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May 28, 2023

Auswirkungen der gemischten Anwendung von Avermectin, Imidacloprid und Carbendazim auf die Bodendegradation und die Toxizität gegenüber Regenwürmern

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 14115 (2023) Diesen Artikel zitieren 561 Zugriffe 1 Altmetric Metrics Details Die Anwendung von Pestiziden in Mischungen übt oft mehrere Belastungen aus

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Der Einsatz von Pestizidmischungen führt kurzfristig häufig zu mehrfachen Belastungen landwirtschaftlicher Böden. Daher ist es notwendig, die Auswirkungen der gemischten Anwendung auf das Umweltverhalten und die Ökotoxizität von Pestiziden im Boden zu bewerten. In dieser Studie haben wir die Auswirkungen von drei gängigen Pestiziden durch gemischte Anwendung auf die Bodendegradation und die Toxizität gegenüber dem Regenwurm Eisenia fetida untersucht. Verglichen mit den Abbauhalbwertszeiten (DT50) des einzelnen Pestizids waren die DT50-Werte von Avermectin, Imidacloprid und Carbendazim in den binären Mischungen ähnlich. Allerdings waren ihre DT50-Werte in den ternären Mischungen etwa 1,5-mal länger als die in den Einzelanwendungen, was ihre Stabilität im Boden nach zwei oder drei Anwendungen verbesserte. Die ternären Mischungen der Pestizide zeigten eine signifikant synergistische Toxizität gegenüber E. fetida, während ihre binären Mischungen eine wechselnde Wechselwirkung über den gesamten Wirkungsbereich zeigten. Die ternären Mischungen aktivierten in E. fetida höhere SOD- und CAT-Aktivitäten als die einzelnen Behandlungen, was ihre synergistischen Effekte bestätigte. Durch die Durchführung von Vermeidungstests mit E. fetida konnten ternäre toxische Wechselwirkungen innerhalb eines relativ kurzen Testzeitraums effektiv bewertet werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die drei Pestizide in ternären Mischungen im Vergleich zu einzelnen oder binären Mischungen längere Abbauhalbwertszeiten und eine synergistische Toxizität gegenüber Regenwürmern aufwiesen.

Böden sind die Grundlage landwirtschaftlicher Pflanzsysteme und unterliegen zahlreichen anthropogenen Belastungen. Wir wissen jedoch wenig über die Auswirkungen dieser Belastungen auf Böden, wenn sie zusammenwirken1. Als wichtige Agrochemikalien sind Pestizide im Boden weitverbreitete Schadstoffe auf landwirtschaftlichen Feldern und kommen häufig als Gemisch vor2. Vor allem in den letzten Jahrzehnten, als immer mehr Pestizide auf den Markt kamen, werden in der Landwirtschaft Pestizide eingesetzt, die in geringeren Dosen, aber oft in Mischungen, angewendet werden. Die Risikobewertung dieser Gemische wird aufgrund ihrer komplexen und variablen Kombinationen zu einer Herausforderung. Darüber hinaus konzentriert sich der aktuelle Risikobewertungsrahmen auf einzelne Chemikalien, die aufgrund der gemeinsamen Wirkungen in einem Gemischsystem die tatsächliche Toxizität von Pestizidmischungen nicht vorhersagen können3. Es wurde festgestellt, dass mehrere Pestizidmischungen nicht nur erhöhte Pestizidrückstände aufweisen, sondern auch synergistische Auswirkungen auf die Toxizität von wirbellosen Bodentieren haben4,5,6. Anwender müssen wegen der möglichen kombinierten gemeinsamen Wirkungen über die Nebenwirkungen von Pestizidmischungen besorgt sein.

Als häufig verwendete Pestizide werden Avermectin, Imidacloprid und Carbendazim weltweit häufig in Nutzpflanzen eingesetzt. Avermectin und Imidacloprid werden häufig in Kombination zur Bekämpfung von Blattläusen eingesetzt. Diese beiden Insektizide werden auch häufig in Kombination mit Carbendazim zur kooperativen Bekämpfung der Schädlinge und Krankheiten von Sojabohnen und Weizen in China eingesetzt. Frühere Studien haben das Umweltverhalten dieser Pestizide einzeln im Boden dokumentiert7,8,9. Ihre Auswirkungen als Mischungen wurden jedoch trotz ihres möglichen gleichzeitigen Vorkommens in landwirtschaftlich genutzten Böden nicht untersucht. Darüber hinaus zeigten diese drei Pestizide eine gewisse Toxizität gegenüber Nichtzielorganismen im Boden. Avermectin, ein Makrolid-Insektizid, hat toxische Auswirkungen auf das Überleben und die Fortpflanzung von bodenbewohnenden Wirbellosen10. Imidacloprid, ein Neonikotinoid-Insektizid, ist nicht nur für die gleichen Endpunkte toxisch wie Avermectin, sondern führt auch zu oxidativem Stress und DNA-Schäden bei Regenwürmern11. Carbendazim, ein Benzimidazol-Fungizid, zeigt eine mäßig akute Toxizität und Genotoxizität gegenüber Regenwürmern12. Aufgrund ihrer unterschiedlichen Toxizität und ihres Vorkommens in derselben Bodenumgebung muss ihre gemeinsame Toxizität gegenüber Nichtzielorganismen im Boden untersucht werden.

