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Überwachung und Risikoanalyse von Pestizidrückständen, die durch unbemanntes Sprühen aus der Luft verursacht werden

Jan 24, 2024Jan 24, 2024

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 10834 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Ziel dieser Studie war es, die Resteigenschaften von Pestiziden zu untersuchen, die durch unbemannte Luftsprays in Abhängigkeit von Pufferstreifen, Windschutz und morphologischen Merkmalen von Nichtzielkulturen verweht werden, Vorschläge zur Verhinderung der Verdriftung vorzuschlagen und schließlich eine Risikoanalyse für Pestizide durchzuführen, die den maximalen Rückstandsgrenzwert überschreiten (MRL) oder einheitlicher Wert (0,01 mg/kg) des Positivlistensystems (PLS). Nach dem UAV-Sprühen wurden in Boryeong, Seocheon und Pyeongtaek rund um den aus der Luft besprühten Bereich (Rohreis) Nichtzielpflanzen gesammelt. Wenn in mehr als drei Proben Pestizide nachgewiesen wurden, wurde der Mehrbereichstest von Duncan durchgeführt. In Fällen, in denen Pestizide nur in zwei Proben nachgewiesen wurden, wurde ein unabhängiger Proben-T-Test durchgeführt (p < 0,05). Die Abdriftrate von Pestiziden nimmt tendenziell um bis zu 100 % ab, wenn der Pufferabstand zur aus der Luft besprühten Fläche zunimmt oder wenn zwischen zwei Standorten ein Windschutz, wie z. B. Mais, vorhanden ist. Somit könnte die Reduzierung von verwehten Pestiziden wirksam sein, wenn beide Faktoren in der Nähe des UAV-Sprühbereichs angewendet würden. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Rückstände an verwehten Pestiziden aufgrund der morphologischen Eigenschaften der Nutzpflanzen bei Blattgemüse wie Perillablättern oder Blatt- und Stängelgemüse wie Winterzwiebeln am höchsten waren, gefolgt von Fruchtgemüse und Kürbisgewächsen. Daher kann die Auswahl von Hülsenfrüchten oder Getreide wie Sojabohnen oder Mais als landwirtschaftliches Produkt in der Nähe des UAV-Sprühbereichs in Betracht gezogen werden, um die Drift zu minimieren. Für Pestizide, die den einheitlichen MRL- oder PLS-Wert überschreiten, liegt der Prozentsatz der akzeptablen Nahrungsaufnahme bei 0–0,81 % ohne Risiko. Darüber hinaus kann der Einsatz von Pestiziden, die sowohl für Rohreis als auch für landwirtschaftliche Produkte zugelassen sind, beim UAV-Sprühen die Fälle von Überschreitungen von MRL oder PLS wirksam minimieren. Ziel dieser Studie ist es daher, den Landwirten wirksame Leitlinien zur Abmilderung der Abdrift an die Hand zu geben. Darüber hinaus sind wir bestrebt, eine stabile und unterbrechungsfreie Nahrungsmittelproduktion zu fördern und gleichzeitig den Einsatz landwirtschaftlicher Technologien wie UAV-Sprühverfahren zu erleichtern, um Arbeitskräftemangel zu beheben und eine nachhaltige Ernährungssicherheit zu gewährleisten.

Der Einsatz von Pestiziden gilt als notwendiges Verfahren zum Schutz landwirtschaftlicher Produkte vor schädlichen Insekten und Krankheiten1, und der Gesamteinsatz von Pestiziden ist in den 2020er Jahren im Vergleich zu den 1990er Jahren2 um etwa 50 % gestiegen. Es wurden jedoch Bedenken hinsichtlich des übermäßigen Einsatzes von Pestiziden und der damit verbundenen Risiken für die menschliche Gesundheit und die Umwelt geäußert3. Darüber hinaus versuchen einige Länder, den Einsatz von Pestiziden zu reduzieren, um eine nachhaltige Intensivierung (SI) in der Lebensmittelproduktion zu erreichen, um den Bedürfnissen einer wachsenden Weltbevölkerung gerecht zu werden4.

Als Reaktion auf diese Bedenken wurden jedoch das Gesetz zur Regulierung von Agrarchemikalien5 und eine Risikobewertung6 für den sicheren Einsatz von Pestiziden eingeführt, wie dies auch in anderen entwickelten Ländern7 der Fall war. Darüber hinaus könnte SI durch Technologien wie das Internet der Dinge (IoT)8, Big Data9, künstliche Intelligenz (KI)10 und unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs)11 in der Landwirtschaft möglich gemacht werden. Insbesondere könnten sich UAVs als wirksame Alternativlösung zur Bewältigung des Arbeitskräftemangels in der Landwirtschaft erweisen, indem sie die Überwachung der Ernte und das Versprühen von Pestiziden ermöglichen12,13, da die Bevölkerung der Landwirte zurückgegangen ist, während ihr Durchschnittsalter in einigen Ländern gestiegen ist14,15,16.

