Herbizid

Herbizide ( ‚Kraut‘, ‚Gras‘ und lat. ‚töten‘) oder Unkrautbekämpfungsmittel sind Substanzen, die störende Pflanzen abtöten sollen. Sie werden entweder als Pflanzenschutzmittel oder als Biozide eingesetzt. Herbizide werden vor allem in der Landwirtschaft verwendet, aber auch auf Nicht-Kulturland.

Kulturpflanzen stehen im Wettbewerb mit Unkräutern um Wasser, Nährstoffe und Licht. Dichter Unkrautbewuchs kann die Ernte sehr erschweren und deutlich vermindern. Unkräuter können manuell, mit Maschinen oder mit Herbiziden dezimiert werden.

Man unterscheidet dabei zwischen selektiven Herbiziden, die gegen bestimmte Pflanzen wirken, und Breitband- oder Totalherbiziden, die gegen sehr viele Pflanzen wirken. Während des Vietnamkrieges wurden im Zuge der Operation Ranch Hand Herbizide (insbesondere Agent Orange) auch zu militärischen Zwecken als Entlaubungsmittel verwendet.

Geschichte Die Notwendigkeit des Pflanzenschutzes begann für den Menschen mit dem systematischen Anbau von Kulturpflanzen. Während die Bekämpfung von Insekten und Pilzerkrankungen erst mit Hilfe chemischer Mittel in neuerer Zeit möglich wurde, ist eine rein mechanische Beseitigung von Unkräutern bereits seit Jahrtausenden üblich.

Die in der landwirtschaftlichen Großerzeugung am weitesten fortgeschrittenen USA waren der Einführung selektiver Herbizide gegenüber besonders aufgeschlossen. Die starke Konkurrenz in der landwirtschaftlichen Erzeugung mit Zwang zur Ertragssteigerung, Einsparung von Pflanzgut und Samen förderte folgerichtig die Niederhaltung von Unkräutern zur Vermeidung von Ernteausfällen. Die Verteuerung der menschlichen Arbeitskraft, zum Teil auch die Verknappung der Arbeitskräfte, waren kräftige Promotoren für die Einführung von vorwiegend selektiven Herbiziden unter Ausschaltung einer manuellen oder rein mechanischen Unkrautbeseitigung.

Im Zuge der Rationalisierung des Anbaues von großen Monokulturen mussten viele Arbeitsvorgänge maschinell durchgeführt werden. Kartoffeln, Baumwolle oder auch Getreide können nur noch mit Erntemaschinen wirtschaftlich geerntet werden. Eine maschinelle Ernte, z. B. von Baumwolle oder Kartoffeln bedingt aber die Vorbehandlung der Kulturpflanzen. Kartoffelpflanzen werden mit Krautabtötungs- und Austrocknungsmitteln vorbehandelt, erst dann können Maschinen relativ einfach ernten. Die Kartoffelkrautabtötung und -austrocknung als Sonderform der Herbizide unterdrückt außerdem eine Pilzinfektion durch faulendes Gewebe.

Weiterhin fördern große Monokulturen die Entwicklung bestimmter Unkräuter. So wurde die Bekämpfung von Unkräutern z. B. in Getreidekulturen immer dringlicher. Da das Ernten des Getreides mit Mähdreschern erst relativ spät geschehen kann, begünstigt das nicht nur die Verbreitung der frühreifen Unkräuter, sondern der Unkräuter allgemein, da Spreu und Unkrautsamen auf dem Feld bleiben und nicht wie früher mit dem Erntegut abtransportiert werden. Das hat zwangsläufig eine weitere Steigerung der Anwendung von selektiven Herbiziden im Getreidebau zur Folge. Zwar ist das Problem resistent gewordener Unkräuter noch nicht überall präsent, wohl aber eine Vermehrung schwer bekämpfbarer, bisher vielleicht weniger wichtiger Unkräuter.

Das zwingt die Forschung zur Suche nach neuen Herbiziden mit einem anderen Wirkungsspektrum und zur Anwendung von Herbizid-Kombinationen mit einem breiteren Wirkungsspektrum. Forderungen nach extrem niedrigen Pflanzenschutzmittelrückständen erschweren die Forschung bzw. die Neueinführung von Insektiziden und zum Teil auch von Fungiziden. Bei Herbiziden tritt dieses nicht im gleichen Umfang auf. Einmal sind fast ausnahmslos die praktisch herbizid wirkenden Verbindungen (Natriumarsenit ausgenommen) für Warmblüter sehr wenig toxisch, zum anderen geschieht die Anwendung der Herbizide vorwiegend vor oder kurz nach der Aussaat sowie im ersten Entwicklungsstadium einer Kulturpflanze, kaum aber später. Trotzdem müssen auch für Herbizide Rückstandsbestimmungen vorgelegt werden und es sind seit 1968 Höchstmengen im Erntegut festgelegt, in der Bundesrepublik durch die Höchstmengen-Verordnung-Pflanzenschutz.

