Einfluss von Glyphosat und AMPA auf Boden, Pflanzen, Tiere

Prof. em. Dr. Monika Krüger

Veterinärmedizinische Fakultät Universität Leipzig

Inhalt

• Was ist Glyphosat, wie wirkt es?

• Was ist AMPA wie wirkt es?

• Einfluss von Glyphosat auf Bodenmikrobiota

• Wirkung von Glyphosat auf Pflanzen

• Wirkung von AMPA auf Pflanzen

• Nachweise von Glyphosat und AMPA in pflanzlichen und tierischen Proben

Fluch und Segen von Agrochemika-

lien in der industrialisierten Landwirt-

schaft und ihre Rückwirkungen auf

Menschen, Tiere und Natur

Umweltinstitut München, 2012 BUND 2012

Was ist Glyphosat und wie

wirkt es?

Glyphosat

N-(Phosphonomethyl)-glycin Glycin

Glyphosat

Wirkstoff des Totalherbizids Roundup

Anwendung seit 1974 (USA)

derzeit in > 100 Ländern weltweit verwendet

Deutschland Zulassung 2002 (aber seit 1975 für Grünlandumbruch eingesetzt)

Gründe für häufige Anwendung

• Hersteller attestierte folgende Eigenschaften:

• hohe Unkrautvernichtungseffektivität

• geringe Toxizität für Nichttargetorganismen

• geringes Risiko des Durchsickerns in das Grundwasser, da feste Adsorption an Bodenteile

• relativ schnelle Degradierung (Borggaard und Gimsing, 2008)

Glyphosat-Eigenschaften

• geringes Molekulargewicht

• gute Wasserlöslichkeit, pH-stabil

• schnelle Aufnahme, Absorption und Translokation in Pflanzenge-webe

Wirkungsmechanismen

1. Glyphosate – Wirkungsmechanismus (nichtselektives Herbizid)

Behindert alle Proteine und Wirkstoffe, die die drei aromatischen Aminosäuren benötigen, Tannin, Lignin, Flavonoide etc, Wuchsstoffe.

Bakterien Pilze Protozoen Algen

Vit. KK

!!!!

Herbizidwirkung auf Pflanzen

ZIM

A: G+ erhitzter Boden

B: G + unerhitzter Boden

C: G-freie Kontrolle

G verschlechtert Nährstoffversorgung

G verstärkt Pflanzenpathogene

(nach Rahe und Johal, 1988)

Glyphosatwirkung auf Bewurzelung von Sojapflanzen

(Huber, 2011)

Unbehandelte Kontrolle

Mit Bodenbakterien beimpft

Mit Bodenbakterien beimpft + Glyphosat

Einfluss von Glyphosat auf Pflanzenwachstum

2. Chelatierung von Kationen

Starkes Bindungsvermögen (Chelator) für zweiwertige Kationen wie Mg++, Ca++, Zn++, Co++, Mn++, Fe++ usw., nicht für einwertige wie Na+, K+, etc. (bildet Komplexe mit Kationen über beide saure Gruppen an den Molekülenden) Kationen (bes. Spurenelemente) sind dann für Pflanzen und Tiere nicht mehr verfügbar (Mangel)

Mangel an zweiwertigen Kationen

Einfluss von Glyphosat auf Mikronährstoffgehalt und Nährstofftranslokation bei Sojapflanzen

Eker et al. 2006

ZIM

Mangan –und Zinknachweis von RR-Soja und RR-Mais in USA

Einfluss von Glyphosat auf Spurenelementgehalt im Blutserum von Kühen (DK)

Krüger et al. 2013

Se (

µg

/L)

Zn (

µg

/dL)

3. Antimikrobielle Wirkung

US patent 7,771, 736 B2 (2010)

Bakterien besitzen 2 Formen von EPSPS • Klasse I: sensibel für Glyphosate in mikromola-

ren Konzentrationen

• Klasse II: noch aktiv in Gegenwart von Glyphosat

Sensibel

Lactobacillus spp.