Dennoch könnten beim Versprühen von Pestiziden mit UAVs die in der Luft befindlichen Pestizide durch die Luft in Nichtzielgebiete gelangen17, was zu einer unbeabsichtigten Kontamination von Menschen, Pflanzen, Tieren und der Umwelt führen18. Um die Drift von Pestiziden zu reduzieren, wurden einige Faktoren untersucht, darunter (1) meteorologische Bedingungen19 wie Windrichtung und -geschwindigkeit20, Luftfeuchtigkeit und Temperatur21; (2) UAV-Sprühbedingungen wie Sprühdruck22, Flughöhe23 und Fluggeschwindigkeit24; (3) UAV-Komponenten wie Rotor25 und Düse26,27; und (4) physikalische Eigenschaften von Sprühlösungen je nach Adjuvans28 und Formulierung29.

Im Zusammenhang mit dem Sprühen aus der Luft über Rohreisfeldern in unterschiedlichen Topografien während eines bestimmten Zeitraums in Korea wurden jedoch die Faktoren berücksichtigt, die zur Drift beitragen, einschließlich meteorologischer Bedingungen, UAV-Sprühbedingungen, UAV-Komponenten, UAV-Typen (Multikopter oder Hubschrauber) usw Die physikalischen Eigenschaften der Sprühlösung30 wurden nicht identifiziert. Darüber hinaus ist zu beachten, dass verschleppte Pestizide möglicherweise Auswirkungen auf Personen haben, die sich in der Nähe von landwirtschaftlichen Gebieten aufhalten31, und das Risiko einer Verdriftung auf Nichtzielkulturen birgt, wenn man bedenkt, dass UAVs Pestizide hauptsächlich auf Reisfeldern ausbringen32. In einem solchen Fall würden die Rückstände von Pestiziden in diesen Kulturpflanzen die Höchstrückstandsgrenzwerte (MRL) oder den einheitlichen Standard des Positivlistensystems (PLS) (0,01 mg/kg) überschreiten, was bei solchen kontaminierten Kulturpflanzen ein Risiko für die menschliche Gesundheit darstellen könnte eingenommen.

Allerdings können sich Pufferstreifen33, Windschutze34 und morphologische Merkmale35 möglicherweise auf die Rückstände von verwehten Pestiziden auswirken und sollten nach dem UAV-Versprühen untersucht werden. Obwohl Maßnahmen zur Abdriftminderung im Laufe der Zeit zu einem gewissen Rückgang der Pestizidkontamination geführt haben, bestehen weiterhin erhebliche Risiken für die menschliche Gesundheit und die Umwelt36. Daher ist es notwendig, verschleppte Pestizide unter Berücksichtigung dieser drei Faktoren zu überwachen und nach der Anwendung von UAV-Pestiziden eine Risikoanalyse durchzuführen, um eine wirksame Prävention sicherzustellen. Daher zielt diese Studie darauf ab, die folgenden Ziele zu erreichen: (1) Untersuchung der verbleibenden Eigenschaften von Pestiziden, die auf Nichtzielkulturen in der Umgebung des aus der Luft besprühten Bereichs (Rohreis) gelangt sind, unter Berücksichtigung von drei Faktoren, nämlich Pufferstreifen, Windschutz und morphologische Eigenschaften von Nichtzielkulturen; (2) Präventivmaßnahmen zur Reduzierung der Pestiziddrift umsetzen, indem verschiedene Nichtzielkulturen in der Nähe von Rohreis in drei Regionen (Boryeong, Seocheon und Pyeongtaek) in der Republik Korea überwacht werden; und (3) Durchführung einer Risikoanalyse zur Bewertung des Risikos, das von verschleppten Pestiziden in Nichtzielkulturen ausgeht, unter Verwendung der Rückstandsmengen von Pestiziden, die den Standard-MRL oder PLS (0,01 mg/kg) überschreiten.

