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08.01.2015

Nanopartikel in Pflanzenschutzmitteln?

 

Der potenzielle Einsatz von Nanopartikeln in Pflanzenschutzmitteln und Düngern verspricht Effizienz und umweltschonendere Methoden als bisher. Ob diese auch wirklich zum Tragen kommen, darüber spricht Dr. Thomas Bucheli von Agroscope im Interview.

Herr Bucheli, Ihr Projekt "Effekte von Nanopartikeln auf Bodenmikroorganismen und Nutzpflanzen" haben Sie mit einem Review begonnen. Weshalb?

Wir mussten erst einmal den Forschungsstand sichten und herausfinden, welche Arten von Nanopartikeln im landwirtschaftlichen Bereich möglicherweise auf uns zukommen und wie weit diese bereits untersucht sind. Agroscope hat ja als Ressortforschungs-Institution unter anderem die Aufgabe, Instrumente der Risikobeurteilung für künftige Zulassungen und Verwendungen von Produktionsmitteln für die Landwirtschaft zu erarbeiten. Ausserdem war die geleistete Vorarbeit, die wir schliesslich als Review publiziert haben, eine Grundlage für die Auswahl der Nanopartikel, welche wir in unserem Projekt untersuchten.

Was sagt denn die wissenschaftliche Literatur zum Thema?

Leider nicht viel. Der von uns untersuchte Zeitraum bis 2012 umfasst nur rund 70 Arbeiten. Das ist verhältnismässig wenig und bedeutet, dass das Thema verglichen mit anderen Bereichen der Nanotechnologie noch kaum grossen Eingang in die internationale Forschung fand. Es wurde deutlich, dass es sich bei den bisher erforschten Nanopartikeln in Pflanzenschutzmitteln vielfach um Hilfsstoffe handelt. Besonders über Emulsionen und bioabbaubare Polymere wurde vergleichsweise viel publiziert. Wir hielten im Review jedoch nicht nur fest, was in der Literatur über Nanomaterialien in Pflanzenschutzmitteln steht. Es war uns genauso wichtig, herauszufinden, welche Patente auf dem Gebiet gesichert wurden.

Nanopartikel sind in aller Munde. Die Medien leisten ihren Beitrag dazu, es schwirren diffuse Ängste und Unsicherheiten in der Bevölkerung umher. Wie erklären Sie sich, dass ausgerechnet dieses Thema, das die Landwirtschaft stark tangiert, eine wissenschaftliche Nische ist?

Hierfür gibt es zwei Erklärungen: Erstens war die rechtliche Situation und die Definition von Nanopartikeln lange unklar. Zweitens ist die öffentliche Meinung entscheidend dafür, welchem Produkt auf dem Markt zum Durchbruch verholfen wird und welchem nicht. Die chemische Industrie braucht aber solide Rahmenbedingungen, damit sich eine Produkteentwicklung für sie lohnt. Es geht letztlich darum, mit neuen Formulierungen oder spezifischen Wirkstoffen effizienter und umweltfreundlicher zu wirtschaften. Die bisherigen Patente funktionieren dabei oft auch als Platzhalter: Man will sich ein Türchen offen lassen, um später gegebenenfalls doch noch in den Markt einsteigen zu können.

Das Review ist aber nur der eine Teil Ihres Projekts. Der andere will Wissenslücken schliessen bei der Analyse von Nanopartikeln, speziell bezüglich deren Mobilität im Boden sowie deren Effekte auf Bodenmikroorganismen und Nutzpflanzen. Wie sind Sie und Ihr Team dabei vorgegangen?

Es muss vorausgeschickt werden, dass für die Risikobeurteilung Effektstudien zwar wichtig sind. Die Analytik von Nanopartikeln zur Quantifizierung der entsprechenden Exposition steckt jedoch noch in den Kinderschuhen. Deswegen haben wir viel in die analytische Methodenentwicklung investiert. Um herauszufinden ob Nanopartikel Auswirkungen auf Bodenmikroorganismen und die Ertragsleistung und Qualität von Nutzpflanzen haben, führten wir Experimente durch, die von Laborreinkulturen über hors-sol bis zu Topfversuchen mit realen Böden reichten. Nanopartikel, die für landwirtschaftliche Anwendungen potenziell von Bedeutung sind, wie Titandioxid und Kohlenstoffnanoröhren, wurden in aufsteigenden Konzentrationen als Suspension mit Mikroorganismen und Nutzpflanzen in Kontakt gebracht oder in die Böden gemischt. Analytisch wurden Kohlenstoffnanoröhren in Böden unter anderem mittels chemisch-thermischer Oxidation isoliert und über ihre charakteristische Form oder den Restkohlenstoffgehalt quantifiziert.

