Entwicklung eines Pflanzenschutzmittels

Ein Prüfmarathon
für die Sicherheit

Entwicklung eines Pflanzenschutzmittels - Ein Prüfmarathon für die Sicherheit
Entwicklung eines Pflanzenschutzmittels - Ein Prüfmarathon für die Sicherheit
Moderne Pflanzenschutzmittel sichern weltweit landwirtschaftliche Erträge. Hinter ihrer Entwicklung steckt ein jahrelanger Prozess. Die Marktreife erhalten sie erst, wenn ihre Wirksamkeit geprüft und alle Sicherheitsvorschriften erfüllt sind.

Getreide-, Gemüse- und Obstpflanzen haben es schwer: Unkräuter machen ihnen Nährstoffe, Licht und Platz streitig, gefräßige Insekten beißen und saugen an ihren Organen und Schadpilze zerstören Blätter und Stängel. Um die Kulturpflanzen der Welt zu schützen, entwickeln Forscher von Bayer deshalb innovative Pflanzenschutzmittel: maßgeschneiderte Lösungen, die weltweit Ernteerträge sichern. Sie sind ein wichtiger Bestandteil, um hochwertige und erschwingliche Nahrungsmittel zu produzieren, und ermöglichen es den Menschen in unserer vernetzten Welt, fast jedes Lebensmittel zu jeder beliebigen Jahreszeit zu genießen. Aber auch in ärmeren Regionen der Welt profitieren die Menschen von den Vorteilen des Pflanzenschutzes – Millionen sichert er dort Ernten und bewahrt sie vor Armut.

Ein Prüfmarathon für die Sicherheit
Ein Prüfmarathon für die Sicherheit
Eine Substanz geht durch ungezählte Versuche, wie z. B. Löslichkeitstests, bevor sie auf den Markt gebracht werden kann.

Doch die Forscher von Bayer stehen vor einer schwierigen Mission: Einerseits müssen die neuen Produkte gezielt gegen Schadorganismen wirken. Andererseits sollen sie aber für Mensch und Umwelt unbedenklich sein. Chemiker und Biologen arbeiten deshalb ständig an effektiven Wirkmechanismen, die hohe Sicherheitsstandards für Mensch und Umwelt erfüllen. „Es vergeht viel Zeit, bis ein neues Produkt reif ist für die Vermarktung“, sagt Adrian Percy, Leiter Forschung und Entwicklung der Agro-Division Crop Science von Bayer. Bis zu zehn Jahre dauert es von den ersten Tests im Labor über Freilandversuche bis hin zur amtlichen Zulassung. Die anfallenden Kosten für die Entwicklung eines neuen Produkts betragen rund 200 Millionen Euro. Denn die Forscher müssen Tausende von Substanzen analysieren. Doch im Durchschnitt schafft es nur eine von mehr als 100.000 getesteten Verbindungen bis zum fertigen Produkt. „Im Chemielabor synthetisieren wir zunächst Tausende neue Moleküle“, erklärt Percy. Um die Suche nach innovativen Wirkstoffen zu verbessern, hat Bayer deshalb eine Technologieplattform eingerichtet. Sie kombiniert neue biochemische Prüfsysteme, Hochdurchsatzverfahren und wissenschaftliche Rechensysteme. In vollautomatischen Mikro-Screenings lassen sich so bereits geringste Substanzmengen auf ihre Wirksamkeit testen. Und dank miniaturisierter Gewächshaus-Testverfahren können mehrere hunderttausend Substanzen pro Jahr untersucht werden. So müssen die Forscher nur die vielversprechendsten Verbindungen anschließend genauer unter die Lupe nehmen. „Das Spannende ist dann zu sehen, ob sich unsere auch bei der biologischen Prüfung im Gewächshaus bewähren“, sagt Percy. „Wenn die Wirkung noch nicht gut genug ist, müssen wir die Moleküle weiter optimieren und schauen, was wir verändern können, um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen.“

Portrait Adrian Percy

Im Durchschnitt schafft es nur eine von mehr als 100.000 getesteten Verbindungen bis zum fertigen Produkt.

Dr. Adrian Percy leitet seit August 2014 die Forschung und Entwicklung der Division Crop Science von Bayer.
200

Millionen Euro fallen für die Entwicklung eines neuen Pflanzenschutzmittels an.

Molekülsammler

Dafür können die Bayer-Forscher auf eine umfangreiche Substanzbibliothek zurückgreifen. „Dort lagern wir rund 2,5 Millionen historische und aktuelle Forschungssubstanzen“, erklärt Mark Drewes, Leiter der Forschungslogistik bei Crop Science. Er und seine Kollegen hüten die riesige Molekülsammlung in der Zentrale von Crop Science in Monheim am Rhein. Auf Knopfdruck werden Probenfläschchen rasend schnell eingelagert, abgerufen und bei Bedarf an die biologischen Forschungsinstitute in Monheim, Frankfurt am Main oder Lyon geliefert.

