Bekæmpelsesmiddelforskning fra Miljøstyrelsen, 103 – Fungiciders påvirkning af mykorrhizasvampes diversitet og funktion

Fungiciders påvirkning af mykorrhizasvampes diversitet og funktion

7 Samlet diskussion

Denne undersøgelse anlægger en bred synsvinkel på fungiciders indflydelse på mykorrhizasvampe. Tidligere studier har især sammenlignet forskellige fungiciders effekt på enkelte svampeisolater og har kun i begrænset omfang inddraget dosis-respons undersøgelser. Eksperimenterne beskrevet i denne rapport har undersøgt fungicideffekter på mykorrhizasvampe på individ-, populations- og samfundsniveau. Denne integrerede tilgang giver et mere realistisk billede af de mulige konsekvenser af landbrugets anvendelse af fungicider for betydningen af mykorrhiza som plantevækstfaktor.

Projektet har så vidt muligt kun anvendt mykorrhizasvampe, som er isoleret fra forsøgsmarken i Tåstrup i dette projekt eller i et tidligere projekt under Den Tværministerielle Pesticidforskningsindsats. De anvendte svampe hører til de mest almindeligt forekommende i marken, og deres respons på fungicider, enten som monokulturer eller i blandinger, må forventes at være repræsentative for fungicideffekter på mykorrhizasvampe i en dansk landbrugsjord.

På individniveau bekræftede projektet, at fungicider kan hæmme mykorrhizasvampe (Trappe et al., 1984) og resultaterne viste, at der kan være stor forskel på, hvordan forskellige arter og selv forskellige genotyper indenfor samme art reagerer på fungicider. Resultaterne beskrevet i kapitel 4 og 5 viser, at carbendazim er yderst toksisk for mykorrhizasvampe og carbendazim er af samme årsag blevet anvendt som kontrolbehandling i mange undersøgelser af mykorrhizas effekt på plantevæksten (Kahiluoto & Vestberg, 2000; Thingstrup et al., 2000). NOAEL-værdier (No Observed Adverse Effect Level) var således også langt lavere for carbendazim (0,1 – 0,5 x markdosis) end for mancozeb (5 – 25 x markdosis) (Kapitel 4.1). Det var derimod uventet, at tilførsel af små doser (< NOAEL) af begge fungicider havde en generelt stimulerende effekt på en række forskellige mykorrhizasvampe undersøgt i kapitel 4 og 5. Stimulerende effekter af metalaxyl på mykorrhiza er tidligere blevet rapporteret hos majs og sojabønne (Groth & Martinson, 1983), og et markforsøg med ært i Tåstrup-marken antydede at en propiconazol-fenpropimorph blanding og carbendazim i små doser stimulerede mykorrhizasvampes P optagelse (Schweiger et al., 2001). Resultaterne i kapitel 4 og 5 viser en klassisk hormesis effekt, dvs. at dosis-respons kurven er omvendt J-formet, således at små doser har en positiv effekt, som forsvinder gradvist og bliver negativ, når dosis forøges yderligere. Den fysiologiske baggrund for stimuleringen blev ikke klarlagt, men involverer formodentlig overkompensation i svampens reaktion på en svag stress påført af fungiciderne. Studier med andre organismer har vist, at hormesis-effekten er tidsafhængig, således at der initialt er en negativ effekt af de små toksin-doser, men at dette billede over tid ændres til en stimulering (Calabrese, 2005). Alternativt, kunne den observerede stimulering måske skyldes en større skadevirkning af små fungiciddoser på andre mikroorganismer med en mulig antagonistisk effekt over for mykorrhizasvampe end på mykorrhiza-svampene selv. Denne forklaring forekommer mindre sandsynlig, dels fordi mykorrhiza-svampe er biotrofe og derfor ikke konkurrerer om kulstofsubstrat med andre mikroorganismer, dels fordi andre former for interaktion mellem mykorrhiza-svampe og saprotrofe mikroorganismer er komplekse og hyppigst til gavn for mykorrhizasvampene (McAllister et al. 1997; Garcia-Romera et al. 1998; Fracchia et al. 2000). Antagonisme fra saprotrofe mikroorganismer over for mykorrhizasvampe ville derfor næppe optræde i tre uafhængige eksperimenter.

På populationsniveau viste undersøgelsen, at der er et betydeligt antal genotyper af forskellige arter af mykorrhizasvampe til stede i marken. Den genotypiske variation og fordeling indenfor de enkelte marker kunne forklare det meste af variationen, når nabomarker med økologisk eller konventionelt dyrkningssystem blev sammenlignet. Forskellene mellem konventionel og økologisk dyrkning gav altså ikke anledning til en ændret genetisk diversitet indenfor arterne. Derfor skal det ikke forventes, at eventuelle effekter af forskelle i jordens indhold af pesticidrester slår igennem på populationsniveau.