Dinotefuran + Etofenprox 13(5 + 3) % Mikroemulsion und Azoxystrobin + Propiconaozle 18,71 (7,01 + 11,7) % Suspo-Emulsion wurden in Boryeong-si versprüht, und Dinotefuran + Etofenprox 13(5 + 3) % und Azoxystrobin + Hexaconazol 13 (12 + 1) % Suspensionskonzentrat (SC) wurden in Seocheon-gun, Chungcheongnam-do, Republik Korea, versprüht. Zusätzlich wurden in Pyeongtaek-si, Gyeonggi-do, Republik Korea, Azoxystrobin + Ferimzon 21,5(6,5 + 15) % SC und Chlorantraniliprol + Clothianidin 4,7(2,7 + 2) % SC versprüht. Zu den in dieser Studie verwendeten Testpestiziden gehören Insektizide wie Chlorantraniliprol (Diamid), Clothianidin (Neonicotinoid), Dinotefuran (Neonicotinoid) und Etofenprox (Pyrethroid) sowie Fungizide wie Azoxystrobin (Strobilurin), Ferimzone (Pyrimidin) und Hexaconazol ( Triazol) und Propiconazol (Triazol). Die Zielpestizide an jedem Standort wurden mit UAVs auf Rohreis gesprüht, wobei Landregistrierungskarten befolgt wurden, die das Sprühgebiet aus der Luft bestätigten. Die Landregistrierungskarten wurden von der National Agricultural Cooperative Federation bezogen, und dann wurden die Feldfrüchte rund um die aus der Luft besprühte Fläche mit optionalen Informationen wie der Entfernung (in Metern) und dem Windschutz zwischen den gesammelten Feldfrüchten und der aus der Luft besprühten Fläche erfasst, um den Restwert zu bestimmen Eigenschaften der verschleppten Pestizide.

Zu den gesammelten Proben gehören Chilischoten (Capsicum annuum), Kürbisse (Cucurbita pepo), Kürbisblätter, Kürbisblätter (Aralia cordata), Perillablätter (Perilla frutescens), Frühlingszwiebeln (Allium fistulosum), Tomaten (Solanum lycopersicum) und Gurken (Cucumis sativus). ), Aubergine (Solanum melongena), Pfirsich (Cucumis sativus), Apfel (Malus pumila), Traube (Vitis vinifera), Birne (Pyrus pyrifolia), Sojabohne (Glycine max), Sojabohnenblätter, Mais (Zea mays), weißblütig Kürbis (Lagenaria siceraria) und weiß blühende Kürbisblätter mit ungenießbaren Teilen, wie Maisblättern und Sesamblättern (Sesamum indicum), um die Resteigenschaften von gedrifteten Pestiziden zu bewerten (Ergänzungstabelle S1). Die gesammelten Proben wurden unmittelbar nach dem Zerkleinern und Mischen mit Trockeneis bei unter –20 °C gelagert37.

Die Proben wurden zur Überwachung der Pestiziddrift durch UAV-Sprays mit Zustimmung der Landwirte gesammelt. Darüber hinaus wurden alle Methoden, von der Probenentnahme bis zur Analyse der restlichen Pestizide, in Übereinstimmung mit den relevanten Richtlinien und Vorschriften des National Institute of Agricultural Sciences (NAS) und des Ministry of Government Legislation (MOLEG) durchgeführt.

Referenzmaterialien (RM) für Etofenprox (Reinheit > 99,0 %), Hexaconazol (Reinheit > 98,7 %) und Propiconazol (Reinheit > 98,5 %) wurden von Dr. Ehrenstrofer GmbH (Augsburg, Deutschland) bezogen und mit einer Präzisionswaage (Neu) gewogen Jersey, USA) zur Herstellung der Stammlösung. Azoxystrobin, Clothianidin, Chlorantraniliprol, Dinotefuran, (E)-Ferrimzon, (Z)-Ferrimzon und 1000 mg/L Stammlösung wurden von Accustandard (New Haven, USA) bezogen. Acetonitril und Methanol in LiChrosolv-Qualität wurden von Merk (Darmstadt, Deutschland) bezogen. QuEChER EN-Paket (Kat.-Nr. 5982-5650) und dispersives SPE (Kat.-Nr. 5982-5021) wurden von Agilent Technologies (Kalifornien, USA) bezogen. Entionisiertes Wasser wurde zusammen mit Autwomatic Plus 1 + 2 von Waaserlab (de Navarra, Spanien) verwendet. Ameisensäure (Reinheit > 98,0 %) wurde von Merk (Darmstadt, Deutschland) bezogen. Die verwendete Extraktionsmaschine war der 2010 Geno/Grinder von SPEX SamplePrep (Metuchen, USA) und der Vortex-Mischer war Vortex-Genie 2 von Scientific Industry (New York, USA). Schließlich stammte die Zentrifuge von Hanil Science (Incheon, Korea).

