Pflanzenschutz & Schädlingsbekämpfung

Seit Beginn des Ackerbaus vor etwa 12.000 Jahren hatten Menschen mit Ernteeinbußen durch Insektenbefall oder Pflanzenkrankheiten zu kämpfen. Größere Ernteausfälle führten in der Geschichte immer wieder zu Hungersnöten. Daher suchten die Menschen schon früh nach Mitteln für den Pflanzenschutz. So empfahl Plinius der Ältere (23 – 79) den Einsatz von giftigem Arsensulfid gegen Traubenfäule sowie die Verwendung eines Gemisches aus Öl und Schwefel als Mittel gegen den Heuwurm, einem Schädling im Weinanbau^[1].

Auch aus Pflanzen, die von tierischen Fressfeinden oder Krankheiten verschont bleiben, wurden schon früh Schädlingsbekämpfungsmittel gewonnen. So berichtete der englische Arzt und Apotheker Nicholas Culpeper (1616 – 1654) von der tödlichen Wirkung von Tabakwasser auf Kopfläuse^[2].

Erst viele Jahre später wurde erkannt, dass die Giftwirkung auf das im Tabak enthaltene Nicotin zurückzuführen ist. Es wurde 1828 von dem Chemiker Karl Ludwig Reimann (1804 – 1872) gemeinsam mit dem Arzt Christian Wilhelm Posselt (1806 – 1877) erstmalig als Reinstoff gewonnen.

Nicotin als Pflanzenschutzmittel

Nicotin bindet an den nicotinischen Acetylcholinrezeptor von Nervenzellen, wodurch diese aktiviert werden. Diese Rezeptoren befinden sich unter anderem an motorischen Nervenzellen, sodass deren Aktivierung zu Muskelkontraktionen führt. Im Gegensatz zum Nicotin wird der von den Nervenzellen natürlicherweise verwendete Neurotransmitter, das Acetylcholin, direkt an der Nervenzelle enzymatisch abgebaut, sodass die Aktivierung der entsprechenden Nervenzelle nur von kurzer Dauer ist. Das Nicotin kann somit die Nervenzelle deutlich länger aktivieren, bis es schließlich vom Rezeptor verdrängt und vom Körper wieder ausgeschieden werden kann. Ab einer bestimmten Konzentration kommt es somit zu einer langanhaltenden Erregung sehr vieler Nervenzellen und damit zu tödlichen Krämpfen.

Heute gehören Neonicotinoide, also Stoffe, die wie Nicotin an den nicotinischen Acetylcholinrezeptor, zu den weltweit am meisten genutzten Insektenvernichtungsmitteln im Bereich des Pflanzenschutzes. In der EU dürfen sie allerdings seit 2019 außerhalb von Gewächshäusern nicht mehr verwendet werden.

Mittlerweile gibt es für so gut wie jeden Pflanzenschädling wirksame Mittel, die diese bekämpfen. Neben der Bekämpfung von Schadorganismen ist auch die Beseitigung von Ackerbegleitkräutern, die mit den Nutzpflanzen um Licht, Nährstoffe und Wasser konkurrieren, ein Problem. Während es in früheren Zeiten nur die Option der arbeitsintensiven, mechanischen Beseitigung gab, wurden schließlich Unkrautvernichtungsmittel für diese Aufgabe entwickelt. Insbesondere nach dem Aufkommen der maschinellen Landwirtschaft stieg die Nachfrage nach diesen Mitteln stark an, da eine rein maschinelle Unkrautbeseitigung nicht möglich war. Auch heute ist eine maschinelle Beseitigung von Ackerbegleitkräutern noch nicht über das Versuchsstadium hinausgekommen.

Begriffsdefinitionen – Pflanzenschutzmittel, Pestizid, Biozid

Pflanzenschutzmittel werden, zusammen mit den gesondert klassifizierten Bioziden, als Pestizide bezeichnet.

Pestizide werden, je nach Zielorganismus, in verschiedene Gruppen eingeteilt. Ein Mittel, welches Pilze abtötet, wird als Fungizid bezeichnet, vom lateinischen Wort fungus für Pilz und dem lateinischen Wort cidium für töten. Darüber hinaus gibt es Mittel, die gegen Nagetiere, Insekten, Schnecken, Viren, Bakterien und Ackerbegleitkräuter eingesetzt werden und dementsprechend als Rodentizide, Insektizide, Molluskizide, Viruzide, Bakterizide und Herbizide bezeichnet werden.

