Herbizid


Herbizid

Herbizide (lat. herba = Kraut, Gras und lat. caedere = töten) oder Unkrautbekämpfungsmittel sind Substanzen, die störende Pflanzen abtöten sollen.

Kulturpflanzen stehen im Wettbewerb mit Unkräutern um Wasser, Nährstoffe und Licht. Dichter Unkrautbewuchs kann die Ernte sehr erschweren und deutlich vermindern. Unkräuter können manuell, mit Maschinen oder mit Herbiziden dezimiert werden.

Man unterscheidet dabei zwischen selektiven Herbiziden, die gegen bestimmte Pflanzen wirken und Breitbandherbiziden, die gegen sehr viele Pflanzen wirken. Während des Vietnamkrieges wurden Herbizide (insb. Agent Orange) auch zu militärischen Zwecken als Entlaubungsmittel verwendet.

Geschichte

Um 1851 verwendete man Eisensulfat, ab 1896 Kupfersulfat und Schwefelsäure zur Bekämpfung von Unkräutern. Später wurden Natriumchlorat (1926) und Dinitro-orthokresol verwendet.[1]

Im Jahr 1942 wurde die 2,4-Dichlorphenoxyessigsäure (2,4-D) als erstes hochwirksames Herbizid entwickelt.

Zwischen 1945 und 1960 folgten Carbamate, Harnstoffderivate. Zwischen 1960 und 1980 wurden Triazin- (z.B. Atrazin), Diazin-, Diphenylether-, Cyclohexadion-, Pyridat- und Amidderivate als Herbizide verwendet. Zwischen 1980 und 1990 folgten Sulfonylharnstoffe, Aminosäurederivate (z.B. Glyphosat, Glufosinat) und Imidazoline.[2] Neuere Herbizidgemische wie die BUTISAN-Produkte [3] können auch auf die bereits aufgelaufene Kultur (z.B. Winterraps) ausgebracht werden, die durch Züchtung resistent gegen diese Behandlung ist.

Anwendung von Herbiziden

Die Aufbringung auf das Feld erfolgt in wässrigen Suspensionen. Hersteller bieten Wirkstoffsuspensionen in Emulgaten und Pulvern an, die mit Wasser verdünnt werden. Setzt man die Herbizide vor oder während der Saat ein, so nennt man sie Vorauflauf-Herbizide. Nachauflauf-Herbizide verwendet man nach der Bildung von ersten Keimblättern.[4]

Wichtige Gruppen von Herbiziden

In einer Pflanzenzelle sind die Chloroplasten für die Umwandlung von Kohlendioxid und Wasser zu Kohlenhydraten verantwortlich. In diesen Stoffwechsel greift die Mehrzahl der Herbizide ein.

Breitbandherbizide

Photosynthesehemmer

Diese Wirkstoffgruppe stört die Umwandlung von Licht in chemische Energie im Photosystem. Bedeutende Stoffe sind Paraquat und Diquat, welche als Kontaktherbizide ausgebracht werden (Wirkstoffaufnahme über die Blätter).

Hemmer der Aminosäuresynthese von Pflanzen

Glyphosat (Handelsname u.a. Roundup) ist ein Beispiel für ein Breitbandherbizid gegen Unkräuter (z. B. Quecken). Glyphosat ist eines der meistverwendeten Herbizide der Welt, der Umsatzanteil betrug im Jahr 2001 etwa 3 Mrd. US$. Dieses Herbizid nimmt eine Pflanze über grüne Pflanzenteile (also nicht über die Wurzel) auf.

Glyphosat verhindert die Biosynthese der aromatischen Aminosäuren L-Phenylalanin, L-Tyrosin und L-Tryptophan durch eine Hemmung des Shikimisäureweges. Da der Shikimisäureweg im tierischen Stoffwechsel nicht vorkommt, wirkt das Herbizid nur gegen Pflanzen.[5] Glyphosat wird wegen seiner nicht-spezifischen Wirkung u.a. als Vorauflaufherbizid eingesetzt.

