\chapter{Immunisierung und Resistenzbildung \dominic} \label{ch:ir} Der Einsatz von Pestiziden brachte viele Probleme mit sich. Einige Probleme hängen mit der Toxizität der angewendeten Stoffe zusammen, denn es wurden Feldarbeiter unwissentlich vergiftet, andere Probleme traten auf, als Schädlinge begannen Resistenzen gegenüber angewandten Pestiziden zu bilden und mit der Ausbringung und dem Erfolg der Pestizide war es nicht getan, denn die aufgehäuften Rückstände verursachen noch heute weltweit große Probleme. \section{Neue Schädlinge} Das ökologische Gleichgewicht auf Feldern wurde durch den Einsatz von Pestiziden nachhaltig gestört. Aus dem Drang der Menschen die Produktion oder die Wirtschaftlichkeit des Betriebes durch Einsatz von Pestiziden zu steigern ergaben sich neue Probleme. Die Worte ``Verschiebung der Artendominanz'' drücken nicht nur die Verschiebung des Gesamtgleichgewichts, sondern auch die Störung der Lebensräume von vielen Arten, die durch den Pestizideinsatz verändert oder gar zerstört wurden. Dieses Phänomen tritt z.B. nach der Beseitigung von Unkräutern oder von schädlichen Bodenorganismen ein, es entsteht eine ökologisch leere Nische. Den frei gewordenen Lebensraum im Boden besiedeln alsbald die Folgeorganismen. Anfangs wird der neue Lebensraum intensiver und einseitiger besiedelt, bis sich ein neues Gleichgewicht zwischen den Konkurrenten eingestellt hat. Bei langjährigem Einsatz des gleichen Herbizids treten aber schwer bekämpfbare Unkrautarten, wie z.B. Hirsen im Mais auf, die nur früher nicht konkurrenzfähig waren. Nun aber, da ihre Konkurrenz durch das Herbizid vernichtet wurde, können sie sich behaupten. Die Populationsverschiebung ist ein ähnlicher Vorgang. Plötzlich werden früher durch natürliche Feinde zurückgedrängte Schädlinge sehr aktiv, denn die natürlichen Feinde wurden von einem Pestizid aus der Gleichung genommen und durch wiederholten Einsatz dieses Pestizids kann sich die betroffene Schädlingsart auch nicht regenerieren. Die ``neuen Schädlinge'' nehmen überhand. \quellex{Bodenökologie; Ulrich Gisi; 1990 Georg Thieme Verlag Stuttgart -- New York; (ISBN 3-13-747201-6)} Eine Gegenmaßnahme stellt die Bodenbegasung mit Fugimantien dar, die z.B. den Boden sterilisiert. Im selben Zug begünstigt eine Bodenbegasung eine rasche und einseitige Wiederbesiedlung des Bodens durch neue Organismen. \quellex{Chemie der Pflanzenschutz- und Schädlingsbekämpfungsmittel; Hrsg. R. Wegler; Band 1; Springer-Verlag Berlin -- Heidelberg -- New York 1970} Ein Beispiel des Prozesses der Verschiebung der Artendominanz lässt sich im Herbizideinsatz nachverfolgen. Eine dreiphasige Verschiebung wurde hier beobachtet. Zuerst traten nach der Anwendung der Pestizide 2,4-D und MCPA das Klebkraut (\emph{Galium apparine}) und die Vogelmiere (\emph{Stellaria media}) als dominante Unkräuter hervor, weil sie von den Pestiziden nicht erfasst wurden. Durch Einsatz von Wuchsstoffherbiziden mit andere Wirkungsspektren, wie, z.B. das MCPP, wurden auch das Klebkraut und die Vogelmiere erfasst. In dieser zweiten Phase jedoch wurden Gräser, wie der Flughafer (\emph{Avena fatua}), das Ackerfuchsschwanzgras (\emph{Alopecurus myosuroides}) und der Wildhalm (\emph{Apera spicaventi}) zu den dominierenden Unkräutern, da diese wiederum von Wuchsstoffherbiziden nicht erfasst wurden. Schließlich traten in der dritten Phase nach mehrjähriger Anwendung von Triazin-Herbiziden, die besonders wirksam gegen die Gräser sind, die Hirsearten sehr deutlich in den Vordergrund. Schließlich konnte mit Harnstoffherbiziden der Linuron-Gruppe dieses Problem