Biologische Pflanzenschutzmittel und Biostimulanzien – Herausforderungen bei der Formulierung

Pflanzenschutzmittel spielen eine wichtige Rolle beim Schutz von Kulturpflanzen vor Schädlingen, Unkraut, Krankheiten und Schimmel, während Biostimulanzien Pflanzen vor ungünstigen Witterungsbedingungen schützen und ihren allgemeinen Zustand verbessern. Ihre Nützlichkeit steht außer Frage. In den letzten Jahren wurde die Suche nach Ersatzstoffen für chemische Pestizide intensiviert – biologische Alternativen haben an Bedeutung gewonnen. Zu dieser Kategorie gehören natürlich vorkommende Substanzen, die Schädlinge durch natürliche biochemische Mechanismen bekämpfen. Dabei handelt es sich um Substanzen pflanzlichen oder tierischen Ursprungs (z. B. Öle, Saponine, organische Säuren) oder um Metaboliten von Bakterien (z. B. Spinosad, Abamectin, Bt-Toxine). Auch für Pflanzenwachstumsregulatoren wurden Präparate entwickelt, die natürliche Substanzen wie Auxine, Cytokinine oder Gibberelline enthalten ^[2].

Biologische Pflanzenschutzmittel umfassen auch Makroorganismen und Mikroorganismen. Zu den Mikroorganismen, die als Wirkstoffe in Biopräparaten enthalten sind, gehören Viren, Bakterien (hauptsächlich Bacillus und Pseudomonas) und Pilze (Trichoderma, Beauveria, Coniothyrium, Matharhizium, Pythium) ^[2].

Auch bei der Entwicklung von Biostimulanzien, die biologische Prozesse in Pflanzen unterstützen, wurden erhebliche Fortschritte erzielt. Auf dem Markt sind zahlreiche Produkte erhältlich, die auf folgenden Inhaltsstoffen basieren: Meeresalgenextrakte, Pflanzenextrakte, Aminosäuren und Proteine, Huminsäuren und Mikroorganismen. Die letzte Gruppe ist besonders interessant, da Mikroorganismen Pflanzen auf vielfältige Weise unterstützen können: Sie fördern die Entwicklung des Wurzelsystems, wandeln Nährstoffe in besser verfügbare Formen um und bekämpfen zusätzlich Insekten oder Pilze. Daher können auf Mikroorganismen basierende Biostimulanzien häufig auch als Pflanzenschutzmittel registriert werden ^{[3, 4, 5]}.

Beide beschriebenen Gruppen von Agrochemikalien wirken sehr spezifisch, sind leicht biologisch abbaubar und sicher für die Umwelt sowie den Verbraucher, und vor allem steigern sie den Ernteertrag sehr effektiv ^[3].

Biologische Präparate auf Mikroorganismenbasis

Mikrobiologische Pflanzenschutzmittel sind die am häufigsten verwendete und untersuchte Klasse von Biopestiziden. Es handelt sich um Präparate, die Mikroorganismen wie Bakterien, Pilze und Viren enthalten.

Mikrobiologische Pestizide töten Insektenlarven oder hemmen das Wachstum von Unkraut auf Ackerflächen. Sie wirken auf Pflanzenpathogene und Schädlinge durch verschiedene Mechanismen, wie die Produktion von Toxinen, die Sekretion von Enzymen, flüchtigen Verbindungen, direkte Besiedlung oder den Verzehr des Wirts. Sie können viele verschiedene Arten von Schädlingen bekämpfen, obwohl jeder einzelne Wirkstoff relativ spezifisch ist. Sie zeichnen sich durch ihre Fähigkeit aus, sich nach der Anwendung auf Kulturpflanzen potenziell zu vermehren. Außerdem fördern sie das Pflanzenwachstum und verbessern die Erntequalität ^[6].

Biostimulanzien und Pflanzenschutzmittel auf Basis von Bacillus

Verschiedene Bakterienarten können gegen bodenbürtige Pflanzenpathogene, Insektenschädlinge oder parasitäre Pflanzennematoden eingesetzt werden. Dabei handelt es sich um sporenbildende Bakterien, darunter Bacillus (z. B. B. amyloliquefaciens, B. subtilis und B. thuringiensis) und Streptomyces sowie nicht sporenbildende Arten aus Gattungen wie Pasteuria und Pseudomonas ^[2].