Glufosinate (Handelsnamen: Basta, Liberty) wirken auf die Biosynthese von L-Glutamin in Pflanzen. Auch diese Gruppe wird häufig als Breitbandherbizid eingesetzt.

Andere bekannte Breitbandherbizide sind die Sulfonylharnstoffe (Amidosulfuron sowie Sulfuronmethyl (Handelsnamen: Oust)) und Imidazolinone wie beispielsweise Imazapyr (Handelsname: Arsenal). Diese Substanzklassen wirken auf die Biosynthese von verzweigten Aminosäuren wie L-Valin, L-Leucin und L-Isoleucin. Diese Herbizide werden über Wurzeln und Blättern aufgenommen, sie werden bei Ackerflächen für Soja und Getreide häufig angewandt.[5]

Wuchsstoffherbizide

In früheren Jahrzehnten waren Wuchsstoffherbizide, die Chlorphenoxyessigsäuren wie 2,4-D, eine sehr wichtige Herbizidklasse. Diese regen die Unkräuter zum schnellen Wachstum an, aufgrund von Nahrungsmangel sterben die Unkräuter dann aber ab.

Selektive Herbizide, Nachauflauf-Herbizide

Eine wichtige Gruppe von Nachauflauf-Herbiziden sind die 1,3-Cyclohexandione. Wichtige Vertreter sind Cycloxydim (Handelsnamen: Focus, Laser) oder Sethoxydim. Diese Herbizide hemmen die Fettsäuresynthese in Pflanzen und werden häufig gegen Gräser angewandt.[5]

Weitere Gruppen sind die Thymin/Uracil-Herbizide (z. B. Bromacil, Einsatz bei Unkräutern von Sojapflanzungen), die Benzothiadiazole (z. B. Bentazon, Handelsnamen: Basagran, vorteilhaft gegen Unkräuter bei Soja, Reis, Getreide, Kontaktherbizid) , die Phenylpyridazine (z. B. Pyridat) und die Phenoxypropionsäuren (z. B. 2,4-DB oder Fenoxaprop – sehr gute Wirkung gegen Gräser).[5]

Pethoxamid hemmt die Zellteilung der Pflanzen.

Safener

Zur Erhöhung der Selektivität werden Safener zusammen mit den entsprechenden Herbiziden eingesetzt. Sie setzen die schädliche Wirkung für Kulturpflanzen herab. Die phytotoxische Wirkung gegen Unkräuter bleibt hingegen unberührt. Man unterscheidet zwischen Saatgut-, Boden- und Blatt-Safenern. Es handelt sich um eine chemische Alternative zur gentechnischen Saatgutveränderung für die Steigerung von Hektarerträgen bei Herbizidanwendungen. Die Wirkung beruht auf der Induzierung von Enzymreaktionen innerhalb der Pflanze, die eine schnelle Entgiftung ermöglicht.[6] Ein wichtiger Saatgut-Safener ist beispielsweise das Fluxofenim, ein Oximether.[7] In Europa ist eine Bewertung und Zulassung der Substanzen in einer Positivliste durch Verordnung (EG) Nr. 1107/2009 rechtlich vorgesehen.[8]

Tendenzen in der Herbizidentwicklung

In den 1950er- und 1960er-Jahren wurde einfach durch Synthese von verschiedenen organischen Molekülen ausprobiert, ob eine Substanz schädlich auf ein Unkraut wirkt. Seit den 1980er-Jahren klärt man zunehmend den biochemischen Stoffwechsel von Pflanzen auf. Es werden wichtige Enzyme der Pflanzenbiosynthese isoliert und mit verschiedenen synthetischen Stoffen wird die Hemmung der Enzyme untersucht (Enzym-Assays). Viele moderne Verfahren, z. B. die Gaschromatographie, erlauben die schnelle Identifizierung von wichtigen biochemischen Stoffwechselprodukten.[5]

Eine weitere Tendenz geht in die Richtung, die Wirkstoffmenge zu verringern. Die Forscher möchten auch die Wirkstoffmenge der Herbizide je Hektar gering halten und gleichzeitig die Giftigkeit für Mensch und Tier minimieren.