wieder einigermaßen reguliert werden. \section{Selektion als Immunisierungsmechanismus} \quelle{http://www.biosicherheit.de/de/lexikon/75.selektion.html} \quellex{Kleine Giftkunde; Gisela Wurm; 5. vollständig überarbeitete Auflage; Govi-Verlag, 1996} Die Selektion ist in der Darwin'schen Evolutionstheorie allgemein bekannt: \begin{quotation} \noindent Survival of the fittest -- Das Überleben der Bestangepassten. \end{quotation} Die Auslese der Organismen, die am besten überleben können findet auch beim Pestizideinsatz eine Bedeutung. Die von Pestiziden beseitigten Schadorganismen machen Platz für solche, die nicht von einem Pestizid aufgrund dessen spezifischer Wirkung erfasst wurden. Darüber hinaus herrscht ein hoher Selektionsdruck unter Schädlingen, selbst in einer Insektenart gibt es ein paar Insekten, die von einem Insektizid, das spezifisch diese Insektenart vernichten soll, nicht getötet werden. Aus diesen Insekten heraus entwickelt sich die nächste Generation, der ein weiterer Einsatz des Insektizids nichts anhaben kann. Sie wurden selektiert. Mitunter liegt die Selektion an bestimmten Eigenschaften der Organismen, die sie von anderen unterscheiden, z.B. eine genetisch bedingte Enzymabweichung. Diese Selektion kann dazu führen, dass die Insekten im Beispiel auf ein bestimmtes Insektizid nicht mehr ansprechen, werden sie aber mit einem anderen Insektizid behandelt, ist dieser Effekt dahin, es werden neue Insekten, die auch dieses Mal nicht erfasst wurden selektiert, ein natürlich fortlaufender Prozess. \section{Gewöhnung als Vorstufe der Resistenz} \quellec[100]{Kleine Giftkunde; Gisela Wurm; 5. vollständig überarbeitete Auflage; Govi-Verlag, 1996} \quelle{http://www.geo.tu-freiberg.de/hydro/oberseminar/pdf/Manja\%20Doege.pdf} Die Wirkung von bestimmten Giften nimmt bei regelmäßiger Kontamination ab. Dieser Effekt wird als Gewöhnung oder Toleranz bezeichnet. Durch Enzyminduktion, vermehrte Bildung von inaktivierenden Biokatalysatoren, kann sie entstehen. Die Enzyminduktion beschleunigt die Biotransformation und daraus resultiert eine erhöhte Ausscheidung, die die Konzentration des Giftes am Wirkungsort verringert. Infolgedessen kommt es zur pharmakokinetischen Toleranzentwicklung. Toleranz tritt ebenfalls auf, wenn der Rezeptor, bzw. das Erfolgsorgan bei regelmäßiger Zuführung seine Empfindlichkeit mindert oder sich die Rezeptorendichte, bzw. nachgeordnete Prozesse verändern. Dies wird als pharmakodynamische Toleranzentwicklung bezeichnet. Eine Toleranz wird darüber hinaus auch durch eine geringe Absorption des Stoffes durch eine bestimmte Morphologie des Insektenkörpers begünstigt. Tritt eine solche Toleranz auf hat dies denselben Effekt wie eine selektierte Insektenart. Die Vielfalt einer Insektenart begünstigt das Auftreten einiger Insekten, die es vermögen, sich an eine Dosis des Pestizids zu gewöhnen und auf diese Weise die Grundlage für eine neue Generation bilden. \section{Die Resistenz} Das größte Problem für den Erfolg der Pestizide ist die Resistenz der Schädlinge. Denn mit jeder neuen resistenten Rasse entsteht vom Bekämpfungsstandpunkt aus gesehen eine neue Art, gegen die ein neues Mittel entwickelt werden muss. \quellec[98]{Chemie der Pflanzenschutz- und Schädlingsbekämpfungsmittel; Hrsg. R. Wegler; Band 1; Springer-Verlag Berlin -- Heidelberg -- New York 1970} Die \emph{Weltgesundheitsorganisation} (WHO) hat Resistenz als \begin{quotation} \noindent\dots{} die Ausbildung zur Tolerierung von toxischen Mengen in einem Insektenstamm, welche bei der Mehrzahl der Individuen in einer normalen Population der gleichen