Science around us: tiny worms slay slugs and snails - Biological crop protection complements chemical methods Wissenschaft populär: Winzige Würmer vertilgen Schnecken - Biologischer Pflanzenschutz ergänzt den Einsatz von Chemie
Ludwigshafen am Rhein, Germany
April 10, 2017
Natural helpers
BASF uses a variety of living organisms for targeted pest control
Effective combination
Biological and chemical crop protection for fruit and vegetable farming
Intensive research
A new center with strain library and research labs for the solutions of tomorrow
As anyone with a garden knows, a single wet night is enough to unleash a plague of slugs. A couple of hours of darkness is all the mollusks need to munch their way through all your vegetables and flowers, causing a huge amount of damage. The aftermath of their nocturnal activities is all too apparent the next morning – too late though to do anything about it.
As annoying as this may be for hobby gardeners, it can be devastating for farmers. Understandably, they would do almost anything to keep slugs and snails off their land. In addition to an array of chemical pest control agents, they can choose a fully biological solution: nematodes.
These tiny worms are a remarkably diverse species, with up to 20,000 different strains described to date. Some attack crops and are pests in their own right, but others have an attribute that can be harnessed for good: they burrow their way into insects and snails and put a stop to their greedy antics.
Effective natural support
Nematodes are therefore used alongside useful bacteria, viruses, insects and plant extracts for biological pest control. The basic idea: Harmless organisms kill or displace crop pests such as locusts, harmful insects, bacteria, molds and slugs that cause diseases and threaten harvests. Although these natural helpers can never fully replace chemical agents, biological pest control provides effective support. Vegetable and fruit farmers particularly appreciate their effects shortly before harvesting, as they protect the crops and fruits without leaving any chemical residues behind.
"Biological pesticides are effective in combating low to moderate levels of infestation," said Burghard Liebmann, group leader biological crop protection at BASF research. "In most cases, however, the level of infestation and pest exposure is so high that a combination of chemical and biological agents is necessary to provide effective control." Precisely therein lies BASF's strength: "With our very broad product spectrum, we can offer an individual and flexible solution tailored to meet the particular problem and local conditions. This is also a very important consideration in counteracting and preventing insect pests and plant pathogenic fungi from becoming resistant to certain chemical crop protection agents," Liebmann pointed out.
At its site in Littlehampton, BASF breeds nematodes in a 102,000-liter fermenter tank, spanning several levels.
BASF is a world leader in biological pest control. In April 2016, the company launched a brand new research and development center for biological crop protection and seed solutions at the headquarter of the Crop Protection division in Limburgerhof near Ludwigshafen, Germany. The new center is the hub of BASF's global network of research and development sites and test centers for biological crop protection and seed solutions, with facilities in Brazil, France, China, the United States and Canada.
Targeted culturing breeds helpful organisms
BASF's portfolio already contains biological crop protection products to combat all sorts of plant pathogenic fungi, insects and slugs that cause problems in agriculture and horticulture. The process leading to the production of a biological pest control agent always begins in nature. Researchers identify and isolate natural microorganisms from soil samples or plants, and collect them in a microorganism strain library. BASF has its own strain library which houses thousands of microorganisms awaiting their potential mission. When scientists want to develop a new biological crop protection product, they will look here to find exactly the right organism for the job, for example, to fight a certain fungus or insect pest. Once it has been identified, the real work begins: Sufficient amounts of this organism need to be grown in equipment called fermenters. The creatures can be quite picky, too: "Nutrients, temperature, oxygen levels – all impact their well-being and ability to reproduce," the biologist revealed.
To ensure survival, storability and ease of use for farmers, the microorganisms are formulated and turned into a product with good performance properties. Again, specialist expertise is called for. "The microorganisms must be transformed into a kind of resting state but without letting them dry out and die. And since every organism reacts differently to environmental influences, it takes a lot of experience and know-how to develop a good product," Liebmann said. The result is a powder or liquid product that farmers dissolve in water or dilute before spraying them on crops or soil.
