Dinamika razgradnje neonikotinoida primijenjenih tretiranjem sjemena šećerne repe i učinak na štetnu i korisnu faunu

Sugar beet (Beta vulgaris var. saccharifera L.) is a profitable industrial crop, but also one of the most demanding, considering the production technology and the growing period of almost 180 days. Sugar beet is attacked by numerous pests such as wireworms, sugar beet flea beetles, aphids, and others, which significantly reduce yield, root quality and sugar content. In the last 20 years, sugar beet protection has been successfully carried out using the method of seed treatment with neonicotinoids (imidacloprid and thiamethoxam). Because they are suspected of having negative effects on bee colonies and other beneficial organisms, the EC regulation prohibits their use starting in 2019, except in permanent greenhouses or with special permission. Among the most important beneficial soil fauna of sugar beets are ground beetles and earthworms, which have an indirect positive impact on the crop by increasing soil fertility, regulating the water-air ratio or reducing the number of pests. Due to the ban on neonicotinoids, sugar beet production has halved compared to previous years, amounting to only 10,000 hectares. The environmental assessment of plant protection products for soil organisms is mainly based on the results of laboratory and extended laboratory studies, while the link from the laboratory to realistic field conditions over several seasons is not well established. Despite the ban, the degradation dynamics of neonicotinoids in plants sown from treated seeds and their effects on these plants and the surrounding soil are still not well understood. Moreover, the residues of neonicotinoids and their bioaccumulation in beneficial soil fauna in Croatia have not yet been determined, nor has their impact on the numbers and composition of these organisms. Therefore, the objectives of this research were: (i) to determine the efficacy of neonicotinoids on the main pests and the degradation dynamics in sugar beet plants grown from seeds treated with imidacloprid and thiamethoxam under different weather conditions; (ii) determine the residues of neonicotinoids in ground beetles, earthworms, and soil of sugar beet fields; and (iii) determine the cenological composition of ground beetles and the possibility of population recovery in sugar beet fields and fields included in a four-year crop rotation. Monitoring of neonicotinoid efficacy against major pests and degradation dynamics was conducted over two years (2015 and 2016) in Virovitica - Podravina (Lukač) and Vukovar - Syrmium (Tovarnik) counties and under laboratory conditions. Samples were collected using standard protocols, including pitfall traps for ground beetles and ISO - ISO 23611-1:2006 methodology for earthworm sampling. Residue analysis was performed using the LC-MS / MS SPE - QuEChERS method with LOQ of 0.01 mg/kg for plant and soil samples and 0.001 mg/kg for animal samples. A biocenological-synecological analysis of ground beetles was performed to determine the ecological indices of the population, and based on the calculated dominance, the represented species were classified according to Tischler and Haydeman. Collected samples were determined to species using standard identification keys. Results were statistically analyzed using ANOVA. Results show that insecticide treatment of sugar beet seed leaves minimal residues in plants and is completely degraded by the end of the growing season. Elevated concentrations of residues in the soil indicate that in dry climates or after a dry period, there is a risk to crops that follow sugar beets in the rotation. All neonicotinoid residues detected in beneficial organisms were below levels considered lethal throughout the sampling period, so it can be assumed