Imidacloprid. Een neonicotinoïde. In het Nederlands: een insecticide. Het kent een wereldwijd succes; jaarlijks wordt er 20.000 ton van geproduceerd. Plaaginsecten alsook insecten die plantenziekten overbrengen worden bijzonder effectief bestreden. Maar hier blijft het niet bij: het insecticide neemt zowat alle insectengroepen mee in het verderf. Imidacloprid is niet zomaar een insecticide; het is een superinsecticide. 

Wat voorafging

In de jaren 1940 en '50 was er een torenhoge vraag naar DDT. Dichloordiphenoltrichloorethaan is een insecticide dat tijdens de oorlogsjaren en daarna massaal werd gebruikt als bestrijdingsmiddel tegen malaria en tyfus. Beiden hebben in hun levenscyclus een fase waarbij de eencellige veroorzaker (respectievelijk Plasmodium en Rickettsia) op de mens wordt overgedragen door geleedpotigen (respectievelijk muggen en kleerluizen). DDT is dodelijk voor deze organismen. Wat men toen niet wist is dat DDT ook een heel aantal nadelige effecten heeft op het milieu: het veroorzaakt kanker en is een ernstige bedreiging voor fauna, voornamelijk vogels. Onder andere de Amerikaanse zeearend (Haliaeetus leucocephalus), het nationale symbool van de Verenigde Staten, kwam zelfs op het randje van uitsterven te staan. Het Amerikaanse verbod op DDT in 1972 kon dit verhinderen en sinds 2004 staat de soort op de IUCN Red List weer geclassificeerd als niet-bedreigd (least concern). Hoewel al enkele decennia verboden in de meeste landen (behalve in India, een aantal ontwikkelingslanden en - natuurlijk - Noord-Korea) is DDT-vervuiling tot op heden nog erg wijd verspreid.

Lesje niet geleerd

In de jaren 1990 werden neonicotinoïden geïntroduceerd als nieuwe, systematische insecticiden. Deze nieuwe-generatie superinsecticiden verhinderen de normale werking van de acetylcholine (ACh) neurotransmittor. Normaal gezien komt aan het uiteinde van een zenuwcel ACh vrij als reactie op een (elektrische) prikkel. De ruimte waarin ACh terechtkomt is de synaptische spleet. Een volgende cel kan worden geactiveerd door ACh door zich te binden aan een ACh-receptor. Betreft het een zenuwcel, wordt er een elektrisch signal opgewekt. Bij een spiercel vindt spiercontractie plaats. Zo’n pulsoverdracht van zenuwcellen naar spiercellen is verantwoordelijk voor maag- en darmcontracties, om een concreet voorbeeld te geven.

Als een neonicotinoïde werkt imidacloprid antagonistisch op de (nicotinerge) ACh-receptoren van insecten, met als logisch gevolg een blokkage van de zenuimpulsen. De insecten stoppen met eten, raken verlamd en sterven uiteindelijk om uiteenlopende redenen. Overigens, de 'bindplek' (binding site) aan ACh-receptoren bij insecten is anders dan die bij zoogdieren; gelukkig voor ons. Maar daarmee is de kous niet af, geenszins.

Al snel na het introduceren van dit nieuwe type insecticide ontstond de vrees dat residuen van neonicotonoïden in pollen en nectar schadelijk zouden zijn voor honingbijen (Apis mellifera). Die vrees bleek niet ongegrond. Meer nadelige effecten van imidacloprid werden vastgelegd: mortaliteit van de aquatische ringworm Lumbriculus variegatus, kortere levensduur van de steenvlieg Pteronarcys dorsata, fysiologische en gedragsveranderingen bij eendagsvliegen en ringwormen, en ga zo maar door.

Utrecht Universiteit

Drie onderzoekers van het Copernicus Institute of Sustainable Development van de Utrechtse universitaire instellingen beten zich vast in de problematiek van imidacloprid en richtten zich specifiek op het oppervlaktewater. Met behulp van data van de jaren 1998 en 2003 tot 2009 kunnen Tessa Van Dijk, Marja Van Staalduinen en Jeroen Van der Sluijs ons enkele rake waarnemingen voorschotelen.

