Sind unsere Lebensmittel sicher?

Es müssen nicht in jeder Frucht oder jedem Gemüse Rückstandsversuche durchgeführt werden. Es gibt internationale Richtlinien, in denen ein System von Pflanzengruppen beschrieben wird, anhand dessen von einer Pflanze auf eine Andere oder eventuell auch auf eine ganze Pflanzengattung extrapoliert werden kann. Zum Beispiel können in der EU Rückstandsdaten für Orangen auf die gesamte Pflanzengattung der Zitrusfrüchte extrapoliert werden, Rückstandsdaten für Äpfel können auf die gesamte Pflanzengattung des Kernobst extrapoliert werden.

Mit Rückstandsversuchen müssen immer die ungünstigen Rahmenbedingungen abgedeckt werden. Das heißt, wenn es verschiedene Anwendungsempfehlungen nach der Guten Landwirtschaftlichen Praxis (GAP) gibt, muss immer das GAP gewählt werden, bei dem die höchsten Rückstandswerte erwartet werden. Die höchsten Aufwandmengen, die maximale Anzahl an Anwendungen und die kürzesten Sperrfristen oder das späteste Wachstumsstadium sind sicher die wichtigsten Faktoren, aber auch die Intervalle zwischen den Anwendungen oder die Konzentration in der Spritzbrühe haben einen gewissen Einfluss auf die Rückstände.

Auch sollte die ungünstigste Sorte der betreffenden Pflanzenarten getestet werden, zum Beispiel Kirschtomaten anstatt größere Sorten, offene Salatköpfe anstatt geschlossene oder hängende Erdbeeren anstatt der am Boden wachsenden Sorten. Auch für jahreszeitliche Sorten wie Winter- oder Frühjahrsweizen sollte die ungünstigere gewählt werden.

Außerdem muss man berücksichtigen, ob es sich um eine bedeutende (engl. major) Kultur oder eine weniger bedeutende (engl. minor) Kultur handelt. Die Definition für eine bedeutende Kultur in der EU ist eine mittlere Aufnahme von mehr als 7.5 Gramm pro Tag und/oder eine Anbaufläche von mehr als 100 000 ha und eine Produktion von mehr als 200 000 Tonnen pro Jahr. Verglichen mit den unbedeutenden Kulturen müssen für bedeutenden Kulturen eine höhere Anzahl an Rückstandsversuchen durchgeführt werden.

Oft sollen auch Anwendungen außerhalb der EU berücksichtigt werden. In anderen Regionen der Welt werden Pflanzen teilweise anderen Gruppen zugeordnet und/oder es herrschen andere Regeln für die Extrapolation.

Ca. 50 % der Rückstandsstudien werden üblicherweise als Erntestudien konzipiert, das heißt dass Proben nur am Tag 0 (Tag der Anwendung) und am Erntetag genommen werden. Die zweite Hälfte der Versuche werden als Abbauversuche durchgeführt. Dabei werden zwischen Anwendung und Ernte weitere Probenahmen durchgeführt, um zu zeigen wie der Wirkstoff abgebaut wird, andere Komponenten der Rückstandsdefinition gebildet werden und ggf. auch wieder abgebaut werden. Eine weiteres Probenahmeschema sind umgekehrte Abbauversuche, das aber nur in ganz speziellen Fällen angewendet wird. Bei umgekehrten Abbauversuchen wird die gleiche Kultur auf mehreren parallelen Feldern zu verschiedenen Zeitpunkten vor der Ernte behandelt. Damit kann man beobachten, welchen Einfluss die Sperrfrist auf die Rückstände in Pflanzen von genau gleicher Reife hat. Solche Untersuchungen sind nur in bestimmten Kulturen sinnvoll, besonders wenn der genaue Zusammenhang zwischen Rückstandswerten und Sperrfristen von Interesse ist.

Die Analytik für unsere Rückstandsstudien wird in speziellen Rückstandslaboren durchgeführt. Rückstandsstudien, die bei einer Behörde eingereicht werden sollen, müssen in einem zertifizierten GLP (Good Laboratory Practice) Labor analysiert werden.

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Die Analyse von Rückstandsstudien ist Spurenanalytik, denn es werden Rückstandswerte von 5/1.000.000.000 Teil der Probe (0.005 mg/kg) oder darunter bestimmt. Das ist vergleichbar mit der Analyse von 4 Stück Würfelzucker in einem olympischen Schwimmbecken. Der Unterschied ist, dass das Schwimmbecken mit Pflanzenmaterial gefüllt ist anstatt mit Wasser.