Biozide sind hingegen Mittel, die für den Schutz von Menschen und Tieren sowie von Objekten vor Schadorganismen eingesetzt werden. Daher zählen Desinfektionsmittel, Mückensprays, Rattengift oder Holzschutzmittel alle zu den Bioziden.

Desinfektionsmittel sind, bezüglich der rechtlichen Definition, Grenzgänger: sie sind grundsätzlich Biozide, gelten aber als Arzneimittel, sofern sie aus Sicht des Verbrauchers überwiegend für eine medizinische Verwendung vorgesehen sind oder wenn sie verschreibungspflichtige Substanzen enthalten^[3]. Auch Antibiotika, Virostatika und Antimykotika gelten als Arzneimittel und nicht als Biozide, da sie Menschen oder Tiere nicht vor dem Befall durch Bakterien, Viren und Pilzen schützen, sondern diese als Krankheitserreger im Körper bekämpfen.

Als Schädlingsbekämpfungsmittel werden Pestizide bezeichnet, die gegen tierische Schädlinge eingesetzt werden, also beispielsweise Insektizide und Rodentizide, welche wiederum als Biozid, wie auch als Pflanzenschutzmittel Anwendung finden.

Anwendung von Pflanzenschutzmitteln mittels Pflanzenschutzspritzen

Auch wenn es eine große Vielfalt von Formulierungstypen für Pflanzenschutzmittel gibt, werden sie meist als Granulate verkauft, welche dann für die Anwendung mit Wasser vermischt werden. Manche Mittel, wie das Herbizid Glyphosat, lösen sich dabei im Wasser, während andere nur suspendiert werden, also weiterhin als Feststoff fein verteilt im Wasser vorliegen.

Die Lösungen oder Suspensionen, auch Spritzbrühe genannt, werden dann mithilfe einer Pflanzenschutzspritze auf die zu schützenden Pflanzen ausgebracht.

Pflanzenschutzspritzen für Gärten und kleine Flächen

Als Pflanzenschutzspritzen für kleine Flächen, also beispielsweise für die Anwendung im Garten oder Gewächshaus, werden Gartenspritzen verwendet. In der Gartenspritze befindet sich die Spritzbrühe in einem zylindrischen Behälter mit einem Fassungsvermögen von wenigen Litern, einem Drucksprüher, welcher mittels einer Handpumpe unter Druck gesetzt werden kann. Die im Behälter unter Druck gesetzte Spritzbrühe wird über einen Schlauch zur Spritzdüse geleitet, welche über einen Hebel geöffnet, bzw. geschlossen werden kann.

Spritzdüsen sind generell so konstruiert, dass sie, nachdem sie geschlossen wurden, nicht nachtropfen können, sodass es nicht zur unbeabsichtigten Freisetzung der eingesetzten Mittel kommen kann.

Feldspritzen für die Landwirtschaft

Pflanzenschutzspritzen für den Einsatz auf Feldern werden als Feldspritzen bezeichnet. Bei einer Feldspritze ist der Drucktank mit mehreren Spritzdüsen verbunden, die an einem Spritzgestänge angebracht sind. Feldspritzen existieren in Form von Anhängern für Traktoren oder als eigenständige Fahrzeuge. Um eine möglichst homogene Verteilung des Pflanzenschutzmittels zu erreichen, wird die Spritzbrühe im Druckbehälter mittels eines Rührwerks kontinuierlich vermischt. Der notwendige Druck, welcher üblicherweise 2 bis 5 bar beträgt, wird durch eine Pumpe aufgebaut und die Spritzbrühe dann über Kunststoff-Schläuche an die Spritzdüsen geleitet.

Schläuche für Pflanzenschutzspritzen

Gummischläuche für Pflanzenschutzspritzen müssen aus Materialien bestehen, welche von den verwendeten Pflanzenschutzmitteln nicht angegriffen werden. Zudem dürfen sie weder bei sommerlichen Temperaturen erweichen und dadurch ihre Beständigkeit gegenüber Druck und mechanischer Belastung verlieren noch bei Lagerung in winterlicher Kälte durch Versprödung beschädigt werden.