Um 1.000 mg/L Stammlösungen von Pestiziden herzustellen, wurde jeder RM unter Berücksichtigung der Reinheit des RM mit einer Präzisionswaage gewogen. So wurden 20,26 mg Etofenprox, 20,20 mg Hexaconazol und 20,30 mg Propiconazol in 20 ml Methanol gelöst. Jede Stammlösung wurde mit Acetonitril auf Konzentrationen im Bereich von 0,005 bis 100 mg/L verdünnt. Diese Konzentrationen wurden zur Darstellung der Regressionskurve und zur Durchführung des Erholungstests verwendet.

Die Probenvorbereitung erfolgte nach der QuEChERS-Methode38. Die Proben (10 g) wurden in ein konisches 50-ml-Zentrifugenröhrchen (FalcornTM, USA) gegeben und mit Acetonitril (10 ml) 5 Minuten lang bei 1300 U/min geschüttelt. Anschließend wurde die Probe erneut unter den gleichen Bedingungen mit Magnesiumsulfat (4 g), Natriumchlorid (1 g), Trinatriumcitrat-Dihydrat (1 g) und Dinatriumhydrogencitrat-Sesquihydrat (0,5 g) (QuEChERS EN-Extraktionspaket) geschüttelt. Die Mischung wurde 5 Minuten lang bei 3500 U/min zentrifugiert und der Überstand (1 ml) in ein dispersives Festphasenextraktionsröhrchen (d-SPE) gegeben, das Magnesiumsulfat (150 mg) und primäres sekundäres Amin (PSA) (25 mg) enthielt ) zum Aufräumen. Anschließend wurde das Röhrchen 30 s lang gevortext. Die gereinigte Lösung wurde nach 5-minütiger Zentrifugation bei 12.000 U/min mit einem Spritzenfilter (PTFE, 13 mm, 0,22 µm) filtriert. Der Überstand wurde dann im Verhältnis 50:50 (v/v) mit Acetonitril gemischt, um eine auf die Matrix abgestimmte Probe zu erhalten, die mit LC-MS/MS gemäß Ergänzungstabelle S239 analysiert wurde. Bei Sojabohnen wurde die Probe direkt nach dem Matrixabgleich analysiert, ohne dass das Reinigungsverfahren durchgeführt wurde.

Die Quantifizierungsgrenze (LOQ) wurde durch Festlegen eines Signal-Rausch-Verhältnisses von über 10 in einem Matrix-angepassten Standard unter Berücksichtigung des einheitlichen PLS-Standards (0,01 mg/kg)40 bestimmt. Eine Regressionskurve für die Kalibrierung wurde erstellt, indem mehr als fünf mit der Matrix übereinstimmende Standards analysiert und die Konzentration und Intensität der Peaks verglichen wurden, um den Korrelationskoeffizienten (r2) gemäß SANTE/11312/202141 zu ermitteln. Der Erholungstest wurde mit Äpfeln, Wakegi-Zwiebeln, Perillablättern und Sojabohnen als repräsentativen Nutzpflanzen aus den Warengruppen der gesammelten Nutzpflanzen durchgeführt42. Die Genauigkeit und Wiederholung des Wiederfindungstests wurden anhand der drei Anreicherungsstufen LOQ, 10 LOQ und 50 LOQ mit Wiederfindung (%) und relativer Standardabweichung (RSD) gemäß Leistungskriterien für die Analyse von Pestiziden bewertet43.

Um die Drift von Pestiziden durch UAV-Sprühen zu verstehen, sind zahlreiche Informationen erforderlich, darunter meteorologische Bedingungen, UAV-Typen, Sprühbedingungen, UAV-Komponenten und physikalische Eigenschaften der Sprühlösung, die die Drift beeinflussen können. Allerdings wurden in dieser Studie innerhalb eines bestimmten Zeitraums gleichzeitig Pestizide auf Rohreis in verschiedenen Topografien mit zwei Arten von UAVs gesprüht. Daher war es nicht möglich, bei jedem Sprühvorgang alle Details zu erfassen. Darüber hinaus ist das Vorhandensein von Pestizidrückständen in Nichtzielkulturen möglicherweise nicht nur auf die Drift von UAVs zurückzuführen, sondern könnte auch auf die Praktiken der Landwirte zurückzuführen sein. Daher untersuchen wir andere Faktoren, die die Drift beeinflussen könnten und auch nach dem UAV-Sprühen für Untersuchungen anwendbar sind.

Die Rückstände verwehter Pestizide werden durch die Pflanzenmorphologie44, Pufferstreifen45 und Windschutzanlagen46 beeinflusst. Daher haben wir diese Faktoren beim Sammeln von Nichtzielkulturen untersucht. Um die Eigenschaften von Pestizidrückständen zu verstehen, analysieren wir die Pestizidrückstände anhand von drei Faktoren: Pufferstreifen, Pflanzenmorphologie und Windschutz. Darüber hinaus untersuchen wir, ob die aus der Luft versprühten Pestizide häufig in den geernteten Pflanzen nachgewiesen und registriert werden.

