Zentraler Grundsatz des integrierten Pflanzenschutzes ist es, dass die eingesetzten Pflanzenschutzmittel so weit wie möglich zielartenspezifisch sind und die geringsten Nebenwirkungen auf die menschliche Gesundheit, auf Nichtzielorganismen und die Umwelt haben. Präparate auf Bacillus thuringiensis-Basis erfüllen diese Forderungen in herausragender Weise und haben damit bei Pflanzenschutzmitteleinsätzen im Wald eine besondere Bedeutung.
Entdeckung des biologischen Insektizids
Der japanische Wissenschaftler Ishiwata Shigetane isolierte 1901 aus den Raupen des Seidenspinners ein Bakterium, das er als Bacilllus sotto bezeichnete. 1911 fand der deutsche Ernst Berliner dasselbe Bakterium in abgestorbenen Raupen der Mehlmotte. Er bezeichnete es als Bacillus thuringiensis (B.t.), da er die Mehlmotten aus Thüringen erhalten hatte. Die Raupen zeigten Symptome der "Schlaffsucht", einer aus Insektenzuchten bekannten Krankheit, deren Ursache bis dahin noch unbekannt war. Berliner wies das Bakterium B.t. als Erreger dieser Krankheit aus und beschrieb damit erstmalig dessen insektizide Wirkung.
Im Laufe der folgenden Jahre hat man verschiedene Bakterienstämme von B.t. entdeckt, insgesamt sind weltweit bisher etwa 50.000 B.t.-Stämme bekannt. Gut 3.000 Insektenarten aus mehr als 15 Ordnungen gelten als empfindlich gegenüber B.t.-Proteinen, daneben gibt es auch eine spezifische Toxizität gegenüber Nematoden und Einzellern.
Entstehung von Bacillus thuringiensis-Proteinen
Abb. 1: Während der Sporulation von B.t. entstehen auch Kristallproteine, die toxisch wirken können (Foto: P. R. Johnston, wikipedia).
B.t. vermehrt sich vegetativ durch Teilung. Verschlechtern sich die Lebensbedingungen, wird dieser vegetative Zyklus beendet und das Bakterium bildet ein Dauerstadium (Endospore) aus. Diese Endospore kann auch extreme Umweltbedingungen über extrem lange Zeiträume (mehrere Millionen Jahre!) überdauern. Die Bildung dieser Endospore bezeichnet man als Sporulation.
Bei B.t. entstehen während der Sporulation auch Kristallproteine, die je nach Stamm in Anzahl und Form variieren. Wirken diese Kristallproteine toxisch, werden sie auch als Kristall-Toxine bzw. Endotoxine oder Delta-Endotoxine bezeichnet. Diese Endotoxine liegen im Sporangium in einer ungiftigen Form (Protoxin) vor und werden erst unter bestimmten Bedingungen zum Toxin. Die Endotoxine selbst bestehen aus drei Teilbereichen, die als Proteindomäne bezeichnet werden und jeweils unterschiedliche Funktionen haben:
- Domäne I: bedingt eine Porenbildung
- Domäne II: bedingt eine Rezeptorbildung
- Domäne III: Funktionen noch weitgehend unbekannt, sichert möglicherweise die strukturelle Unversehrtheit
Wirkungsmechanismus
Die Insekten nehmen die zunächst ungiftige Form (Protoxin) mit der Nahrung auf. Im Mitteldarm des Insekts, bei spezifischen alkalischen pH-Werten, werden die Kristallproteine durch Enzyme (Proteasen) gespalten und damit zur eigentlichen Toxinform umgewandelt. Diese können sich nun an spezifische Rezeptoren der Darmwand binden (Domäne II und III) Spezielle Bestandteile des Toxins (Domäne I und II) senken sich daraufhin in die Zellmembran der Darmwand und verursachen dort die Entstehung von Poren. Die Darmwand wird so regelrecht perforiert. Das führt zu einem sofortigen Fraßstopp, einer Diarrhoe und in Folge dessen zum Austrocknen der Larven. Letztlich gelangen Darmbakterien durch die Poren in den Blutkreislauf und verursachen dort eine "Blutvergiftung", die zum Absterben des Insekts führt.