Der Regenwurm Eisenia fetida wird häufig zur Bewertung der ökologischen Risiken giftiger Chemikalien im Boden verwendet13. Der typische Rahmen für die Bewertung des ökologischen Risikos toxischer Substanzen konzentriert sich auf akute toxische Wirkungen, z. B. Mortalität und Biomarker, die prognostisch sind und auf die Bewertung des Stresses toxischer Chemikalien reagieren14. Die gemeinsame Toxizität von Chemikalien, berechnet durch das Kombinationsindex-Isobologramm (CI), könnte durchaus die akute toxische Wechselwirkung von Gemischen aufzeigen15. Der akute Toxizitätstest muss jedoch das Überleben hochwertiger erwachsener Würmer innerhalb von zwei Wochen beurteilen16. Daher besteht Bedarf an der Durchführung eines einfachen, schnellen und zuverlässigen Tests zur Bewertung des möglichen Risikos von Chemikalien für Bodenorganismen. Chemorezeptoren von Regenwürmern reagieren sehr empfindlich auf Chemikalien im Boden, daher ist der Vermeidungstest ein vielversprechender Kandidat für einen kurzfristigen Screening-Test17.

Unter Berücksichtigung dieser Bedenken bestand das Ziel dieser Studie zu Avermectin, Imidacloprid und Carbendazim daher darin, (i) die Abbauhalbwertszeit ihrer binären und ternären Mischungen im Boden zu bestimmen, (ii) die Toxizität ihrer binären und ternären Mischungen gegenüber Regenwürmern zu bestimmen E. fetida und (iii) eine Bewertungsmethode für die Toxizität des gleichzeitigen Auftretens von Pestiziden gegenüber Regenwürmern untersuchen.

Die Standards für Avermectin, Imidacloprid und Carbendazim wurden von Dr. Ehrenstorfer, GmbH (Augsburg, Deutschland) bereitgestellt. Stammlösungen von Avermectin und Imidacloprid mit einer Konzentration von 1000 mg/L wurden unter Verwendung von Methanol als Lösungsmittel hergestellt. Andererseits wurde die Stammlösung von Carbendazim mit einer Konzentration von 200 mg/L unter Verwendung von Acetonitril als Lösungsmittel hergestellt. Diese drei Stammlösungen wurden mit Methanol verdünnt, um eine Reihe von Kalibrierungsstandards (0,01, 0,02, 0,05, 0,1, 0,2, 0,5, 1 und 2 mg/L) zu erhalten. Alle Lösungen wurden vor der Verwendung bei 4 °C lichtgeschützt gelagert. Avermectin (95 % Reinheit), Imidacloprid (96 % Reinheit) und Carbendazim (97,6 % Reinheit) wurden von Anhui Huaxing Chemical Industry Co., Ltd. (Anhui, China) bezogen. Avermectin (1,8 %, Emulsion), Imidacloprid (10 %, Emulsion) und Carbendazim (50 %, benetzbares Pulver) wurden von Zhejiang Sega Science and Technology Co., Ltd., Qingdao Zhengdao Pharma Co., Ltd. und Shanghai bezogen Shenlian Biotechnology Co., Ltd.

Erwachsene des Regenwurms E. fetida mit einem Gewicht von etwa 400 mg und gut entwickelter Klitoris wurden von Hainan Star Nongfu Ecological Technology Co., Ltd. (Hainan, China) gekauft. Regenwürmer wurden im Labor bei 20 °C in künstlicher Erde gemäß den OECD-Richtlinien18 kultiviert.

