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Doctoral Thesis
2010
Glyphosate use in agro-ecosystems : identification of key factors for a better risk assessment
Glyphosate use in agro-ecosystems : identification of key factors for a better risk assessment
Abstract (English)
Glyphosate ([N-phosphonomethyl] glycine) is a non-selective, post-emergence, organo-phosphorous, broad-spectrum herbicide used worldwide for controlling weeds in horticulture, agriculture, silviculture, and urban landscapes. It effectively controls most annual and perennial weed species and is the world´s biggest-selling herbicide. One reason for the popularity of glyphosate is its effect on roots and rhizome systems of weed following foliar application. After coming in contact with soil, glyphosate will be strongly adsorbed and this sorption behavior makes glyphosate unique as compared to most other herbicides and has elicited a general belief that it is rapidly adsorbed to the soil without any residual effect. However, glyphosate adsorption to the soil matrix seems a reversible process and glyphosate conserved in roots of treated target plants has been overlooked in most previous risk assessments.
Therefore, in face of the increasing number of yet unexplained observations of negative side effects after glyphosate application, this thesis was initiated to identify possible risk factors associated with the frequent use of glyphosate in agro-ecosystems. For this purpose: (1) relevance of waiting time between weed desiccation by glyphosate and subsequent crop planting, (2) remobilization risk of glyphosate fixed in the soil matrix mediated by pH change in the rhizosphere, (3) glyphosate preservation in target plant roots and (4) contribution of glyphosate released from decaying weed residues for intoxication of following non-target plants were investigated in controlled greenhouse conditions using two contrasting soils: a weakly buffered acidic Arenosol (top soil) and a highly buffered calcareous Luvisol (subsoil). Furthermore, field experiment was conducted to partially confirm the found results of controlled model experiments under greenhouse conditions.
These model experiments as well as the experiment in farmer´s field revealed that the residual toxicity of glyphosate increased with a declining waiting time between glyphosate weed desiccation and subsequent crop planting. In the greenhouse experiments, seedling growth and biomass production of sunflower plants were strongly impaired by pre-sowing application of glyphosate in the variants with less than 21 days waiting time. The inhibitory effects on seedling growth were associated with a corresponding increase of shikimate accumulation in the root tissue as physiological indicator for glyphosate toxicity and impairment of the manganes-nutritional status of the sunflower seedlings.
Results of the field experiment at Hirrlingen/Tübingen confirmed the relevance of waiting time. Stunted development and heterogeneous emergence of winter wheat plants occurred at field plots where the wheat sowing was done 2 days, compared to plants sown 14 days after foliar application of glyphosate to weed plants. At a short waiting time (2 d), data on visual scoring showed up to 50% of the culture damage that was visually persistent still after 6 months at harvests. This was also associated with a reduced nutritional status of wheat plants Ca, Mg, Zn and Cu, particularly expressed when glyphosate application rate was elevated from 2L to 6 L ha-1.
Since glyphosate shows a similar pattern of reaction like that of phosphate in soil, it has been hypothesized that rhizosphere processes responsible for P mobilization are likely to co-mobilize also glyphosate. To test this hypothesis, an experiment was conducted using the two soils with contrasting properties pre-incubated with different rates of glyphosate and supplied with stabilized NH4+-N or NO3--N to induce the different changes in rhizosphere pH. From the results of this experiment, however, it was not possible to confirm this hypothesis. No glyphosate phytotoxicity of sunflower seedlings on the Luvisol with NH4+ could be detected due to observed minor rhizosphere acidification. In agreement, also no shikimate accumulation in root was measured. However, there was a distinct decrease in biomass of the sunflower seedlings at NH4- supply, possibly due to a missing NO3- signal. In contrast in the Arenosol no difference in growth could be shown between both supplied N-forms despite a clearly expressed difference in rhizosphere pH.