Een eerste belangrijke vaststelling is dat in bijna de helft van het aantal gemeten locaties (801 in totaal) te veel imidacloprid in het water zit. Ten tweede bestaat er een negatieve relatie tussen soortsabundantie en de concentratie van imidacloprid voor alle soorten vlokreeftjes, libellen en waterjuffers, tweevleugeligen, eendagsvliegen, pissebedden en slakken die in deze soorten werden opgenomen. Tot ieders verbazing is het omgekeerde waar voor watermijten; zij lijken net voordeel te hebben aan het de chemicaliën.

Voedselketenproblematiek

Een recent Japans onderzoek toonde experimenteel aan dat onder invloed van imidacloprid het aantal soorten zooplankton naar beneden gaat, waardoor vissen hoger in de voedselketen worden aangetast in juveniele en volwassen groei. Ook andere studies bevestigden de negatieve invloed van imidacloprid op de voedselketen.

Normen oppervlaktewater

In het onderzoeksartikel wordt best wat aandacht besteed aan de milieukwaliteitsnormen voor het oppervlaktewater (environmental risk limits) die werden vastgesteld voor imidacloprid, en dan vooral aan het overschrijden van deze normen. Het maximaal toelaatbaar risiconiveau (MTR) is de norm die het meeste van tel is, gedefinieerd als de concentratie van een stof in het water, sediment, bodem of lucht waar beneden geen negatief effect is te verwachten. Geen negatief effect valt dan blijkbaar relatief op te vatten, want theoretisch geldt er voor het ecosysteem een beschermingsniveau is van 95%. Met andere woorden, 5% van de soorten kan schade ondervinden. Voor imidacloprid is de MTR-norm 13 ng/L, maar - zo blijkt uit het Utrechtse onderzoek - zelfs onder deze grens heeft imidacloprid nog schadelijke effecten op de insectenrijkdom in het water. In bijna de helft van de ruim 9.000 waterstalen werd deze MTR-norm overschreden. De hoogste gemeten waarde van imidacloprid in oppervlaktewater was 320 µg/L (een waterstaal uit Noordwijkerhout, Zuid-Holland). Haal er gerust een rekenmachine bij; dit is een slordige 24.600 keer meer dan de MTR-norm. 

Het is duidelijk dat een (internationaal) debat over imidacloprid en andere neonicotinoïde-insecticiden nodig is. De onderzoekers willen duidelijk maken dat dit erg breed werkende superinsecticide ernstige gevolgen heeft voor de globale insectenrijkdom van onze planeet. En hoewel we deze zespotigen (subphylum Hexapoda, Insecta) maar al te vaak als onze vijanden beschouwen, vervullen zij enkele onvervangbare ecosysteemdiensten. Zo bestuiven ze onze gewassen en zijn het bestrijders van schadelijke dieren. Denk maar aan de lieveheersbeestjes die zich voeden met schadelijke bladluizen (maar vergeet in dit kader even het Aziatische lieveheersbeestje). Honing, bijenwas en zijde zijn andere tastbare producten van belangrijke waarde voor onze huidige economie.   

Europese beperkingen

Omdat we - na de onaangename DDT-ervaring - opnieuw een heleboel biodiversiteit op het spel zetten voor ochot, ocharme een handjevol plaaginsecten waar de landbouw mee worstelt, lijkt een internationaal verbod geen overbodige luxe. In Frankrijk, Duitsland en Slovenië bestaat zo'n verbod intussen en in april besliste de Europese Commissie al dat de overige EU-lidstaten beperkingen moeten invoeren op het gebruik van neonicotinoïden. Dit gebeurde op basis van een wetenschappelijk rapport van de Europese Autoriteit voor voedselveiligheid (European Food Safety Authority, EFSA). Enerzijds mogen de neonicotinoïden in kwestie (imidacloprid, clothianidin en thiametoxam) niet langer gebruikt worden voor gewassen die aantrekkelijk zijn voor bijen. Anderzijds is er het verbod om ze te gebruiken in perioden waarin de bijen actief zijn. Het gebruik van neocotinoïden wordt daarenboven beperkt tot professionelen; particulieren zullen niet langer superinsecticiden vinden in de handel.