Eine Risikoanalyse wurde unter Verwendung der geschätzten täglichen Aufnahme (EDI) und der prozentualen akzeptablen täglichen Aufnahme (%ADI) in Fällen durchgeführt, in denen die Rückstände von Pestiziden in Kulturpflanzen rund um aus der Luft besprühte Flächen den einheitlichen MRL- oder PLS-Standard (0,01 mg/kg) überschreiten, insbesondere für Kulturpflanzen mit einem etablierten ADI47. Zur Berechnung von EDI und %ADI wurde der Lebensmittelverbrauch (g/Tag) aus der „National Food & Nutrition Statistics“48 ermittelt. Darüber hinaus wurde das Durchschnittsgewicht eines Erwachsenen in Korea, das 66,55 kg beträgt, auf der Grundlage des „National Health Screening Statistical Yearbook“ (Gl. 1 und 2)49 ermittelt.

Um eine Kalibrierungsregressionskurve zu erstellen und den Korrelationskoeffizienten zu ermitteln, wurde Microsoft Excel (USA) verwendet. Die Resteigenschaften der gesammelten Proben mit verstreuten Pestiziden wurden mit der Software Statistical Package for the Social Sciences (SPSS) (Ver. 26, IBM Corporation, USA) analysiert. In Fällen, in denen Pestizide nur in zwei Proben an einem bestimmten Standort nachgewiesen wurden, wurde ein unabhängiger Proben-T-Test zur Rückstandsanalyse eingesetzt. In Fällen, in denen Pestizide in mehr als drei Proben nachgewiesen wurden, wurde eine einseitige Varianzanalyse (ANOVA) durchgeführt, gefolgt von Duncans Mehrfachbereichstest (DMRT) mit einem Signifikanzniveau von p < 0,05.

Der LOQ aller Pestizide, einschließlich Azoxystrobin, Chlorantraniliprol, Clothianidin, Dinotefuran, Etofenprox, Ferimzon, Hexaconazol und Propiconazol, betrug 0,01 mg/kg. Die Linearität aller Matrix-angepassten Standards war hoch, mit einem Korrelationskoeffizienten von mehr als 0,99. Die Ausbeuten der Zielpestizide in repräsentativen Nutzpflanzen lagen zwischen 72,3 und 116,6 % (mit einer relativen Standardabweichung (RSD) von 0,2–10,7 %). Daraus kann geschlossen werden, dass die Probenvorbereitung und die LC-MS/MS-Bedingungen für die Analyse der Pestizide geeignet waren (Ergänzungstabelle S3).

Die Untersuchung von Pestizidrückständen in Nutzpflanzen unter Berücksichtigung verschiedener Faktoren, einschließlich der Morphologie der Nutzpflanze, des Pufferabstands und des Windschutzes (Tabellen 1, 2 und 3), legt nahe, dass die von UAVs versprühten Zielpestizide an 13 von 39 Orten, an denen Proben gesammelt wurden, nicht abdrifteten (Standort Nr. 1, 3, 6-1, 6-2, 6-3, 7, 13, 18, 19, 20, 22, 26, 27) auf einem Signifikanzniveau von p < 0,05. An sieben dieser Standorte (Standort Nr. 6-3, 7, 13, 18, 22, 26, 27) wurden keine Zielpestizide nachgewiesen. An den übrigen Standorten (Standort Nr. 1, 3, 6-1, 6-2, 19, 20) wurden zwar maximal zwei Pestizide nachgewiesen, die Pestizidrückstände nahmen jedoch mit zunehmender Entfernung von der aus der Luft besprühten Fläche nicht ab ( p < 0,05). Daher waren die restlichen Pestizide in Nichtzielkulturen wahrscheinlich bereits vor dem UAV-Sprühen vorhanden.

An drei Standorten (Standort Nr. 1, 14 und 16) überstiegen die Rückstände von Etofenprox in Pfirsich und Azoxystrobin in Chilischoten den MRL (Tabellen 1, 2 und 3). Die anderen von UAVs versprühten Pestizide wurden jedoch nicht nachgewiesen, und es gab keine Hinweise auf verwehte Pestizide, da die Rückstände von zwei Pestiziden mit zunehmender Entfernung von der besprühten Fläche nicht abnahmen32. Darüber hinaus wird Azoxystrobin häufig in landwirtschaftlichen Produkten wie Chilischoten verwendet50, und Etofenprox wird häufig sowohl in Kräuterfrüchten als auch in Stiel- und Stängelgemüse nachgewiesen51,52. Daher lässt sich der Schluss ziehen, dass die fünf Fälle, in denen die MRL überschritten wurde, nicht auf die Abdrift von Pestiziden in der Luft zurückzuführen waren, sondern vielmehr auf das Vorhandensein von Pestiziden, die bereits vor dem UAV-Sprühen versprüht wurden.