Root exudation of organic carboxylates has also been considered to assists the release of adsorbed phosphate in the rhizosphere from the soil matrix via exchange chelation. A similar phenomenon was expected for glyphosate. In the present study, however, supplementation of Na-citrate or citric acid to both contrasting soils, pre-incubated with different levels of glyphosate, did not show a clear evidence for an adequate glyphosate remobilization and the subsequent plant damage. On the acidic Arenosol, there was no difference in growth of sunflower seedlings between the treatments. In contrast, on the Luvisol, supplementation of Na citrate (10µmol g-1 soil) but not citric acid indicated some promotion of root growth on glyphosate free treatment. This could not be easily explained because no intracellular shikimate accumulation as bio-indicator for glyphosate could be detected in the treatments with glyphosate pre-incubated soil.
In many plant species, glyphosate is not readily metabolized, but preferentially translocated to young growing tissues of roots and shoots, where it can be accumulated in millimolar concentrations. In soil-grown target plants, this inhomogeneous distribution of glyphosate within the root tissues may lead to the formation of hot spots of glyphosate containing root residues in soils. Subsequently this stored glyphosate as hot spots can be released during microbial degradation of root material. To evaluate the potential of roots of target plant in stabilization and subsequent release of glyphosate with intoxication of subsequent crop plants, model experiments were conducted with application of glyphosate either via rye grass as target weed plants or directly to the soil. Sunflower seeds were sown at different waiting times (0-21 days) for both glyphosate application modes. Toxicity of glyphosate applied shortly before sowing of sunflower as non-target was strongly dependent on the mode of glyphosate application. When glyphosate was sprayed on pre-cultured rye grass seedlings as model weed, detrimental effects on plant growth and the Mn nutritional status, as well as increased intracellular shikimate accumulation in root tissue were more strongly expressed than at a direct soil application of the same amount of glyphosate. The increased extent of toxicity after a glyphosate pre-sowing application to pre-cultured rye grass compared with a direct soil application might indicate that the root tissue of glyphosate-treated weeds represents a storage pool for glyphosate in the pots.
The globally increasing adoption of no-till or reduced tillage systems are becoming a driving force for an increase of glyphosate use. In such systems, glyphosate is applied pre-sowing for weed control and glyphosate may remain in root and shoot residues. Usually in these reduced tillage systems, only a minimal soil disturbance occurs at sowing, which might lead to limited incorporation of the glyphosate contaminated straw to the upper soil layer where germination of following non-target crop will take place. To evaluate such risk, a pot experiment was conducted under controlled greenhouse conditions with the two contrasting soils. Glyphosate was supplied via glyphosate pre-treated shoot or root material of rye grass applied either as chopped plant material ?straw? or as homogenate. Analysis of physiological parameters such as intracellular shikimate accumulation as metabolic indicator for glyphosate toxicity, biomass production and micronutrient status revealed, that a detrimental effect could be only with treated rye grass shoot material as straw or homogenates incorporated into the Arenosol but not into the Luvisol. This is most probably related to the difference in soil property between the two soils. At this level of glyphosate supply, the detoxification capacity of the highly buffered calcareous subsoil might have played a primary role in preventing glyphosate toxicity, while this glyphosate supply level seems beyond the detoxification capacity of the weakly buffered acidic Arenosol.
All together, the achieved results of the model pot experiments are in correspondence with that of the reported field experiments. Further, the results revealed the important role of glyphosate stored in root and shoots of weed plants as a glyphosate pool in soils for intoxication of following crops. More information on transformation of these glyphosate enriched crop residues and its glyphosate release during microbial decomposition in different soils are urgently needed for a better precaution and risk assessment of glyphosate use for weed control for farmer´s practice.
Abstract (German)
Die Organo-Phosphatverbindung Glyphosat ([N-Phosphonomethyl] Glycine) wird weltweit als nicht-selektives Herbizid mit breitem Wirkungsspektrum in einer Vor- und/oder Nachsaatbehandlung zur Kontrolle von Unkräutern im Gartenbau, Landwirtschaft, Forstwirtschaft und urbanen Flächen verwendet. Es bietet eine effektive Kontrolle der meisten annuellen und perennierenden Unkräuter und ist das weltweit meist verkaufte Herbizid. Einer der Gründe für die Beliebtheit von Glyphosat besteht in seinem Effekt auf die Wurzel- und Rhizomsysteme von Wurzelunkräutern nach einer Blattapplikation. Nach einem Kontakt mit Boden wird Glyphosat stark adsorbiert rasch und damit inaktiviert. Dieses Sorptionsverhalten stellt einen wesentlichen Unterschied zwischen Glyphosat und anderen Herbiziden dar und hat maßgeblich zu der Annahme beigetragen, Glyphosat habe im Boden keine residuale toxische Wirkung. Die Festlegung von Glyphosat an die Bodenmatrix kann jedoch unter bestimmten Bedingungen ein reversibler Prozess sein und die potenzielle Relevanz von Wurzeln behandelter Unkräuter als Zwischenspeicher von phytotoxisch aktivem Glyphosate im Boden wurde bisher in Risikoabschätzung nicht beachtet.