Moderne Rückstandsanalytik wird meistens mit HPLC (engl. high performance liquid chromatography) mit massenspektrometrischem Detektor durchgeführt. Die HPLC Einheit trennt die verschiedenen Komponenten in der Probe auf, während der Detektor die nacheinander ankommenden Massen selektiv aufzeichnet. Nach der chromatographischen Trennung kommen nur wenige Moleküle gleichzeitig im Detektor an. Diese werden ionisiert und dann durch ein magnetisches Feld nach ihrem Masse/Ladungs-Verhältnis aufgetrennt. Der Detektor selbst kann die Massen nicht unterscheiden aber durch schnelle Modulation des magnetischen Feldes kommen nacheinander alle Massen am Detektionspunkt an. Da in der Spurenanalytik immer nur wenige Moleküle gleichzeitig im Detektor ankommen, muss das magnetische Feld ständig auf die gesuchte Masse eingestellt bleiben, damit die wenigen Moleküle nicht verpasst werden, während andere Massen gemessen werden. Daher ist Screening (nach allem schauen was da ist) in der Spurenanalytik nicht möglich.

Der Abbau von Rückständen während der Lagerung könnte zu einer Unterschätzung der Rückstände führen. Daher müssen geeignete Daten zur Lagerstabilität generiert werden. Diese Laborstudien können beginnen, sobald die analytische Methode zur Verfügung steht. Die Lagerstabilität muss nicht in jeder Obst- oder Gemüsesorte nachgewiesen werden. In internationalen Richtlinien wird beschrieben, welche Matrixgruppen abgedeckt werden sollten.

Für diesen Studientyp werden alle Komponenten der Rückstandsdefinition für Datenerstellung einzeln zu unbehandeltem Probenmaterial zugesetzt. Die Proben werden dann tiefgefroren wie normale Rückstandsproben. Die Proben werden dann in Intervallen aufgetaut und analysiert bis zu einem Endwert nach 2 Jahren. Wenn die Substanzen weniger als 2 Jahre stabil sind muss evtl. die Lagerzeit für die Rückstandsversuche angepasst werden.

Sobald ein Pflanzenschutzmittel in eine Pflanze aufgenommen wird, starten die natürlichen Entgiftungsprozesse der Pflanze die Substanz zu verändern und abzubauen. Durch diese Prozesse entstehen verschiedene Metabolite und Abbauprodukte der aktiven Substanz, die dann Konjugate (Verbindungen mit natürlichen Substanzen z.B. Zuckern) eingehen oder sogar komplett in natürliche Substanzen eingebaut werden können. Da Rückstandsanalytik Spurenanalytik ist, die man nur mit Kenntnis der exakten chemischen Struktur durchführen kann, müssen die Wissenschaftler herausfinden, welche Metabolite von der Pflanze produziert werden.

Zu diesem Zweck werden in bis zu 3 Positionen Radiolabels (radioaktive Isotope, üblicherweise 14C) in die betreffende Substanz eingefügt. Unter Beachtung der geplanten Guten Landwirtschaftlichen Praxis (GAP) wird die Substanz dann auf Pflanzen in großen Pflanzkontainern aufgebracht und die Pflanzen werden im Gewächshaus kultiviert. Zu verschiedenen Zeitpunkten nehmen die Wissenschaftler dann Proben der Pflanzen. Die gealterten Rückstände werden dann von den verschiedenen Proben extrahiert und über Chromatografie mit Radio-detektion ein Chromatogramm erstellt. Soweit möglich werden gefundenen Metabolite separiert und identifiziert. Metabolite, die in höheren Mengen in mehreren Proben auftauchen und/oder evtl. toxikologisch relevant sind werden in die Rückstandsdefinition für die Datengenerierung (Rückstandsstudien) aufgenommen. Die Metabolite der Rückstandsdefinition werden dann synthetisiert und zertifiziert, bevor dann das analytische Labor mit der Methodenentwicklung beginnen kann.

Eine andere wichtige Information, die aus den Metabolismusstudien gewonnen wird, ist die Extrahierbarkeit der Metabolite in gealterten Rückständen. Diese Information ist wichtig da gealterte Rückstände sich anders verhalten als frisch zur Probe zugesetzte Substanzen, wie sie für die Methodenentwicklung und Validierung verwendet werden. Daher werden für die analytischen Methoden Extraktionsmethoden verwendet, die sich in der Metabolismusstudie als effektiv erwiesen haben.