Enterococcus spp.

Bifidobacterium spp.

Bacillus spp.

Resistent

Salmonella Typhimurium

Salmonella Enteritidis

Salmonella Gallinarum

Clostridium tetani

Clostridium perfringens

Clostridium botulinum

Fusarium spp

Shehata et al. 2012 Krüger et al. 2013

3. Antimikrobielle Wirkung

3. Antimikrobielle Wirkung von Glyphosat, N-Acetyl-Glyphosat und AMPA (mg/ml) auf E. faecalis

Shehata et al. 2012: Antagonistic effects of different bacteria on Clostridium botulinum types A. B. D. E. Vet. Rec. 10.1136/vr.101184.

Aber Förderung pathogener Clostridien Hemmung von Antagonisten für C. botulinum

Clostridienlebenszyklus

Boden Wasser

Gewebe

MDT

Faktoren ???

Vermehrung

Toxin

Toxin

Toxin Toxin

Toxin

Toxin

Toxin

Toxin

Gasödem

Hämorrhagische Enteritids

Intoxikation

Sporen

Lebensformen von Clostridien

• Somnolent (Spore)

• Stoffwechselaktiv (Vegetative Form = Stäbchen)

Toxine

Einfluss von Glyphosat auf C. botulinum und seinen Gegenspieler Enterococcus faecalis

1,E+00

1,E+01

1,E+02

1,E+03

1,E+04

1,E+05

1,E+06

1,E+07

1,E+08

1,E+09

1,E+10

E. fecalis E. fecalis + 0.1 mg

glcophosat/ ml

E. fecalis + 1 mg

glcophosat/ ml

E.

fecali

s c

fu

4h

8h

0

50

100

150

200

250

300

3,5

E+

09

3,5

E+

08

3,5

E+

07

3,5

E+

06

3,5

E+

05

3,5

E+

04

3,5

E+

03

3,5

E+

02

3,5

E+

01

C.b

ot

Typ

B

Enterococcus faecium

Bo

Nt-

B n

g/m

lGlyphosat hemmt E. faecalis

E. faecalis hemmt BoNT-Bildung

E. Faecalis + 0,1mg Glyphosat/ml

E. Faecalis +,1mg Glyphosat/ml

3. Antimikrobielle Wirkung

Chronischer Botulismus

Nachweis versporter Bakterien im Blinddarm bei chronischem

Botulismus

Bakteriennachweis mit Clostridiensonde

Versporte Bakterien, Tennisschlägerform = C. botulinum

Swidsinski, 2010

Nachweis pathogener Clostridien in nicht ausgewählten Gärresten

(Neuhaus et al. 2014) (n=203)

Nachweis von Clostridium botulinum in Gülle und Gärresten von ausgewählten

Rinderbeständen mit chronischem Botulismus-Problem

(Neuhaus et al. 2015)

Substr. n Typ A Typ B Typ C Typ D Typ E 2 Typen

>2 Typen

Gesamt

Gülle 24 - - - 1 (4,1%)

2 (8,2%)

1 (4,1%)

- 4 (16,4%)

Gärrest 84 2 (2,3%)

- 9 (10,7%)

3 (3,6%)

7 (8,3%)

9 (10,9%)

9 (10,9%)

39 (46,4%)

Degradierung von BoNT-B durch EMa (Sieg, 2007)

EMa-

Konz.

