Udvikling af et plantebeskyttelsesmiddel - fra opfindelse til anvendelse

Transkript

1 Udvikling af et plantebeskyttelsesmiddel - fra opfindelse til anvendelse Evaluering i drivhuset af midlernes virkning. (BCS Imagebank ) 10 år efter opfindelsen og omfattende forskning kan midlet anvendes i marken 1

2 Indholdsfortegnelse Indholdsfortegnelse... 2 Plantebeskyttelsesmidler er med til at sikre verdens fødevareforsyning... 3 Aktiviteter for udvikling af et plantebeskyttelsesmiddel... 4 Produktudvikling... 5 Kemi... 6 Aktivt stof... 7 Syntese... 7 Synteseoptimering... 7 Procesudvikling... 7 Pilotproduktion... 7 Formulering... 8 Pakning - emballage... 8 Biologi... 9 Forskning... 9 Laboratorie og væksthus Småparcelforsøg Udvikling Markforsøg Toxikologi Pattedyr Økosystemer Miljø Nedbrydning Rester Godkendelsesprocedure EU Zone harmonisering Patent - og betaling for investering

3 Plantebeskyttelsesmidler er med til at sikre verdens fødevareforsyning Plantebeskyttelsesmidlerne har mange positive virkninger, men det er ikke det der er mest kendt. Derfor kan det måske være på sin plads at starte med lidt fakta. Undersøgelser på verdensplan viser, at anvendelsen af plantebeskyttelsesmidler sikrer at cirka halvdelen af de dyrkede afgrøder ikke bliver tabt på grund af ukrudt, sygdomme og skadedyr. Dertil kommer, at vi i fremtiden kommer til at behøve flere fødevarer af 2 hovedårsager: 1. Verdens befolkningstal stiger fra 6 milliarder i 2000 til 9 milliarder i 2050 altså 50 % flere mennesker. Det betyder, at der bliver mindre land at dyrke fødevarer på pr. person. 2. Der bliver flere mennesker i udviklingslandene, der får større indkomst, og de ønsker at spise kød. Det betyder igen at behovet for afgrøder til foder stiger voldsomt i forhold til hvis vi spiser afgrøderne selv. I følge FAO vil efterspørgslen efter kød stige med 25 % over de næste 15 år. Disse prognoser viser, at der er brug for alle tiltag, der kan være med til at øge verdens fødevare mængder. Medens myndighedernes miljø- og sundhedskrav til midlerne bliver større stiger vores viden om midlerne også. Denne oversigt forsøger at give et indblik i, hvilken forskning midlerne underlægges, før de kan blive godkendt til at blive anvendt på afgrøderne. 3

4 Aktiviteter for udvikling af et plantebeskyttelsesmiddel Der er mange aktiviteter involveret i udviklingen af et plantebeskyttelsesmiddel. Alle aktiviteterne er videnskabeligt baserede og bygger på årelange forskningserfaringer. Undersøgelserne er reguleret af internationale myndigheder (OECD) og mange undersøgelser er nøjagtig beskrevet, hvordan de skal foretages. I oversigten herunder ses i overskrifter, hvilke elementer der indgår i undersøgelsen af midlerne, inden de kan opnå myndighedernes godkendelse. I det følgende er en total oversigt over de enkelte elementer, hvoraf det også fremgår, hvornår aktiviteterne begynder og slutter i forhold til produkternes tidslinje og hvor store omkostninger der er ved at gennemføre hele processen. Figuren her viser aktiviteter sammen med tidsforløbet og omkostninger. Antallet af stoffer der deltager i de forskellige faser vises nederst, og heraf fremgår det hvor hurtigt selektionen foregår. 4

5 Produktudvikling Herover er illustreret de aktiviteter, der skal finde sted de første 7 til 8 år, før der er samlet så megen information om et middel, at det kan muliggøre en godkendelse af myndighederne. Medens myndighederne evaluerer om midlet kan godkendes, foretages forberedelserne til en produktion samtidig med at yderligere markforsøg er med til at optimere midlernes anvendelse. På figuren er også angivet, hvor mange stoffer der indgår i udvælgelsesprocessen. Der skal i dag undersøges mere end stoffer, før der kommer et stof, der er i stand til både at have en ønsket virkning mod skadevoldere og samtidig en acceptabel miljøprofil samt lav giftighed over for mennesker og andre varmblodige dyr. Denne figur illustrerer over ti årsperioder, hvor mange stoffer der skal syntetiseres og screenes, før man finder et, der kan anvendes. Baggrunden for dette er de stigende krav, der er til plantebeskyttelsesmidler. I det følgende omtales de enkelte elementer, som indgår i forskningen for plantebeskyttelsesmidler. 5