Spezies tödlich wirken \end{quotation} definiert. \quellec[98]{Chemie der Pflanzenschutz- und Schädlingsbekämpfungsmittel; Hrsg. R. Wegler; Band 1; Springer-Verlag Berlin -- Heidelberg -- New York 1970} Die Resistenzentwicklung ist ein natürlicher, nicht vermeidbarer Vorgang, bei dem es sich nicht um ein die chemische Bekämpfung allein betreffendes Geschehen handelt, sondern um einen allgemein biologisch-physiologischen Anpassungsprozess. Es sind verschiedene Arten von Resistenzen bekannt. \begin{description} \item[Kreuzresistenz] Unter Kreuzresistenz versteht man die gleichzeitige Resistenz eines Schädlings gegenüber mehreren Wirkstoffen oder Wirkstoffgruppen. \item[Mittelresistenz] Diese Resistenz beschreibt den Wirkungsabfall des Pestizids durch eine Resistenzentwicklung infolge natürlicher Selektion. \item[Morphologisch bedingte Resistenz] Morphologische Strukturen des Schädlings verhindern das Eindringen in den Körper. \item[Multiresistenz] Diese Art der Resistenz entwickelt sich dann, wenn ein durch Insektizid A selektierter Stamm unter dem Druck eines später angewandten Insektizids B auch eine Resistenz gegen B entwickelt. \item[Physiologisch bedingte Resistenz] Ein Organismus besitzt die Fähigkeit einem eingedrungenen Gift durch biochemische Prozesse zu widerstehen. \item[Verhaltensmäßig bedingte Resistenz] Das Verhalten des Insekts ist derartig verändert, dass die Individuen die Berührung mit dem Gift oder dessen Aufnahme vermeiden. \end{description} \noindent Die Entwicklung der Resistenz wird durch Selektion, Toleranz und Gewöhnung begünstigt. Der Selektionsdruck spielt eine große Rolle bei der Entwicklung, denn \begin{enumerate}[(a)] \item Arten mit einer hohen Generationsanzahl, deren Bekämpfung also häufig notwendig ist, entwickeln sehr schnell Resistenz. \item In Gebieten, in denen durch die ökologischen Verhältnisse bedingt eine hohe Generationenanzahl gegeben ist, vollzieht sich die Resistenzentwicklung schneller, als in ökologisch weniger geeigneten Umweltverhältnissen. \item Je umfassender eine Population erfasst wird, desto schneller entsteht Resistenz. Nicht wirtswechselnde so genannte autochthone Arten unterliegen einem Selektionsprozess in stärkerem Maße, als wirtswechselnde, nicht autochthone Arten. \end{enumerate} \noindent Untersuchungen ergaben, dass sich die Entwicklung von Resistenz verzögern lässt. \begin{enumerate}[(a)] \item Es ist experimentell nachgewiesen, dass die Schnelligkeit, mit der sich Resistenz entwickelt, unter sonst gleichen Bedingungen, eine Funktion des selektierenden Agens ist. \item Eine weitere Möglichkeit, Resistenzentwicklung zu verzögern, besteht in der Anwendung von Kombinationspräparaten, in denen Wirkstoffe mit unterschiedlichem Wirkungsmechanismus enthalten sind. \item Die dritte Möglichkeit, Resistenzausbildung hinauszuschieben, steht mit der vorgenannten in engem Zusammenhang. Sie besteht im turnusmäßigen Wechsel der Wirkstoffe bei den Bekämpfungsmaßnahmen. Dieser Weg wird schon auf vielen Gebieten beschritten und scheint sich zu bewähren. \end{enumerate} \quellec[98]{Chemie der Pflanzenschutz- und Schädlingsbekämpfungsmittel; Hrsg. R. Wegler; Band 1; Springer-Verlag Berlin -- Heidelberg -- New York 1970} Außerdem wurde in Zusammenhang mit der DDT-Resistenz die Entdeckung gemacht, dass aufgetretene Resistenz gebrochen werden kann. Es bestehen so genannte Resistenzbrecher, wie z.B. WARF, das die DDT-Resistenz eindämmen, aber nicht so weit aufheben konnte, dass wieder die Anfangsanfälligkeit bei resistenten Schädlingen herrschte. Jedoch konnten nach einer Weile Insekten