Insgesamt übertrafen die Pestizidrückstände in 31 Fällen an 15 Standorten (Standorte Nr. 2, 6-4, 10, 12, 21, 25, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36). Dazu gehören ein Fall von Etofenprox bei weiß blühendem Kürbis, fünf Fälle von Propiconazol (drei Fälle von Kürbisblättern und ein Fall von Dureup und weiß blühendem Kürbis), 21 Fälle von Ferimzon (vier Fälle von Sojabohnenblättern, acht Fälle von Chilischote). , vier Kisten Winterzwiebeln, zwei Kisten Auberginen und jeweils eine Kiste Kürbisblätter, Perillablätter und Tomaten) und vier Kisten Dinotefuran in Sojabohnenblättern. Es wurde gefolgert, dass die Pestizide, die über die einheitlichen PLS-Standards hinausgingen, durch UAV-Sprays versprüht wurden, da alle Fälle eine einheitliche Resttendenz von Pestiziden je nach Entfernung von der besprühten Fläche, Windschutz und Morphologie der Kulturpflanzen zeigten32 und die durch UAVs versprühten Pestizide waren häufig erkannt. Es wird empfohlen, Pestizide für UAV-Sprays sowohl bei Reis als auch bei landwirtschaftlichen Produkten zu wählen, da Ferimzone nur auf Reis angewendet wird und in 68 % der Gesamtfälle die PLS überschritten wurde.

Es wurde festgestellt, dass die Verbreitung von Pestiziden in der Luft mit zunehmender Entfernung von der aus der Luft besprühten Fläche abnahm, wobei die Abdrift um 0–100 % reduziert wurde (Standorte Nr. 2, 4, 5, 6–4, 8, 9, 11, 12, 14, 15, 21). , 25, 29, 30, 32, 33, 35). Dieser Trend steht im Einklang mit den Ergebnissen von Windkanal- und Feldtests, die ebenfalls zeigten, dass die Menge an in der Luft befindlichen Pestiziden mit zunehmender Entfernung abnahm22,53. Die Proben wurden aus einer Entfernung von 0 bis 22 m vom aus der Luft besprühten Bereich entnommen, wobei die durchschnittliche Entfernung 5,7 m betrug. Es scheint, dass die Pflanzen rund um die aus der Luft besprühten Flächen ohne einen einheitlichen Pufferstreifen angebaut wurden. Daher wäre es angebracht, einen gleichmäßigen Pufferstreifen um die aus der Luft besprühte Fläche einzurichten34. Zielpestizide wurden jedoch in nicht zur Zielgruppe gehörenden Obst- und Blattgemüsesorten wie Kürbisblättern, weiß blühenden Kürbisblättern und Maisblättern in einer Entfernung von mehr als 5,7 m von der besprühten Fläche nachgewiesen (Tabellen 1, 2 und 3). Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Windgeschwindigkeit einen Einfluss auf die Abdriftablagerung hat54, und es wurde empfohlen, bei der Herbizidausbringung einen Pufferstreifen von 25 bis 300 m einzurichten34. Die Wirksamkeit eines Pufferstreifens bei der Reduzierung der Pestiziddrift kann jedoch variieren, was zu inkonsistenten Graden der Driftreduzierung zwischen 0 und 100 % führt. Diese Variabilität wird auf den Einfluss anderer Faktoren zurückgeführt, darunter meteorologische Bedingungen, morphologische Eigenschaften von Nichtzielkulturen und UAV-Sprühbedingungen. Folglich kann es sich als unzureichend erweisen, sich allein auf die Implementierung eines Pufferstreifens zu verlassen, um eine Abdrift zu verhindern.

Der Rückstand luftgetragener Pestizide in Nichtzielproben variiert je nach morphologischen Merkmalen der gesammelten Proben (Standorte Nr. 6–4, 9, 12, 17, 21, 23, 24, 25, 28, 30, 34, 36). . Die Analyseergebnisse zeigen, dass die Rückstände von Pestiziden in Blatt- oder Stängelgemüse höher waren als in anderen Fruchtgemüsen als Kürbisgewächsen, gefolgt von Kürbisgewächsen (p < 0,05). Sojabohnen und Mais scheinen aufgrund ihrer Außenschicht weniger anfällig für eingedriftete Pestizide zu sein, und die Pestizidrückstände waren geringer als bei anderen Kulturen (Tabellen 1, 2 und 3). Diese Tendenz ähnelt früheren Berichten, denen zufolge die Rückstände von Carbamat-Pestiziden in Getreide und Hülsenfrüchten am niedrigsten waren55 und dass die Rückstände von Pestiziden in Blattgemüse höher waren als in Blättern von Wurzel- und Zwiebelgemüse, einschließlich Hülsenfrüchten mit Hülsen, Früchten, Hülsenfrüchten und Getreide Getreide sowie Wurzel- und Zwiebelgemüse44.