6 Kemi Fra kemi laboratoriet. Det er hos kemikerne det hele begynder. Her skabes syntetiseres de nye kemiske stoffer og med de undersøgelser, og krav der stilles til et færdigt produkt, vil der skulle syntetiseres over kemiske forbindelser før man finder et stof der kan godkendes og blive til et salgbart plantebeskyttelsesmiddel. 6

7 Aktivt stof Syntese Skabelsen af nye kemiske stoffer foregår i første omgang på computeren. Når designet er fastlagt går bestillingen videre til produktsyntesen, hvor der ved hjælp af robot teknik skabes de første milligram af det nye stof. Synteseoptimering De første molekyler af en ny kemisk forbindelse bliver kun produceret i milligram, og de første test kan også udføres med så små mængder. Når testene udvikler sig skal der produceres i større mængder og det bliver derfor nødvendigt at optimere synteseprocessen. Dette sker efter 1 til 2 år. Procesudvikling Ret tidligt i processen foretages de første studier over hvordan en storskala produktion kan udføres. Der sker en procesudvikling hvor der dukker spørgsmål op som: Hvor vil det være muligt at foretage en egentlig produktion? Vil produktionen være økonomisk rentabel? Frembringer det spildprodukter og i så fald hvad skal der stilles op med dem? Hvordan bliver hele miljøsikkerheden i forbindelse med en produktion? og meget mere. Pilotproduktion 2 3 år før der kan søges om godkendelse af et nyt middel startes de første undersøgelser af hvordan produktionen kan finde sted. Der opstilles pilotanlæg, hvor der kan foregå en mindre produktion. Disse anlæg danner forbillede for hvordan en fuld skala fabrik kan etableres. Produktion af et nyt aktivt stof kræver ofte at der skal bygges en helt ny fabrik. 7

8 Formulering Formulering Det aktive stof der skal udbringes med en sprøjte skal formuleres før det er egnet til udsprøjtning. De første studier af en kemisk forbindelses virkning foretages i en standardopløsning, men efter et par år begynder arbejdet med at finde den helt rigtige formulering for det pågældende stof. Plantebeskyttelsesmidler udsprøjtes i reglen med vand, men en stor del af de aktive stoffer er ikke vandopløselige. Der anvendes en række teknologier for at formulere de aktive stoffer til midler med optimal virkning. Der er flere formål med at finde den rigtige formulering som f.eks.: - Fremme midlets transport ind i plantens blade og frem til virkningsstedet. - Sikker og behagelig anvendelse f.eks. modvirke vinddrift. - Måden at udbringe midlet på (f.eks.: udstrøning, udsprøjtning, fordampning). - Lagerstabilitet. - Kunne udsprøjtes med stor præcision på målstedet. - Pålidelig blandingspartner. - Sikker anvendelse under forskellige klimatiske forhold. - God vedhæftningsevne til planterne. - Sikrer at midlet ikke medfører skumning Formuleringen har stor indflydelse på dråbernes form. Det kan være forskellen på om de triller af bladene eller giver en god dækning og dermed en god virkning. Pakning - emballage Allerede et par år efter et stof er opfundet, og medens der stadig er ti stoffer, der undersøges, hvoraf kun et bliver til et færdigt produkt, starter overvejelserne over hvordan det færdige middel skal pakkes. Der er mange instanser involveret. Det er ikke alene de egentlige ansvarlige for produktionen af emballagen, der beslutter hvordan pakningerne skal se ud og udformes, for også afdelinger for intern indkøb, marketing, logistik, sikker anvendelse med flere deltager i disse vurderinger. 8

9 Biologi Kornplanten til venstre er behandlet mod svampeangreb. Under den biologiske del testes stoffernes muligheder for at virke mod en af de organismer som ukrudt, insekter eller svampe, der kan genere kulturplanterne. Stoffet skal ikke alene have en virkning, men virkningen skal også være bedre end det der ellers er på markedet, hvis man skal gøre sig håb om at kunne sælge det færdige middel. Forskning Den biologiske forskning starter i laboratorierne. Når nogle midler giver positive udslag går de videre til væksthusene for til sidst at gå ud i pilotforsøg i små markparceller 9