Während man 1950 noch für die Unkrautbekämpfung etwa 12 kg Natriumchlorat oder 7 kg Atrazin auf einen Hektar Ackerfläche anwenden musste, waren es für 1 Hektar im Jahre 1970 nur noch 1–2 kg Bentazol. Ab 1980 reichte sogar eine Wirkstoffmenge von nur 20 g Chlorsulfuron für einen Hektar Ackerboden aus.[5]

Substanzgruppen der Herbizide

Wichtige Herbizide[9]

Substanzgruppe Eine Verbindung dieser Gruppe  % am Weltumsatz (S.-Gruppe, 2000)
Aminosäurederivate 18,0
Sulfonylharnstoffe
Amidosulfuron
10,8
Triazine 8,5
Harnstoffe
Monuron
4,3
Entkoppler
Anilide
Triazinone
Metamitron
Benzothiadiazole
Phenylpyridazine
Pyridat
Cyclohexandione
Cycloxydim
Bipyridil
Diquatdibromid
Saatgut-Safener
Cyometrinil

Wirtschaftliche Aspekte

Mit einem Umsatzanteil von 47 % (2001) sind Herbizide die wirtschaftlich wichtigsten Pflanzenschutzmittel. Der Gesamtumsatz für Herbizide betrug auf dem Weltmarkt 12,8 Mrd. US$.[4]

Die größten Wirtschaftssektoren für Herbizide liegen im Schutz der Soja- (ca. 10 % des Weltumsatzes an Pflanzenschutzmitteln, Abkürzung: WUAPSM, ungefähre Daten 1985), Getreide- (10 % des WUAPSM), Weizen- (6 % des WUAPSM), Obst- und Gemüse (3,5 % des WUAPSM), Reis (3,7 % des WUAPSM), Baumwolle (2,2 % des WUAPSM), Zuckerrüben (2,2 % des WUAPSM).[10]

Etwa 90 % der Sojafelder, 71 % der Getreidefelder, 63 % der Weizenfelder, 69 % der Zuckerrübenfelder, 35 % der Reisfelder, 17 % der Obst- und Gemüseplantagen werden weltweit mit Herbiziden behandelt.[10]

Resistenzen

Durch den mehrfachen Einsatz einer einzigen Wirkstoffgruppe über mehrere Jahre hinweg können besonders in Monokulturen resistente Unkräuter selektiert werden. Dieses Phänomen wurde bei fast allen Wirkstoffgruppen beobachtet. Besonders häufig werden dabei Pflanzen mit einer hohen Reproduktionsrate resistent. Ein aktuelles Beispiel stellt der Acker-Fuchsschwanz in Deutschland dar.[11] Das HRAC beschäftigt sich intensiv damit, wie man die Resistenzbildung eindämmen kann. Die Resistenzentwicklung ist bei Unkräutern jedoch geringer als bei Insekten oder Pilzen. Resistenzen lassen sich jedoch auch gezielt züchten, wodurch auf die Kulturen abgestimmte Herbizide auch nach Auflauf der Kulturen (Nachauflauf) eingesetzt werden können.[12] Allerdings besteht dann das Problem darin, die Nutzkultur (z.B. Winterraps) bei Änderung der Fruchtfolge wieder aus dem Bestand zu eliminieren. Mittlerweile kann davon ausgegangen werden, dass Resistenzbildung eher über kurz als lang wieder zurück zu kombinierten Methoden Unkrautbekämpfung führt [13].