that insecticides do not accumulate in these organisms. Calculation of the bioconcentration factor using the retrospective analysis method of analytically measured neonicotinoid residues in the samples indicates that there is no risk to earthworms and no potential for secondary poisoning in birds and mammals that feed on them. The composition and abundance of ground beetles in sugar beet fields is strongly influenced by several factors during the growing season, with insecticides having negative effects, while reduced tillage, lower temperatures, and more rainfall lead to higher ground beetle abundance and diversity. Growing sugar beets in a four-year rotation provides a recovery in the ground beetle population. The research also resulted in a comprehensive list of 64 ground beetle determined to species in maize, sugar beets, wheat, and soybeans, and represents a valuable finding that complements previous studies in Croatia. A better understanding of ground beetles in intensive agricultural landscapes is a good starting point for conservation programs that have become standard in the European Union.S obzirom na tehnologiju proizvodnje i duljinu vegetacije od gotovo 180 dana, šećerna repa smatra se najzahtjevnijom poljoprivrednom kulturom (Pospišil, 2013; Kristek, 2015). Tijekom vegetacije izložena je napadu brojnih štetnika koji smanjuju prinos, kvalitetu korijena i sadržaj šećera. Tehnologija proizvodnje šećerne repe obuhvaća velik broj zahvata te intenzivno suzbijanja korova i štetnika, što negativno djeluje na korisne organizme u tlu (Bažok i sur., 2015). Zaštita šećerne repe od štetnih kukaca posljednjih se dvadesetak godina učinkovito provodila tretiranjem sjemena insekticidima iz skupine neonikotinoida u slučaju žičnjaka, buhača i lisnih uši (Dobrinčić, 2002; Bažok, 2010). Folijarna primjena insekticida usmjerena je na suzbijanje repine pipe (Bažok i sur., 2012). Prema Castle i sur. (2005) te Byrne i Toscano (2006), koncentracija imidakloprida između 0,005 i 0,01 mg/kg u biljnom tkivu osigurava učinkovitu zaštitu od štetnika, što se postiže upravo tretmanom sjemena. Iako su od sredine 1990-ih do danas neonikotinoidi bili najčešće korišteni insekticidi na svijetu, zbog sumnje na negativan utjecaj na pčelinje zajednice, Uredbom Europske komisije (EU) 485/2013 zabranjeno je korištenje tiametoksama, imidakloprida i klotianidina na većini ratarskih kultura. Zabrana nije obuhvaćala šećernu repu jer nije smatrana atraktivnom pčelama. Konačna odluka o zabrani donesena je 27. travnja 2018. (Bažok i Lemić, 2018), a temeljila se na svim relevantnim istraživanjima diljem svijeta (EFSA, 2018a, 2018b, 2018c). Odluka se počela primjenjivati od 2019. u većini država članica EU-a. Iako su neonikotinoidi danas zabranjeni u Europi i Ujedinjenom Kraljevstvu, još se uvijek uz posebne dozvole mogu koristiti za zaštitu pojedinih usjeva (Harrison-Dunn, 2021). Uklanjanjem neonikotinoida iz primjene istodobno se povećala primjena drugih insekticida, najčešće piretroida (Kathage i sur., 2017). Osim štetnika, u šećernoj repi javljaju se i brojni pripadnici korisne faune s neizravno pozitivnim utjecajem na kultivirane biljke. Najvažnija korisna fauna tla šećerne repe uključuje kukce, osobito red Carabidae, odnosno trčke (Kos i Bažok, 2015), i gujavice (Pisa i sur., 2014). Zbog velike brojnosti, poznate taksonomije i osjetljivosti na promjene uzrokovane vanjskim čimbenicima trčci se često koriste u ekološkim istraživanjima (Lövei i Sunderland, 1996). Smanjenje populacije trčaka na nekom području posljedica je većeg unosa agrokemikalija, gubitka travnih pojaseva za ishranu i povećavanja veličine parcela (Fahrig i sur., 2015). Sastav faune trčaka te dinamika njihove pojave u Hrvatskoj nisu poznati iako se često navodi da su insekticidi glavni čimbenik smanjenja njihove brojnosti. Gujavice