Darüber hinaus wiesen Pfirsich-, Perilla- und Kürbisblätter mit Drüsenhaar tendenziell höhere Pestizidrückstände auf (p < 0,05). Die Ablagerung von Tröpfchen wurde durch Komponenten wie Mikrostruktur, Wachs, Spaltöffnungen und Haare auf der Blattoberfläche beeinflusst56. Die Tröpfchenretention verbessert sich bei Blättern mit längeren, gleichmäßigen Haaren oder einer raueren Oberfläche57. Darüber hinaus zeigten vier Arten von Blättern, nämlich Spitzklee, Prunkwinde, Samtblatt und Kaffeesenna, eine Abscheidungseffizienz von 99, 77, 65 bzw. 55 %, wenn sie mit 140 µm großen Tröpfchen besprüht wurden35. Ebenso wiesen nadelförmige Blätter eine zwei- bis viermal höhere Ablagerung auf als breite Blätter58; Daher wurde der Schluss gezogen, dass die Menge der Ablagerungen von Pestiziden in der Luft je nach den morphologischen Merkmalen der Nutzpflanzen unterschiedlich sein kann. Daher wird empfohlen, in der Nähe von aus der Luft besprühten Flächen Pflanzen anzubauen, die weniger anfällig für die Rückhaltung von Pestiziden in der Luft sind, um eine unbeabsichtigte Kontamination zu verhindern.

Angesichts der frühen oder mittleren Wachstumsstadien der gesammelten Proben war dies kein geeigneter Zeitpunkt, um die Sicherheit von Pestiziden zu bewerten. Darüber hinaus neigen die Rückstände von Pestiziden dazu, sich im Laufe der Zeit aufgrund des Wachstums landwirtschaftlicher Produkte zu verflüchtigen oder abzubauen, was durch meteorologische Bedingungen wie Strahlung, Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Niederschlag sowie die physikalisch-chemischen Eigenschaften der Pestizide beeinflusst wird59. Folglich ist es wahrscheinlich, dass die Rückstände von verschleppten Pestiziden in landwirtschaftlichen Produkten bis zum Zeitpunkt der Ernte abnehmen werden. Im folgenden Abschnitt werden die Restmuster verdrifteter Pestizide beschrieben, unter der Annahme, dass sie durch Verdriftung verursacht wurden.

Die Analyse der Pestizidrückstände zeigt, dass die Pestizidrückstände geringer waren, wenn sich Windschutz zwischen Nichtzielkultur und der aus der Luft besprühten Fläche befand (Standort Nr. 10, 16, 17, 21, 25, 30, p < 0,05). Bemerkenswert ist, dass die Analyse eine Reduzierung der Rückstände von verwehten Pestiziden um 30–100 % ergab, selbst wenn dieselben Pflanzen in derselben Entfernung von der aus der Luft besprühten Fläche geerntet wurden (Standorte Nr. 16, 17, 30, p < 0,05). Der Grad der Drift variierte aufgrund mehrerer Faktoren, wie unter anderem struktureller Parameter (Porosität, Länge, Breite und Höhe) und klimatischer Faktoren34,60,61,62. Beispielsweise wurde die Abdrift von in der Luft befindlichen Pestiziden durch eine Feldspritze oder ein UAV verringert, wenn Mais als Windschutz verwendet wurde34,46. Daher kann die richtige Platzierung von Windschutzvorrichtungen, die auf die Topographie des jeweiligen Standorts zugeschnitten sind, eine unbeabsichtigte Kontamination verhindern (Ergänzende Abbildungen S1–S3).

Das Ergebnis der Risikoanalyse mit 36 ​​Fällen, die den einheitlichen MRL- oder PLS-Standard überschritten, zeigte, dass der %ADI zwischen 0,00 und 0,81 % lag (Tabelle 4); Dies zeigt, dass kein Risiko bestand63. Wenn man bedenkt, dass Verarbeitungsbehandlungen, einschließlich Waschen, Schälen, Wärmebehandlungen und Trocknen, restliche Pestizide effektiv entfernen können64, ist die Wahrscheinlichkeit, dass diese landwirtschaftlichen Produkte mit einem damit verbundenen Risiko verzehrt werden, gering. Es ist jedoch wichtig, eine kontinuierliche Überwachung der Pestizidrückstände aufrechtzuerhalten, die durch die Anwendung aus der Luft auf Nichtzielkulturen gelangen. Ziel dieser kontinuierlichen Überwachung ist es, die Ursachen und potenziellen Risiken durch verdriftete Pestizide zu untersuchen und insbesondere vorbeugende Maßnahmen gegen die Verdriftung zu ergreifen.