Angesichts der zunehmenden Anzahl an bisher ungeklärten Beobachtungen von negativen Seiteneffekten nach einer Glyphosatapplikation, wurde die vorliegende Arbeit initiiert um potenzieller Risikofaktoren für Nicht-Zielpflanzen bei der Applikation von Glyphosat in Agrarökosystemen zu identifizieren. Zu diesem Zweck wurden: (1) die Relevanz von Wartezeiten für die Aussaat von Kulturpflanzen nach einer Vorsaatbehandlung mit Glyphosat, (2) die potenzielle, durch veränderte pH-Werte in der Rhizosphäre induzierte Remobilisierung von an der Bodenmatrix festgelegtem Glyphosat, (3) die Rolle der Wurzeln von mit Glyphosat behandelten Unkrautpflanzen als Zwischenspeicher für Glyphosat und (4) die Relevanz einer Abgabe von Glyphosat aus sich zersetzenden Rückständen behandelter Unkrautpflanzen für phytotoxische Effekte auf die Folgekultur unter kontrollierten Gewächshausbedingungen auf zwei kontrastierenden Böden, einem schwach gepufferten, sauren Arenosol (Oberboden) und einem stark gepufferten, kalkhaltigen Luvisol (Unterboden), durchgeführt. Darüber hinaus wurden zwei Feldversuche durchgeführt, um Teile der in Modellversuchen gewonnenen Erkenntnisse auf ihre Relevanz unter Feldbedingungen zu prüfen.
Diese Modellversuche und Versuche unter Feldbedingungen zeigten, dass die Toxizität von Glyphosatrückständen für Kulturpflanzen mit abnehmenden Wartezeiten zwischen der Glyphosatapplikation auf Unkrautpflanzen und der Aussaat der Kulturpflanzen zunahmen. In Modellversuchen unter Gewächshausbedingungen auf zwei kontrastierenden Böden und Sonnenblumen als Modell-Kulturpflanze, war das Wachstum und die Biomasseproduktion von Sonnenblumenkeimlingen bei einer Wartezeit von weniger als 21 Tagen nach einer Vorsaatapplikation vom Glyphosat stark eingeschränkt. Negativen Effekte auf die Entwicklung und das Wachtum der Sommenblumen waren mit erhöhten Konzentrationen an Shikimat im Wurzelgewebe als Indikator der Glyphosattoxizität und eingeschränkter Mangan-Versorgung der Pflanzen verbunden. Die Ergebnisse des Feldversuchs in Hirrlingen (Raum Tübingen) bestätigten die Relevanz von Wartezeiten nach einer Vorsaatbehandlung mit Glyphosat. Verzögerte Pflanzenentwicklung und Heterogenität im Auflaufen der Winter-Weizenpflanzen konnte verstärkt beobachtet werden, wenn Glyphosat bei einer kurzen Wartezeit von 2 Tagen vor der Aussaat im Vergleich zu einer Wartezeit von 14 Tagen vor der Aussaat des Winter-Weizens auf Unkrautpflanzen appliziert wurde. Im Falle kurzer Wartezeit von 2 Tagen zwischen der Glyphosatapplikation und der Aussaat zeigte sich in der Jugendphase der Pflanzenentwickung im Vergleich zur Kontrolle eine beträchtliche visuelle Schädigung der Weizenpflanzen (50% der Kontrolle), die bis zur Ernte nicht kompensiert werden konnte und mit einem verminderten Nährstoffstatus (Ca, Mg, Zn und Cu) verbunden war.