10%

20%

30%

40%

50%

1/10 0 0 0 0 0

1/50 0 0 4 26 91

1/100 0 17 93 151 171

1/500 11 77 140 159 164

1/1000 9 77 125 146 163

0 7 76 126 53 161

BoNT-Konzentration

105 MLD/ml

Degradierung von C. botulinum-Sporen in Terra Preta (21d)

BoNT ABE CD ABE CD

EM/HK 160 51 1,5 0

OEM/OHK 160,5 0 29,3 14

EM/OHK 322 65 3,3 18

Kanne/HK 322 83 171,5 17

K/OEM 273,3 0 164 0

K/Kanne 184 24 145 31

K/HK 92 0 80 0

BoNT-Nachweis t 0 BoNT-Nachweis t 1

4. Zytotoxische Aktivitäten

Wirkung von Glyphosat und Roundup auf Dickdarmepithelzellen (48h)

Konsequenzen der G-Anwendung für Pflanzen und Boden

• 80% des G werden in Pflanzen gespeichert

• Akkumulation in Wurzeln und Sprossen

• Freisetzung in den Boden über Wurzeln

• Schädigung der nützlichen Bodenmikrobiota

• Veränderung der Bodenmikrobiota

Glyphosatbindung an Bodenmatrix

• Glyphosat wird an Bodenmatrix gebunden !!!

• Und je mehr Eisen-und Aluminiumoxid sowie Ton im Boden, umso mehr wird gebunden, also wird Umweltrisiko reduziert

aber

• Phosphate (mineralische oder Wirtschafts-dünger) konkurrieren mit G um Bindung an Bodenmatrix Freisetzung von G = Umweltrisiko

(Wang et al. 2005)

Einfluss von Glyphosat auf Bodenmikroorganismen

ZIM

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

Fusarien Pseudom. Mn-

Reduzierer

Kontr.

600g/ha

1200g/ha

2400g/ha

% (Zobiole et al., 2010; Kremer, 2010)

Glyphosatwirkung auf Bakterien Lancaster et al. 2009

Applikation 49 μg/g Glyphosat, G-abbauende Bakterienspecies

Burgholderia spp.

Konsequenzen für Pflanzen

• Werden empfindlicher für Krankheiten

• Reduzierung der Nährstoffverfügbarkeit

• Anwachsen bodenbürtiger Erkrankungen, besonders der Pilzerkrankungen (Fusarien)

• Steigerung des Fungizideinsatzes

Aminomethylphosphonsäure AMPA

NH2 P

O

OH

OH

AMPA Glycin

Molekularmasse: 111,04 g 75,0666 g

AMPA • Phytotoxisch • Wird von Bakterien auf Blattoberfläche und in

Pflanzen (Glyphosatoxidoreduktase) aus Glyphosat gebildet

• Wird in Blättern, Stengel und Bohnen von Soja gefunden

• Es wurde mehr AMPA in Bohnen von behandel-ten GVO und Nicht-GVO-Sojabohnen als Glypho-sat nachgewiesen

• Hauptschaden von Glyphosat auf GVO-Soja erfolgt durch AMPA, nicht durch Glyphosat

Reddy et al. 2004: J. Agric. Food Chem. 52: 5139-5143, Reddy et al. 2008: J. Agric. Food Chem. 2008, 56, 2125–2130

Einfluss von AMPA-Applikation auf (4d) Chlorophyllgehalt in Sprossen und (14d) AMPA-Gehalt

in Blättern von Soja

AMPA kg/ha Chlorophyll GVO-Soja (%)

Chlorophyll Nicht-GVO-Soja (%)

Kontrolle 100 100

Tween 20 86 83

0,12 72 84

0,25 58 82

0,50 59 66

1,0 50 41

2,0 40 36

4,0 40 41

8,0 34 31

Tween 20 (0,5%) als Penetrationsmittel.

AMPA kg/ha AMPA GVO-Soja (µg/kg)

AMPA Nicht-GVO-Soja (µg/kg)

Tween 20 0 0

0,12 2 1

0,25 2 3

0,50 7 4

1,0 30 23

2,0 41 33

4,0 64 65

8,0 112 117

(Reddy et al. 2004 J. Agric. Food Chem. 52: 5139–5143)

AMPA-Nachweise in Grundwasser

• Zeitraum 2001 bis 2005 alle Befunde unterhalb von 1 μg/l

• 2006 bis 2008 an zwei Messstellen (0,14 Prozent) Konzentrationen > 1 μg/l (aber < 3 μg/l)

