Environmental fate of clothianidin nanopesticides

Helene Walch

doi:10.25365/thesis.44009

You are here: University of Vienna PHAIDRA Detail o:1329577

Title (eng)

Environmental fate of clothianidin nanopesticides

Parallel title (deu)

Verhalten und Verbleib von Clothianidin Nanopestiziden in der Umwelt

Author

Helene Walch

Advisor

Thilo Hofmann

Co-Advisor

Mélanie Kah

Assessor

Thilo Hofmann

Abstract (deu)

Im Hinblick auf die Umwelt-Risikobewertung, wurde der Einfluss dreier polymerbasierter Pestizid-Nanoformulierungen auf (1) den photochemischen Abbau und (2) das Sorptionsverhalten des Wirkstoffes Clothianidin im Vergleich zu einer kommerziell erhältlichen Formulierung (Com) und der reinen Wirkstofflösung (AI) untersucht. Clothianidin, ein Neonikotinoid, wurde mit HPLC und UV-Vis Detektion analysiert. Die getesteten Konzentrationen (in entionisiertem Wasser und PowerPhos Flüssigdünger-Lösung) basierten auf maximal relaistischen Ausbringungsmengen für Feldfrüchte bei der Blattspritzung (photochemischer Abbau) und mit der Saat in der Anbaufurche (Sorption). Die photochemischen Abbauraten wurden mithilfe einer Xenonbogenlampe ermittelt. In wässrigem Hintergrund wurden zusätzliche Konzentrationen unter und über der Clothianidin Löslichkeit getestet. Die Abbauraten sanken mit steigenden Konzentrationen und ein Schutzmechanismus der Nanoformulierungen setzte bei Konzentrationen über der Löslichkeit ein, was mit der beobachteten löslichkeitsabhängigen Freisetzung des Wirkstoffes von den Nanopartikeln übereinstimmte. Die Zugabe von PowerPhos reduzierte den Abbau aller Formulierungen und des AI durch Beschattungseffekte, löste aber keine Nanoeffekte aus. Mit einer Batch-Equilibrium Methode und einer Zentrifugenmethode (unter realistischeren Boden:Lösung-Verhältnissen) wurden Sorptionskoeffizienten für Sand und Lehm bestimmt. Das Sorptionsverhalten wurde vom Bodentyp dominiert. In Übereinstimmung mit der sofortigen Freisetzung von Clothianidin unterhalb der Löslichkeit, konnte kein genereller Nanoeffekt gezeigt werden, auch nicht unter PowerPhos Zugabe. Dennoch konnte für einzelne Nanoformulierungen in der Batch-Methode eine etwas stärkere Sorption verglichen zu Com/AI beobachtet werden. In der Zentrifugenmethode überlagerten die Einflüsse von Struktur (Aggregate) und Dünger eventuelle Nanoeffekte. Die Ergebnisse unterstreichen, dass der Einfluss einer Nanoformulierung auf das Umweltverhalten des Wirkstoffes vom Freisetzungsverhalten abhängt.

Abstract (eng)

With regards to environmental risk assessment, the impact of three polymer-based pesticide nanoformulations on (1) the aqueous photodegradation rate and (2) the sorption behavior of the active ingredient (AI) clothianidin were investigated, in comparison with a commercially available formulation (Com) and the AI-solution. Clothianidin, a neonicotinoid, was analyzed by HPLC with UV-Vis detection. Test-solution concentrations (in deionized H2O and PowerPhos liquid fertilizer solutions) were based on maximum realistic application rates on crops in foliar spray (photodegradation) and in-furrow while seeding (sorption). Photodegradation rates were determined using a xenon arc lamp. In H2O, additional concentrations below and above clothianidin solubility were tested. Degradation rates decreased with increasing concentrations and an AI protection by nanoformulations emerged at concentrations exceeding clothianidin solubility. This was in line with the solubility-dependent release of clothianidin from the nanocarriers. PowerPhos addition did not enhance this nano-effect, but strongly reduced degradation of all formulations and the AI due to shading. Sorption coefficients were determined for sand and loam using a batch-equilibrium method and a centrifugation method, with a more realistic soil:solution ratio. Sorption behavior was dominated by the soil type and, in line with the immediate release of clothianidin at concentration below solubility, no overarching nano-effect could be shown. Also PowerPhos addition did not enhance nano-effects. However, single nanoformulations exhibited slightly stronger sorption than Com/AI in the batch method. In the centrifugation method, aggregates and fertilizer impacts masked any nano-effects. The results underline that the impact of nanoformulations on the environmental fate depends on the AI-release behavior.

Keywords (eng)

nanopesticidenanopolymernanoformulationclothianidinphotodegradationsorptionfertilizerneonicotinoidenvironmental fatesoil

Keywords (deu)

NanopestizidNanopolymerNanoformulierungClothianidinphotochemischer AbbauSorptionDüngerNeonikotinoidUmweltverhaltenBoden

Subject (deu)

Umwelttoxikologie

Subject (deu)

Umweltchemie

Subject (deu)

Umweltbelastungen

Subject (deu)

Umweltbelastung durch Land- und Forstwirtschaft