Ökologische Auswirkungen

Roundup-Einsatz auf einem Acker nördlich von Dresden
Mutmaßlich durch Abdrift (Pflanzenschutz) geschädigter Ahorn-Baum am Parkplatz Magaretenhof Schwerin am 25. August 2012

Die Wirkung von synthetischen Pflanzenschutzmitteln wie Herbiziden auf Mensch und Umwelt ist umstritten. Sie reicht vom Argument durch breiten Herbizideinsatz seien gesunde Nahrungsmittel für die breite Bevölkerung erschwinglich und die Krebserkrankungsraten daher rückläufig und unbedeutend im Vergleich zu epidemisch auftretenden Krebserkrankungen durch Tabakrauch und Übergewicht sowie chronischen Lebensmittelinfektionen (hauptsächlich in Entwicklungsländern)[14] bis hin zu kritischen Stimmen wie der von Rachel Carson, die mit ihrem Buch Silent Spring auf die Auswirkungen von Herbizideinsätzen insbesondere bei großflächiger Anwendung in den USA aufmerksam machen wollte. Sie setzte sich dafür ein, den Herbizideinsatz zu begrenzen. In der europäischen Bevölkerung dominiert ebenfalls die Angst vor chemischen Lebensmittelrückständen. Die Mehrheit der Befragten schätzt die Gefahr höher ein als die gesundheitlichen Auswirkungen von bakteriellen Verunreinigungen von Lebensmitteln oder unausgewogene Ernährung.[15]

Auswirkungen auf Nahrungsketten und Biodiversität

Bei der großflächigen und dauerhaften Anwendung von Herbiziden kann sich das Pflanzenartenspektrum in der Agrarlandschaft stark verringern.[16]. Da von jeder Pflanzenart mehr oder weniger viele Insektenarten abhängig sind[17] und von diesen über die Nahrungsketten wiederum andere Tiere (insbesondere Vögel, Zugvögel), besteht die Gefahr der generellen Artenverarmung in der Feldlandschaft. Der massive Artenrückgang (Verlust der Biodiversität) in den Agrarlandschaften Europas ist vor allem eine Folge dieser Zusammenhänge. Allerdings ist der Anteil des Herbizid- und Insektizideinsatzes in der Landwirtschaft an den Ursachen des Artenrückgangs nicht klar bestimmbar. Es gibt aktuelle Hinweise darauf, dass sich die flächendeckende Anwendung von Breitbandherbiziden in einigen Regionen Deutschlands (z.B. in Sachsen) in den letzten Jahren weiter verstärkt hat. Die verstärkte Anwendung erfolgt insbesondere im Zuge des Mulchsaatverfahrens. Dabei wird auf eine mechanische Unkrautbekämpfung verzichtet (sogenannte Pfluglose Bodenbearbeitung) und stattdessen intensiv Breitbandherbizide (z.B. Roundup) verwendet. Der Verzicht auf das Pflügen des Bodens ist eine Abkehr von der umweltschonenden Kombination mechanischer und chemischer Unkraut- und Schädlingsbekämpfung. Ein ähnliches Verfahren erfolgt bei der Umwandlung von blüten- und artenreichen Mähwiesen in ertragreiches, aber artenarmes Intensivgrünland (Abtöten des vorherigen Pflanzenbestandes - umbruchlose Neuaussaat schnell wachsender, eiweißreicher Gräser).[18]. Zwar handelt es sich dabei um bodenschonende Verfahren, welche in erosionsgefährdeten Hanglagen durchaus sinnvoll sind, allerdings sind die Folgen bei nahezu flächendeckender Anwendung in der Landwirtschaft auf die Biodiversität noch nicht absehbar.

