The "Kleingewässer-Monitoring" (KgM)
Today's agriculture heavily relies on pesticides to manage diverse pests and maximise crop yields. Despite elaborate regulation of pesticide use based on a complex environmental risk assessment (ERA) scheme, the widespread use of these biologically active compounds has been shown to be a threat to the environment. For surface waters, pesticide exposure has been observed to exceed safe concentration levels and negatively impact stream ecology leading to the question whether current ERA schemes ensure a sustainable use of pesticides. To answer this, the large-scale "Kleingewässer-Monitoring" (KgM) assessed the occurrence of pesticides and related effects in 124 streams throughout Germany, Central Europe, in 2018 and 2019. Based on five scientific publications originating from the KgM, this thesis evaluated pesticide exposure in streams, ecological effects and the regulatory implications. More than 1,000 water samples were analysed for over 100 pesticide analytes to characterise occurrence patterns (publication 1). Measured concentrations and effects were used to validate the exposure and effect concentrations predicted in the ERA (publication 2). By jointly analysing real-world pesticide application data and measured pesticide mixtures in streams, the disregard of environmental pesticide mixtures in the ERA was evaluated (publication 3). The toxic potential of mixtures in stream water was additionally investigated using suspect screening for 395 chemicals and a battery of in-vitro bioassays (publication 4). Finally, the results from the KgM stream monitoring were used to assess the capability to identify pesticide risks in governmental monitoring programmes (publication 5). The results of this thesis reveal the widespread occurrence of pesticides in non-target stream ecosystems. The water samples contained a variety of pesticides occurring in complex mixtures predominantly in short-term peaks after rainfall events (publications 1 & 4). Respective pesticide concentration maxima were linked to declines in vulnerable invertebrate species and exceeded regulatory acceptable concentrations in about 80% of agricultural streams, while these thresholds were still estimated partly insufficient to protect the invertebrate community (publication 2). The co-occurrence of pesticides in streams led to a risk underestimated in the single substance-oriented ERA by a factor of about 3.2 in realistic worst-case scenarios, which is further exacerbated by a high frequency at which non-target organism are exposed to pesticides (publication 3). Stream water samples taken after rainfall caused distinct effects in bioassays which were only explainable to a minor extent by the many analytes, indicating the relevance of unknown chemical or biological mixture components (publication 4). Finally, the regulatory monitoring of surface waters under the Water Framework Directive (WFD) was found to significantly underestimate pesticide risks, as about three quarters of critical pesticides and more than half of streams at risk were overlooked (publication 5). Essentially, this thesis involves a new level of validation of the ERA of pesticides in aquatic ecosystems by assessing pesticide occurrence and environmental impacts at a scale so far unique. The overall results demonstrate that the current agricultural use of pesticides leads to significant impacts on stream ecology that go beyond the level tolerated under the ERA. This thesis identified the underestimation of pesticide exposure, the potential insufficiency of regulatory thresholds and the general inertia of the authorisation process as the main causes why the ERA fails to meet its objectives. To achieve a sustainable use of pesticides, the thesis proposes substantial refinements of the ERA. Adequate monitoring programmes such as the KgM, which go beyond current government monitoring efforts, will continue to be needed to keep pesticide regulators constantly informed of the validity of their prospective ERA, which will always be subject to uncertainty. ; Die heutige Landwirtschaft ist in hohem Maße auf den Einsatz von Pestiziden angewiesen, um verschiedene Schädlinge zu bekämpfen und die Ernteerträge zu maximieren. Trotz detaillierter Vorschriften für den Einsatz von Pestiziden, die auf einem komplexen System der Risikobewertung beruhen, hat sich gezeigt, dass der weit verbreitete Einsatz dieser biologisch aktiven Substanzen eine Gefahr für die Umwelt darstellt. In Oberflächengewässern wurde beobachtet, dass die Pestizidbelastung die als noch umweltverträglich angesehenen Konzentrationen