ili humifikatori važni su članovi faune tla (Luo i sur., 1999). Sudjeluju u fragmentaciji, razgradnji i inkorporaciji organske tvari (Edwards i Bohlen, 1996). U poljoprivrednim tlima čine do 80 % ukupne životinjske biomase (Luo i sur., 1999). Sredstva za zaštitu bilja predstavljaju opasnost za preživljavanje i ponašanje gujavica ometajući razvoj i procese razgradnje tla (Volkov i sur., 2007). Istraživanje se provodilo tijekom dviju godina (2015. i 2016.) u Virovitičko-podravskoj županiji (Lukač) i Vukovarsko-srijemskoj županiji (Tovarnik) te u laboratorijskim uvjetima na Zavodu za poljoprivrednu zoologiju Agronomskog fakulteta Sveučilišta u Zagrebu. Podaci o vremenskim uvjetima prikupljeni su iz Državnog hidrometeorološkog zavoda. Na oba lokaliteta u obje godine šećerna repa bila je posijana na 3,000 m2. Varijante su uključivale netretirano (NT) sjeme šećerne repe, sjeme tretirano imidaklopridom (IMI) i tiametoksamom (TMX). Svaka varijanta bilja zasijana je na 1,000 m2. U laboratorijskim uvjetima sjeme šećerne repe posijano je u supstrat u plastične posude zapremnine 130 l. Osim polja šećerne repe na kojima su zasijani pokusi, na svakom od lokaliteta odabrana su još tri polja na kojima je šećerna repa bila zasijana pred jednu, dvije ili tri godine s ciljem prikupljanja uzoraka faune te kako bi se utvrdili brojnost i sastav faune trčaka i utjecaj intenzivnog uzgoja šećerne repe na navedene organizme. Štetnici i pripadnici korisne faune tla praćeni su i prikupljani standardnim metodama, a za svakog štetnika na temelju frekvencije biljaka u grupama izračunat je postotak (%) štete (Townsend i Heuberger, 1943). Količina rezidua neonikotinoida analizirana je u: (i) biljkama šećerne repe – 432 uzoraka; (ii) trčcima – 14 uzoraka; (iii) gujavicama – 58 uzoraka; (iv) tlu –18 uzoraka. Određivanje rezidua neonikotinoida provedeno je metodom tekućinske kromatografije / tandemskom spektrometrijom mase (LC-MS/MS) nakon ekstrakcije / razdiobe acetonitrilom i čišćenja disperzivnom SPE – QuEChERS metodom (EN 15662:2008). Na istim lokalitetima i poljima prikupljani su uzorci trčaka za cenološku analizu. Prvi set uzoraka trčaka prikupljen je 2015. U epigejskim lovkama prikupljene su 2,582 jedinke, a u endogejskim lovkama 323 jedinke trčaka. Drugi set uzoraka trčaka prikupljen je 2016. s obje lokacije na četiri polja po lokalitetu (četverogodišnji plodored): polje šećerne repe, polje na kojem je repa bila uzgajana godinu dana prije (2015.), dvije godine prije (2014.) i tri godine prije (2013.). Ukupno je prikupljeno 11,763 jedinki trčaka. Svi podaci podvrgnuti su analizi varijance (ANOVA). Rezultati istraživanja učinkovitosti tretiranog sjemena imidaklopridom i tiametoksamom na najvažnije štetnike šećerne repe pokazali su zadovoljavajuću zaštitu od žičnjaka, buhača i repine pipe pri niskom populacijskom pritisku. Gusjenice i lisne uši bile su prisutne u nižoj brojnosti pa se ne može sa sigurnošću utvrditi učinkovitost istraživanih insekticida. Učinkovitost se može očekivati u trajanju od oko sedam tjedana nakon sjetve, što je u skladu s dinamikom razgradnje. Rezultati istraživanja degradacije neonikotinoida u biljkama šećerne repe pokazali su rezidue IMI ispod tolerance (MRL) koja iznosi 0,5 mg/kg 40 – 50 dana nakon sjetve. Analiza razgradnje TMX u polju utvrdila je rezidue ispod MRL (0,02 mg/kg) 70 – 80 dana nakon sjetve. Razgradnja u kontroliranim uvjetima znatno je sporija te su u 2015. rezidue TMX u korijenu repe bile na razini MRL (0,053 mg/kg), dok je iduće godine koncentracija bila ispod MRL u istom vremenu analiziranja. U vrijeme vađenja korijena šećerne repe (180 dana nakon sadnje) rezidue su bile ispod MRL i uvelike su ovisile o vremenskim uvjetima, posebice o količini oborina. Povišena koncentracija rezidua u tlu pokazuje da postoji rizik u suhim klimatskim uvjetima ili nakon