Da Glyphosat in Böden ein vergleichbares Bindungsverhalten wie Phosphat zeigt, wurde die Hypothese aufgestellt, dass Prozesse, die zu einer Mobilisierung von Phosphat in der Rhizosphäre führen, wahrscheinlich auch geeignet sind, an die Bodenmatrix sorbiertes Glyphosat zu remobilisieren. Um diese Hypothese zu überprüfen, wurde ein Experiment unter kontrollierten Bedingungen auf zwei Böden mit unterschiedlichen Eigenschaften, die mit verschiedenen Applikationsraten von Glyphosat vorinkubiert und mit stabilisierten Ammonium oder Nitrat als Stickstoffdüngungen gedüngt wurden, durchgeführt. Die Resultate dieses Experiments konnten jedoch die Hypothese einer Remobilisierung von im Boden festgelegten Glyphosat nicht bestätigen. Auf einem kalkhaltigen Luvisol wurde nur eine geringfügige Ansäuerung der Rhizosphäre, keine intrazelluläre Akkumulation von Shikimat und somit keinerlei Hinweis auf eine Remobilisierung von Glyphosat beobachtet. Auf einem sauren Arenosol (Sandboden) wurden in Abhängigkeit von der Form der Stickstoffdüngug klar ausgeprägte Unterschiede im pH-Wert der Rhizosphäre, aber keinerlei Unterschiede im Pflanzenwachstum oder Akkumulation von Shikimat beobachteDie Abgabe von Wurzelexsudate (v.a. Carboxylaten) wird als pflanzliche Strategie zur Mobilisierung von Phosphat durch Chelatisierung und/ oder Desorption angesehen. Die Möglichkeit eines vergleichbaren Mechanismus wurde für eine Remobilisierung von Glyphosat angenommen. In der hier vorliegenden Studie zeigten sich in einem Modellversuch auf zwei unterschiedlichen Böden, die mit unterschiedlichen Aufwandmengen an Glyphosat vorinkubierten wurden, nach einer Applikation von Na-Citrat oder Zitronensäure keine eindeutigen Hinweise auf eine relevante Remobilisierung von Glyphosat mit phytotoxischen Auswirkungen. Auf dem sauren Arenosol zeigten sich unabhängig von der Behandlung keine Unterschiede im Wachstum von Sonnenblumen. Auf einem Luvisol verursachte die Applikation von 10µmol g-1 Na-Citrat, aber nicht von Zitronensäure, in den Glyphosatbehandlungen eine Verminderung der Wurzelbiomasse. Diese Verminderung war jedoch nicht mit einer intrazellulären Akkumulation von Shikimat als Bio-Indikator der Phytotoxizität von Glyphosat verbunden.
Glyphosat wird in den meisten Pflanzenarten nur in minimalem Umfang abgebaut und bevorzugt in die meristematischen Wachstumszonen in Wurzeln und Sprosse verlagert. In diesen Wachstumszonen können bis zu millimolare Konzentrationen im Gewebe erreicht werden. Diese inhomogene Verteilung von Glyphosat innerhalb der Pflanze (insbesondere der Wurzeln) kann in der Rhizosphäre zu der Bildung von räumlich begrenzten Zonen mit sehr hohen Konzentrationen an Glyphosatrückständen (?hot spots?) beitragen. In der Folgezeit kann dieses, in den Wurzeln von Zielpflanzen in hohen Konzentrationen gespeichertes Glyphosat, während des mikrobiellen Abbaus der Wurzelrückstände freigesetzt werden. Um die Relevanz von Unkrautwurzeln für die Stabilisierung und anschließende verzögerte Abgabe von Glyphosat in die Rhizosphäre und einer Schädigung der Folgekultur zu evaluieren, wurden in Modellversuchen die Auswirkungen unterschiedlicher Wartezeiten (0-21 Tage) nach einer Glyphosatapplikation auf Weidelgras im Vergleich zu einer Applikation einer identischen Aufwandmenge an Glyphosat direkt in den Boden auf die Folgekultur (Sonnenblumen) auf zwei unterschiedlichen Böden (Arenosol/Luvisol) untersucht. Die Phytotoxizität von Glyphosat nach einer Vorsaatbehandlung für die Folgekultur (Sonnenblumen) war stark von der Art der Glyphosatapplikation abhängig. Im Vergleich zu der Applikation einer identischen Aufwandmenge an Glyphosat direkt in den Boden waren negative Effekte auf die Entwicklung, Wachstum und Mikronährstoffstatus von Sonnenblumenkeimlingen, sowie eine erhöhte intrazelluläre Akkumulation von Shikimat signifikant stärker ausgeprägt, wenn Glyphosat auf Weidelgras als Modellunkraut appliziert wurde. Die im Vergleich zu einer direkten Bodenapplikation von Glyphosat deutlich erhöhte Ausprägung von phytotoxischen Effekten einer Glyphosatapplikation auf Weidelgras deutet darauf hin, dass die Wurzeln von Glyphosat-behandelten Unkrautpflanzen auf den untersuchten Böden einen Speicherpool von Glyphosat in der Rhizosphäre darstellen können.