Dyrkningshistorien (konventionel eller økologisk dyrkning) har derimod en væsentlig effekt på diversiteten på samfundsniveau, selvom diversiteten også varierer inden for marken. Kapitel 6 viser, at de mark- og stedbetingede forskelle var tydeligt større end små og ikke-signifikante effekter af fungicider og dette er en ny opdagelse. Resultaterne fra kapitel 5, hvor fungicideffekterne blev undersøgt på rekonstruerede samfund af få (2 – 3) mykorrhizasvampe viser, at fungicid-behandling markant kunne ændre udfaldet af interaktionerne i de mulige kombinationer af de tre svampe. Udfaldet var samtidig meget svært at forudsige ud fra viden om de enkelte svampe.

Populationsstudierne beskrevet i kapitel 3 har direkte relevans for markforhold, medens ekstrapolering af potteforsøgenes resultater til markforhold kræver en nærmere vurdering. Ét spørgsmål vedrører sandsynligheden for en faktisk eksponering af marksamfund af mykorrhizasvampe for fungicider, et andet vedrører de mulige begrænsninger, som anvendelsen af semisterile vækstmedier medfører.

En del af et udsprøjtet pesticid vil bliver opfanget af afgrøden, og den mængde der rammer jordoverfladen aftager med stigende plantedække (Probst et al., 2005).

I kartoffelmarker, der typisk sprøjtes 5-10 gange med mancozeb vil kun 5-15 % ramme jorden i de vækststadier hvor sprøjtningen er mest intensiv (Jensen og Spliid, 2003). Den intensive sprøjtning kan alligevel medføre, at mancozeb i løbet af vækstsæsonen akkumuleres til residual-koncentrationer på op til 10 mg kg^-1 jord, selv når der er taget højde for nedbrydning af stoffet (Christensen og Helweg, 2003). Denne beregning antager en opblanding i et 6,6 cm jordlag. Selv om mancozeb adsorberes forholdsvis stærkt i jorden, må det forventes, at nedbør og mekanisk jordbearbejdning vil resultere i eksponering af mykorrhizasvampe i et 5-10 cm jordlag. Den estimerede residualkoncentration falder i området mellem de to laverste mancozeb-doseringer anvendt i nærværende projekt og dette forhold styrker muligheden for at ekstrapolere til markforhold. Det forekommer derfor sandsynligt at den målte mancozeb-inducerede stimulering af mykorrhiza også kan optræde under markforhold. Ligeledes må det forventes at den høje persistens af carbendazim vil kunne føre til effekter på mykorrhiza under markforhold, enten negative eller positive (hormesis). Carbendazim anvendes ikke i dansk planteavl. Sandsynligheden for at hormesis optræder under markforhold styrkes af to forhold: 1) de målte effekter i potteforsøg var meget signifikante og 2) stimulerende effekter af lave doser af en fenpropimorph-propiconazol blanding og af carbendazim er tidligere blevet observeret i markforsøg (Schweiger et al. 2001).

Semisterile vækstmedier blev anvendt i eksperimenter beskrevet i kapitel 4 og kapitel 5 for at kunne kontrollere den initiale forekomst af udvalgte mykorrhiza-svampe isoleret fra forsøgsmarken. Strålesteriliseringens påvirkning af jordens indhold af øvrige mikroorganismer ligger uden for rammerne af dette projekt. Det er dog klart, at mange bakterier overlever bestrålingen, at det anvendte mykorrhizasvampeinokulum indeholder mange mikroorgansimer, samt at bestrålet jord indeholder en stor mængde substrat for bakterievækst og derfor hurtigt bliver rekoloniseret af overlevende og invaderende bakterier (Cawse, 1975).

Disse forhold bidrager til at øge resultaternes relevans i forhold til almindelig dyrkningspraksis. Projektet var i øvrigt ikke rettet mod en afklaring af fungiciders generelle effekt på mykorrhizasvampe under markforhold, men havde fokus på fungicideffekter set i forhold til biologisk kompleksitet. Projektets påvisning af en tydelig gensidig påvirkning mellem de enkelte svampe i simple rekonstruerede samfund leder til konklusionen, at fungicideffekter målt på enkelte mykorrhiza-svampe ikke er brugbare til at forudsige effekter på komplekse marksamfund af mykorrhizasvampe. Resultater af direkte effektmålinger på marksamfund kan på den anden side ikke fortolkes på nuværende tidspunkt, hvor metoder til kvantificering af de enkelte svampe ikke er tilstrækkeligt udviklede.