sušnog razdoblja, no potrebna su daljnja istraživanja da bi se procijenio mogući unos neonikotinoida u kulture koje dolaze u plodoredu nakon uzgoja šećerne repe iz tretiranog sjemena. Istraživanjem rezidua neonikotinoida u korisnim organizmima utvrđena je koncentracija IMI od 0,027 mg/kg u trčcima, dok su rezidue TMX bile ispod limita kvanitfikacije (LOQ) koji u slučaju životinjskih uzoraka iznosi 0,001 mg/kg. Najviša utvrđena koncentracija IMI u gujavicama iznosila je 0,2141 mg/kg, dok rezidue TMX nisu prelazile 0,0008 mg/kg. Sve utvrđeni rezidue neonikotinoida bile su niže od razina navedenih kao letalnih u cijelom razdoblju uzorkovanja, tako da se može pretpostaviti da ne dolazi do akumulacije insekticida u tim organizmima. Za izračun krivulja razgradnje pesticida u uzorcima gujavica i izmjerene koncentracije u tlu korišteni su parametri razgradnje sredstava za zaštitu bilja (DT50, DT90). Potom su određeni faktori biokoncentracije specifični za spojeve u tlu dijeljenjem analiziranih rezidua pesticida u gujavicama s izračunatim koncentracijama u tlu. Krivulje disipacije na polju (temeljene na EU, EC i EFSA) razumno predviđaju koncentraciju rezidua aktivnih sastojaka u tlu u bilo kojem trenutku nakon primjene. Stoga se analitički utvrđene rezidue u gujavicama s područja Lukača i Tovarika mogu pouzdano koristiti za izračun faktora biokoncentracije. Rezultati su pokazali da primjena istraživanih djelatnih tvari ne predstavlja rizik biokoncentracije za gujavice i nema potencijala sekundarnog trovanja za ptice i sisavce koji se njima hrane. Praćenjem populacije trčaka na istraživanim lokacijama utvrđeni su čimbenici koji utječu na aktivnost i njihovu brojnost. Tijekom 2015. utvrđen je utjecaj specifičnosti okoliša (tip i struktura tla, klimatski uvjeti) zajedno s mjerama uzgoja (obrada tla i primjena insekticida) na aktivnost i brojnost trčaka. S usjeva pšenice na području u Virovitičkopodravske županije determinirano je 26 vrsta i 15 rodova prikupljenih epigejskim (357) i endogejskim lovkama (59). Na navedenom polju šećerna repa bila je uzgajanja prije tri godine Praćenjem dinamike populacije trčaka utvrđeno je da porast populacije prati pad temperature zraka i tla, dok povećanje količine oborina utječe na smanjenje brojnosti trčaka. Tijekom istraživanja 2016. prikupljene su i determinirane 64 vrste trčaka koje pripadaju u 33 roda. U Vukovarsko-srijemskoj županiji u razdoblju od 20 tjedana uzorkovanja prikupljene su ukupno 2,382 jedinke trčaka (25 vrsta) od kojih po brojnosti najviše na poljima šećerne repe (1,131), pšenice (656) i kukuruza (342), a najmanje u soji (253). U Virovitičkopodravskoj županiji prikupljena je ukupno 9,381 jedinka trčaka (56 vrsta), od kojih značajno najviše u kukuruzu (5,656), što još jednom potvrđuje oporavak faune trčaka u višegodišnjem polodoredu. Na istom polju šećerna repa uzgajana je prije četiri godine. U preostalim kulturama utvrđen je broj jedinki kako slijedi: u soji (1,471), šećernoj repi (1,250) i potom pšenici (1,004). Na obje istraživane lokacije karakteristična je eudominantnost pojedinih rodova s velikim brojem pripadnika pojedine vrste. Cenološke analize pokazale su da su sastav i brojnost trčaka u poljima šećerne repe pod jakim utjecajem brojnih čimbenika tijekom vegetacije. Korištenje insekticida nepovoljno utječe na populaciju trčaka, dok smanjena obrada tla, niže temperature i više oborina rezultiraju njihovom većom brojnosti i raznolikosti. Uzgoj šećerne repe u četverogodišnjem plodoredu omogućuje oporavak populacije trčaka. Sveobuhvatan popis od 64 determinirane vrste trčaka iz usjeva kukuruza, šećerne repe, pšenice i soje u Hrvatskoj predstavlja vrijedan nalaz koji nadopunjuje prethodna istraživanja i značajno pridonosi boljem razumijevanju osnovnog stanja populacija trčaka u intenzivnim poljoprivrednim krajobrazima