Herbizide sind Chemikalien, die verwendet werden, um unerwünschte Pflanzen (terrestrisch oder aquatisch) zu zerstören, die Unkraut genannt werden. Herbizide fallen in zwei große Kategorien: anorganische (z. B. Kupfersulfat, Natriumchlorat und Natriumarsenit) und organische (z. B. Chlorphenoxyverbindungen, Dinitrophenole, Bipyridylverbindungen, Carbamate und Amidherbizide). Historisch gesehen waren anorganische Verbindungen die ersten, die verfügbar waren und zuerst eingesetzt wurden. Es gab über einen langen Zeitraum hinweg kontinuierliche Bemühungen, Herbizidverbindungen zu entwickeln, die selektiver sind – also Unkräuter im Gegensatz zu erwünschten Pflanzen angreifen.
Historische Entwicklungen
In den Jahren 1890 bis 1900 wurden Spritzmittel zur Bekämpfung von breitblättrigen Unkräutern in Getreidekulturen eingeführt, und das U.S. Army Corps of Engineers unternahm erste Versuche, Wasserpflanzen in Gewässern mit Natriumarsenit zu bekämpfen. Im Jahr 1925 wurde erstmals Natriumchlorat (direkt auf den Boden aufgebracht) zur Unkrautbekämpfung eingesetzt. Der früheste Import (aus Frankreich) von Natriumnitrocresylat, als erstes selektives Unkrautvernichtungsmittel, war 1934. Im Jahr 1945 wurden organische Herbizide eingeführt und der Wachstumsregulator 2,4-D (2,5-Dichlorphenoxyessigsäure) eingeführt, der später zur Entwicklung von 2,4,5-T (2,4,5-Trichlorphenoxyessigsäure) führte. In den Jahren 1965 bis 1970 setzten die US-Streitkräfte 2,4,5-T (Silvex) und verwandte Stoffe als Entlaubungsmittel in Vietnam ein, ohne zu wissen, dass bei der Synthese von 2,4,5-T als unvermeidliches Nebenprodukt die giftige Substanz 2,3,7,8-Tetrachlordibenzodioxin (Dioxin) entsteht. Das Ausmaß der schädlichen Auswirkungen auf die Flieger, Soldaten und Zivilisten, die diesem Stoff ausgesetzt waren, ist bis heute umstritten. In einigen der Proben von 2,4,5-T (genannt Agent Orange) war Dioxin in einer Konzentration von etwa 2 ppm (mg/kg Probe) vorhanden, andere Proben enthielten jedoch mehr als 30 ppm des Nebenprodukts. Dioxin erwies sich schließlich als hochgiftig für Meerschweinchen (der LD 50-Wert lag bei 1 ppb oder 1 μ g Substanz/kg Probe), was dazu führte, dass Dioxin als „das tödlichste Gift der Welt“ bezeichnet wurde, ein beeindruckender, wenn auch ungenauer Titel (ungenau aufgrund der einzigartigen Empfindlichkeit von Meerschweinchen und weil einige natürliche Gifte bekanntermaßen stärker sind).
Die Erfahrungen der US-Bundesregierung mit 2,4,5-T zeigen ein wichtiges Prinzip: Man muss sich nicht nur mit der Sicherheit der aktiven Komponenten kommerzieller Produkte befassen, sondern auch mit der Sicherheit von Nebenprodukten, die in diesen Produkten enthalten sein können oder die sich während des natürlichen Abbaus bilden können. Die Einhaltung dieses Prinzips ist eine große und kostspielige Herausforderung für diejenigen, die Herbizide entwickeln, und die Sorge um die Sicherheit ist mitverantwortlich für die (derzeit) abnehmende Zahl von Herbiziden, die zur Behandlung von Wasserunkräutern zur Verfügung stehen.
Man geht davon aus, dass die ersten Wasserhyazinthen 1884 während einer Gartenbauausstellung in New Orleans in die USA eingeführt wurden.