Sobald die Daten der Metabolismusstudien verfügbar sind, legen der Metabolismusexperte und der Rückstandsexperte gemeinsam die Rückstandsdefinition für die Datenerstellung fest.
Das analytische Labor entwickelt für die Metabolite in der Rückstandsdefinition Analysenmethoden, die dann für die Analysen der Rückstandsstudien und für entsprechende Lagerstabilitätsstudien genutzt werden. Basierend auf den Ergebnissen der Rückstandsstudien und toxikologischen Überlegungen wird die Rückstandsdefinition für die Risikobewertung von Bayer vorgeschlagen, die durch die Behörden bestätigt oder verändert wird. Für die Überwachung der MRLs durch behördliche Messungen wird eine Rückstandsdefinition für die Überwachung festgelegt, die meistens aus der aktiven Substanz und einem häufig prominent auftretenden Metaboliten besteht. Für Pflanzenschutzmittel deren Rückstände überwiegend aus der Ausgangssubstanz bestehen oder für die keinerlei Rückstände zu erwarten sind, kann die Rückstandsdefinition für die Überwachung nur die Ausgangssubstanz umfassen. Für die Metabolite der Rückstandsdefinition für die Überwachung müssen Methodenvalidierungen unabhängiger Laboratorien und/oder Validierungen für Multimethoden eingereicht werden.

Manchmal wird während einer Bewertung durch Behörden die Rückstandsdefinition geändert. Wenn dann zum Beispiel die Behörde der Meinung ist, dass ein Metabolit in die Rückstandsdefinition für die Risikobewertung aufgenommen werden soll, der nicht in der Rückstandsdefinition für die Datenerstellung berücksichtigt wurde (das bedeutet dass keine Rückstandsdaten für den Metaboliten erhoben wurden), kann die Risikobewertung nicht abgeschlossen werden und Bayer hat ein Problem. Daher gehen die wissenschaftlichen Experten bei der Erstellung der Rückstandsdefinition sehr umsichtig nach wissenschaftlichen Kriterien vor und versuchen alle Fragen und Bedenken, die Behörden möglicherweise haben könnten, in ihre Entscheidung mit einzubeziehen.

Nach der Ernte kann eine Agrarfläche noch immer Rückstände eines verwendeten Produkts enthalten, entweder im Boden oder in den untergepflügten Pflanzenteilen. Daher muss untersucht werden, ob ein Übertrag der Rückstände in die Folgekultur erfolgt. Da die Rückstände über den Boden aufgenommen werden, können die relevanten Rückstandskomponenten von denen der direkt behandelten Kultur abweichen. Daher werden die relevanten Komponenten in einer Metabolismusstudie mit radioaktiv markierter Substanz (engl. confined rotational crop study = CRC) ermittelt und als Rückstandsdefinition für Folgekulturen festgelegt, die sich deutlich von der Rückstandsdefinition in der behandelten Kultur unterscheiden kann. Werden in dieser CRC Studie Rückstände > 0.01 mg/kg in Lebensmitteln oder > 0.05 mg/kg in Futtermitteln gefunden, müssen Feldstudien in Folgekulturen gestartet werden. Die Feldstudien werden mit nicht radioaktivem Produkt durchgeführt.

Werden in diesen second Tier Studien die Grenzwerte erneut überschritten, muss evtl. eine 3te Stufe der Untersuchungen in Folgekulturen (third Tier) gestartet werden. Für jede Stufe der Untersuchungen braucht man ca. 36 Monate Zeit. Die dritte Stufe ist damit zeitkritisch für neue Entwicklungsprojekte. Außerdem nimmt die Komplexität mit jeder Stufe deutlich zu. Für eine Feldstudie in Folgekulturen der dritten Stufe sind bis zu 60 einzelne Feldversuche nötig.

Auch Versuche in Folgekulturen müssen immer die ungünstigen Bedingungen abbilden. Daher werden die höchst möglichen jährlichen Aufwandmengen auf Boden ohne Bepflanzung ausgebracht. Für Substanzen, die langsamer abbauen, kann es auch notwendig sein, das Plateau Level im Boden zu untersuchen. In der Metabolismusstudie zu Folgekulturen müssen mindestens 3 Pflanzengruppen mit je einem Repräsentanten untersucht werden. Die Anzahl der verschiedenen Kulturen, die untersucht werden müssen, steigt mit jeder Stufe. Für jede untersuchte Kulturpflanze müssen 3 verschiedene Intervalle zwischen Behandlung und Aussaat getestet werden. Ein Intervall zwischen 7 und 30 Tagen, das einen Ernteausfall repräsentiert, ein Intervall zwischen 60 und 120 Tagen, das eine zweite Kultur im gleichen Jahr repräsentiert und ein Intervall zwischen 270 und 365 Tagen, das die Kultur des Folgejahres repräsentiert. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen können verwendet werden, um MRLs in Folgekulturen zu setzen.