Eine besondere Stellung unter den in der Landwirtschaft eingesetzten mikrobiologischen Mitteln nehmen Biostimulanzien auf Basis von Bacillus-Bakterien ein. Sie bestehen aus gefriergetrockneten Sporen, die mit Zusatzstoffen und Adjuvanzien (Hilfsstoffen) gemischt sind, und bieten eine Reihe von Vorteilen für Pflanzen ^[7].

Die metabolische und genetische Vielfalt von Bacillus spp. ermöglicht eine Anpassung an verschiedene Umweltbedingungen. Es wurde nachgewiesen, dass Pflanzen begleitende Bakterien deren Widerstandsfähigkeit gegen Stress, der z. B. durch Versalzung des Bodens oder Trockenheit verursacht wird, erhöhen. Sie sind auch in der Lage, Phytohormone (Pflanzenhormone) zu produzieren, die sich positiv auf das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzen auswirken ^[7].

Der Schlüssel zum Erfolg – eine gut vorbereitete Formulierung

Der Prozess der Formulierung von Biopestizidpräparaten führt zur Entstehung des Endprodukts durch Mischen des mikrobiologischen Bestandteils mit verschiedenen Trägern und Hilfsstoffen, um einen besseren Schutz vor Umweltbedingungen, eine höhere Überlebensrate der biologischen Wirkstoffe sowie eine verbesserte Bioaktivität und Lagerstabilität zu erreichen ^[6].

Die Formeln von Biopestiziden lassen sich in flüssige und trockene unterteilen. Flüssige Präparate können auf der Basis von Wasser, Pflanzenölen, auf diesen Ölen basierenden Estern, Fettalkoholen, Lactiden oder deren Kombinationen hergestellt werden. Wasserbasierte Präparate (Suspensionskonzentrate (SC), konzentrierte Emulsionen (EW), Kapselsuspensionen (CS) usw.) erfordern die Zugabe von inerten Bestandteilen wie Dispergiermitteln, Emulgatoren, Netzmittel, Verdickungsmittel, Rheologiemodifikatoren, Vernetzungsmonomere, Farbstoffe, Frostschutzmittel und zusätzliche Nährstoffe. Der Formulierungsprozess umfasst je nach Art der Formulierung normale oder schnellschneidende Mischvorgänge, Nassmahlen oder In-situ-Polymerisation. Trockene Formulierungen (dispergierbare Pulver (WP) und dispergierbare Granulate (WG), Granulate (GR) oder Tabletten (TB) zur direkten Anwendung usw.) können mit verschiedenen Technologien hergestellt werden, wie z. B. Sprühtrocknung, Gefriertrocknung, Lufttrocknung, mit oder ohne Fluidbett. Es gibt auch mehrere Granulierungstechniken: Nassgranulierung durch Beschichtung, Trockengranulierung durch Verdichtung und Zerkleinerung des Pulvers sowie durch Extrusion und Sphäronisierung. Auch hier werden Bindemittel, Trägerstoffe, Dispergiermittel, Netzmittel usw. hinzugefügt.

Die beliebtesten Formulierungen für Biopestizide und Biostimulanzien sind: SL, OD, CS und WP oder WG. Wie bereits erwähnt, sind Mikroorganismen besonders empfindlich gegenüber äußeren Einflüssen wie Sonneneinstrahlung, Feuchtigkeit oder zu starken Temperaturschwankungen während der Lagerung, weshalb OD- und CS-Formulierungen für sie besonders geeignet sind. Öl schützt Mikroorganismen vor UV-Strahlung, isoliert sie vor Feuchtigkeit und schützt sie vor Temperaturschwankungen. In der CS-Formulierung sind die Mikroorganismen in Kapseln eingeschlossen, wodurch sie ebenfalls weniger anfällig für äußere Einflüsse sind. Endosporen oder Sporen von Bakterien und Pilzen können getrocknet werden und kommen daher auch in WP- und WG-Formulierungen vor. Die meisten als Biostimulanzien verwendeten Extrakte sind gut wasserlöslich und können mit Konservierungsmitteln geschützt werden, weshalb sie häufig in SL-Formulierungen vorkommen ^{[7, 8]}.

Die in den Formulierungen verwendeten Organismen werden in einem geeigneten Träger suspendiert, der mit Zusatzstoffen ergänzt wird, um die Überlebensfähigkeit zu maximieren, die Anwendung für den jeweiligen Zweck zu optimieren und die Organismen nach der Anwendung zu schützen ^{[7, 8]}.