Uiteraard barst de discussie pas nu echt los. Bayer en Syngenta, twee grote produceren van zulke pesticiden, reageerden al snel negatief op de nieuwe spelregels. Bayer ontkent in een persbericht dat de neonicotinoïde-chemicaliën de bijen zouden schaden. Syngenta, op haar beurt, meent dat er ernstige tekortkomingen zijn in het eerder genoemde wetenschappelijke rapport van de EFSA. Zoals zo vaak zal er een evenwicht moeten gezocht worden tussen economische en ecologische belangen. 

Bronnen:

- Hayasaka D, Korenaga T, Suzuki K, Saito F, Sánchez-Bayo K& K Goka 2012. Cumulative ecological impacts of two successive annual treatments of imidacloprid and fipronil on aquatic communities of paddy mesocosms. Ecotoxicology and Environmental Safety 80: 355-362.

- Krupke CH, Hunt GJ, Eitzer BD, Andino G & K Given 2012. Multiple routes of pesticide exposure for honey bees living near agricultural fields. PLoS ONE 7 (1): e29268.

- Van Dijk TC, Van Staalduinen MA & JP Van der Sluijs 2013. Macro-invertebrate decline in surface water polluted with imidacloprid. PLoS ONE 8 (5): e62374.

Geschreven in Wetenschap , Biodiversiteit | 0 Reacties | Vaste link | Afdrukken

Een belangrijke momentopname in het ontstaan van de huidige afvalmaatschappij was het magazine LIFE, editie 1955. Hierin stond het artikel Throw away living, de impuls die de wereldeconomie nodig had na Wereldoorlog II. Mensen werden aangespoord veel te kopen en het zo snel mogelijk weer weg te gooien. Het werkte. Nog steeds. In bijna zestig jaar tijd hebben we ons hele leven ingepakt in plastic; iedere handeling, elke activiteit heeft wel iets met het goedje. Wat men in de jaren 50 niet besefte is dat plastic niet vanzelf afbreekt tot CO₂ en water. Plastic blijft plastic, of het worden hele kleine stukjes zogenaamde “microplastics”, we geraken er in elk geval niet van af. Na vele omzwervingen komt al dat plastic, door het lage gewicht en de typische vormgeving van bijvoorbeeld plastic zakjes, uiteindelijk in rivieren of direct in de zee/oceaan terecht.

De zee heeft dus een groot probleem: het plastic eiland (of plastic soup). Sommigen beseffen helaas nog niet wat de draagwijdte is van dit probleem. Anderen denken dan weer dat het een echt eiland van plastic is. In werkelijkheid gaat het over een heuse soep van water en grotendeels piepkleine plastic deeltjes. De schattingen over de grootte van het eiland in de noordelijke Stille Oceaan (in het Engels: Great Pacific Garbage Patch) lopen sterk uiteen en gaan van 700.000 tot meer dan 15 miljoen km². Dit gaat dan nog maar over één van de vijf plastic eilanden. De vier anderen bevinden zich in de zuidelijke Stille Oceaan, in het noorden en zuiden van de Atlantische Oceaan en in de Indische Oceaan.