Um 1851 verwendete man Eisensulfat, ab 1896 Kupfersulfat und Schwefelsäure zur Bekämpfung von Unkräutern. Später wurden Natriumchlorat (1926) und Dinitrokresol (DNOC) verwendet.Ullmanns Enzyklopädie der Technischen Chemie, 4. Auflage, Band 18, S. 5, Stichwort: Pflanzenschutzmittel, Toxikologie.

Im Jahr 1942 wurde die 2,4-Dichlorphenoxyessigsäure (2,4-D) als erstes hochwirksames Herbizid entwickelt.

Zwischen 1945 und 1960 folgten Thiocarbamate und Phenylharnstoffe. Zwischen 1960 und 1980 wurden Triazine (z. B. Atrazin), Diphenylether-Herbizide, Nitrile (z. B. Bromoxynil), Carbamate und Chloracetamide (z. B. Alachlor) als Herbizide verwendet. Zwischen 1980 und 1990 folgten Sulfonylharnstoffe, Aminosäurederivate (z. B. Glyphosat, Glufosinat) und Imidazoline.Winnacker, Küchler: Chemische Technik, 5. Auflage, Band 9, S. 216 ff.

Neuere Herbizide wie Metazachlor können auch auf die bereits aufgelaufene Kultur (z. B. Winterraps) ausgebracht werden, die durch Züchtung resistent gegen diese Behandlung ist.

Anwendung von Herbiziden mini|Ein Herbizid wird auf Feldfrüchte gesprüht Die Aufbringung auf das Feld erfolgt in wässrigen Suspensionen. Hersteller bieten Wirkstoffsuspensionen in Emulgaten und Pulvern an, die mit Wasser verdünnt werden. Setzt man die Herbizide vor oder während der Saat ein, so nennt man sie Vorauflauf-Herbizide. Nachauflauf-Herbizide verwendet man nach der Bildung erster Keimblätter.T. Seitz, Michael G. Hoffmann, H. Krähmer: Herbizide für die Landwirtschaft: Chemische Unkrautbekämpfung, in: Chemie in unserer Zeit, 2003, 37, 112–126.

Im Schienenverkehr erfolgt die sogenannte Vegetationskontrolle durch spezielle Sprengwagen, welche die Herbizide im Gleisbereich versprühen, um Wucherungen im Schotterbett zu verhindern.

Mobilität Systemische Herbizide verteilen sich nach der Aufnahme in der Pflanze. Wenn ein Wirkstoff nur im Xylem mobil ist, kann er nach oben, aber nicht nach unten verlagert werden. log Kow Mobilität –3 bis 0 (hydrophil) 0 bis 3 3 bis >6 (lipophil) Nicht-systemisch Trifluralin mobil im Xylem Triazine, Phenylharnstoffe Diflufenican, Diphenylether-Herbizide mobil in Xylem und Phloem Glyphosat, Glufosinat, Amitrol Wuchsstoffe, Sulfonylharnstoffe, Imidazolinone, DIMs

Wichtige Gruppen von Herbiziden In einer Pflanzenzelle sind die Chloroplasten für die Umwandlung von Kohlendioxid und Wasser zu Kohlenhydraten unter Freisetzung von Sauerstoff verantwortlich (Fotosynthese). In diesen Stoffwechsel greift die Mehrzahl der Herbizide ein.

Breitbandherbizide umgangssprachlich auch als Totalherbizide bezeichnet, wirken mit wenigen Ausnahmen unselektiv gegen alle Pflanzen.Zeit online, Juli 2015: Einer muss der Erste sein, aufgerufen 20. Oktober 2017.RoundUp-Garten: Was für Totalherbizide gibt es?, aufgerufen 20. Oktober 2017.

Photosynthesehemmer Diese Wirkstoffgruppe stört die Umwandlung von Licht in chemische Energie im Photosystem I. Zu ihnen gehören Paraquat und Diquat, welche als Kontaktherbizide ausgebracht werden (Wirkstoffaufnahme über die Blätter).

Hemmer der Aminosäuresynthese von Pflanzen Glyphosat (Handelsname u. a. Roundup) ist ein Beispiel für ein Breitbandherbizid gegen Unkräuter (z. B. Quecken). Glyphosat ist eines der meistverwendeten Herbizide der Welt, der Umsatzanteil betrug im Jahr 2001 etwa 3 Mrd. US$. Dieses Herbizid nimmt eine Pflanze über grüne Pflanzenteile (also nicht über die Wurzel) auf.

Glyphosat verhindert die Biosynthese der aromatischen Aminosäuren L-Phenylalanin, L-Tyrosin und L-Tryptophan durch eine Hemmung des Shikimisäureweges. Da der Shikimisäureweg im tierischen Stoffwechsel nicht vorkommt, wirkt das Herbizid nur gegen Pflanzen.Karl-Heinz König: Fortschritte im chemischen Pflanzenschutz, Chemie in unserer Zeit, 10/1990, S. 217–226. Glyphosat wird wegen seiner nicht-spezifischen Wirkung u. a. als Vorauflaufherbizid eingesetzt.