Um dem Arbeitskräftemangel in der heimischen Landwirtschaft zu begegnen, ist der Einsatz von Pestiziden, die mit Drohnen versprüht werden, notwendig geworden. Diese Praxis birgt jedoch das Risiko, dass Pestizide auf Nichtzielkulturen gelangen und möglicherweise Menschen schädigen. Daher ist die Überwachung der Ausbreitung von Pestiziden und die Durchführung einer Risikoanalyse für Nichtzielkulturen von entscheidender Bedeutung. Die Analyseergebnisse deuten darauf hin, dass die Pestiziddrift minimiert werden kann, indem der Abstand zwischen Nichtzielkulturen und dem UAV-Sprühbereich vergrößert wird oder indem zwischen ihnen Windschutzvorrichtungen, wie z. B. der Anbau von Mais, angebracht werden. Darüber hinaus sind die Rückstände von verwehten Pestiziden in Hülsenfrüchten oder Getreidekörnern wie Sojabohnen oder Mais tendenziell geringer als in Blatt- oder Stängelgemüse wie z. B. Frühlingszwiebeln oder Pflanzen mit körnigen Haaren wie Perillablättern. Darüber hinaus trägt die Verwendung von Pestiziden, die sowohl für Rohreis als auch für andere landwirtschaftliche Produkte beim UAV-Sprühen registriert sind, dazu bei, eine unbeabsichtigte Pestizidkontamination zu verhindern. Daher wird davon ausgegangen, dass diese Richtlinien den Landwirten dabei helfen werden, Verstöße gegen PLS oder MRL zu vermeiden, wodurch eine stabile und kontinuierliche Lebensmittelproduktion auf landwirtschaftlichen Feldern ermöglicht und sich positiv auf die Lebensmittelselbstversorgungsraten ausgewirkt wird. Darüber hinaus gehen wir davon aus, dass landwirtschaftliche Technologien wie das UAV-Sprühen nicht nur zur Behebung des Arbeitskräftemangels, sondern auch zur Verbesserung der nachhaltigen Ernährungssicherheit eingesetzt werden können.

In zukünftigen Forschungsarbeiten planen wir, mithilfe eines geografischen Informationssystems spezifische Maßnahmen zur Abdriftprävention zu untersuchen, um zu verstehen, wie Geländefaktoren möglicherweise die Abdrift aufgrund von UAV-Sprühvorgängen beeinflussen können. Darüber hinaus werden wir Faktoren wie Pufferstreifen, Windschutz, Pflanzenmorphologie und die Wahl der Pestizide für das UAV-Sprühen berücksichtigen, um deren Wirksamkeit bei der Reduzierung der Abdrift zu bewerten.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und analysierten Datensätze können auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor zur Verfügung gestellt werden.

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Diese Arbeit wurde vom Agrarforschungs- und Entwicklungsprogramm (Nr. PJ01505305) und dem Kooperationsprogramm zwischen Wissenschaft und Industrie des National Institute of Agricultural Sciences (NAS) der Rural Development Administration (RDA) der Republik Korea unterstützt.

Abteilung für die Bewertung agrochemischer Rückstände, National Institute of Agricultural Sciences, Wanju, 55365, Korea

Chang Jo Kim, Xiu Yuan, Min Kim und Hyun Ho Noh

Abteilung für Umwelt- und Biologische Chemie, Hochschule für Landwirtschaft, Lebens- und Umweltwissenschaften, Chungbuk National University, Cheongju, 28644, Korea

Kee Sung Kyung

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KSK, HHN und CJK haben die Studie entworfen; CJK hat das Manuskript geschrieben; KSK und HHN überprüften das Manuskript; und HHN, CJK, XY und MK sammelten Proben und führten die Analysen durch. Alle Autoren haben die veröffentlichte Version des Manuskripts gelesen und ihr zugestimmt.

Korrespondenz mit Kee Sung Kyung oder Hyun Ho Noh.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Kim, CJ, Yuan, X., Kim, M. et al. Überwachung und Risikoanalyse von Pestizidrückständen, die durch unbemanntes Sprühen aus der Luft verursacht werden. Sci Rep 13, 10834 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-36822-w

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Eingegangen: 4. April 2023

Angenommen: 10. Juni 2023

Veröffentlicht: 05. Juli 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-36822-w

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