Die Rückstandsstudie dieser drei Pestizide und ihrer Mischungen wurde vor Ort in der Versuchsbasis der Hainan-Universität (Haikou, China) durchgeführt. In den Versuchsgebieten gab es keine Vorgeschichte zum Einsatz der drei Pestizide. Eine 30-m2-Zone (10 m × 3 m) wurde als Behandlungsfläche verwendet, und eine weitere 30-m2-Zone wurde als Kontrolle gemäß den Richtlinien der Pestizidanalysemethode Chinas19 definiert. Zwischen den Parzellen wurde eine 5 m² große Schutzbarriere errichtet. Jede Behandlung und Kontrolle (mit Wasser besprüht) wurde mit drei Wiederholungen entworfen. Die drei Pestizide wurden als Spray in der Einzel- und Kombinationsbehandlung ausgebracht. Die Anwendungskonzentration jedes Pestizidprodukts betrug das Zweifache der vom Unternehmen empfohlenen Dosis (60 ml/ha für die Avermectin-Behandlung, 40 ml/ha für die Imidacloprid-Behandlung und 200 g AI/ha für die Carbendazim-Behandlung). Bei der Einzel- und Kombinationsbehandlung wurde jede Dosis dreimal im Abstand von 10 Tagen gesprüht. Repräsentative Bodenproben wurden 2 Stunden und 1, 2, 3, 7, 10, 14, 21 und 28 Tage nach der ersten Anwendung entnommen. Weitere Bodenproben wurden 14 Tage nach der zweiten und dritten Anwendung entnommen. Alle Bodenproben wurden bis zur Verwendung bei –20 °C gelagert.

Zehn Gramm Erde wurden in ein 100-ml-Zentrifugenröhrchen gegeben, zu dem 30 ml Acetonitril gegeben und 2 Stunden lang gevortext wurde. Dann wurden 4 g wasserfreies MgSO4 und 2 g NaCl in das Röhrchen gegeben und anschließend 2 Minuten lang geschüttelt. Das Röhrchen wurde 5 Minuten lang bei 4000 U/min zentrifugiert. Danach wurde ein Aliquot der oberen organischen Schicht gesammelt und mit einem Rotationsverdampfer getrocknet. Die Extraktrückstände wurden in 2 ml Methanol erneut gelöst und mit einem 0,22-μm-Nylon-Spritzenfilter für die Analyse mit Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) filtriert.

Die chromatographische Trennung wurde auf einer Waters e2695 HPLC (Waters Associates, USA) mit einer TechMate C18-ST-Säule (5 μM, 4,6 × 250 mm) (TechMate Technology Co., Ltd.) durchgeführt. Zum Nachweis von Avermectin, Imidacloprid und Carbendazim wurden Methanol, Wasser und Acetonitril als mobile Phase A, mobile Phase B bzw. mobile Phase C verwendet. Ein ternäres Lösungsmittelsystem im Gradientenmodus wurde mit einer Flussrate von 1 ml/min betrieben. Der lineare Gradient der mobilen Phase begann bei 35 % A, 45 % B und 20 % C (0–8 Min.) und wurde dann bei 95 % A und 5 % B (8–18 Min.) gehalten. Die Säule wurde bei 30 °C gehalten, wobei die Photodiodenarray-Detektion bei 245 nm erfolgte.

Die Linearität der Methode wurde mit einer Reihe von Kalibrierungsstandards bewertet. Zehn Mikroliter der Arbeitsstandardlösungen wurden in das HPLC-System injiziert und die Elution wurde wie oben beschrieben durchgeführt. Die Kalibrierungskurven wurden durch Auftragen der Peakfläche gegen die Konzentration der Standardverbindung erstellt. Die Reproduzierbarkeit der Methode wurde anhand der Intra- und Interday-Präzisionen bestimmt. Die relativen Standardabweichungen (RSDs) innerhalb und zwischen Tagen wurden berechnet, indem die Pestizide in drei verschiedenen Konzentrationen (0,2, 0,5 und 1 mg/kg) in den Boden gegeben wurden. Die Bestimmungsgrenze (LOQ) wurde bei den Konzentrationen gewählt, die ein Signal-Rausch-Verhältnis von 10 ergaben. Die Dissipation der drei Pestizide folgt der exponentiellen Zerfallsgleichung erster Ordnung. Die Werte der Abbauhalbwertszeit wurden mit den Gleichungen Ct = C0e−kt und t1/2 = ln2/k berechnet, wobei C0 die Anfangskonzentration, t1/2 die Halbwertszeit und Ct die Pestizidkonzentration zum Zeitpunkt t ist .