Glufosinat (Handelsnamen: Basta, Liberty) wirkt auf die Biosynthese von L-Glutamin in Pflanzen. Auch diese Gruppe wird häufig als Breitbandherbizid eingesetzt.

Andere bekannte Breitbandherbizide sind die Sulfonylharnstoffe (Amidosulfuron sowie Sulfometuron-methyl (Handelsnamen: Oust)) und Imidazoline (Imidazolinone) wie beispielsweise Imazapyr (Handelsname: Arsenal). Diese Substanzklassen wirken auf die Biosynthese von verzweigten Aminosäuren wie L-Valin, L-Leucin und L-Isoleucin. Diese Herbizide werden über Wurzeln und Blättern aufgenommen, sie werden bei Ackerflächen für Soja und Getreide häufig angewandt.

Wuchsstoffe Besonders in früheren Jahrzehnten waren die Wuchsstoffe, chemisch Chlorphenoxyessigsäuren wie 2,4-D, 2,4,5-T oder MCPA, eine wichtige Herbizidklasse. Diese regen zum schnellen Wachstum an, aufgrund von Nahrungsmangel sterben die breitblättrigen Unkräuter dann jedoch ab. Das schmalblättrige Getreide hat eine höhere Toleranzschwelle und wird nicht geschädigt.

Selektive Herbizide, Nachauflauf-Herbizide Eine wichtige Gruppe von Nachauflauf-Herbiziden sind die 1,3-Cyclohexandione. Wichtige Vertreter sind Cycloxydim und Sethoxydim. Diese Herbizide hemmen die Fettsäuresynthese in Pflanzen und werden häufig gegen Gräser angewandt.

Weitere Gruppen sind die Thymin/Uracil-Herbizide (z. B. Bromacil, Einsatz bei Unkräutern in Sojapflanzungen), die Benzothiadiazole (z. B. Bentazon, Handelsname: Basagran), die Phenylpyridazine (z. B. Pyridat) und die Phenoxypropionsäuren (z. B. 2,4-DB oder Fenoxaprop – sehr gute Wirkung gegen Gräser).

Safener

Zur Erhöhung der Selektivität werden Safener zusammen mit den entsprechenden Herbiziden eingesetzt. Sie setzen die schädliche Wirkung (auch Herbizidstress genannt) für Kulturpflanzen herab. Die phytotoxische Wirkung gegen Unkräuter bleibt hingegen unberührt. Man unterscheidet zwischen Saatgut-, Boden- und Blatt-Safenern. Es handelt sich um eine chemische Alternative zur gentechnischen Saatgutveränderung für die Steigerung von Hektarerträgen bei Herbizidanwendungen. Die Wirkung beruht auf der Induzierung von Enzymreaktionen innerhalb der Pflanze, die eine schnelle Entgiftung ermöglicht.Edith Ebert, Klaus Kreuz: Die Selektivität von Herbiziden. Das Prinzip der Safener, Biologie in unserer Zeit, Vol. 21, Iss. 6, Dezember 1991, S. 298–306, doi:10.1002/biuz.19910210609. Ein wichtiger Saatgut-Safener ist beispielsweise das Fluxofenim, ein Oximether.Wolfgang Krämer und Ulrich Schirmer: Modern Crop Protection Compounds Volume 1, 2007, S. 266 In Europa ist eine Bewertung und Zulassung der Substanzen in einer Positivliste durch Verordnung (EG) Nr. 1107/2009 (Pflanzenschutzmittelverordnung) rechtlich vorgesehen.BVL: .

Tendenzen in der Herbizidentwicklung In den 1950er- und 1960er-Jahren wurde einfach durch Synthese von verschiedenen organischen Molekülen ausprobiert, ob eine Substanz schädlich auf ein Unkraut wirkt. Seit den 1980er-Jahren klärt man zunehmend den biochemischen Stoffwechsel von Pflanzen auf. Es werden wichtige Enzyme der Pflanzenbiosynthese isoliert und mit verschiedenen synthetischen Stoffen wird die Hemmung der Enzyme untersucht (Enzym-Assays). Viele moderne Verfahren, z. B. die Gaschromatographie, erlauben die schnelle Identifizierung von wichtigen biochemischen Stoffwechselprodukten.

Eine weitere Tendenz geht in die Richtung, die Wirkstoffmenge zu verringern. Die Forscher möchten auch die Wirkstoffmenge der Herbizide je Hektar gering halten und gleichzeitig die Giftigkeit für Mensch und Tier minimieren.

Während man 1950 noch für die Unkrautbekämpfung etwa 12 kg Natriumchlorat oder 7 kg Atrazin auf einen Hektar Ackerfläche anwenden musste, waren es für 1 Hektar im Jahre 1970 nur noch 1 kg bis 2 kg Bentazon. Ab 1980 reichte sogar eine Wirkstoffmenge von nur 20 g Chlorsulfuron für einen Hektar Ackerboden aus. Neuere Entwicklungen untersuchen eine Hemmung des Shikimatwegs durch Kohlenhydrate wie 7-Desoxy-sedoheptulose.

Wirkungsspektrum der Herbizide