Als Nutzpflanzen verwendeten Sie hierfür speziell Klee und Weizen. Was macht diese beiden Pflanzen zur Testpflanze?

Sie sind wichtige Vertreter von Futterpflanzen und Ackerfrüchten und leben in Symbiose mit wichtigen Mikroorganismen, wie den stickstofffixierenden Rhizobien und den phosphorliefernden arbuskulären Mykorrhizapilzen. Diese Mikroorganismen und deren Symbiose mit Nutzpflanzen sind von zentraler Bedeutung für die Bodenfruchtbarkeit und –gesundheit. Der Klee spielt zudem in der Schweizer Landwirtschaft eine tragende Rolle. Er ist ein wichtiges Glied in der Graslandbewirtschaftung und fungiert als Gründünger.

Haben denn Nanopartikel nun Auswirkungen auf ihre Bodenumgebung?

Für die Partikel, die wir untersucht haben, fanden wir bisher keine drastischen Auswirkungen auf die Bodenfunktionen, wobei zu beachten ist, dass der Boden die Funktion eines Puffers hat. Er absorbiert viele Materialien und Stoffe, bevor diese die Pflanzen beeinflussen können. Falls überhaupt, traten bei unseren Untersuchungen Effekte erst mit eher hohen Konzentrationen auf, wie sie im realen Boden kaum vorkommen. Im Reagenzglas (hors-sol) waren sehr wohl Auswirkungen auf die Wurzeln der Pflanzen festzustellen. Nanopartikel umhüllen die Wurzeln und erschweren somit den Pflanzen die Nährstoffaufnahme. Das sind allerdings keine nanospezifischen Effekte, sondern diese traten auch mit grösseren Partikeln auf. In unseren Topfversuchen, welche primär auf ideales Pflanzenwachstum ausgerichtet waren, konnten wir überdies feststellen, dass Nanopartikel meistens stark agglomerierten. Das heisst, sie lagerten sich überwiegend an Bodenpartikel an und blieben dann dort. Somit wuchsen die Pflanzen weitgehend ungehindert weiter.

Gibt es denn irgendwelche Pflanzen, die Nanopartikel überhaupt aufnehmen?

Die gibt es tatsächlich. Zum Beispiel in Kürbisgewächsen wurden Nanopartikel in verschiedenen oberirdischen Organen nachgewiesen. Das heisst, dass die Partikel auch sonst in Gemüse oder Früchten vorzufinden sein könnten. Hier gilt es, die mögliche Exposition richtig einzuordnen. Mit jedem Kaugummi-Kauen nimmt man derzeit wahrscheinlich mehr Titandioxid zu sich als je über Gemüse oder Früchte.

Nächstes Jahr wird das Projekt abgeschlossen. Wie geht es weiter mit der Nanoforschung bei Agroscope?

Agroscope arbeitet nach einem Arbeitsprogramm, welches mit der Legislaturperiode des Bundes einhergeht. Da wir anwendungsorientierte praxisnahe Forschung betreiben und das Thema Nanomaterialien mit dem Nationalen Forschungsprogramm „Chancen und Risiken von Nanomaterialien" bereits relativ breit abgesteckt war, steht es im weiteren Verlauf des aktuellen Arbeitsprogramms 2014 – 2017 nicht mehr auf der Agenda. Pflanzenschutzmittel und deren Verbleib in der Umwelt bleiben aus aktuellem Anlass aber im Fokus unserer Untersuchungen.

Das Bundesamt für Landwirtschaft ist der Auftraggeber von Agroscope. Wie weit sind Sie in Ihrer Arbeit unabhängig?

Agroscope ist das Kompetenzzentrum des Bundes für landwirtschaftliche Forschung, wird mit Leistungsauftrag und Globalbudget geführt (FLAG) und ist dem Bundesamt für Landwirtschaft angegliedert. Mit dem Leistungsauftrag legt der Bundesrat nur die strategische Ausrichtung, die Vorgaben für Wirkungen und Leistungen sowie den finanziellen Rahmen von Agroscope fest. Bezüglich der konkreten Forschungsfragen sowie der Art und Weise der Leistungserbringung sind wir jedoch weitgehend unabhängig. Nebst der Erarbeitung von wissenschaftlichen Erkenntnissen und technischen Grundlagen für die landwirtschaftliche Praxis, Bildung und Beratung, ist es die Aufgabe von Agroscope, bereits heute an den Themen von morgen zu arbeiten. Sobald beispielsweise ein Nanomaterial-enthaltendes Pflanzenschutzmittel in den Registrierungsprozess gelangt, sind wir gefordert, die Entscheidungsträger mit unserer neu erarbeiteten wissenschaftlichen Expertise zu unterstützen.

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