10 Laboratorie og væksthus De nye stoffer bestilles i stofbiblioteket til afprøvning i et system der kaldes HTBS (High Throughput Biology and Screening). Afprøvningen i HTBS sker ved hjælp af robotter, hvor der i løbet af et døgn testes mange stoffer for forskellige virkninger i bestemte elementer af en celle fra en plante, et insekt eller en svamp. In vivo HTS (High Throughput Screening) udføres med dele af planer i små brønde på en plade. Forskellige elementer i cellen hvor man kan teste for et stofs virkning Stoffer der viser positive udslag går videre til afprøvning på hele planter i drivhus (vivo screening). På det tidspunkt i udviklingen startes der også med at foretage formuleringer af stofferne. Det er i disse tests det afgøres om stoffet har en så positiv virkning, så det er værd at gå videre med det. Hvis det viser sig at være tilfældet, går stoffet videre til markforsøg 10

11 Småparcelforsøg Forsøg i småparceller. Her anvendes en speciel sprøjte der kan behandle en kvadratmeter ad gangen, og der skiftes til nye stoffer i hver parcel. I småparcelforsøg vurderes stoffernes potentiale for virkning under markforhold. Her ses det hvordan virkningen er på hele planter eller skadevoldere ude i naturen og hen over vækstsæsonen. I første omgang behandles kun ganske få kvadratmeter, så der på et begrænset areal kan testes rigtig mange stoffer. Her testes midlets nyttevirkning på målorganismer som ukrudt, skadedyr eller plantesygdomme, ligesom der også forskes i eventuelle skadevirkninger på andre organismer. Udvikling Når der under forskningen har vist sig et lovende middel under pilotforsøgene så går midlet videre til udviklingsafdelingen. Her lægges forsøgene ud i større skala såvel nær forskningsstationen som ved forsøgsfaciliteter i andre dele af verden. Samtidig starter også overvejelser over hvad midlet skal godkendes til når det når frem til at det bliver aktuelt. 11

12 Markforsøg Forsøg med bekæmpelse af ukrudt i roer. Der er ubehandlet til venstre og behandlet til højre. Ukrudtet der vokser over roerne resulterer i at der slet ikke bliver roer i det ubehandlede område. Når stofferne i småparcelforsøgene har vist positive virkninger, går midlerne ind i den næste fase, hvor de lægges ud i større områder i marker. Det sker i første omgang tæt ved forskningscenteret, hvor midlerne udvikles, men hurtigt kommer de stoffer, der nu er blevet til egentlige formulerede midler også ud til afprøvning i marker under forskellige klimaforhold. I såvel disse markforsøg som i de tidligere forsøg vurderes det også løbende, at der ikke sker skader på de afgrøder, der skal behandles. Markforsøg danner baggrund for midlernes udvikling og senere godkendelse i forbindelse med effektivitet. For at et nyt middel skal være interessant skal det have en virkning der overgår det der ellers er på markedet. I ubehandlede parceller har græsser overgroet hveden, hvilket kraftigt reducerer udbyttet. 12

13 Toxikologi Det overordnede krav til plantebeskyttelsesmidler er, at de ikke har nogen uacceptabel indflydelse på mennesker eller dyr, der ikke er målorganismer. Der kan ikke accepteres nogen form for bivirkninger fra de rester der kan optræder i afgrøder. Det gælder for akut giftighed såvel som påvirkninger, der ville kunne opstå over år. Optagelsen af stoffer kan foregår gennem munden, huden eller ved inhalation. De 2 sidste veje er for folk der omgås midlerne, medens optagelse gennem munden og kan finder sted ved konsumering af produkter der indeholder rester. Indtagelse af plantebeskyttelsesmidler kan finde sted ved konsumering eller ved at arbejde med midlet. Allerede Hohenheim-Paracelsus, der levede , og som betegnes som toksikologiens fader fastslog den læresætning, der stadig er gældende i dag for læren om giftighed: Alt er giftigt og intet er uden giftvirkning. Det er kun doseringen, der gør det til et ikke giftigt stof Derfor går undersøgelser af midler ud på at fastslå ved hvilken dosering, der ikke sker nogen form for påvirkning. Når det er fundet indlægges en stor sikkerhedsmargin for hvad der kan accepteres at indtage. Pattedyr For at undersøge et middels giftighed overfor dyr og mennesker foretages mange videnskabelige studier. Der må naturligvis ikke udføres studier på mennesker, så derfor foretages studierne på en række varmblodige dyr som rotter, mus og hunde for at få en ide om giftigheden overfor mennesker. Studier foretages for at vurderer sundhedsrisici for mennesker og dyr. Nogle forsøg strækker sig kun over nogle få uger medens andre forsøg foretages over et par år eller hvad der kan svare til et dyrs levetid. Undersøgelserne kan opdeles i 3 grupper. 13