Der für den akuten Toxizitätstest verwendete künstliche Boden bestand aus 10 % gemahlenem Torftorf (< 0,5 mm), 20 % Kaolinit-Ton (> 45 % Kaolinit) und 70 % Feinsand18. Die gewünschte Konzentration des Pestizids wurde in 10 ml Aceton gelöst, 1 Stunde lang mit 10 g Quarzsand gemischt und dann mit der vorbefeuchteten künstlichen Erde vermischt. Ungefähr 0,65 kg Erde (einschließlich 0,5 kg trockener künstlicher Erde und 150 ml destilliertem Wasser) wurden in ein 1000-ml-Becherglas gegeben und in jedes Becherglas wurden zehn erwachsene Regenwürmer gegeben. Die Kontrollen wurden mit nur 10 ml Wasser oder Aceton zubereitet, die beide keine Pestizide enthielten. Jede Behandlung wurde in drei Wiederholungen durchgeführt. Um den LC50-Wert jedes einzelnen Pestizids zu erhalten, wurden für jedes Pestizid innerhalb seiner binären und ternären Kombinationen sechs Verdünnungen mit einem geometrischen Verhältnis entworfen. Um Wechselwirkungen innerhalb ihrer Mischungen zu erkennen, verwendeten wir die getesteten Verhältnisse von 1:1 (50 % des LC50-Werts für jedes Pestizid) für binäre Mischungen und 1:1:1 (33 % des LC50-Werts für jedes Pestizid) für ternäre Mischungen . Tabelle S1 zeigt alle Testkonzentrationen jedes Pestizids bei den einzelnen und kombinierten Anwendungen. Unter 800 lx konstantem Licht wurden die Becher mit Gazedeckeln abgedeckt und bei 20 °C und 85 % relativer Luftfeuchtigkeit gelagert. Die Sterblichkeitsraten wurden 14 Tage nach den Behandlungen gemessen. Die Gemischtoxizitäten wurden durch das CI-Modell20 vorhergesagt. Früheren Studien zufolge wurden die Dosis-Wirkungs-Kurvenparameter und CI-Werte der drei Pestizide und ihrer Mischungen mit der CompuSyn-Software21,22 berechnet.

Der Enzymaktivitätstest wurde gemäß der von Chen et al.23 beschriebenen Methode durchgeführt. Kurz gesagt betrug die Expositionskonzentration jedes Pestizids 10 % des LC50-Werts der akuten Toxizität des Tests mit künstlichem Boden. Die gemeinsame Toxizitätskonzentration von drei Pestiziden wurde in einem gleichtoxischen Verhältnis (1:1:1) ermittelt, das auf 3,3 % des LC50-Werts jedes Pestizids in der Mischung festgelegt wurde. Die Expositionsmethode des Regenwurms E. fetida war die gleiche wie beim Test mit künstlichem Boden. Nach 14-tägiger Exposition wurden drei Regenwürmer gesammelt, mit destilliertem Wasser gespült und anschließend gewogen. Die Regenwürmer wurden manuell in einem Glaskörperhomogenisator mit 5 ml Phosphatpuffer (pH 7,4) homogenisiert und 10 Minuten lang bei 4 °C und 3000 U/min zentrifugiert. Die Überstände wurden gesammelt, um den Proteingehalt und die Enzymaktivitäten zu bestimmen. Die Proteinkonzentration wurde mit einem Bradford-Protein-Assay-Kit (Sangon Biotech Co., Shanghai, China) gemessen. Die Aktivität der Superoxiddismutase (SOD) wurde durch Hemmung der photochemischen Reduktion von Nitroblautetrazolium (NBT) bestimmt, wie von Beauchamp und Fridovich24 beschrieben. Eine Einheit wurde als die Enzymmenge angesehen, die die NBT-Reduktion um 50 % hemmte, und die Ergebnisse wurden als U pro mg Protein ausgedrückt. Die Katalase (CAT)-Aktivität wurde durch die Zersetzungsrate von H2O2 bestimmt, die anhand der Abnahme der Absorption bei 240 nm bewertet und als U pro mg Protein ausgedrückt wurde25.

Der Vermeidungstest wurde gemäß den ISO-Richtlinien26 konzipiert. Basierend auf den LC50-Werten der Akuttests wurden fünf getestete Konzentrationen hergestellt (Tabellen S2, S3). Alle Testbehandlungen wurden mit drei Wiederholungen durchgeführt. Für den Test wurde eine Two-Choice-Kammer verwendet. Eine Hälfte der Kammer war mit 300 g behandelter Erde und die andere Hälfte mit 300 g Kontrollerde gefüllt. Anschließend wurden zehn Regenwürmer in die Mitte der Kammer gelegt. Der Test wurde 48 Stunden lang im Dunkeln bei 20 °C durchgeführt. Dann wurde die Trennwand wieder eingesetzt und die Anzahl der Personen auf jeder Seite des Behälters aufgezeichnet. In der Mitte der Abschnitte gefundene Personen wurden auf jeder Seite mit 0,5 gezählt. Die Vermeidungsrate A (%) wurde gemäß der Gleichung (A = [(C − T)/10] × 100 berechnet, wobei C = im Kontrollboden beobachtete Regenwürmer und T = im behandelten Boden beobachtete Regenwürmer).

Die statistische Analyse wurde mit dem Statistiksoftwarepaket SPSS Version 13.0 (SPSS, Inc., Chicago, IL, USA) durchgeführt. Die Unterschiede zwischen der mit Pestiziden behandelten Gruppe und der Kontrollgruppe wurden mit dem Student-t-Test und dem LSD-Test (Least Significant Difference) nach Fisher ermittelt. P-Werte unter 0,05 wurden als statistisch signifikant angesehen.

