers in Environmental Science 5, 20, 23 pp.

[15] ISO (International Organization for Standardization) (2018): Soil quality – Test for measuring the inhibition of reproduction in oribatid mites (Oppia nitens) exposed to contaminants in soil. ISO/CD 23266. Geneva, Switzerland.

[16] Lemos, M.F.L., van Gestel, C.A.M. & Soares, A.M.V.M. (2009): Endocrine disruption in a terrestrial isopod under exposure to bisphenol A and vinclozolin. J. Soils Sed. 9: 492-500.

[17] Jaensch, S., Garcia, M.V.B. & Römbke, J. (2005): Acute and chronic isopod testing using tropical Porcellionides pruinosus and three model pesticides. Euro. J. Soil Biol. 41: 143-152.

[18] OECD (Organisation for Economic Co-Operation and Development) (2010): Bioaccumulation in Terrestrial Oligochaetes. Guideline for the testing of chemicals 317. Paris, France.

[19] Kampe, S. & Schlechtriem, C. (2016): Bioaccumulation of Hexachlorobenzene in the terrestrial isopod Porcellio scaber. Environ. Toxicol. Chem. 35: 2867-2873.

[20] ISO (International Organization for Standardization) (2018): Water quality – Determi-nation of the toxic effect of sediment and soil samples on growth, fertility and reproduction of Caenorhabditis elegans (Nematoda). Geneva, Switzerland: ISO 10872. Geneve, Switzerland.

[21] Meyer, D. & Williams, P. (2014): Toxicity Testing of Neurotoxic Pesticides in Caenorhabditis elegans. J. Toxicol. Environ. Health B 17: 284-306.

[22] ISO (International Organization for Standardization) (2017): Soil quality — Effects of pollutants on juvenile land snails (Helicidae) Determination of the effects on growth by soil contamination. ISO 15952. Geneva, Switzerland.

[23] ISO (International Organization for Standardization) (2017): Soil quality – Effects of pollutants on mycorrhizal fungi – Spore germination test. ISO 10832. Geneve, Switzerland.

[24] Hemida Abd-Alla, M., Ahmed Omar, S. & Karanxha, S. (2000): The impact of pesticides on arbuscular mycorrhizal and nitrogen-fixing symbioses in legumes. Appl. Soil Ecol. 14: 191–200.

[25] Philippot, L., Ritz. K., Pandard, P., Hallin, S. & Martin-Laurent, F. (2012). Standardization of methods in soil microbiology: Progress and challenges. FEMS Microbiol Ecol 82:1-10.

[26] Römbke, J., Bernard, J. & Martin-Laurent, F. (2018): Standard methods for the assessment of structural and functional diversity of soil organisms: a review. Integ. Envir. Assess. Manag. (IEAM) 14: 463-479.

[27] Martin-Laurent, F., Kandeler E., Petric, I., Djuric, S. & Karpouzas, D.G. (2013): ECOFUN-MICROBIODIV: an FP7 European project for developing and evaluating innovative tools for assessing the impact of pesticides on soil functional microbial diversity - towards new pesticide registration regulation? Environ. Sci. Pollut. Res. 20:1203–1205.

[28] Løkke, H. & Van Gestel, C.A.M. (1998): Handbook of Soil Invertebrate Toxicity Testing. John Wiley and Sons, London, UK.

[29]Jaabiri Kamoun, I., Jegede, O.O., Owojori, O.J., Bouzid, J., Gargouri-Bouzid, R. & Römbke, J. (2017): Effects of deltamethrin, dimethoate and chlorpyrifos on survival and reproduction of the Collembolan Folsomia candida and predatory mite Hypoaspis aculeifer in African and European soils. Integ. Envir. Assess. Manag. 14: 92-104.

[30] Kördel, W., Weinfurtner, K., Böhmer, W., Hennecke, D., Hund-Rinke, K., Kuhnt, G., Scheidt, S. & Simon, M. (2005): Informationen zur Charakterisierung von Referenzböden-Speziierung und Beschreibung des Verhaltens von Schadstoffen in Referenzböden, Abschlußbericht im Auftrag des Umweltbundesamtes.

[31] Chelinho, S., Domene, X., Campana, P., Natal-da-Luz, T., Scheffczyk, A., Römbke, J., Andrés, P. & Sousa, J.P. (2011): Improving Ecological Risk Assessment in the Mediterranean Area: Selection of reference soils and evaluating the influence of soil properties on avoidance and reproduction of two oligochaete species. Envir. Toxicol. Chem. 30: 1050-1058.

[32] OECD (Organization for Economic Co-Operation and Development). (2006): OECD Series on Testing and Assessment No. 56. Guidance document on the breakdown of organic matter in litterbags. ENV/JM/MONO 23. Paris, France.

[33] ISO (International Organization for Standardization) (2015): Soil quality - Method for testing effects of soil contaminants on the feeding activity of soil dwelling organisms — Bait-lamina test. ISO 18311. Geneva, Switzerland.

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