Das Ziel von Rückstandsstudien ist es, die Rückstandswerte in rohen landwirtschaftlichen Produkten (engl. raw agricultural commodity = RAC) zu bestimmen. Viele landwirtschaftliche Produkte werden aber verarbeitet, zum Beispiel fermentiert, geräuchert, getrocknet, gekocht oder gebraut, bevor sie konsumiert werden. Das Ziel von Verarbeitungsstudien ist es nun, herauszufinden, ob Rückstände durch die Verarbeitung aufkonzentriert oder verdünnt werden. Aus den Verarbeitungsstudien wird das Verhältnis zwischen verarbeitetem Produkt und der RAC abgeleitet. Dieses Verhältnis nennt man Transferfaktor (engl. transfer factor), der als Multiplikator in der Risikobewertung Anwendung findet.

Zuerst wird in einer Verarbeitungs-Hydrolyse-Studie im Metabolismuslabor der Einfluss von Modell-Prozessen auf die Komponenten des Rückstands untersucht. Die Ergebnisse dieser Studie haben Einfluss auf die Rückstandsdefinition, nach der die Proben der Verarbeitungsstudien analysiert werden.

Dann werden rohe landwirtschaftliche Produkte (RACs) aus Rückstandsstudien nach typischen industriellen und/oder Haushaltsverfahren verarbeitet. Die Rückstände können nicht, wie z.B. bei Lagerstabilitätsstudien, einfach zur Probe zugegeben werden, da sich gealterte Rückstände während der Verarbeitung anders verhalten als zugesetzte Rückstände. Die verarbeiteten Produkte und einige Nebenprodukte werden dann im Rückstandslabor analysiert.

Die zu untersuchenden Verarbeitungsprozesse und Probenmaterialien sind in internationalen Richtlinien festgelegt. Oft sind die Rückstände in verarbeiteten Lebensmitteln sehr niedrig, wodurch die Berechnung des Transferfaktors ungenau oder gar unmöglich werden kann. Um diesem Effekt entgegenzuwirken werden Erntegüter, die für Verarbeitungsstudien vorgesehen sind, oft mit höheren Aufwandmengen behandelt.

Findet man Rückstände in Futtermitteln wie Stroh, Grünfutter oder gepresster Fruchtmasse von Äpfeln muss untersucht werden, wie sich diese Rückstände auf lebensmittelrelevante Tiere auswirken. Auch für diesen Studientyp muss zuerst durch eine Metabolismusstudie die geeignete Rückstandsdefinition in tierischen Matrizes ermittelt werden.

Die in Studien ermittelten Rückstandswerte in Futtermitteln werden in theoretische Fütterungstabellen eingetragen, die in nationalen und internationalen Richtlinien festgelegt sind. Diese Tabellen enthalten typische Futtermengen für verschiedene Nutztiere wie Fleischkühe, Milchkühe, Hühner, Schweine und Schafe. Aus diesen Informationen wird dann die Aufnahme von Rückständen in Nutztieren errechnet. Dabei wird die ungünstigste Futterkombination (mit der höchsten Aufnahme) berücksichtigt. Bei einer errechneten Aufnahme von über 0.004 mg/kg bw/day (Milligramm pro Kilogramm Körpergewicht pro Tag) wird eine Fütterungsstudie verlangt.

Die höchste errechnete Aufnahmemenge entspricht dem 1x Fütterungslevel in der Fütterungsstudie, in der 3 Level (üblicherweise 1x, 3x und 10x) untersucht werden. Es gibt Gründe wegen derer manchmal ein vierter Level hinzugefügt wird. In solchen Studien werden 3 Kühe oder 10 Hühner pro Fütterungslevel plus eine Abbaugruppe mit der Substanz gefüttert. Zusätzlich gehört immer mindestens 1 Kontrolltier zu einer Studie. In der Abbaugruppe wird untersucht, wie die Rückstände in den tierischen Lebensmitteln wieder kleiner werden, nachdem keine Substanz mehr gefüttert wird. In so einer Studie werden die Tiere über einen gewissen Zeitraum mit der Substanz gefüttert. Während dieser Zeit werden 2-mal täglich Proben von Milch oder Eiern genommen. Nach dem Schlachten der Tiere werden auch Proben von Fleisch, Fett, Leber, Nieren und anderem Gewebe genommen und auf die Metabolite in der Rückstandsdefinition untersucht. Die so bestimmten Rückstände in tierischen Lebensmitteln werden dann in die Risikobewertungen für den menschlichen Konsum mit einbezogen und MRLs in tierischen Lebensmitteln, Milch und Eiern werden vorgeschlagen.