Gevolgen voor zeedieren
Onder invloed van het licht en de omgeving valt al het plastic aanwezig in zo’n drijvende vuilnisbelt uiteen in microplastics (< 0,3 mm) die met het blote oog onzichtbaar zijn, maar wel een groot effect op het ecosysteem hebben. Ze kunnen opgenomen worden in de weefsels van mariene organismen waardoor chemische stoffen zich dus meer en meer opstapelen in de voedselketen. Vissen en andere zeedieren zien het verschil niet tussen de microplastics en hun normale voedsel (plankton). Onderzoek wijst uit dat jaarlijks 12 to 24 duizend ton (!) plastic afval in de magen van vissen terechtkomt. De microplastics worden ook door vogels aangezien voor eten. Na consumptie van het plastic duurt het één maand tot twee jaar voordat het plastic weer uit het lijf van het dier is. Al deze tijd zit het plastic in het lichaam van het dier, waardoor het minder goed voedsel kan opnemen en ook het hongergevoel wordt weggenomen. Niet alleen zit er veel gif in plastic, maar ook kankerverwekkende gifstoffen die in het water voorkomen (door menselijk toedoen) kunnen zich vasthechten aan de planktongrote plasticpartikels. Schildpadden tenslotte denken dat plastic tasjes kwallen zijn en raken er – vaak dodelijk – in verstrikt. Jaarlijks sterven in totaal meer dan honderdduizend zeezoogdieren aan de gevolgen van de plastic soep.

Microplastics worden vaak bewust als zodanig geproduceerd door bijvoorbeeld makers van een heleboel verzorgingsproducten. Deze plastic deeltjes worden aan het product toegevoegd en vervullen een schuurfunctie om dode huidcellen te verwijderen. Scrubs, peelings, douchegels en zelfs sommige tandpasta’s bevatten microplastics. (Stichting De Noordzee heeft hieromtrent een goede actie lopen trouwens.)

Na meer dan een halve eeuw throw away economy wordt het tijd voor een nieuwe impuls; op zoek dus naar een (natuurlijk) alternatief voor plastic.

Shrilk, een aardig staaltje biomimicry
Harvardonderzoekers lieten zich inspireren door de cuticula, het uitwendige skelet van insecten. Deze meerlagige structuur bestaat voornamelijk uit chitine, een polysacharide samengesteld uit N-acetylglucosamine units, samen met proteinen, lipiden, en catecholamines.

Het nieuwe materiaal shrilk is opgebouwd uit twee basiselementen: chitosan en fibroine. Chitosan is een variatie van chitine (bij insecten, kreeften en garnalen = shrimps), fibroine is het dominante eiwit in zijde (silk). Deze twee basisingrediënten gewoon combineren is nochtans niet voldoende geweest. Er zijn wat architecturale aanpassingen moeten gebeuren. De onderzoekers hebben hiervoor het natuurlijke basisontwerp bestudeerd: bij insecten is de cuticula een gelaagde structuur, wat sterkte en stijfheid geeft. Deze gelaagdheid was dus ook nodig om het nieuwe materiaal te kunnen maken. Het nabootsen van de natuurlijke situatie, oftewel biomimicry, was een cruciale stap in de productie van shrilk.

Shrilk is zo sterk als aluminium, maar weegt slechts de helft en is 100% biologisch afbreekbaar. Daarenboven is het ook nog eens een stuk goedkoper om te maken. Door te variëren met water, kan de flexibiliteit van het materiaal worden vastgelegd. Zo hebben de researchers een volledig synthetische insectenvleugel gebouwd, waarbij de meeste delen hard zijn maar de gewrichten dan weer erg flexibel.

Onbeperkte mogelijkheden
Volgens Javier Fernandez, een van de betrokken onderzoekers, is dit ‘de tweede kans voor natuurlijke materialen.’ Shrilk heeft inderdaad een groot potentieel. Chitine is een van de meest voorkomende materialen in de natuur; het is te vinden bij verschillende diergroepen, van garnalen tot slakken, tweekleppigen en insecten.

De onderzoekers hopen tenslotte dat het nieuwe materiaal een toekomstig milieuvriendelijker alternatief kan worden voor plastic. Nu al is er interesse vanuit verschillende hoeken voor mogelijke toepassingen. We denken onder andere aan luiers die uit zichzelf vergaan en beschermende medische verbanden voor brandwonden en/of andere verwondingen. Omdat shrilk volledig biodegradeerbaar is kunnen de basiscomponenten zelfs als meststof ingezet worden ter verrijking van de bodem.