Dabei wurden diese aus Argentinien importierten Pflanzen als Souvenirs verschenkt. Es wird vermutet, dass sie versehentlich in den St. Johns River in Florida gesetzt wurden und sich kurz darauf vermehrten. Die Pflanze wächst (unter optimalen Bedingungen) mit einer Rate von 1,8 Tochterpflanzen pro Mutterpflanze pro Woche, und das schnelle Wachstum erzeugte dichte Matten, die die Navigation von Booten auf diesem und anderen Flüssen beeinträchtigten. Im Jahr 1898 wurde dem U.S. Army Corps die Verantwortung für die Erhaltung der Schiffbarkeit der Flüsse übertragen, und die Kontrolle der Wasserpflanzen wurde ebenfalls zu ihrer Aufgabe – eine Aufgabe, die bis heute andauert.
Herbizid-Toxizität
Da sich Pflanzen und Säugetiere in Organisation und Physiologie unterscheiden, könnte man erwarten, dass Herbizide für Säugetiere nur eine geringe chemische Gefahr darstellen. Während einige Herbizide eine sehr geringe Toxizität bei Säugetieren aufweisen, haben andere eine erhebliche. Zur Beurteilung der Toxizität wird eine Reihe von Testtieren verwendet, deren Empfindlichkeit als akuter (Kurzzeit-)LD 50-Wert eingestuft wird.
Der LD 50-Wert bezieht sich auf die Menge (LD oder letale Dosis), die den Tod von 50 Prozent der Testspezies auslöst. Er wird üblicherweise als Herbizidmenge pro Kilogramm Körpergewicht angegeben. Je kleiner der LD-Wert ist, desto größer ist die Toxizität.
Die Chlorphenoxyverbindungen 2,4-Dichlorphenoxyessigsäure (2,4-D) und 2,4,5-Trichlorphenoxyessigsäure (2,4,5-T) sind wohl die bekanntesten Herbizide. Sie wurden in der Landwirtschaft (zur Ausrottung von breitblättrigen Unkräutern) und zur Bekämpfung von Gehölzen in Gräben und entlang von Autobahnen eingesetzt. Sie wirken in vielen Pflanzen als Wachstumshormone und können aktives Pflanzenwachstum in Bereichen hervorrufen, in denen abnormales, verdrehtes oder verkürztes Wachstum auftritt. Massive Dosen
| MERKMALE VON REPRÄSENTATIVEN HERBIZIDEN | ||
| Herbizid (Typ) | Kontrolle/Zweck | Akute Toxizität LD 50 mg/kg |
| SOURCE: Weed Science Society of America (1994). Herbicide Handbook , 7th edition. Lawrence, KS: Allen Press. | ||
| 2,4-D (2,4-Dichlorphenoxyessigsäure) | Systematisches Herbizid | 300-1.000: Ratten, Meerschweinchen, Kaninchen |
| Acetochlor | Kontrolle der meisten einjährigen Gräser, einige breitblättrige Unkräuter. Zu den toleranten Pflanzen gehören Mais, Sojabohnen, Erdnüsse, Zuckerrohr. | 2.953: Ratte akut oral |
| Amitrol (Triazin) | Breitblättrige Unkräuter und Gräser in Nichtkulturlandschaften, allgemein geringe Toxizität. | >5.000: männliche Ratten |
| Arsensäure (anorganisch) | Exsikkation von Baumwolle, die abgestreift werden soll | 48: Junge Ratte 100: ältere Ratten |
| Atrazin | Weit verbreitetes selektives Herbizid gegen breitblättrige und grasartige Unkräuter. | Keine schädlichen Wirkungen bei Ratten, Hunden mit einer Dosis von 25 ppm |
| Dinosep (Dinitrophenol) | Kontrolle von Sämlingen, nicht etablierte mehrjährige Unkräuter, außer bei Wiederholungsbehandlungen. Anwendbar bei einer Vielzahl von Kulturen, außer bei Kreuzblütlern. | 58: Ratten |
| Diquat (Dipyridyl) | Allgemeines Wasserherbizid; Vorernte-Topkiller oder Austrocknungsmittel. | 230: Ratten |
| Diuron (Carbamat) | Niedrige Raten – breitblättrige und Gras-Unkräuter in Baumwolle, Zuckerrohr usw. allgemeines Unkrautvernichtungsmittel bei höheren Raten | 3.400: Ratten, oral |
| Glyphosat | Breitspektrum-Herbizid zur Unkrautbekämpfung im Ackerbau und in anderen Bereichen | (Kaninchen akut dermal, >5,000 mg/kg) |
| Metolachlor | Selektives Herbizid zur Bekämpfung von einjährigen Unkräutern, Gelbem Springkraut, einigen breitblättrigen Unkräutern in Mais, Baumwolle, Erdnüssen und anderen Nutzpflanzen | 2.780: Ratte akut oral |
| Paraquat (Dipyridyl) | Unkrautbekämpfung bei der Etablierung von Grassamenpflanzen | 138: männliche Ratten |
| Propanil (aromatisches Amid) | Gräser und breitblättrige Unkräuter in bestimmten Weizenbeständen (Norden) und Reis (Süden) | 1.870: Ratten |
Von 2,4-D oder 2,4,5-T wird bei Säugetieren Herzkammerflimmern verursacht. Niedrigere Dosen verursachen Kontaktdermatitis und Chlorakne (eine Art schwerer Dermatitis) bei Arbeitern, die mit 2,4,5-T (das, wie erwähnt, mit 2,3,7,8-Tetrachlordibenzodioxin oder Dioxin gemischt sein kann) in Kontakt kommen.