14 1) Akut giftighed, som er den påvirkning der opstår øjeblikkelig ved indtagelse gennem mund eller hud ved en engangspåvirkning. 2) Kort tids studier undersøger mulige virkninger over 28 eller 90 dage. 3) I langtidsstudier undersøges mulige kroniske virkning som kræft, reproduktion mm. Alle disse forsøg gennemføres efter internationale guidelines fra OECD (Organisation for Economic Co-operation and Development) Økosystemer Midlernes mulige påvirkning på flora og faunaen undersøges gennem tests på en række testorganismer, hvor man vælger de mest følsomme indenfor alger, dafnier, insekter, fisk, fugle og mikroorganismer, ligesom der også fokuseres på nyttedyr som f.eks. bier. Dafnier, der har grønalger som føde og derigennem er med til at gøre ferskvand mere klart, er en af de organismer, der indgår i test af hvordan midlerne virker på økosystemet. 14

15 Miljø Ved anvendelse af plantebeskyttelsesmidler, kan rester havner i jord, vand, planter og luft. Det er derfor vigtigt at undersøge, hvordan de nedbrydes, og hvor store rester der kan forventes på et givet tidspunkt. Nedbrydning Studier af nedbrydning af det aktive stof foregår i jord, vand, planter, dyr og luft. Nedbrydningen af kemiske midler omtales i halveringstid, hvilket er den tid det tager før halvdelen af mængden af det kemiske stof er nedbrudt. Rester Når midler nedbrydes i miljøet foregår det trinvis. Et stort molekyle nedbrydes til mindre molekyler, der igen nedbrydes. Det er vigtigt at plantebeskyttelsesmidlerne ikke efterlader skadelige nedbrydningsprodukter som rester i de forskellige miljøer, så derfor undersøges det også, hvor store mængder af rester der er i jord, vand, planter og dyr på et givet tidspunkt, og hvor lang nedbrydningstiden er for disse forbindelser til alle forbindelserne er nedbrudt til naturlige stoffer. Oversigt over hvor plantebeskyttelsesmidlerne forsvinder hen 15

16 Lysimeter der er kasser nedgravet i jordoverfladen Tværsnit af installationen der viser at overskydende regnvand fra lysimeteret opsamles til undersøgelse i en underjordisk servicegang. Midlernes nedbrydning og skæbne i jord er særdeles kompliceret. I dag foregår vurderingen i computersimuleringsmodeller som FOCUS (FOrum for the Co-ordination of pesticide fate models and their Use). Simuleringsmodeller er baseret på utallige undersøgelser i jorden. En af metoderne har været jordsøjleundersøgelser, som kan foregå i laboratoriet, hvor midler opløses i vand før de ledes gennem en standard jordsøjle. En anden undersøgelse, der betegnes lysimeterforsøg, blev foretaget under marklignende forhold, hvor en kvadratmeter naturlig lejret jord i en kasse blev behandlet som en mark. Der dyrkes afgrøder på jorden, og der behandles med plantebeskyttelsesmidler. Udtag fra bunden af kasserne leder overskudsregnvand til en servicegang under jorden. Regnvandet kunne så undersøges for om midlerne føres med regnvandet nedad eller om midlerne og deres nedbrydningsprodukter blev nedbrudt i jordlaget. Det er vigtigt at kunne fastslå, at plantebeskyttelsesmidler nedbrydes i jordens øverste jordlag, da nedbrydningen er højest i disse lag. En effektiv nedbrydning minimerer risikoen for nedtrængning til underliggende vandlag. 16