Bundesministeriums für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz vom 23. 09. 2011

AMPA-Aminomethylphosphonsäure

• entsteht auch als Abbauprodukt von stickstoffhaltigen organischen Phosphonaten

• Phosphonate auch in Waschmitteln, als Inhibitoren gegen Korrosion und Kesselsteinbildung in Kühl- und Kesselspeise-wässern, in der Textil- und Papierindustrie in großen Mengen verwendet

• 269 Einzelmessungen in Oberflächengewässern (2009)

• 78 × ≥ Bestimmungsgrenze (max. 1,1 μg/l)

• Keine Bodendaten

Bundesministeriums für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz vom 23. 09. 2011

Nachweis von Glyphosat und AMPA in Soja (Bohn et al. 2013)

*

* nur Bodenbehandlung

Futtermittel Grenzwert

mg/kg

Leinsamen 10

Sonnenblumenkerne 20

Rapssamen 10

Sojabohne 20

Gerste 20

Mais 1

Hafer 20

Roggen 10

Weizen , Dinkel, Tritikale 10

Süßlupine 10

VERORDNUNG Nr. 441/2012 DER EU- KOMMISSION Rückstandshöchstgehalte Glyphosat in Futtermitteln

AMPA= Aminophosphonsäure

• strukturell analog zu ihrer Aminosäure

• Konkurrieren mit AS um aktive Stelle in Enzym oder an Rezeptor

• Hemmen Stoffwechselprozesse

• Wirken antibakteriell, neuroaktiv, chemothera-peutisch oder als Pflanzenschutzmittel

Kafarcks und Leilzak, 1991

Glyphosatnachweis in Futtermitteln

• 2002 bis 2010 wurden durch die Futtermittel-überwachungsbehörden insgesamt 87 Futtermittelproben auf Glyphosatrückstände untersucht (8,7 Proben pro Jahr !!!)

• und es wurde keine Probe beanstandet, alle unter 20mg/kg (Soja) unter 1mg/kg (Mais)

Bundesministeriums für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz vom 23. 09. 2011

Analyseergebnisse von 11 argentinischen Sojaproben auf Glyphosat und AMPA (Then, 2013)

(Summe= Glyphosat +1,5x AMPA)

Nachweis von Glyphosat und AMPA im Urin

und Blutserum von Mastkaninchen und

Milchkühen mittels Massenspektroskopie

(Hoppe, 2013, 2015) Bestand

Kaninche

n

Glyphosat

Mittelwert

ng/g

Min.

ng/g

Max.

ng/g

AMPA ng/g

Mittelwert

(% von G)

Min.

ng/g

Max.

ng/g

A (n=15) 12,5 3,2 42,3 1,4 (11,2) 0,4 5,1

B (n=7) 34,7 31,87 40,7 20,4 (58,8) 14,01 33,04

Bestand

Milchkühe

Glyphosat

Mittelwert

ng/g

Min.

ng/g

Max.

ng/g

AMPA ng/g

Mittelwert

(% von G)

Min.

ng/g

Max.

ng/g

Urin (n=6) 17,9 7,7 24,6 9,7

(54,2%)

3,3 17,5

Serum

(n=6)

0,33 0.23 0,44 0,25

(75,8%)

0,12 0,26

Glyphosatnachweis in Futtermitteln (Schledorn, 2013)

Glyphosatkonzentration in ng/g

Futtermittel Mittelwert n Standardabweichung Medianwert

Milchkühe

(Pellets) 325,3 10 261,4 230

Mastschweine 802,4 17 830,9 576,4

Geflügel 613,9 4 243,9 579,6

Glyphosatgehalte in Getreide und Getreideprodukten (Schledorn 2013) Produkt n Glyphosat ng/g±Stabw.