Darüber hinaus müssen sie witterungsfest sein, dürfen also nicht durch Temperaturschwankungen oder durch Sonnenlicht Schaden nehmen und müssen den erhöhten Arbeitsdrücken unter den Anwendungsbedingungen sicher standhalten.

Schläuche für Pflanzenschutzspritzen sind somit eine Herausforderung für die Schlauchtechnik. Zumeist wird Polyvinylchlorid (PVC) als Schlauchmaterial verwendet, da es chemisch beständig und mechanisch stabil sowie kostengünstig ist. Schläuche für Pflanzenschutzspritzen können allerdings auch aus anderen Materialien bestehen. So können beispielsweise Polyethylen (PE), sofern es, üblicherweise mittels Kohlenstoffbeimengung, gegen die UV-Strahlung des Sonnenlichts stabilisiert wurde, Ethylen-Vinylacetat (EVA) oder auch das chemisch außergewöhnlich beständige, allerdings auch sehr steife und teure Polytetrafluorethylen (PTFE) verwendet werden.

Eine hohe Steifigkeit vergrößert den Biegeradius eines Schlauchs, wodurch seine Anwendbarkeit eingeschränkt wird, und erschwert zudem eine leckagefreie Befestigung, welche im Falle von Schläuchen für Pflanzenschutzspritzen zwingend erforderlich ist. Eine Verringerung der Wandstärke kann hier Abhilfe schaffen, allerdings wäre ein solcher Schlauch dann nicht mehr ausreichend beständig gegen hohe Drücke oder stärkere mechanische Beanspruchung. Daher werden für die Schlauchtechnik oftmals Verbundschläuche bzw. Doppelmantel-Druckschläuche genutzt.

In Verbundschläuchen werden verschiedene Materialien kombiniert, sodass der innere Teil des Schlauchs, die sogenannte Innenseele, aus einem anderen Material besteht als der äußere Teil. Ein derartig hergestellter Schlauch weist Eigenschaften auf, die bei der Verwendung nur eines Materials nicht erreichbar wären. So kann beispielsweise die Innenseele aus einer dünnen Schicht eines medienbeständigen Materials bestehen und somit für die Durchleitung besonders aggressiver Chemikalien geeignet sein, während die äußere Schicht, der Mantel, aus einem weniger chemikalienbeständigen, dafür aber flexibleren Material besteht. Beispielhaft steht dafür der ETFE/PUR-Verbundschlauch.

Eine höhere Stabilität gegen hohe Drücke und mechanische Beanspruchung kann zudem durch eine Ummantelung mit einem Geflecht aus Metall oder robusten Kunstfasern erreicht werden.

Zukünftige Entwicklungen – Verbot und Einschränkung von Pestiziden?

Obwohl Pestizide mit sehr großem Aufwand wegen ihrer Gefährlichkeit für Mensch und Tier untersucht und streng kontrolliert werden und es zudem detaillierte Regelungen für ihre sichere Anwendung gibt, hält die Debatte über ihre möglichen krankheitserzeugenden Wirkungen an.

So zeigten Studien, dass Landarbeiter, die regelmäßig bestimmte Pflanzenschutzmittel anwenden, ein erhöhtes Risiko haben, an verschiedenen Krebsarten zu erkranken^[5]. Auch zu Pestizidrückständen in Nahrungsmitteln gibt es Bedenken, insbesondere hinsichtlich ihrer Wirkung auf das Hormonsystem und die Fruchtbarkeit der Konsumenten^[6], sodass zunehmend mehr Verbraucher einen Verzicht von Pestiziden fordern.

Weitgehenden Konsens gibt es zur Frage der Schadwirkungen von Pestiziden auf Ökosysteme. Das seit längerem zu beobachtende Insektensterben, wobei hier das Bienensterben besondere Beachtung erfährt, wird zu einem erheblichen Teil Pestiziden zugeschrieben. Dabei komme es zum einen durch eine direkte Giftwirkung der Pestizide, zum anderen durch die Vernichtung von Nahrungsgrundlagen durch Herbizide zu einem Einbruch der Populationen etlicher Insektenarten. Das EU-weite Verbot des Einsatzes von Neonicotinoiden außerhalb von Gewächshäusern ist eine Reaktion auf diese Entwicklung.