Waste equals food
In de zogenaamde levenscyclusanalyse, waarbij de totale belasting op het milieu van een product wordt bepaald gedurende de hele levenscyclus, is de impact zodoende gereduceerd tot nul. Dit staat gelijk aan de natuurlijke waste equals food cyclus. Afval wordt gebruikt als voedsel [compost] voor nieuwe producten [bomen en planten]. Het systeem is gesloten, de cirkel is compleet, het ecologisch verantwoorde plaatje klopt. Ziezo, probleem opgelost.    

Bronnen:

- Fernandez JG & DE Ingber 2012. Unexpected strength and toughness in chitosan-fibroin laminates inspired by insect cuticle. Advanced Materials 24 (4): 480-484.

- Noyons AC 2010. Sustainability, the future & the plastic soup. Worm 2009/2010 (5): 25-35. Magazine of Gentse Biologische kring, University of Gent, Belgium.

- Powell A 2012. As strong as an insect’s shell. Harvard Gazette 107 (8): 6.

Geschreven in Wetenschap , Biodiversiteit | 0 Reacties | Vaste link | Afdrukken

Dag 3 in Cambridge, Massachusetts. Dat Harvard University mijn leven zal veranderen wordt duidelijk vanaf de eerste dag: een bomvolle agenda is mijn deel. Het leven gaat hier in sneltreinvaart en ik voel me als op een boemeltrein; ik kan (nog) niet goed volgen. Vandaag moet ik de labmeeting versterken met mijn aanwezigheid. Zonder labervaring lijkt me dat weinig zinvol maar flexibel als ik ben sta ik om 12u00 netjes aan de conference room. De lunch – een salade à la manière de Danny – wordt vergezeld van een presentatie over de invloed van stikstof op biodiversiteit. En zo krijg ik mijn langverwachte lichte kost en een niet te mijden, ietwat gevreesde zware kost op nuchtere maag.  

Het element stikstof (N) kent vele toepassingen, in kunstmeststoffen, explosieven, kleurstoffen, enzovoort. Het wordt geproduceerd bij het verbranden van fossiele brandstoffen en in dierlijke mest (intensieve veehouderij). Stikstof komt gemakkelijk in de lucht terecht en kan na een tijdje gaan ‘neerregenen’ op gebieden die strikt genomen onaangetast zijn door mensen. Zo zijn er de tropische regenwouden, waarvan sommige nog nooit werden betreden. Deze en andere ‘hotspots van biodiversiteit’ hebben het afgelopen decennium een stikstofafzet gekend van meer dan 50% dan het gemiddelde. Hierdoor zijn er veel veranderingen in de nutriëntensamenstelling van de bodem, waardoor plantengemeenschappen in vele gebieden in gevaar komen, of dat al zijn.

Graslandonderzoek in de Verenigde Staten (Minnesota) heeft aangetoond dat het aantal plantensoorten is gedaald met 17% ten gevolge van een stikstofvervuiling vergelijkbaar met de geïndustrialiseerde wereld.

In 2001 werden binnen de EU nationale emissieplafonds afgesproken - dus maximale hoeveelheden uitstoot van stikstof. Het schrijnende is dat ecosystemen veel gevoeliger zijn aan low level stikstof dan aan high level stikstof. Een recente studie toont aan dat de meeste plantensoorten die verdwijnen na het toevoegen van grote hoeveelheden stikstof aan het systeem, ook verdwijnen bij kleinere hoeveelheden. Het verlies van biodiversiteit is dus het sterkst na de eerste toevoeging van stikstof, hoe klein die toevoeging ook is. Dat betekent, zo denkt de pessimist in mij enkele stappen verder, dat het kwaad geschied is. ’t Is gebeurd, we kunnen niet meer terug. Redden wat te redden valt.

Terug naar de conference room. Het voorgestelde onderzoek toont grafieken, datasheets, formules, nog meer datasheets en tabellen, maar poogt vooral hetzelfde aan te tonen voor schimmels. En het ziet ernaar uit dat dit ook zal lukken: de resultaten zijn treffend. Ondertussen is mijn salade op en moet ik de labmeeting noodgedwongen verlaten om een volgende afspraak te halen. Dat wordt weer rennen!

Geschreven in Wetenschap , Biodiversiteit | 0 Reacties | Vaste link | Afdrukken