Weizenkörner 2 637,1±5,25

Weizenmehl 6 15,16±5,45

Weizenbrötchen 2 35,96±5,15

Roggenmehl 2 14,74±10,4

Roggenkleie 1 233,95

Roggenbrot 3 20,3±9,6

Malzpulver 1 78,02

Bio-Getreidekörner/mehl 7 6,70±10,29

Glyphosatgehalte in Organen und Muskulatur von Schlachtrindern und Konsummilch

(Schledorn, 2014)

Glyphosatkonzentration in ng/ml oder g

Rinderorgane Mittelwert n Standardabweichung Medianwert

Dünn-Dickdarm 28,01 32 16,55 23,29

Leber 14,88 41 18,57 9,46

Niere 14,19 26 28,25 4,01

Lunge 17,25 23 43,59 4,87

Muskulatur 16,31 6 7,17 16,29

Konsummilch

ng/ml 8,91 57 12,83 3,26

Glyphosatnachweis in Honig

Brasilien

B-Canada C-China D-BRD E-Griechenland

F-Ungarn G-Indien H-Korea I-Mischung Brasilien, Mexiko, Uruguay

J-Neuseeland K-Spanien L-Taiwan M- Mischung Ukraine , Vietnam

N-USA (17 (81%) pos./21) O-Mischung USA, Argentinien P-Mischung USA, Argent., Canada Q-Mischung USA, Süd-Amerika

unbekannt

(Rubio et al., 2014)

15 ng/g

Glyphosatkonzentration in Honig, nach Pollen sortiert

Klee 8 (66,7%)/12

Exotisch 6(54,5%)/11

Wildblüten 6(54,5%)/11

Unbekannt 21 (60%)/35

(Rubio et al., 2014)

15 ng/g

Glyphosatnachweis in Bio- und konventionellem Honig

Bio 5(45%)/11

Konventionell 35 (60,4%)/58

15 ng/g

(Rubio et al., 2014)

Glyphosatnachweis in Honig in Ländern mit GMO-Verbot und GMO-Erlaubnis

Verboten 3 (27,3%)/11

Erlaubt 27 (62,8%)/ 43

unbekannt

man

chm

al

(Rubio et al., 2014)

15 ng/g

Glyphosatnachweis in Sojasouce

10 (35,7%)/28

(Rubio et al., 2014)

75 ng/g

Nachweis von Glyphosat im Urin von Hasen und Mastkaninchen

(Krüger et al. 2014: Detection of Glyphosate Residues in

Animals and Humans. J Environ Anal Toxicol . )

n=193

n=77

Nachweis von Glyphosat im Urin von Menschen

n=102

n=199

n=41

n=99

Weitere Glyphosat – Effekte (Kollateralschäden) (Samsel und Seneff, 2013)

• Hemmung der Cytochrom P450 (CYP)-Enzyme (Leber, Darmepithel)

• Reduktion der Detoxifizierung von Xenobiotica (Mykotoxine, Bakterientoxine, Organophposphate, etc. )

• Langsame Manifestierung von Entzündungen im gesamten Körper

• Oxidativer Stress

• Hormonzerstörer - Fruchtbarkeitsstörungen

• Hemmung der Biosynthese aromatischer Aminosäuren und verwandter Substanzen durch die MDT-Mikrobiota

Möglichkeiten der Neutralisierung von Glyphosat

Neutralisation von Glyphosat

WH 67

Shehata et al. 2014: Distribution of Glyphosate in Chicken Organs and its Reduction by Humic

Acid Supplementation. J. Poult. Sci. 51: 334-338.

Therapeutische Ansätze

Glyphosatgehalt in Organen und Geweben von Broilern nach Huminsäureapplikation

Shehata et al. 2014: Distribution of Glyphosate in Chicken Organs and its Reduction by Humic Acid

Supplementation. J. Poult. Sci. 51: 334-338.