Die Restanalysemethode für Avermectin, Imidacloprid und Carbendazim im Boden wurde etabliert und validiert. Die Basistrennung der drei Pestizide wurde mit einem HPLC-System mit einer C18-Säule bestimmt (Abb. S1). Eine gute Linearität wurde im Konzentrationsbereich von 0,02–20 mg/L mit den linearen Gleichungen y = 22804x + 50,46 (R2 = 0,9997), y = 51339x + 706,75 (R2 = 0,9993) und y = 26858x + 108,92 (R2 = 0,9995) erreicht ) für Avermectin, Imidacloprid bzw. Carbendazim. Die LOQ-Werte dieser Pestizide im Boden lagen alle unter 0,01 mg/kg. Die durchschnittliche Rückgewinnung der drei Pestizide aus Böden lag zwischen 80–104 % mit relativen Standardabweichungen von 2,0–10,1 % (Tabelle S4), was auf die Wiederholbarkeit der Methode hinweist.

Wie in Abb. 1 und Tabelle 1 dargestellt, folgte die Dissipation von Avermectin, Imidacloprid, Carbendazim und ihren Mischungen in Böden einer Kinetik erster Ordnung mit hohen Korrelationskoeffizienten (R2 ≥ 0,9132). Die Abbauhalbwertszeiten der Pestizide lagen bei Einzel- und Kombinationsanwendung zwischen 4,10 und 10,19 Tagen. Verglichen mit dem DT50 des einzelnen Pestizids waren die DT50-Werte von Avermectin und die DT50-Werte dieser Pestizide in den binären Mischungen ähnlich. Allerdings waren ihre DT50-Werte in den ternären Mischungen etwa 1,5-mal höher als in der Einweggruppe. Darüber hinaus haben wir Lösungen von Avermectin, Imidacloprid, Carbendazim und ihrer ternären Mischung entweder zwei- oder dreimal im Boden ausgebracht. Die Pestizidrückstandsmengen 14 Tage nach der Anwendung sind in Abb. 2 dargestellt. Die Menge der Rückstände von Avermectin, Imidacloprid und Carbendazim in Boden bei einer einzigen Anwendung betrugen 0,086–0,091 mg/kg, 0,113–0,122 mg/kg bzw. 2,350–2,386 mg/kg. Die Menge der Rückstände von Avermectin, Imidacloprid und Carbendazim im Boden bei gemischter Anwendung betrug 0,117–0,125 mg/kg, 0,124–0,142 mg/kg bzw. 2,646–2,982 mg/kg. Die Rückstände dieser Pestizide waren nach gemischter Anwendung deutlich höher als nach alleiniger Anwendung.

Dissipation von Avermectin (AVE), Imidacloprid (IMI) und Carbendazim (CAR) einzeln und kombiniert im Boden. Durchgezogene Linien zeigen die Ergebnisse der Kinetik erster Ordnung. Die Werte werden als Mittelwert ± Standardfehler (SEs) von drei Replikaten ausgedrückt.

Rückstände von Avermectin, Imidacloprid und Carbendazim, einzeln und in Kombination im Boden verwendet. Bodenproben wurden 14 Tage nach zwei oder drei Anwendungen jeder Behandlung entnommen. Die Werte werden als Mittelwerte und SEs von drei Replikaten ausgedrückt. Statistische Analysen wurden mit dem Student-t-Test durchgeführt: *P < 0,05.

Die CI-Isobologramm-Methode wurde verwendet, um die Art der toxikologischen Wechselwirkungen zwischen Avermectin, Imidacloprid und Carbendazim gegenüber dem Regenwurm E. fetida durch den Test auf akute Toxizität zu bestimmen. Tabelle 2 zeigt die Dosis-Wirkungs-Kurvenparameter (Dm, m und r) der einzelnen Pestizide und ihrer Mischungen sowie die mittleren CI-Werte der Mischungen. Dm ist die mittlere tödliche Konzentration und entspricht dem LC50-Wert26. Die Dm-Werte von Avermectin, Imidacloprid und Carbendazim betrugen 26,83, 3,18 bzw. 8,46 mg/kg. Alle Dosis-Wirkungs-Kurven waren sigmoidal (m > 1) und entsprachen dem Median-Wirkungs-Prinzip (r > 0,93). Die als Funktion der Sterblichkeitsrate aufgetragenen CI-Werte (fa) zeigen die Arten der Interaktion (Synergismus, Antagonismus und additive Wirkung) als Funktion der Höhe der Wirkung von Pestizidmischungen gegenüber E. fetida (Abb. 3). Die binären Mischungen der Pestizide zeigten wechselnde Wechselwirkungen über den gesamten Wirkungsbereich. Im Gegensatz dazu wurden stabile synergistische Reaktionen für ihre ternären Mischungen mit CI-Werten unter 1 beobachtet.