Mark Drewes leitet die Substanzbibliothek in der Zentrale der Division Crop Science von Bayer in Monheim.

Haben die Forscher eine vielversprechende Leitsubstanz gefunden, läuft ein echter Testmarathon an: Bei einem potenziellen Insektizid prüfen sie beispielsweise die Wirkung der neuen Verbindung auf den Stoffwechsel eines gefräßigen Schädlings. Pflanzenschutzmittel sollen aber nicht nur optimal wirken – sondern auch sicher für Anwender und Verbraucher sein. Dafür analysieren die Forscher die behandelten Pflanzen mit Hilfe hochempfindlicher Geräte auf mögliche Wirkstoffrückstände. Denn neben effektiven Strategien gegen hungrige Insekten bestimmen die Wissenschaftler auch das Abbauverhalten der Moleküle in den geschützten Pflanzen. Und bis die Nahrungsmittel auf dem Tisch der Verbraucher landen, sollen die Rückstände verschwunden sein.

Von der Idee zur Marktreife

Umweltsicherheit

Die Forscher überprüfen auch den Einfluss ihrer neuen Substanzen auf sogenannte Nichtzielorganismen: „Wir Ökotoxikologen untersuchen die Nebenwirkungen neuer Substanzen, ihrer Ab­­bauprodukte und der Verkaufsprodukte auf die Umwelt“, sagt Jürgen Keppler, Leiter der Ökotoxikologie bei Crop Science. Er und seine Kollegen überprüfen dabei auch Nichtzielorganismen wie Algen, Wasserflöhe, Regenwürmer, Milben und Bestäuber wie zum Beispiel Bienen. Sie werden so ausgewählt, dass sie jeweils die Gemeinschaften unterschiedlicher Lebensräume wie Wasser, Sediment und Boden repräsentieren. „Um mögliche Risiken bewerten zu können, testen wir die Wirkung der Produkte in unterschiedlichen Maßstäben – von Laborstudien unter weltweit angeglichenen und standardisierten Bedingungen bis zu Feldstudien, die bereits den späteren Verwendungszweck der Pflanzenschutzmittel berücksichtigen“, sagt Keppler.

In sogenannten Wirksamkeitsstudien wird unter realitätsnahen Freilandbedingungen eines natürlichen Ökosystems geforscht. Denn jeder neue Wirkstoff muss auch in der rauen Wirklichkeit zeigen, ob er hält, was er verspricht. Und bei Bayer sind die Ansprüche besonders hoch: Schließlich sollen Landwirte in aller Welt die späteren Produkte zu schätzen wissen. Deshalb werden neue Wirkstoffe von Anfang an unter unterschiedlichsten Bedingungen getestet – in der nördlichen Hemisphäre ebenso wie im Süden. Auf verschiedenen Böden und unter diversen klimatischen Verhältnissen. Doch haben die Forscher ihren neuen Wirkstoff schließlich durch die chemischen und biologischen Tests gebracht, ist noch immer nicht Schluss: Erst mit dem richtigen Mix an Hilfssubstanzen geht die Pflanzenschutz-Formel auf. „Ohne die richtige Formulierung taugt selbst der beste Wirkstoff nichts“, sagt Rolf Pontzen, Laborleiter in der Formuliertechnik bei Crop Science. „Die Formulierung sorgt dafür, dass eine Substanz optimal transportiert wird – von der wässrigen Spritzlösung bis zum Zielort in der Pflanze.“ Und nur mit der richtigen Formulierung können sich auch kleine Wirkstoffmengen über eine große Ackerfläche gleichmäßig verteilen. Neben den regionalen Unterschieden, müssen die Forscher beispielsweise auch berücksichtigen, ob eine Spritzflüssigkeit per Flugzeug oder vom Boden ausgebracht wird. Und genau wie bei einem Medikament, ist auch die optimale Darreichungsform eines Pflanzenschutzmittels wichtig: beispielsweise ob es als Granulat, Flüssigkeit oder Produkt zur Behandlung von Saatgut auf den Markt kommen soll.

Pflanzenschutz

Durch den Einsatz von Pflanzenschutz-Technologien lassen sich höhere Erträge erzielen: 20-50 % bei Gemüse, 60-70 % bei Getreide und 75 % bei Kartoffeln.

Bestuntersuchte Substanzen

„Pflanzenschutzmittel gehören zu den am besten untersuchten Chemikalien der Welt“, fasst Percy zusammen. Computersimulationen, Rückstandsversuche und umfangreiche ökotoxikologische Untersuchungen tragen dazu bei, dass neue Pflanzenschutzmittel höchste Sicherheitsstandards erfüllen. „Und nur dann werden sie auf den Markt gebracht“, fügt er hinzu. Denn für die moderne Landwirtschaft sind sie unverzichtbar und Voraussetzung dafür, dass weltweit weiterhin hochwertige, gesunde und erschwingliche Nahrungsmittel in Supermarktregalen und auf Marktständen angeboten werden können.

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