Das würde dazu führen, dass mehr Fläche landwirtschaftlich genutzt werden müsste, damit die benötigten Mengen an Nahrungsmitteln erzeugt werden können^{[7, 8]}. Landwirtschaftlich bisher ungenutzte Flächen bieten jedoch Lebensraum für etliche Tier- und Pflanzenarten und sind, insbesondere in Form von Wäldern und Mooren, wichtig für den Kampf gegen den Klimawandel.

Ein denkbarer Lösungsansatz ist die stärkere Verwendung von Nützlingen im Pflanzenschutz. Ein Beispiel hierfür sind Schlupfwespen, die unter anderem gegen Blattläuse und Minierfliegen eingesetzt werden. Allerdings gibt es nicht gegen jeden Schadorganismus einsetzbare Nützlinge und zudem ist die Verwendung von Nützlingen außerhalb von Gewächshäusern leider wenig effizient^[9].

Die Kultivierung weniger schädlingsanfälliger Nutzpflanzen sowie der stärkere Einsatz von Gewächshäusern, die eine bessere Kontrolle der Umweltbedingungen und eine einfachere Schädlingsbekämpfung erlauben, könnten ebenfalls einen Beitrag zur Reduktion des Pestizideinsatzes leisten. In einem Gewächshaus lassen sich wetterunabhängig Temperatur, Feuchtigkeit und Licht optimal für die Nutzpflanzen einstellen. Darüber hinaus kann manchen Schädlingen, wie beispielsweise Insekten, mit einfachen Mitteln, wie Netzen oder Filtern in Zu- und Abluftanlagen, der Zugang zu den Pflanzen verwehrt werden.

Die Verwendung mehrstöckiger Gewächshäuser, also das Betreiben vertikaler Landwirtschaft, würde erhebliche Ertragssteigerungen pro Grundflächeneinheit erlauben, was diese Anbaumethode wirtschaftlicher machen könnte. Bisher werden mehrstöckige Gewächshäuser hauptsächlich für den Anbau von Blattgemüse, Tomaten und Kräutern verwendet. Meist sind sie auch nur von geringer Größe, sodass die Ertragserhöhung im Vergleich zur verwendeten Grundfläche nur klein ausfällt^[10].

Der Anbau von Getreide wäre ebenso möglich, ist allerdings derzeit deutlich weniger wirtschaftlich als der konventionelle Anbau^[11]. Wesentliche Hürden für die vertikale Landwirtschaft sind hohe Investitions- und Betriebskosten. Darüber hinaus ist insbesondere die energieintensive künstliche Beleuchtung ein Problem^[11]. Die nachhaltige Produktion von Nahrungsmitteln bleibt somit eine schwierige Herausforderung für die Zukunft.

Quellen:
[1]: C. Plinius Secundus d. Ä., Naturkunde, Buch XVII, Botanik: Nutzbäume, Artemis & Winkler Verlag, Zürich, 1994, S. 262 ff.
[2]: Nicholas Culpeper, The English Physician, London, 1652, S. 214.
[3]: https://arnowa.de/Hygieneportal/Haendedesinfektion-Arzneimittel-oder-Biozide
[4]: https://www.bvl.bund.de/DE/Arbeitsbereiche/04_Pflanzenschutzmittel/01_Aufgaben/08_Produktchemie/01_BeistoffeFormulierungschemie/01_Formulierungstypen/psm_BeistoffeFormulierungschemie_formulierungstypen_node.html
[5]: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2231435/
[6]: https://www.greenpeace.de/themen/landwirtschaft/pestizide-machen-krank
[7]: https://link.springer.com/article/10.1007/s13593-012-0105-x
[8]: https://www.spektrum.de/wissen/geht-landwirtschaft-auch-ohne-pestizide/1429861
[9]: https://www.iva.de/iva-magazin/haus-garten/gartenbau-wie-viel-pflanzenschutz-geht-mit-nuetzlingen
[10]: https://sciendo.com/article/10.1515/jlecol-2017-0016
[11]: https://www.futuretimeline.net/blog/2020/08/5-vertical-farming-of-wheat-600-times-yield.htm

Bildquellen:
Beitragsbild | © ValentinValkov – stock.adobe.com
Junge Maispflanzen werden mit Pestiziden behandelt | © marritch – stock.adobe.com
Hand-Drucksprühflasche im Garteneinsatz | © Cherkasova Alie – stock.adobe.com
Hydroponische Anzucht | © Ruslan Gilmanshin – stock.adobe.com