Im Oktober 2018 hat die EU Kommission die Endversion einer Richtlinie zur Bestimmung von Pflanzenschutzmitteln in Honig (SANTE 11956) veröffentlicht. Die Richtlinie gilt ab dem 1 Januar 2020, daher generieren Pflanzenschutzmittel-Hersteller zur Zeit experimentelle Daten zu Rückständen in Honig.

Das Dokument gibt Anleitung wie man die Notwendigkeit für eine solche Studie beurteilt und wie man eine Rückstandsdefinition in Honig festlegt. Daneben enthält das Dokument auch technische Anleitungen. Die Studien für Bayer werden extern bei Bienenspezialisten in Tunnelgewächshäusern (semi field-tunnels) durchgeführt. Um die Bienen während der Studie im Tunnel gut zu ernähren, wird als Testpflanze Phacelia verwendet.

Die Resultate dieser Studien fließen auch in die Risikobewertung für den menschlichen Konsum ein und werden genutzt, um für die entsprechende Substanz einen MRL in Honig zu etablieren. 

Abhängig von der Klimazone, Bodenparameter und anderen Bedingungen kann es nötig sein, verschiedene Anwendungsempfehlungen nach der Guten Landwirtschaftlichen Praxis (GAP) für verschiedene Länder festzulegen. Basierend auf den Rückstandsversuchen mit dem lokalen GAP setzt jedes Land dann seine eigenen MRLs. Außerdem entscheidet die Zulassungsbehörde jeden Landes selbst, welche Komponenten in die Berechnung des MRLs mit aufgenommen werden. Daher können, trotz eines weltweit verwendeten Tools zur Berechnung des MRLs (OECD MRL calculator), in verschiedenen Ländern für die gleiche Anwendung verschiedene MRLs beschlossen werden. Bayer ist intensiv bemüht, MRLs global zu harmonisieren, aber leider sind diese Bemühungen nicht immer erfolgreich. Unterschiedliche MRLs können jedoch empfindliche Handelsbarrieren darstellen. Wenn ein Landwirt in Brasilien ein Nahrungsmittel nach der brasilianischen Guten Landwirtschaftlichen Praxis (GAP) und in Übereinstimmung mit dem brasilianischen MRL produziert, dieser MRL aber höher ist als der Europäische MRL, wird er seine Produkte nicht nach Europa exportieren können. Daher arbeitet Bayer eng mit lokalen landwirtschaftlichen Verbänden zusammen, um sie auf solche bestehenden und entstehenden Handelsbarrieren aufmerksam zu machen und ihnen zu helfen, diese Probleme zu überwinden.

Der öffentliche Druck und einige nichtstaatliche Organisationen drängen Supermarktketten, Lebensmittel anzubieten, in denen die Rückstände deutlich unter dem MRL liegen, der das offizielle Maß für ein legales Produkt ist. Das ist ein großes Problem für die Landwirte, die Produkte mit niedrigeren Rückständen liefern sollen, obwohl die Anwendungsempfehlungen (GAPs) auf dem Label für ein Limit kleiner/gleich dem MRL gemacht wurden. Diese zusätzlichen, niedrigeren Rückstandslimits nennt man „secondary standard“.

Um die Landwirte als unsere Kunden zu unterstützen, führt Bayer Rückstandsversuche durch, in denen bestimmt wird, welches GAP der Landwirt einhalten muss, um diese „secondary standards“ zu erfüllen. Das ist eine kniffelige Sache, denn zu niedrige Aufwandmengen fördern die Bildung von Resistenzen. Daher ist es für manche Substanzen schwierig, GAPs für „secondary standards“ zu empfehlen. Diese Studien werden nicht immer so detailliert durchgeführt und berichtet wie die Studien zur Einrichtung bei Behörden. Zum Beispiel müssen diese Versuche nicht unter GLP durchgeführt werden.

Diese Versuche sind keine Registrierungsstudien.