Dinitrophenole (als Alkalisalze oder aliphatische Aminsalze) werden seit langem in der Unkrautbekämpfung eingesetzt. Die Exposition des Menschen gegenüber diesen Verbindungen hat zu Übelkeit, Magenverstimmung, schneller Atmung, Tachykardie (schneller Herzschlag), Zyanose und schließlich zum Koma geführt. Der Tod oder die Erholung tritt innerhalb von 24 Stunden ein.
Paraquat und Diquat sind die bekanntesten Beispiele für Bipyridylverbindungen. Diese Verbindungen scheinen über einen freien Radikalmechanismus zu wirken, indem sie um ein essentielles Reduktionsmittel konkurrieren und es den Pflanzen entziehen. Diese Verbindungen sind für den Menschen gefährlich. In den 1960er Jahren gab es etwa 200 Todesfälle durch versehentliche Vergiftungen oder Selbstmordversuche. Die Todesopfer wiesen Lungen-, Leber- und Nierenschäden auf. Paraquat neigt dazu, sich in der Niere anzureichern, wobei die Akkumulation toxischer Mengen in der Lunge sekundär zur Nierenschädigung ist.
Propanil gehört zu einer Gruppe von Amid-Herbiziden (hergestellt aus mit organischen Säuren behandeltem Anilin) und wird in großem Umfang zur Unkrautbekämpfung in Reiskulturen eingesetzt. Reis selbst enthält ein Enzym, das Propanil zu 3,4-Dichloranilin und Propionsäure hydrolysiert, und ist daher resistent gegen das Herbizid. Unkräuter, denen dieses Enzym fehlt, werden durch das Herbizid nachteilig beeinflusst. (Säugetierleberzellen besitzen ebenfalls ein Enzym, das diese Hydrolyse bewirkt.)
Die Auswirkungen von Spurenverunreinigungen in Herbiziden sind ein großes Problem. Zum Beispiel wurde der Einsatz von Silvex 1979 von der US-Umweltschutzbehörde gestoppt, weil das Herbizid Dioxin, ein Gift, enthielt. Das Army Corps of Engineers argumentierte jedoch gegen die Aufhebung und verwies auf den Gesamtnutzen für die Schifffahrt auf den US-Wasserstraßen. Der Gesamtnutzen der Unkrautbekämpfung auf Basis von Silvex wurde mit etwa 40 Mio. $ beziffert, das Nutzen-Kosten-Verhältnis lag bei etwa 11 zu 1. Dem stehen die unbekannten Kosten einer toxischen Substanz (Dioxin) gegenüber, deren schädliche Auswirkungen noch bewertet werden.
Der gesamte Weltmarkt für Pflanzenschutzmittel wurde im Jahr 2000 auf 31 Milliarden US-Dollar geschätzt und wird in naher Zukunft wahrscheinlich nicht wesentlich wachsen. Herbizide werden als spezielle Formulierungen verkauft, und ihr Einsatz in den Vereinigten Staaten erfolgt erst nach umfangreichen Tests und behördlicher Genehmigung. Obwohl neue Chemikalien entwickelt werden, hat die relativ statische Größe des Herbizidmarktes dazu geführt, dass sich die Zahl der agrochemischen Unternehmen (durch Fusionen und Übernahmen) verringert hat. Die Zahl der neuen Herbizide, die in Zukunft verfügbar werden, wird wahrscheinlich gering sein.