Die weltweit zunehmende Verwendung von Anbausystemen mit reduzierter Bodenbearbeitung und Direktssaat ist einer der Faktoren für die zunehmende Verwendung von Glyphosat. In diesen Anbausystemen wird Glyphosat möglichst kurzfristig vor der Aussaat auf Unkräuter appliziert und verbleibt möglicherweise bis zur mikrobiellen Zersetzung in Wurzel- und Sprossgewebe dieser Zielpflanzen. Normalerweise erfolgt in Anbausystemen mit reduzierter Bodenbearbeitung nur während der Aussaat eine begrenzte Durchmischung des Bodens. Eine mögliche Konsequenz einer reduzierten Bodenbearbeitung ist die Einarbeitung Glyphosat-belasteter Sprossrückstände in die obere Bodenschichten in denen die Keimung der Folgekultur stattfindet. Um dieses Risiko abzuschätzen, wurde ein Gefäßversuch unter Gewächshausbedingungen auf zwei gegensätzlichen Böden (Arenosol, Luvisiol) durchgeführt. Die Applikation von Glyphosat erfolgte in Form von Glyphosat behandelten Blättern oder Wurzeln von Weidelgraspflanzen, die in Nährlösung vorkultiviert und anschließend in den Boden eingemischt wurden. Die Analyse physiologischer Parameter, wie der intrazellulären Akkumulation von Shikimate als Indikator der Glyphosattoxizität, der Biomasseproduktion und des Mikronährstoffstatus der Pflanzen, zeigte, dass die untergemischten Glyphosat-belasteten Blätter von Weidelgraspflanzen auf dem Arenosol, aber nicht auf dem kalkhaltigen Luvisol, negative phytotoxische Effekte auslösen können. Diese Ergebnisse sind wahrscheinlich mit unterschiedlichen Eigenschaften zwischen den beiden Böden erklärbar. Möglicherweise war bei den verwendeten Aufwandmengen an Glyphosat auf dem stark gepufferten kalkhaltigen Unterboden (Luvisol) das Potenzial für eine Immobilisierung und Inaktivierung von Glyphosat ausreichend um phytotoxische Effekte für die Folgekultur zu vermeiden während auf dem schwach gepufferten, sauren Arenosol durch ein niedrigeres Detoxifizierungspotenzial des Bodens Schäden an der Folgekultur auftraten.
Insgesamt decken sich die Ergebnisse der Modellversuche mit den Beobachtungen und Ergebnissen der im Rahmen dieser Art durchgeführten Untersuchungen im Feld. Die Ergebnisse deuten die hohe Bedeutung von mit Glyphosat behandelten Unkrautpflanzen als Speicherpool von Glyphosat und damit als Risikofaktor für die Folgekultur an. Weitere Untersuchungen über den Umsatz und die Abgabe von Glyphosat aus belasteten Unkrautrückstände sind für eine verbesserte Risikoabschätzung und Vermeidung von unerwünschten Glyphosatschäden an Kulturpflanzen in der landwirtschaftlichen Praxis dringend notwendig.
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2009-10-06
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630 Agriculture
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Sustainable Development Goals
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author = {Tesfamariam, Tsehaye},
title = {Glyphosate use in agro-ecosystems : identification of key factors for a better risk assessment},
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