If slugs are the foe, Nemaslug® is a good choice – a mulluscicidal powder containing nematodes of the species Phasmarhabditis hermaphrodita. When the nematodes encounter a slug, they burrow into its body through their breathing orifice. The slug loses its appetite within two days and dies in about a week.
Simple principles, originating in nature and highly effective: this is what makes biological pest control so very interesting. "We plan to explore a lot more new applications for biological crop protection in the future." One example is using beneficial nematodes to protect citrus trees. BASF is now launching Nemasys® R in Florida. Nematodes of the species Steinernemariobravae contained in the product attack beetle larvae that burrow their way into the roots of citrus trees and threaten the livelihoods of Florida's orange growers. Liebmann is confident: "We have not yet reached the end of our options in biological crop protection. Not by a long shot."
Nematodes protect citrus trees
An interview with Professor Larry Duncan, an expert on biological protection of citrus plants at the University of Florida.
Professor Duncan, you work in the field of biological crop protection. Why do we need this?
The vast majority of potential pests in the tree canopy are under biological control by their natural enemies of the pests. Those interactions are quite well understood and many tactics have been developed to foster biological control of aboveground pests. However, we cannot yet exploit the services of naturally occurring biological control agents in soil because little is known about soil food webs. As we learn what organisms prey on pests in soil, and what affects those natural interactions, we are discovering ways to modify the complex belowground habitat in ways that conserve or enhance biological control by naturally occurring or introduced biocontrol agents.
Your main research area is citrus diseases. What are the challenges?
My research interests include a species of weevil called Diaprepes abbreviatus. The beetles feed on young leaves and lay their eggs there. The larvae drop to the soil surface, feed on roots, and pupate in the ground. Larval feeding is very damaging to the tree and plant pathogenic fungi also invade the wounds. After pupation, adult weevils emerge from the soil to mate and lay eggs. In orchards with heavy infestation, the trees are dead in a year or two. The problem became acute in 2005 when the citrus disease “huanglongbing” made its way to Florida and further damaged the tree root system.
What can be done about them?
It's always hard to interrupt the life cycle between leaf and ground with a pesticide that only stays active on the leaves for a short time. And there are no approved pesticides that we can use for effective control of the larvae in the ground. In our research into biological ways of bringing Diaprepes abbreviatus under control, we realized that insect-killing nematodes like Steinernema riobrave are hugely promising. They attack the beetle larvae and in combination with adult management, help reduce the weevil population density to less damaging levels.
Crop proptection agents in agriculture
Crop protection agents protect plants from pests, diseases and weeds. They can be divided into chemical and biological crop protection agents. For conventional farming, synthetic crop protection agents can be used according to the specification of the so called “best practices”. In distinction from this, ecological farming follows the legal obligation to refrain from using chemical crop protection agents. Farmers can draw on a strictly limited selection of crop protection agents which occur in nature. Biological crop protection agents can be used in conventional as well as ecological farming. BASF offers various biological control agents against about 20 different diseases and pests. For example, the biological fungicide Serifel®, based on Bacillus amyloliquefaciens, provides broad-spectrum fungal disease control and can for example be used against gray mold, powdery mildew and white mold. Velifer® helps against whiteflies, thrips, mites and several other insects. And Nemaslug® provides control for a wide range of slug species.
Wissenschaft populär: Winzige Würmer vertilgen Schnecken - Biologischer Pflanzenschutz ergänzt den Einsatz von Chemie
Natürliche Helfer
BASF nutzt verschiedene Lebewesen zur gezielten Schädlingsbekämpfung
Wirkungsvolle Kombination
Biologischer und chemischer Pflanzenschutz im Obst- und Gemüseanbau
Intensive Forschung
Neues Zentrum mit Stammsammlung und Forschungslaboren für die Lösungen von morgen
Wer einen Garten hat, der weiß: Manchmal genügt schon eine einzige feuchte Nacht, um eine wahre Schneckenplage auszulösen. Die Weichtiere brauchen dann nur wenige Stunden in der Dunkelheit, um ganze Beete leer zu fressen und große Schäden anzurichten. Am nächsten Morgen wird das Ausmaß ihrer nächtlichen Aktivitäten sichtbar – zu spät.
Was im privaten Garten schon äußerst ärgerlich ist, kann für Landwirte schnell zum bedrohlichen Problem werden. Kein Wunder also, dass sie Schnecken mit allen Mitteln von ihren Feldern fernhalten wollen. Neben chemischen Schädlingsbekämpfungsmitteln steht ihnen dafür auch eine komplett biologische Ergänzung zur Verfügung: Nematoden.
Die winzigen Würmer sind ein sehr artenreicher Tierstamm, bislang wurden bereits bis zu 20.000 verschiedene Arten beschrieben. Manche von ihnen befallen selbst Nutzpflanzen und sind damit schädlich, andere hingegen haben eine äußerst nützliche Eigenschaft: Sie dringen in Insekten oder Schnecken ein und machen dem gefräßigen Treiben ein Ende.
Wirkungsvolle Ergänzung aus der Natur
Nematoden werden darum neben nützlichen Bakterien, Viren, Insekten, Pilzen und Pflanzenextrakten zur biologischen Schädlingsbekämpfung eingesetzt. Die Grundidee dahinter: Harmlose Organismen töten oder verdrängen Pflanzenschädlinge wie Heuschrecken, Schadinsekten, Bakterien, Pilze oder Schnecken, die Krankheiten hervorrufen und der Ernte gefährlich werden können. Komplett ersetzen können sie chemische Präparate allerdings nicht – die biologische Schädlingsbekämpfung ist aber eine sehr wirkungsvolle Ergänzung zu ihnen. Im Gemüse- und Obstanbau greifen Landwirte vor allem kurz vor der Ernte gerne auf sie zurück: Dann geht es darum, die Pflanzen und Früchte zu schützen und gleichzeitig chemische Rückstände zu vermeiden.
„Bei geringem bis mäßigem Krankheitsbefall zeigen biologische Pflanzenschutzmittel gute Wirksamkeit“, berichtet Burghard Liebmann, Gruppenleiter biologischer Pflanzenschutz in der BASF-Forschung. „Oft ist aber der Krankheitsbefall beziehungsweise der Schädlingsdruck so hoch, sodass nur eine Kombination von chemischen und biologischen Pflanzenschutzmitteln zuverlässig wirkt.“ Und genau hier liegt die Stärke der BASF: „Wir können durch die große Bandbreite unserer Produkte eine individuelle und flexible Lösung anbieten, die auf das Problem und die örtlichen Gegebenheiten abgestimmt ist. Das ist auch ein ganz wichtiger Aspekt, um der Entwicklung von Wirkstoffresistenzen in Schadinsekten und -pilzen zu begegnen und vorzubeugen“, betont Liebmann.
BASF gehört weltweit zu den führenden Unternehmen im Bereich der biologischen Schädlingsbekämpfung. Erst im April 2016 hat das Unternehmen am Hauptsitz des Unternehmensbereichs Crop Protection in Limburgerhof bei Ludwigshafen ein neues Forschungs- und Entwicklungszentrum für biologischen Pflanzenschutz und Saatgutlösungen eröffnet. Es ist der zentrale Standort des weltweiten BASF-Netzwerkes, das aus Forschungs- und Entwicklungsstandorten sowie Testzentren für biologischen Pflanzenschutz und Saatgutlösungen besteht – unter anderem in Brasilien, Frankreich, China, USA und Kanada.
Gezielte Züchtung hilfreicher Organismen
Schon jetzt befinden sich im BASF-Portfolio biologische Pflanzenschutzprodukte gegen zahlreiche Pilze, Insekten und Schnecken, die in der Landwirtschaft und im Gartenbau Probleme bereiten. Die Produktion eines biologischen Schädlingsbekämpfungsmittels hat seinen Anfang allerdings in der Natur. Zunächst haben Forscher aus der Natur, beispielsweise aus Bodenproben oder Pflanzen, Mikroorganismen isoliert, und sie in so genannten Stammsammlungen gelagert. Auch bei der BASF gibt es eine solche Sammlung, in der momentan einige Tausend verschiedene Mikroorganismen auf einen möglichen Einsatz warten. Soll nun ein neues biologisches Pflanzenschutzmittel entwickelt werden, wird hier nach einem Orga nismus gesucht, der genau das kann, was benötigt wird, also beispielsweise gegen einen bestimmten Pilz oder ein Schad insekt wirken. Ist er gefunden, fängt die Arbeit aber erst an: Es müssen ausreichende Mengen dieses Organismus in so genannten Fermentern gezüchtet werden. Und die Lebewesen sind mitunter etwas anspruchsvoll. „Nährmedium, Temperatur, Sauerstoffgehalt, alles beeinflusst ihr Wohlbefinden und damit die Vermehrung“, so der Biologe.
Damit die winzigen Schädlingsbekämpfer unbeschadet gelagert und von dem Landwirt gut gehandhabt werden können, werden sie anschließend formuliert, also in ein Produkt mit guten Anwendungseigenschaften überführt. Und auch hier ist das Know-how der Forscher gefragt. „Die Mikroorganismen müssen in eine Art Ruhezustand überführt werden, aber sie dürfen auch nicht austrocknen und sterben. Und da jeder Organismus auf äußere Einflüsse unterschiedlich reagiert, bedarf es hier viel Erfahrung und Wissen, um ein gutes Produkt zu entwickeln“, sagt Liebmann. Das Ergebnis ist ein pulver - förmiges oder flüssiges Produkt, das der Landwirt in Wasser auflöst oder verdünnt und anschließend auf die Pflanzen oder den Boden versprühen kann.
Möchte er damit Schnecken zu Leibe rücken, kann er das Molluskizid Nemaslug anwenden – ein Pulver, in dem sich Nematoden der Gattung Phasmarhabditis hermaphrodita befinden. Sobald die Nematoden auf eine Schnecke treffen, dringen sie über deren Atemöffnung in den Körper ein. Nach zwei Tagen vergeht der Schnecke der Appetit und sie stirbt nach etwa einer Woche.
Einfache Grundprinzipien, die aus der Natur stammen und äußerst wirksam sind: Das macht die biologische Schädlingsbekämpfung so interessant. „In Zukunft wollen wir weitere neue Anwendungsfelder für den biologischen Pflanzenschutz erschließen.“ Ein Beispiel ist der Einsatz nützlicher Nematoden zum Schutz von Zitrusbäumen. Hier führt BASF gerade das Produkt Nemasys® R in Florida in den Markt ein. Die darin enthaltenen Nematoden der Gattung Steinernema riobravae wirken gegen Käferlarven, die die Wurzeln von Zitrusbäumen anfressen und damit eine große Bedrohung für Floridas Orangenproduzenten darstellen. Liebmann ist überzeugt: „Wir sind mit unseren Möglichkeiten im biologischen Pflanzenschutz noch lange nicht am Ende angelangt."
Nematoden schützen Zitrusbäume
Interview mit Professor Larry Duncan, der sich an der University of Florida mit dem biologischen Schutz von Zitruspflanzen beschäftigt.
Professor Duncan, Sie forschen im Bereich biologischer Pflanzenschutz. Warum ist dieser wichtig?
Die große Mehrheit potenzieller Schädlinge in Baumkronen ist durch bereits vorkommende oder eingeführte natürliche Feinde biologisch kontrolliert. Diese Zusammenhänge sind erforscht und es wurden viele Vorgehensweisen entwickelt, um die biologische Bekämpfung oberirdischer Schädlinge zu fördern. Die Leistung von biologischen Mitteln in der Erde können jedoch noch nicht voll ausgeschöpft werden, da wenig über die Nahrungsketten im Boden bekannt ist. Indem wir lernen, welche Organismen die Anzahl von Schädlingen im Boden verringern und was diese Wechselwirkungen beeinflusst, können wir Wege entdecken, die Kontrolle über Schädlinge in der Erde durch natürlich vorkommende oder eingeführte biologische Feinde zu behalten oder zu steigern.
Bei Ihrer Arbeit konzentrieren Sie sich auf Zitruspflanzen. Welchen Herausforderungen gibt es hier?
Ich beschäftige mich unter anderem mit dem Rüsselkäfer Diaprepes abbreviatus: Er ernährt sich von jungen Blättern und legt dort seine Eier ab. Die Larven fallen herunter, ernähren sich von den Wurzeln und verpuppen sich im Boden. Der Larvenfraß schädigt den Baum sehr. Zudem können pflanzenpathogene Pilze in die Wunden eindringen. Nach der Verpuppung schlüpfen erwachsene Käfer, die aus dem Boden kommen, um sich zu paaren und Eier zu legen. In Obstplantagen mit starkem Befall sterben die Bäume innerhalb von 1 oder 2 Jahren. Besonders dringend wurde das Problem, als 2005 in Florida erstmals die Zitruskrankheit "huanglongbing" auftrat und das Wurzelsystem der Bäume weiter schädigte.
Was kann man dagegen tun?
Es ist generell schwierig, den Lebenszyklus zwischen Blatt und Boden mit einem Pestizid zu unterbrechen, das nur kurze Zeit auf den Blättern aktiv ist. Und es gibt keine zugelassenen Pestizide, mit denen wir die Larven im Boden wirksam bekämpfen können. Darum studieren wir intensiv, wie man Diaprepes abbreviatus biologisch unter Kontrolle bringen kann. Dabei haben wir erkannt, dass insektentötende Nematoden wie beispielsweise Steinernema riobrave hier sehr vielversprechend sind. Sie können die Larven des Käfers befallen und zusammen mit dem Management von erwachsenen Käfern dabei helfen, die Schädlingsdichte auf ein geringeres Level zu reduzieren.
Pflanzenschutzmittel in der Landwirtschaft
Pflanzenschutzmittel schützen Pflanzen vor Schädlingen, Krankheiten und Unkräutern. Unterschieden werden chemische und biologische Pflanzenschutzmittel. In der konventionellen Landwirtschaft können nach den Vorgaben der so genannten "guten fachlichen Praxis" synthetische Pflanzenschutzmittel eingesetzt werden. Im Unterschied dazu gibt es in der ökologischen Landwirtschaft eine rechtliche Verpflichtung, auf chemische Pflanzenschutzmittel zu verzichten. Landwirte können auf eine eng begrenzte Auswahl von Pflanzenschutzmitteln zurückgreifen, die in der Natur vorkommen. Biologische Pflanzenschutzmittel können sowohl in der konventionellen als auch ökologischen Landwirtschaft eingesetzt werden. BASF bietet verschiedene biologische Pflanzenschutzmittel für rund 20 unterschiedliche Krankheiten und Schädlinge an. So zum Beispiel das biologiche
Fungizid Serifel® auf Basis von Bacillus amyloliquefaciens, das gegen eine große Bandbreite von Pilzkrankheiten wirkt wie zum Beispiel Grauschimmel, echter Mehltau, Weißstängeligkeit. Gegen die weißen Fliegen, Fransenflügler, Milben und einige Insekten mehr hilft das Produkt Velifer®. Und ein Mittel gegen Schnecken ist Nemaslug®.
Weitere Informationen zu den biologischen Pflanzenschutzmitteln der BASF unter: www.agriculture.basf.com
Species
At its site in Littlehampton, BASF breeds nematodes in a 102,000-liter fermenter tank, spanning several levels.