auch gegen WARF und DDT Resistenzen bilden. \quellex{Zum Beispiel Pestizide; Hrsg. Pestizid-Aktions-Netzwerk; Red.: Carina Weber; Jürgen Knirsch; Göttingen: Lamuv-Verlag, 1991; (ISBN 3-88977-268-4)} Der eigentliche Prozess der Resistenzentwicklung in Organismen wie Pilzen und Insekten, erfolgt über eine Mutation eines oder mehrerer Gene. Die Vererbung der Resistenzgene wurde von Georghiou und Oppenoorth untersucht und sie fanden heraus, dass Resistenz dominant ist und von beiden Geschlechtern vererbt wird. So ist bei Nachfahren von genetisch resistent gewordenen Pilzen und Insekten über das mutierte Gen im Erbgut die Entfaltung der Giftwirkung eines Pestizids gehemmt. \section{Die Probleme der Pestizide} \quellec[102]{Zum Beispiel Pestizide; Hrsg. Pestizid-Aktions-Netzwerk; Red.: Carina Weber; Jürgen Knirsch; Göttingen: Lamuv-Verlag, 1991; (ISBN 3-88977-268-4)} \quellex{Folienserie des Fonds der Chemischen Industrie, Textheft 10; Pflanzenschutz; Hrsg. Fonds der chemischen Industrie zur Förderung der Chemie und biologischen Chemie im Verband der Chemischen Industrie, Karlstraße 21, 6000 Frankfurt/Main, November 1992; (ISSN 0174-366 X)} Der Einsatz von Pestiziden hat eine Verschiebung der Artendominanz, ein Aufkeimen neuer Schädlinge und die Resistenzentwicklung gefördert. Früher wurde angenommen, dass bei Auftreten dieser Probleme immer neue Präparate zur Verfügung stehen würden. Doch es wurde immer aufwendiger und schwieriger neue Pestizide zu entwickeln, die weniger oder keine Probleme hervorriefen. Daher wird in der Forschung heute sehr viel Wert darauf gelegt, dass allgemein ein hoher Wirkungsstandard gegenüber den Zielorganismen bei gleichzeitig möglichst geringen Nebenwirkungen besteht. Daraus ergaben sich einige Zielkonflikte z.B. über die Wirkungsbreite oder die Wirkungsdauer der Präparate. Die größte Herausforderung ist es, resistenzüberwindende Stoffe zu finden. Der weitere Einsatz von Pestiziden rief mehr Resistenzen hervor, neue Schädlinge traten auf und die Artendominanz verschob sich weiter. Doch ein weiteres Problem der Pestizide machte gerade mit DDT fast weltweit auf sich aufmerksam. \section{Das Rückstandsproblem} Es ist das größte Problem des Pestizideinsatzes. Die Definition des Begriffes Pestizidrückstand lautet: \begin{quotation} \noindent \quellex{Lehrbuch der Ökologischen Chemie; ``Grundlagen und Konzepte für die ökologische Beurteilung von Chemikalien''; Hrsg. Friedhelm Korte (3. neu bearbeitete Auflage); (ISBN 3-13-586703-X)} [Ein] Pestizidrückstand ist definiert als die verbleibende Konzentration irgendeiner Chemikalie, die zur Schädlingsbekämpfung benutzt wurde, einschließlich ihrer Derivate in oder auf einem Nahrungsmittel, Pflanze, Boden oder Wasser. \end{quotation} \quellec[102]{Zum Beispiel Pestizide; Hrsg. Pestizid-Aktions-Netzwerk; Red.: Carina Weber; Jürgen Knirsch; Göttingen: Lamuv-Verlag, 1991; (ISBN 3-88977-268-4)} Die Pestizide werden ausgebracht, von der Pflanze oder dem Boden aufgenommen, und an den betreffenden Schädling weitergegeben. Es gibt unzählige Rückstandsmöglichkeiten. Pestizide können \begin{itemize} \item auf der Pflanzenoberfläche für längere Zeit haften bleiben \item von der Pflanzenoberfläche oder vom Boden aus ins Innere der Pflanze dringen und dort in die Zellen der Pflanzen eingelagert werden \item über die Pflanzen als Futtermittel von Tieren aufgenommen und abgespeichert werden \item von den oberen Bodenschichten ins Grundwasser sickern und so ins Trinkwasser gelangen \item vom Feld durch Regen in Flüsse und Seen geschwemmt werden und damit ins Trinkwasser gelangen \item von der Pflanzenoberfläche und vom Boden verdunsten und über Luft, Nebel, Regen und atmosphärische Strömungen in Regionen fernab vom Anwendungsort transportiert werden. \end{itemize} Es besteht jedoch keine Gefahr, dass die Rückstände in Nahrungsmitteln für den Menschen nach der Einnahme eine tödliche Wirkung entfalten, denn die Lebensmittel werden auf Rückstände kontrolliert. Es gibt hierfür sowohl von der WHO vorgeschlagene, als auch national gültige Richtlinien. \quellec[98]{Chemie der Pflanzenschutz- und Schädlingsbekämpfungsmittel; Hrsg. R. Wegler; Band 2; Springer-Verlag Berlin -- Heidelberg -- New York 1970} Für den Abbau von Rückständen spielen einige Faktoren eine wichtige Rolle. Die physikalischen Faktoren, z.B. Wind, Regen, Sonne, Beschaffenheit der Pflanzenoberfläche, die chemischen Faktoren, z.B. Hydrolyse und Oxidation durch Luftsauerstoff, und die enzymatischen Faktoren, z.B. Umwandlungen durch Enzyme. Hinzu kommen die Persistenz des Wirkstoffes und die Stabilität der Rückstände. So wurde z.B. in Untersuchungen deutlich, dass Pflanzen unter Glas Rückstände langsamer abbauen als Freilandpflanzen. Die Abbaugeschwindigkeiten von Rückständen können allgemein von Pflanze zu Pflanze sehr unterschiedlich sein. Betrachtet man eine bestimmte Pflanze können sich andererseits beträchtliche Unterschiede von Wirkstoff zu Wirkstoff ergeben. Wird ein Pestizid wiederholt angewendet kommt es zu einer Akkumulierung des Wirkstoffes zwangsläufig dann, wenn aus der vorhergegangenen Applikation noch Rückstände bestehen. Bei weiterer Applikation gleicher Mengen in regelmäßigen Abständen ist beim Abbau zu irgendeinem Zeitpunkt eine Wirkstoffkonzentration erreicht, bei der der Wirkstoffverlust bis zur nächsten Applikation gleich der applizierten Dosis ist. Der Rückstand hat sich dann in der Pflanze oder im Boden so weit akkumuliert, also angehäuft, dass er einen Grenzwert erreicht hat. Dann treten Rückstandsprobleme insofern auf, als die Möglichkeit besteht, dass in solchen Böden neu wachsende Pflanzen den akkumulierten Wirkstoff aufnehmen können. Der Rückstandgehalt in Pflanzen kann jedoch bis zu ihrem Verzehr durch Transport, Lagerung und Verarbeitung des Ernteguts noch erheblich sinken. \quelle{http://www.wasser-wissen.de/abwasserlexikon/b/bioakkumulation.htm} \quelle{http://www.presse.uni-bremen.de/pressespiegel/wk\_texte/2004\_11\_20\_www-p-weser-kurier-p-de-sl-btg-sl-btag\_1348-p-php-fr-artid-glch-2004112001104.php3} Die Anhäufungen der Rückstände in ganzen Ökosystemen, auch Bioakkumulation genannt, und in der Nahrungskette nehmen immer zu. Dabei rufen die Resistenzen der Schädlinge einen weiteren Effekt hervor, der als Giftspirale bezeichnet wird. Dieser Begriff beschreibt die Reaktion auf die Resistenz einer Insektenart mit Einsatz von neuen Giftsorten, die dann bald wieder neue resistente Insektenformen auf den Plan rufen und die Rückstände nur weiter anhäufen werden. Die Giftspirale dreht sich immer weiter nach oben und mit jeder neuen Resistenz ein Stückchen weiter. Die Probleme des Pestizideinsatzes türmen sich und Alternativen zum Pestizideinsatz sind noch im Forschungsstadium. Solange der Pestizideinsatz sich nicht verringern wird, wird auch die Resistenzentwicklung nicht ausbleiben, genauso wenig die Verschiebung der Artendominanz oder das Auftreten neuer Schädlinge. Auch nach dem Ende des Einsatzes der Pestizide werden die Rückstände der Pestizide weiter bestehen. Doch sie werden sich nicht weiter ansammeln und der Abbau kann seinen Lauf nehmen. %%% Local Variables: %%% mode: latex %%% TeX-master: "doku" %%% End: