Switzerland
November 2, 2012

Source: Schweizerischer Nationalfonds

Myth or soon a reality?

The use of nanomaterials in agriculture could, on the one hand, reduce cost and effort, increase efficiency and lead to more environmentally sound applications. On the other hand, it might also have a negative effect on microorganisms in the soil. This is concluded by the authors of a review article written within the scope of the National Research Programme "Opportunities and Risks of Nanomaterials" (NRP 64).

Although no plant protection products or fertilisers containing nanomaterials are available on the market as yet, nanomaterials are becoming an increasingly important issue in agriculture, particularly as additives or agents in fertilisers or plant protection products: The number of scientific publications and patents on nanomaterials in this area has increased exponentially since the turn of the millennium, according to a review article recently published by researchers from the Agroscope Reckenholz-Tänikon Research Station and the Federal Office for Agriculture (*). With around 70 articles published until now, it is still possible for researchers to gain an overview of the topic. The USA and Germany are leading the field with regard to patents, but most of the scientific articles have been written in Asian countries.

Often outside the traditional nano range
Approximately 40 percent of the publications deal with carbon-based nanomaterials, followed by titanium dioxide, silver, silicagel and aluminium. Nanomaterials can be integrated into formulations in different forms and states – from solid particles through to polymers and emulsions. It is noticeable that the material development is often based on natural and degradable basic substances. The nanomaterials used are often larger than 100 nanometres and therefore by definition lie outside the classical nano range. In new plant protection products, in particular, the nanomaterials often serve as an additive that helps to release the agent in a controlled manner.

1000-fold higher flux into soils
The potential improvement of plant protection products and fertilisers through nanomaterials is offset by their significantly higher flux into soils if nanomaterials are used. Experts currently predict that this rate could be as much as 1000 times higher than the load released from the atmosphere. Hence, soil organisms and crops would also be more exposed to these substances.
Companies in Switzerland are already required to declare any nanomaterials contained in new plant protection products that they wish to register. However, international principles of nano-specific risk assessment are still at the development stage. As part of the National Research Programme "Opportunities and Risks of Nanomaterials" (NRP 64), the project NANOMICROPS (Effects of NANOparticles on beneficial soil MIcrobes and CROPS) is contributing to these efforts by developing ecotoxicological test systems for soil microorganisms and crops as well as making available analytical methods for quantifying nanomaterials in agriculturally significant environmental compartments such as soil and water.

(*) Alexander Gogos, Katja Knauer, and Thomas D. Bucheli (2012). Nanomaterials in Plant Protection and Fertilization: Current State, Foreseen Applications, and Research Priorities. Journal of Agricultural and Food Chemistry 60: 9781–9792
(available as a PDF from the SNSF; e-mail: com@snf.ch)

About NRP 64
The aim of the National Research Programme "Opportunities and Risks of Nanomaterials" (NRP 64) is to close research gaps so that the opportunities and risks of using nanomaterials can be more accurately assessed. The results of the 23 research projects will serve as a basis for the preparation of guidelines for the production, use and disposal of nanomaterials. This will support the development and application of safe technologies, optimise the benefits of using nanomaterials and minimise risk for humans and the environment. NRP 64 has a budget of CHF 12 million and will run until October 2016.
www.nfp64.ch

Nanomaterialien in Pflanzenschutzmitteln und Düngern 

Der Einsatz von Nanomaterialien in der Landwirtschaft könnte zu reduzierten Aufwandmengen, höherer Effizienz und umweltschonenden Anwendungen, aber auch zu einer stärkeren Belastung von Bodenlebewesen führen. Zu diesem Schluss gelangt ein im Rahmen des Nationalen Forschungsprogramms "Chancen und Risiken von Nanomaterialien" (NFP 64) erstellter Übersichtsartikel.

Obwohl im Moment noch keine Pflanzenschutzmittel oder Dünger mit Nanomaterialien auf dem Markt erhältlich sind, werden Nanomaterialien in der Landwirtschaft speziell als Zusätze oder aktive Wirkstoffe in Düngern oder Pflanzenschutzmitteln zunehmend zum Thema: Die Anzahl der wissenschaftlichen Publikationen und Patente von Nanomaterialien in diesem Bereich steigt seit der Jahrtausendwende exponentiell an, wie Forschende an der Forschungsanstalt Agroscope Reckenholz-Tänikon und am Bundesamt für Landwirtschaft in einem soeben erschienenen Übersichtsartikel zeigen (*). Mit rund 70 Arbeiten ist das Thema gegenwärtig noch überschaubar. Während die USA und Deutschland bei der Einreichung von Patenten dominieren, stammen die meisten Fachartikel aus asiatischen Ländern.

Oft ausserhalb der klassischen Nano-Kategorie
Rund 40 Prozent der Arbeiten befassen sich mit Kohlenstoff-basierten Nanomaterialien, gefolgt von Titandioxid, Silber, Silikagel und Aluminium. Nanomaterialien können in den verschiedensten Formen und Zuständen in Formulierungen integriert werden – von festen Partikeln bis zu Polymeren und Emulsionen. Es fällt auf, dass die Materialentwicklung sich häufig an natürlichen und abbaubaren Grundsubstanzen orientiert. Oft sind die verwendeten Nanomaterialien grösser als 100 Nanometer und liegen damit definitionsgemäss ausserhalb der klassischen Nano-Kategorie. Gerade bei neuartigen Pflanzenschutzmitteln dient das Nanomaterial vielfach als Hilfsstoff, um beispielsweise den Wirkstoff kontrolliert freisetzen zu können.

1000-fach erhöhter Eintrag in die Böden
Den potenziell verbesserten Eigenschaften von Pflanzenschutzmitteln und Düngern mit Nanomaterialien steht bei deren Anwendung ein deutlich erhöhter Eintrag in die Böden gegenüber. Dieser könnte das 1’000-fache der momentan von Experten vorhergesagten Frachten über die Atmosphäre betragen. Entsprechend wären auch die Bodenlebewesen und Nutzpflanzen stärker exponiert.

Bereits heute werden Firmen in der Schweiz aufgefordert, allfällige Nanomaterialien in neu zu registrierenden Pflanzenschutzmitteln zu deklarieren. Allerdings sind die Grundlagen für eine nanospezifische Risikobeurteilung momentan noch international in Arbeit. Das im Rahmen des Nationalen Forschungsprogramms "Chancen und Risiken von Nanomaterialien" (NFP 64) durchgeführte Projekt NANOMICROPS (Effects of NANOparticles on beneficial soil MIcrobes and CROPS) leistet hierzu einen Beitrag, indem es einerseits ökotoxikologische Testsysteme für Bodenmikroorganismen und Nutzpflanzen entwickelt und andererseits analytische Methoden zur Quantifizierung von Nanomaterialien in landwirtschaftlich wichtigen Umweltkompartimenten wie Boden und Wasser bereitstellt.

(*)Alexander Gogos, Katja Knauer, and Thomas D. Bucheli (2012). Nanomaterials in Plant Protection and Fertilization: Current State, Foreseen Applications, and Research Priorities. Journal of Agricultural and Food Chemistry 60: 9781–9792
(als PDF beim SNF erhältlich; E-Mail: com@snf.ch)

Über das NFP 64
Das Nationale Forschungsprogramm "Chancen und Risiken von Nanomaterialien" (NFP 64) hat zum Ziel, Wissenslücken zu schliessen, damit Chancen und Risiken des Einsatzes von Nanomaterialien besser eingeschätzt werden können. Die Ergebnisse der 23 Forschungsprojekte sollen unter anderem als Basis dienen für die Erstellung von Richtlinien für die Produktion, den Einsatz und die Entsorgung von Nanomaterialien. Damit werden die Entwicklung und Anwendung sicherer Technologien unterstützt, der Nutzen des Einsatzes von Nanomaterialien optimiert und die Risiken für Mensch und Umwelt minimiert. Das NFP 64 verfügt über einen Finanzrahmen von 12 Millionen Franken und dauert bis Oktober 2016.
Website NFP 64
 

Des nanomatériaux dans les produits phytosanitaires et les engrais

L'utilisation des nanomatériaux dans l'agriculture pourrait conduire à la réduction des quantités nécessaires, à une meilleure efficacité et à des applications respectueuses de l'environnement. Elle pourrait toutefois également affecter plus fortement les organismes du sol. Un article, élaboré dans le cadre du Programme national de recherche "Opportunité et risques des nanomatériaux" (PNR 64), parvient à cette conclusion.

Bien que pour l'instant aucun produit phytosanitaire ou engrais contenant des nanomatériaux ne soient disponibles sur le marché, il est de plus en plus question de les utiliser dans l'agriculture, notamment comme additifs ou substances actives dans les engrais ou les produits phytosanitaires. Le nombre de publications scientifiques et de brevets sur des nanomatériaux dans ce domaine ne cesse d'augmenter depuis le début du nouveau millénaire. C'est ce que démontrent des chercheuses et chercheurs de la station de recherche Agroscope Reckenholz-Tänikon et de l'Office fédéral de l'agriculture dans un article général qui vient de paraître (*). Il est encore possible aujourd'hui, avec 70 contributions sur ce thème, de se faire une idée claire de la question. Les USA et l'Allemagne s'imposent en ce qui concerne les dépôts de brevets, mais la plupart des articles spécialisés proviennent des pays asiatiques.

Souvent en dehors de la catégorie classique des nanos
Environ 40 pour cent des travaux sont consacrés aux nanomatériaux à base de carbone, suivis de ceux à base de dioxyde de titane, d'argent, de gel de silice et d'aluminium. Les nanomatériaux peuvent s'intégrer sous des formes et états les plus divers à des préparations – des particules solides en passant par des polymères et des émulsions. On remarque que le développement de matériaux s'élabore souvent sur le modèle des substances de base naturelles et dégradables. La plupart du temps, les nanomatériaux utilisés dépassent les 100 nanomètres, ce qui les classent par définition hors de la catégorie classique des nanos. Dans les produits phytosanitaires récents, le nanomatériau joue souvent le rôle d'adjuvant, afin par exemple de libérer de manière contrôlée la substance active.

Infiltration 1000 fois plus élevée dans les sols
Le potentiel d'amélioration, que pourraient apporter les nanomatériaux aux propriétés des produits phytosanitaires et des engrais, est confronté à leur inflitration nettement plus élevée dans les sols. Les pronostics des experts laissent présager que cela pourrait représenter une quantité 1000 fois plus élevée que celle relâchée par l'atmosphère. En parallèle, les organismes vivants du sol et les plantes utiles subiraient également une exposition plus intense.

Aujourd’hui déjà, les entreprises suisses se doivent de déclarer tout nanomatériau intégré dans un nouveau produit phytosanitaire qu‘elles souhaitent enregistrer. Cependant, les bases d'une évaluation des risques nanospécifiques sont élaborées au niveau international. Le projet NANOMICROPS (Effects of NANOparticles on beneficial soil MIcrobes and CROPS), réalisé dans le cadre du Programme national de recherche "Opportunités et risques des nanomatériaux" (PNR 64), y contribue en développant, d'une part, des systèmes de test d'écotoxicité pour les microorganismes des sols et les plantes utiles et, d'autre part, en élaborant des méthodes analytiques visant à quantifier les nanomatériaux dans d'importants éléments de l'environnement tels que les sols et l'eau.

(*) Alexander Gogos, Katja Knauer, and Thomas D. Bucheli (2012). Nanomaterials in Plant Protection and Fertilization: Current State, Foreseen Applications, and Research Priorities. Journal of Agricultural and Food Chemistry 60: 9781–9792
(peut être obtenu sur demande sous forme de PDF; e-mail: com@snf.ch)

A propos du PNR 64
Le Programme national de recherche "Opportunités et risques des nanomatériaux" (PNR 64) a pour but de combler les lacunes existant dans nos connaissances actuelles afin que les opportunités et les risques de l'utilisation des nanomatériaux puissent être mieux évalués. Les résultats des 23 projets de recherche doivent notamment servir de base à l'élaboration de directives relatives à la production, à l'utilisation et l'élimination des nanomatériaux. Cela permettra de soutenir le développement et l'implémentation de technologies plus sûres, d'optimiser les bénéfices de l'utilisation des nanomatériaux et de minimiser les risques encourus par l'homme et l'environnement. Le PNR 64 dispose d'une enveloppe financière de 12 millions de francs et se déroulera jusqu'en octobre 2016.