Kombinationsindexdiagramm für binäre und ternäre Mischungen der drei Pestizide im Test auf akute Toxizität künstlicher Böden. CI-Werte werden durch Computersimulation als a (fa) der Regenwürmer aufgetragen. CI < 1, = 1 und > 1 weisen auf Synergismus, einen additiven Effekt bzw. Antagonismus hin.

Um die gemeinsame akute Toxizität von Avermectin, Imidacloprid und Carbendazim gegenüber E. fetida weiter zu bestätigen, wurden die Auswirkungen der drei Pestizide und ihrer Mischungen auf zwei antioxidative Enzymaktivitäten von E. fetida untersucht. Die Ergebnisse sind in Abb. 4 dargestellt. SOD Die Aktivität wurde mit dem einzelnen Pestizid aktiviert, während die CAT-Aktivität keine Veränderung zeigte. Im Gegensatz dazu wurde unter der ternären Behandlung ein erheblicher Anstieg der SOD- und CAT-Aktivitäten festgestellt.

Auswirkungen von Avermectin, Imidacloprid, Carbendazim und ihrer ternären Mischung auf die SOD-Aktivität und CAT-Aktivität in E. fetida. Die Werte sind die Mittelwerte und SEs von drei Replikaten. Mittelwerte mit unterschiedlichen Buchstaben unterscheiden sich laut LSD-Test signifikant (P < 0,05).

Um eine Methode zur Beurteilung der Gelenktoxizität innerhalb eines kürzeren Testzeitraums zu untersuchen, haben wir das Vermeidungsverhalten von E. fetida als Reaktion auf die drei Pestizide und ihre ternäre Mischung bewertet. Unsere Ergebnisse zeigten einen signifikanten Unterschied zwischen Einzel- und Kombinationsanwendungen bei LC50-Werten von 0,5 % und 1 %. Es bestand ein positiver Zusammenhang zwischen der Toxizität dieser Pestizide und dem Vermeidungsverhalten von E. fetida. Die Anzahl der im Kontrollboden beobachteten Individuen lag bei der Behandlung bei über 80 %, was bedeutet, dass dieser Boden eine eingeschränkte Lebensraumfunktion hat und für diese Art ungeeignet ist27. Die Konzentrationen von Avermectin, Imidacloprid, Carbendazim und ihrer ternären Mischung betrugen 10 %, 5 %, 5 % bzw. 1 % der LC50-Werte, wobei etwa 80 % der Personen die Behandlung vermieden (Abb. 5). Die Vermeidungseffekte nahmen bei kombinierten Behandlungen der drei Pestizide im Vergleich zu den Einzelbehandlungen deutlich zu.

Vermeidungsreaktionen von E. fetida auf Avermectin, Imidacloprid, Carbendazim und ihre ternäre Mischung. Die Werte werden als Mittelwerte und SEs von drei Replikaten ausgedrückt.

In der Landwirtschaft sind Mischungen von Pestiziden weit verbreitet. Insektizide und Fungizide werden häufig zusammen als kombinierte Pestizide eingesetzt, um Insektenschädlinge und Pflanzenkrankheiten gleichzeitig zu bekämpfen28. Die aktuelle Risikobewertung basiert auf einer einzelnen Chemikalie, die aufgrund der Wechselwirkung der Verbindungen in einem Gemischsystem29 bei der Bewertung ihres Umweltverhaltens und ihrer Ökotoxikologie im natürlichen System nicht wirksam ist. In dieser Studie haben wir die Auswirkungen von drei gängigen Pestiziden durch gemischte Anwendung auf die Bodendegradation und die Toxizität gegenüber Regenwürmern untersucht.

Der Abbau ist ein wichtiges Umweltverhalten von Pestiziden im Boden, das in direktem Zusammenhang mit der Verweilzeit und dem Ausmaß der Auswirkungen auf die Bodenumgebung steht30. In dieser Studie untersuchten wir die Dissipationsdynamik und Rückstände von Avermectin, Imidacloprid und Carbendazim und verglichen die Unterschiede zwischen ihren individuellen und kombinierten Anwendungen. Die gesamte Dissipation der drei Pestizide und ihrer binären und ternären Mischungen im Boden folgte einer Kinetik erster Ordnung. Die Abbauhalbwertszeiten der Einzel- und Mischpestizide lagen nicht über 10,19 Tagen. Gemäß dem chinesischen nationalen Standard GB/T 31270.1-2014 handelt es sich bei all diesen Pestiziden sowohl bei Einzel- als auch bei kombinierter Anwendung um leicht abbaubare Pestizide (Halbwertszeitwerte < 30 Tage). Allerdings stiegen die DT50-Werte der drei Pestizide in den ternären Mischungen im Vergleich zur Einzelanwendung deutlich an, was nach mehreren Anwendungen zu höheren Rückständen im Boden führte. Dies steht im Einklang mit der wissenschaftlichen Literatur, die besagt, dass eine gemischte Anwendung die Abbauzeit bestimmter Pestizide im Boden verlängert. Beispielsweise hemmt das Fungizid Chlorothalonil den Abbau des Herbizids Metolachlor im Boden erheblich, und die Hemmungsrate beträgt bis zu das Zweifache31. Das Fungizid Mancozeb und seine Mischung mit dem Insektizid Thiamethoxam unterdrücken deutlich den Abbau des Herbizids Pendimethalin im Boden2. Ein möglicher Grund könnte sein, dass der mikrobielle Abbau einer Verbindung in einer Mischung durch andere Verbindungen in der Mischung stark beeinflusst werden kann32,33. Somit könnte die kombinierte Anwendung von Pestiziden die abbauende Aktivität von Bodenmikroorganismen unterdrücken. Unsere Hypothese ist, dass die ternäre Mischung aus Avermectin, Imidacloprid und Carbendazim das Überleben essentieller Mikroorganismen, die für den Abbau dieser Pestizide verantwortlich sind, erheblich beeinträchtigt, was zu einem erheblichen Rückgang der Effizienz des Pestizidabbaus führt. Der zugrunde liegende Mechanismus muss jedoch noch weiter erforscht werden.

Regenwürmer gelten aufgrund ihrer hohen Biomasse und ökologischen Bedeutung im Boden oft als Schlüsselindikatorart für ökotoxikologische Bewertungen der Bodenbelastung34. Um Informationen über die ökotoxikologischen Wirkungen von Avermectin, Imidacloprid und Carbendazim im Boden zu erhalten, wurde der Regenwurm E. fetida künstlichem Boden ausgesetzt, der jedes Pestizid oder deren Mischung enthielt, und die akute Toxizität wurde gemessen. Die LC50-Werte der drei Pestizide stimmen mit früheren Berichten überein, die zeigten, dass Avermectin als wenig toxisch eingestuft wurde, während Imidacloprid und Carbendazim als mäßig toxisch eingestuft wurden10,12. Einige Berichte deuten jedoch darauf hin, dass Imidacloprid für Regenwürmer hochgiftig ist und in der Europäischen Union sowohl für die Saatgutbeschichtung als auch für die Bodenbehandlung verboten ist35,36. Die LC50-Werte ihrer binären und ternären Mischungen liegen zwischen den maximalen und minimalen LC50-Werten der drei Pestizide, was darauf hindeutet, dass die kombinierte Verwendung ihre jeweiligen Toxizitäten ausgleicht. Die CI-Gleichungsmethode wird häufig zur Berechnung der Vorhersagen der Gemischtoxizität15,20,37 verwendet. In dieser Studie wurde die gemeinsame Toxizität der drei Pestizide mit dem CI-Modell bestimmt und durch Isobologramme visualisiert. Die ternäre Mischung der Pestizide zeigte über den gesamten Wirkungsbereich ein stabiles synergistisches Verhalten. Daher könnten diese Mehrkomponentenmischungen eine größere Bedrohung für Bodenorganismen darstellen. Zwei antioxidative Enzyme, SOD und CAT, wurden als wichtige biochemische Biomarker für die Exposition gegenüber Schadstoffen verwendet, die oxidativen Stress auslösen38. Wir haben die Toxizität der ternären Mischung gegenüber E. fetida durch Messung der Enzymaktivitäten bewertet. Die ternäre Mischung löste im Vergleich zu Einzelbehandlungen bei äquitoxischen Konzentrationen einen signifikanten Anstieg der SOD- und CAT-Aktivitäten aus. Der Enzymtest zeigte, dass die Behandlung mit den ternären Mischungen negativere Auswirkungen auf das Überleben von E. fetida hatte als die einzelnen Behandlungen. Diese Ergebnisse deuten auch darauf hin, dass das gleichzeitige Auftreten dieser Pestizide stärkere negative Auswirkungen auf die Bodenorganismen hatte als erwartet. In den letzten Jahren hat eine wachsende Zahl von Forschungsarbeiten gezeigt, dass die toxischen Wirkungen von Pestizidmischungen auf Nichtzielorganismen synergistisch sind39,40,41. Der vorhergesagte Synergismus in den meisten Pestizidmischungen bei geringen Wirkungsmengen weist auf ein potenzielles ökotoxikologisches Risiko hin, das mit dem gleichzeitigen Auftreten dieser Chemikalien selbst in geringen Konzentrationen verbunden ist15. Die synergistischen Wirkungen dieser Pestizide sollten für die Regulierungsbehörden und die Öffentlichkeit von großer Bedeutung sein. Es ist notwendig, die aktuellen Verfahren zur Bestimmung der Bodenqualität und der Auswirkungen von Chemikalien auf das Verhalten zu überdenken, da sie die negativen Auswirkungen von Chemikalienmischungen wahrscheinlich unterschätzen.