übersteigt und sich negativ auf die Ökologie der Fließgewässer auswirkt, was die Frage aufwirft, ob die derzeitige Risikobewertung einen nachhaltigen Einsatz von Pestiziden gewährleistet. Um diese Frage zu beantworten, hat das umfassende "Kleingewässer-Monitoring" (KgM) in den Jahren 2018 und 2019 das Vorkommen von Pestiziden und die damit verbundenen ökologischen Auswirkungen in 124 Fließgewässern in ganz Deutschland untersucht. Basierend auf fünf wissenschaftlichen Publikationen, die aus dem KgM hervorgegangen sind, werden in dieser Arbeit die Pestizidbelastung in Fließgewässern, die ökologischen Auswirkungen und die regulatorischen Implikationen bewertet. Mehr als 1000 Wasserproben wurden auf über 100 Pestizid-Analyten untersucht, um das Vorkommen zu charakterisieren (Publikation 1). Die gemessenen Konzentrationen und Auswirkungen wurden zur Validierung der in der Risikobewertung vorhergesagten Umweltkonzentrationen und Wirkungschwellen verwendet (Veröffentlichung 2). Durch die gemeinsame Analyse von realen Pestizidanwendungsdaten und gemessenen Pestizidmischungen in Fließgewässern wurde die Missachtung von Pestizidmischungen in der Umwelt in der Risikobewertung beurteilt (Veröffentlichung 3). Das Risikopotenzial von Mischungen in Fließgewässern wurde zusätzlich mit Hilfe eines Verdachtsscreenings für 395 Chemikalien und einer Batterie von In-vitro-Bioassays untersucht (Publikation 4). Schließlich wurden die Ergebnisse des KgM verwendet, um die Eignung staatlicher Monitoringprogramme zur Identifizierung von Pestizidrisiken in Oberflächengewässern zu bewerten (Publikation 5). Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen das weit verbreitete Vorkommen von Pestiziden in den Nichtzielökosystemen der Fließgewässer. Die Wasserproben wiesen eine Vielzahl von Pestiziden auf, die in komplexen Mischungen vor allem in kurzzeitigen Spitzenwerten nach Niederschlagsereignissen auftraten (Veröffentlichungen 1 & 4). Die jeweiligen Höchstwerte der Pestizidkonzentration wurden mit dem Rückgang empfindlicher Wirbellosenarten in Verbindung gebracht und überstiegen in etwa 80 % der landwirtschaftlich geprägten Fließgewässer die gesetzlich zulässigen Konzentrationen, welche als Schwellenwerte zum Teil noch als unzureichend für den Schutz der Wirbellosengemeinschaft angesehen wurden (Publikation 2). Das gleichzeitige Vorkommen von Pestiziden in Fließgewässern führte zu einem Risiko, das in der auf eine einzelne Substanzen ausgerichteten Risikobewertung in realistischen Worst-Case-Szenarien um einen Faktor von etwa 3,2 unterschätzt wurde. Dies wird durch die hohe Häufigkeit, mit der Nichtzielorganismen den Pestiziden ausgesetzt sind, weiter verstärkt (Veröffentlichung 3). Wasserproben, die nach Regenfällen entnommen wurden, verursachten in den Bioassays deutliche Effekte, die nur zu einem geringen Teil durch die vielen detektierten Analyten erklärbar waren, was auf die Relevanz unbekannter chemischer oder biologischer Mischungskomponenten hinweist (Publikation 4). Schließlich wurde festgestellt, dass die behördliche Überwachung von Oberflächengewässern gemäß der Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) die Risiken von Pestiziden erheblich unterschätzt, da hier etwa drei Viertel der kritischen Pestizide und mehr als die Hälfte der gefährdeten Gewässer übersehen worden wären (Veröffentlichung 5). Im Wesentlichen liefert diese Arbeit eine neue Ebene der Validierung der Risikobewertung von Pestiziden in aquatischen Ökosystemen, indem das Auftreten von Pestiziden und ihre Auswirkungen auf die Umwelt in einem bisher einzigartigen Maßstab bewertet werden. Die Ergebnisse zeigen generell, dass der derzeitige landwirtschaftliche Einsatz von Pestiziden zu erheblichen Auswirkungen auf die Fließgewässerökologie führt, die über das von der Risikobewertung tolerierte Maß hinausgehen. In dieser Arbeit wurden die Unterschätzung der Pestizidexposition, die potenzielle Unzulänglichkeit der gesetzlichen Schwellenwerte und die allgemeine Trägheit des Zulassungsverfahrens als Hauptursachen dafür ermittelt, dass entsprechende gesetzlich verankerte, ökologische Zielsetzungen momentan erwiesenermaßen nicht erreicht werden. Um einen nachhaltigen Einsatz von Pestiziden zu gewährleisten, schlägt die Arbeit wesentliche Änderungen der Risikobewertung vor. Monitoringprogramme wie das KgM, die über die derzeitigen staatlichen Überwachungsbemühungen hinausgehen, werden weiterhin erforderlich sein, um die Regulierungsbehörden für Pestizide ständig über die Gültigkeit ihrer prospektiven Risikobewertung zu informieren, die immer mit Unsicherheiten behaftet sein wird.