Therapeutische Ansätze

Neutralization of glyphosate Shehata et al. 2013

200g Pflanzenkohle +500mL Sauerkrautsaft/d

120g Huminsäuren WH67

Gerlach et al. J Clin Toxicol 2014

Oral Application of Charcoal and Humic acids to Dairy Cows Influences Clostridium botulinum Blood Serum Antibody Level and Glyphosate Excretion in Urine

Therapeutische Ansätze

Neutralisierung von Glyphosat

* * *

*

0

20

40

60

80

100

120

12.5 25 50 100

Glp

ho

sate

res

idu

es (

μg/

ml)

Glyphosate addition (μg/ml)

Control

Humic acid treated

* * * * * * * * *

0

20

40

60

80

100

120

12.5 25 50 100

Gly

ph

osa

te r

esid

ues

(μ

g/m

l)

Glyphosate addition (μg/ml)

Control

S. boulardii treated 10⁴ cfu/ml

S. boulardii treated 10⁵ cfu/ml

Huminsäuren = sofort

Saccharomyces boulardii = nach Fermentierung

Abbau von Glyphosat nach 21 d Fermentierung

Schlussfolgerungen

• Glyphosat und AMPA beeinflussen aufgrund antimikrobieller, chelatierender, zytozider und neuromodulierender Eigenschaften die Gesundheit von Tieren und Menschen.

• Bakterien besitzen eine unterschiedliche Empfindlichkeit für Glyphosat. Clostridium botulinum und andere Pathogene gehören zu den unempfindlichen Bakterien, ihre Anta-gonisten sind demgegenüber empfindlicher.

Maßnahmen

1. Langfristige Ziele

Wiederherstellung der Funktionalität der

Kreislaufsysteme Boden-Pflanze-Tier-

Mensch durch Beseitigung der Glyphosat-Einträge in die Systeme.

Maßnahmen 2. Kurz-mittelfristige Ziele Neutralisierung der Glyphosatwirkung in den

einzelnen Systemen durch geeignete

Maßnahmen bei Tieren und Menschen

(Einsatz von Huminsäuren / Pflanzen-

kohle)

Boden: Stoppen des G-Einsatzes, Ausbringen von Huminsäuren und PF-Kohle

Danke für die Aufmerksamkeit • PD Dr. Schrödl • Dr. Shehata • DVM A. Gerlach • TA H. Gerlach • TA S. Krüger • TA Müller • TA Kotsch • TA Ackermann • TA Neuhaus • TA Schledorn • TA Rulff • Dr. rer. nat. M. Gac

Risikobewertung für Glyphosat durch EU über regulatorisch akzeptable Konzentrationen (RAC)

• RAC Oberflächengewässer: 64 μg Wirkstoff/L Wasser, (Grundlage: EC50 Algen (Skeletone-ma costatum) = 640 μg/L, Sicherheitsfaktor 10)

• RAC Boden: 6,72 mg Wirkstoff/kg Boden (Grundlage NOEC Regenwurm 21,31 mg WS/kg Substrat, Sicherheitsfaktor = 3,2). seit 2002 keine Änderung für NOEC Regenwurm, NOEC von 28.79 mg/kg (für das Isopropylammonium-Salz von Glyphosat)

Bundesministeriums für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz vom 23. 09. 2011

Glyphosatnachweise Oberflächenwasser Bundländerarbeitsgemeinschaft 2004-2006

• 59 Messstellen, davon bei 27 Nachweise von Glyphosat

• 549 Einzelmessungen, 403 unterhalb der Bestimmungsgrenze

• 52 × < 0,1 μg/l

• 91 × < 1,0 μg/l

• 3 × > 1,0 μg/l (max. 2,6 μg/l).

• Fazit: alle Werte unter RAC von 64 µg/l

• Keine Bodendaten

Bundesministeriums für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz vom 23. 09. 2011

Glyphosatnachweise in Grundwasser

• 1990 bis 1995 keine Messungen

• 1996 bis 2000 keine Befunde > 0,1 μg/l

• 2006 bis 2008 wurde Glyphosat an fünf Messstellen mit Konzentrationen > 0,1 μg/l (0,32 Prozent der 2269 Messstellen)

Bundesministeriums für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz vom 23. 09. 2011