In aktuellen standardisierten Labortestsystemen wird häufig der Regenwurmsterblichkeitstest eingesetzt. Der Test liefert Informationen über die toxischen Auswirkungen von Schadstoffen auf exponierte Organismen, bietet jedoch keine Einblicke aus erster Hand in die Reaktionen und Verhaltensweisen dieser Organismen, wenn sie Schadstoffen im Boden ausgesetzt sind42. Auch Regenwürmer sind aufgrund ihrer schnellen Reaktion auf natürliche und anthropogene Stressfaktoren ein geeignetes Frühwarnsystem43. Mithilfe eines Vermeidungstests wurden verschiedene Chemikalien auf ihre Toxizität für Regenwürmer untersucht44,45,46. Darüber hinaus erfordert der Mortalitätstest einen längeren Zeitraum und ist deutlich arbeitsintensiver als der Vermeidungstest. Daher ist der Vermeidungstest ein vielversprechender Kandidat für einen Kurzzeit-Screeningtest zur Bestimmung der gemeinsamen Toxizität von Chemikalien gegenüber Regenwürmern. In dieser Studie gab es einen positiven Zusammenhang zwischen der Toxizität von Pestiziden und dem Vermeidungsverhalten von E. fetida sowohl bei Einzel- als auch bei Kombinationsanwendungen. Einige Studien haben gezeigt, dass das Vermeidungsverhalten gegenüber Pestiziden bei Konzentrationen in einem bestimmten Bereich den Ergebnissen von akuten Tests ähnelt17,47. Daher eignet sich der Vermeidungstest als Screening-Instrument zur vorläufigen Beurteilung von Pestiziden und deren Mischungen in Böden.

In dieser Studie haben wir die Auswirkungen von Mischungswechselwirkungen von Avermectin, Imidacloprid und Carbendazim auf deren Abbau im Boden und die Toxizität gegenüber E. fetida ermittelt. Ihre ternären Kombinationen erhöhten den DT50 jedes Pestizids deutlich. Die ternären Mischungen dieser Pestizide zeigten eine stabile synergistische Toxizität gegenüber den Regenwürmern. Unsere Ergebnisse tragen zum Verständnis der Komplexität der Auswirkungen von Pestizidmischungen auf Nichtzielorganismen bei und liefern nützliche Informationen über die Wechselwirkungen von Pestiziden im Boden.

Es sollte begründet werden, dass „alle im Rahmen dieser Studie generierten oder analysierten Daten in diesem veröffentlichten Artikel [und seinen ergänzenden Informationsdateien] enthalten sind“.

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Diese Forschung wurde von der National Natural Science Foundation of China (U22A20484) und dem Key Laboratory of Tropical Fruits and Gemüses Quality and Safety for State Market Regulation (ZX-2023001) durchgeführt.

Diese Autoren haben gleichermaßen beigetragen: Xiaoyu Liang und Yufei Li.

Sanya Nanfan Research Institute, College of Plant Protection, Hainan University, Haikou, Sanya, China

Xiaoyu Liang, Yufei Li, Zhao Zheng, Fang Tian, ​​​​Yannan Du, Ye Yang, Meng Wang und Yu Zhang

Hainan-Institut für Lebensmittelkontrolle, Schlüssellabor für Qualität und Sicherheit tropischer Früchte und Gemüse für die staatliche Marktregulierung, Haikou, China

Xiaoyu Liang, Meng Wang und Yu Zhang

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XL: Datenkuration, formale Analyse, Untersuchung, Rollen/Schreiben – Originalentwurf, Methodik. YL und YY: Rezension schreiben, Software. FT, YD und ZZ: Datenkuration, schriftlicher Originalentwurf. MW: Konzeptualisierung. YZ: Finanzierungseinwerbung, Betreuung.

Korrespondenz mit Meng Wang oder Yu Zhang.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Liang, X., Li, Y., Zheng, Z. et al. Auswirkungen der gemischten Anwendung von Avermectin, Imidacloprid und Carbendazim auf die Bodendegradation und die Toxizität gegenüber Regenwürmern. Sci Rep 13, 14115 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-41206-1

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Eingegangen: 23. Mai 2023

Angenommen: 23. August 2023

Veröffentlicht: 29. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-41206-1

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