Abdrift - Mittelverfrachtung auch auf weit entfernte Flächen

Der breite Herbizideinsatz führt auch zu einer Nachweisbarkeit der Wirkstoffe im Oberflächen- und Grundwasser[19]. Eine andere Gefahr rührt von Wirkstoffen mit besonders hoher Ausgasung (hoher Dampfdruck bei Temperaturen um 20 - 30°C) her. Ein Beispiel ist Clomazone, ein Wirkstoff der unter anderem in den BUTISAN-Produkten [20] enthalten ist. Dieser darf nach Richtlinien von 2012 nur bei Aussentemperaturen unter 25°C ausgebracht werden.[21] Das Mittel war zunächst verboten worden, nachdem Anwohner von gesundheitlichen Beschwerden und Verfärbungen der Blätter auf angrenzenden Flächen berichteten.[22]

Einzelnachweise

  1. Ullmanns Encyklopädie der technischen Chemie, 4. Auflage, Band 18, S.5, Stichwort:Pflanzenschutzmittel, Toxikologie.
  2. Winnacker, Küchler: Chemische Technik, 5. Auflage, Band 9, S. 216 ff.
  3. http://www.agrar.basf.de/agroportal/de/de/produkte_/produktempfehlung/product_details_2338.html
  4. 4,0 4,1 T. Seitz, Michael G. Hoffmann, H. Krähmer: Herbizide für die Landwirtschaft: Chemische Unkrautbekämpfung, in: Chemie in unserer Zeit, 2003, 37, 112–126.
  5. 5,0 5,1 5,2 5,3 5,4 5,5 Karl-Heinz König: Fortschritte im chemischen Pflanzenschutz, Chemie in unserer Zeit, 10/1990, S. 217-226.
  6. Edith Ebert, Klaus Kreuz: Die Selektivität von Herbiziden. Das Prinzip der Safener, Biologie in unserer Zeit, 28. Februar 2008, doi:10.1002/biuz.19910210609
  7. Wolfgang Krämer und Ulrich Schirmer: Modern Crop Protection Compounds Volume 1, 2007, S. 266
  8. BVL: Rückstandshöchstgehalte: Listen & Rechtsgrundlagen: Safener
  9. Thomas Seitz,Michael G. Hoffmann, Hansjörg Krämer: Herbizide für die Landwirtschaft, Chemie in unserer Zeit, 2003, S. 112 ff.
  10. 10,0 10,1 Ullmanns Encyklopädie der technischen Chemie, 5. Auflage, Band A8, Stichwort: Crop Protection, S. 66 ff.
  11. Seite des Herbicide Resistance Action Committee
  12. Landwirtschaftskammer Nordrhein-Westfalen: Unkrautbekämpfung im Winterraps
  13. http://www.nature.com/news/war-on-weeds-loses-ground-1.10691
  14. Ames BN, Gold LS.: Environmental pollution, pesticides, and the prevention of cancer: misconceptions, FASEB J., 1997, PMID 9367339
  15. EFSA Pressemitteilung: Neue Forschungsergebnisse über das Bewusstsein der Verbraucher in der EU über Risiken im Lebensmittelbereich
  16. Institut für Unkrautforschung Braunschweig (PDF)
  17. Probst, Wilfried: Pflanze und Insekt. In: UB 236/Juli 1998 (PDF)
  18. Aktuelle Entwicklungen von Landwirtschaft und Naturschutz im Landschaftsschutzgebiet „Moritzburger Kleinkuppenlandschaft“ (Sachsen, Landkreis Meißen). Denkschrift der NABU-Fachgruppe Ornithologie Großdittmannsdorf. Februar 2008 (PDF)
  19. http://www.lung.mv-regierung.de/dateien/a3_pub_sonderbericht_psm_arznei_2008.pdf
  20. http://www.agrar.basf.de/agroportal/de/de/produkte_/produktempfehlung/product_details_2338.html
  21. BVL: Zulassungsänderung bei Pflanzenschutzmitteln mit dem Wirkstoff Clomazone
  22. http://de.indymedia.org/2011/09/315643.shtml

Literatur

  • Wolfgang Krämer und Ulrich Schirmer: Modern Crop Protection Compounds Volume 1, 2007, S.266
  • Karl-Heinz König: Fortschritte im chemischen Pflanzenschutz, Chemie in unserer Zeit, 10/1990, S. 217 ff.