7.1 Konklusioner

De vigtigste konklusioner fra dette projekt kan opsummeres således:

Markjordens samfund af mykorrhizasvampe udvikles under påvirkning af svampenes gensidige hæmning eller stimulering i forbindelse med deres kolonisering af planterødder samt af en række eksterne faktorer (jordbundsforhold, genotype og næringsstofstatus for værtplanten, jordens indhold af miljøfremmede stoffer).
Rodkolonisering med den enkelte mykorrhizasvamp er i høj grad påvirket af egenskaber hos andre svampe i samme samfund. Mekanismerne bag de observerede stimuleringer eller hæmninger er ikke afdækket.
Små fungiciddoser kan stimulere funktionen af mykorrhizasvampes funktion.
Disse hormesis-effekter optræder både, når mykorrhizaen er etableret fra en enkelt genotype, og når flere genotyper bidrager. Den hyppige behandling af kartoffelmarker med mancozeb sandsynliggør, at mancozeb-induceret hormesis også kan optræde under markforhold. Den langsigtede betydning af hormesis for mykorrhizasvampes aktivitet, herunder sporeproduktion og overlevelse, er ikke undersøgt.
Dyrkningshistorie og variation inden for en mark har større indflydelse på diversiteten af mykorrhizasvampesamfundet end behandling med mancozeb eller carbendazim.
De komplicerede samspil mellem mykorrhizasvampe gør det meget vanskeligt at ekstrapolere fra fungicideffekter på enkelte svampegenotyper til fungicideffekter på samfund af mykorrhizasvampe.
Det må forventes, at anbefalede markdoser af mancozeb og carbendazim ikke har betydende negative effekter på funktion af mykorrhiza; carbendazim anvendes dog ikke i dansk landbrug. En generel konklusion vedrørende fungiciders indflydelse på mykorrhizasvampe skal baseres på videre studier der omfatter flere fungicider.

7.2 Perspektiver

Projektets resultater tyder ikke på, at anvendelsen af mancozeb i planteavlen har negativ indflydelse på forekomst og funktion af mykorrhizasvampe. Det er dog nødvendigt at søge de opnåede resultater verificeret ved anvendelse af ikke-steriliseret jord med en naturligt forekommende mikroflora, idet de observerede hormesis-effekter er observeret i potteforsøg med strålingssteriliseret jord. En videreførelse af projektet bør inddrage både potteforsøg og markforsøg, og der bør lægges vægt på studier af naturlige samfund af mykorrhiza i kartoffelmarker, der som oftest behandles med store mængder mancozeb. Fremtidige dosis-respons studier bør inddrage et større antal behandlings-doser for at muliggøre en optimal statistisk analyse af responsforløbet, fx ved anvendelse af Gompertz-regression.

Projektets metodemæssige tilgang fremstår som et eksempel for diversitets-funktions studier på andre organismegrupper. Undersøgelsen af effekter af fungicider på flere organisationsniveauer: individ, population og samfund, gjorde det muligt at forklare en del af de observerede effekter. Den anvendte brede tilgang viste tydeligt, at målte effekter af fungicider på komplekse biologiske systemer ikke kan forudsiges på baggrund af undersøgelser i forenklede modelsystemer.

Det har været foreslået at anvende in vitro dyrkning af rødder og mykorrhizasvampe som modelsystemer til en overordnet screening af fungiciders økotoksikologiske effekter (Wan et al., 1998). Metoden er dog behæftet med begrænsninger: dels er det kun få mykorrhizasvampe, der kan etableres i disse systemer, dels vil plantemedierede effekter ikke kunne måles i et biologisk system, der optager det nødvendige kulstof fra glukose opløst i dyrkningsmediet. Det vil dog være oplagt at anvende modelsystemet til at en nærmere eftervisning af hormesis ved tilførsel af små fungiciddoser. Modelsystemer med de mykorrhiza-afhængige Medicago truncatula planter fremstår som et muligt alternativt screeningssystem. Projektet viste således, at væksten af M. truncatula planterne i sig selv gav et temmelig realistisk billede af fungicideffekter på svampene. Det må dog igen understreges, at projektet viste, at effekten af pesticider ikke kan forudsiges, så snart kompleksiteten øges fra en til to svampe.

Der er klart et behov for bedre at forstå de signal- og metabolisme-pathways, der er involveret i mykorrhizadannelse. Denne indsigt er nødvendig for vores bestræbelser på at forstå, hvorfor en svamp kan kolonisere helt forskelligt, når den er sammen med andre end når den er alene. Der er ingen tvivl om, at dette rummer en meget stor grad af kompleksitet, og at det eksperimentelt vil være en stor udfordring.