Hohe Selektivität
B.t.-Präparate haben aufgrund ihres charakteristischen Wirkungsmechanismus eine besondere Bedeutung für den integrierten Pflanzenschutz. Eine höchstmögliche Selektivität und damit ein sehr weitgehender Schutz von Nichtzielorganismen sind sicher. So wirken B.t.-Präparate auf Basis eines bestimmten B.t.-Stammes nur auf Raupen bzw. Larven bestimmter Insektenarten. Dazu müssen folgende Bedingungen erfüllt sein:
- Das kristallisierte Protoxin muss gefressen werden.
- Im Darm muss ein bestimmter pH-Wert vorliegen (pH > 9), um die Kristallstruktur aufzulösen.
- Spezifische Proteasen (Enzyme) müssen vorhanden sein, um die ungiftigen Protoxine in einem ersten Verdauungsschritt in die aktive Toxinform zu überführen.
- Auf dem Epithel des Mitteldarms müssen die passenden Rezeptoren vorhanden sein, damit das Toxin über eine spezielle Schlüsselstruktur an die Epithlemembran andocken kann (Schlüssel-Schloss-Prinzip).
Nur wenn alle diese Bedingungen erfüllt sind, wirkt das B.t.-Kristallprotein eines bestimmten B.t.-Stammes toxisch.
Keine Auswirkungen auf den Naturhaushalt
Abb. 2: "Dipel ES" ist ein Pflanzenschutzmittel, das die Endotoxine eines B.t.-Stammes enthält (Foto: Stähler).
Das Pflanzenschutzmittel "Dipel ES" enthält die Endotoxine des Stammes Bacillus thuringiensis subsp. kurstaki (Btk), die ausschließlich auf freifressende Schmetterlingsraupen toxisch wirken. Zudem werden B.t.-Präparate bei Starkniederschlagsereignissen abgewaschen und sind UV-empfindlich. Ihre Wirkungsdauer ist daher stark abhängig von Anwendungsgebiet, Witterungsverlauf und Sonneneinstrahlung. Bei Waldschutzmaßnahmen wird von einer ein- bis zweiwöchigen Wirkungsdauer ausgegangen. Auch dies reduziert die Zahl der potentiell betroffenen Nichtzielorganismen deutlich, da nur Schmetterlingsraupen, die unmittelbar zum Zeitpunkt der Behandlung an den Blättern fressen, erreicht werden.
Auch der Einsatz in Gewässernähe ist unbedenklich, da Fische, Fischnährtiere oder andere Wasserlebewesen nicht betroffen werden können. Letztlich werden B.t.-Präparate durch die UV-Strahlung inaktiviert und durch Mikroorganismen vollständig abgebaut, so dass keine langfristige Belastung des Naturhaushaltes zu befürchten ist.
Fazit
Insgesamt entspricht "Dipel ES" in herausragender Weise der Anforderung des integrierten Pflanzenschutzes. Leider ist der Einsatz im Waldschutz derzeit trotzdem nicht sinnvoll möglich, da die Zulassung zur Ausbringung mit Luftfahrzeugen ausgelaufen ist und eine Neuzulassung nicht in Aussicht steht. Daher muss nun bei notwendigen Waldschutzmaßnahmen auf weniger selektiv wirkende Pflanzenschutzmittel mit strengen Abstandsauflagen zurückgegriffen werden bzw. in Gewässernähe steht kein Pflanzenschutzmittel mehr zur Verfügung. Das ist gerade in Bezug auf die Bekämpfung des Eichenprozessionsspinners problematisch. Die Zulassung eines B.t.-Präparates, das über eine Zulassung zur Ausbringung mit Luftfahrzeugen verfügt, ist daher für den forstlichen Anwendungsbereich dringend geboten.