17 Vurdering af testfisk i biokoncentrations test I vandmiljøer foretages flerårige undersøgelser af om plantebeskyttelsesmidlerne påvirker flora og fauna. I vandmiljøer foretages der studier af om plantebeskyttelsesmidler påvirker forskellige dyr og planter. Disse undersøgelser finder sted i laboratorier, hvor der testes på forskellige følsomme organismer. Nogle undersøgelser simulerer mere naturlige miljøer, idet de finder sted over flere år i større udendørs vandbeholdere. 17

18 Godkendelsesprocedure Når et plantebeskyttelsesmiddel skal markedsføres er det underlagt love og bekendtgørelser i EU og det enkelte land. Hertil skal det firma der ønsker en godkendelse indlevere den omfattende forskning som er beskrevet her foran. Her er mapper med forskningsresultaterne for et middel, der skal indleveres til gokendelse. I dag leveres dette materiale på CD. EU I EU er plantebeskyttelsesmidlerne underlagt EUROPA-PARLAMENTETS OG RÅDETS FORORDNING (EF) Nr. 1107/2009. Denne forordning omhandler blandt andet godkendelse af aktivstoffer og markedsføring af plantebeskyttelsesmidler. Nogle af hovedpunkterne i godkendelsen er sikkerheden omkring fødevarer og miljø. Rapporteur medlemsland Producenter med aktivstoffer, som ikke tidligere har været godkendt i EU, ansøger efter eget valg et medlemsland (kaldet rapporteur medlems land) til at starte vurdering og evaluering af indsendte forsøgsrapporter. Rapporteur landet rapporterer deres resultater til ansøgeren, andre medlemslande, EFSA og den europæiske kommission. EFSA European Food Safety Authority (EFSA) er det organ, der på baggrund af den omfattende krævede forskning, vurderer midlernes risiko. EFSA skal således give den videnskabelige rådgivning for om midler kan godkendes i EU. For at et middel skal kunne godkendes, skal det vurderes, når midlerne anvendes korrekt, at det ikke har nogen direkte eller indirekte skadelig virkning på mennesker eller dyrs sundhed f.eks. gennem drikkevand, mad eller foder. Ligeledes må midlerne 18

19 ikke skade grundvandskvaliteten. Derudover foretages en miljømæssig risikovurdering af de mulige konsekvenser på ikke målorganismer. Zone harmonisering Europa er nu inddelt i 3 zoner sydlige zone, centrale zone og den nordlige zone. Efter godkendelse af et aktivt stof har fundet sted i EU er næste skridt en zone harmonisering. Dette sker for at hindre barrierer for handel med plantebeskyttelsesmidler, som skyldes forskellige niveauer af beskyttelse i medlemslandene. Her tages hensyn til nationale forhold, når der træffes en fælles afgørelse for beskyttelse af mennesker og miljø. De 3 europæiske zoner for plantebeskyttelsesmidler Patent - og betaling for investering For at forhindre at andre starter en fabrikation af nøjagtig et tilsvarende middel udtages patent relativt tidligt for en ny kemisk forbindelse. Patentperioden, hvor midlet er beskyttet mod kopiering, kan strække sig op til 20 år, men da det tager 10 år at få et færdigt plantebeskyttelsesmiddel på markedet, er der kun 10 år til at få tilbagebetalt investeringen for midlets opfindelse og dokumentation for at midlet ved anvendelse ikke medfører uacceptable påvirkninger på mennesker og miljø. Det er derfor vigtigt at maksimere opstart og salg, da det efter patenttidens udløb er muligt for firmaer, der ikke har investeret i udviklingsomkostninger som omtalt i denne artikel, at lave kopiprodukter. 19

20 . Målet med plantebeskyttelse er at have sunde fødevarer i tilstrækkelige mængder til verdens befolkning. Dette materiale er udarbejdet af Bayer CropScience i samarbejde med Danske Science Gymnasier. For yderligere oplysninger kontakt: Jens Husby, Bayer CropScience. Tlf.: jens.husby@bayer.com Niels Bjerre, Crop Manager Bayer CropScience. Tlf.: niels.bjerre@bayer.com Jakob Schiødt, Nærum Gymnasium. Tlf.: jsc@nagym.dk