Die Formulierungen enthalten einen oder mehrere Wirkstoffe sowie eine Reihe von Zusatzstoffen, die ihre Wirksamkeit verbessern. Dazu gehören Safener (Herbizidschutzmittel), Synergisten, Trägerstoffe, Verdickungs- und Klebstoffe, Benetzungsmittel und andere.

Herausforderungen bei der Formulierung

Die Wirksamkeit biologischer Pflanzenschutzmittel hängt weitgehend von ihrer Form ab. Diese Präparate – die auf natürlichen Substanzen basieren – sind wesentlich empfindlicher gegenüber Umweltbedingungen als ihre chemischen Pendants. Dies gilt insbesondere für Biostimulanzien auf Basis von Bacillus-Bakterien. Die Branche steht daher vor einer Reihe von Herausforderungen bei der Formulierung, um sicherzustellen, dass lebende Mikroorganismen über einen langen Zeitraum wirksam und stabil bleiben ^{[7, 8]}.

Empfindlichkeit von Mikroorganismen gegenüber Umweltfaktoren

Einige Mikroorganismen sind instabil und werden unter dem Einfluss von Licht, Luft oder hohen Temperaturen schnell abgebaut. Die kurze Wirkungsdauer und die schwankende Wirksamkeit schränken die Anzahl der natürlichen Substanzen ein, die auf dem Markt für Pflanzenschutzmittel in Verkehr gebracht werden können. Eine Lösung in diesem Bereich ist die Entwicklung stabilerer und wirksamerer Formulierungen, die die Lebensdauer und Wirksamkeit von Derivaten, insbesondere von Bacillus, maximieren. Ein wichtiger Fortschritt ist die Mikroverkapselung. Bei diesem Verfahren werden die Sporen in einer Schutzmatrix eingeschlossen, die sie vor stressauslösenden Umwelteinflüssen schützt. Die Hülle wird nach und nach abgebaut und setzt die Bakterien am richtigen Ort und zur richtigen Zeit frei ^[8].

Kontrollierte Freisetzung des Wirkstoffs

Die kontrollierte Freisetzung der Wirkstoffe erhöht deren Wirksamkeit, wodurch die Notwendigkeit häufiger Anwendungen verringert und die Gesamtkosten gesenkt werden. Eine häufig verwendete Lösung ist die bereits erwähnte Verwendung von Mikrokapseln. Es werden auch spezielle Matrizen verwendet, die den Wirkstoff als Reaktion auf bestimmte Reize, z. B. Änderungen des pH-Werts oder der Feuchtigkeit, freisetzen. Eine interessante Lösung ist die Verwendung von Polymerträgern. Die Verwendung biologisch abbaubarer Polymere als Träger für die gezielte und kontrollierte Abgabe von Substanzen an Pflanzen über die Blätter oder Wurzeln ist sehr vielversprechend ( ). Die Freisetzung erfolgt langsam, da das Polymer (je nach Standort) durch Sonnenlicht oder Bodenmikroflora abgebaut wird. Die Freisetzungsgeschwindigkeit von Biopestiziden kann durch die Verwendung verschiedener Monomere und Vernetzungsadditive sowie durch die Wahl ihres geeigneten Verhältnisses reguliert werden. Ein ebenso interessantes Beispiel ist die Verwendung nanoporöser Strukturen ^{[8, 9]}.

Markteinführung von Nanoformulierungen

Die Nanotechnologie hat das Potenzial, neue Lösungen zur Steigerung der Wirksamkeit von Biopestiziden anzubieten. Ein Beispiel dafür ist die Entwicklung nanometrischer Hüllen, die den Wirkstoff vor äußeren Einflüssen schützen. Interessante Möglichkeiten ergeben sich aus den Fortschritten bei der Herstellung von Nanoemulsionen. In diesem Fall wird der Wirkstoff in einem flüssigen Träger dispergiert. Solche Präparate zeichnen sich durch eine höhere Dispergierbarkeit aus, wodurch die Pflanzen gleichmäßig bedeckt werden können. Zudem ermöglicht die geringe Größe eine bessere Penetration und eine gezieltere Wirkung.

Die Markteinführung von Nanoformulierungen ist eine große Chance, bringt aber auch eine Reihe von Herausforderungen und Unsicherheiten mit sich. Zu den wichtigsten zählen die relativ hohen Produktionskosten sowie die noch unbekannten langfristigen Auswirkungen der Einführung von Nanomaterialien in die Umwelt ^[8].

Multifunktionale Formulierungen für einen umfassenden Pflanzenschutz

Ein interessanter Entwicklungsbereich für Biopestizidformulierungen ist die synergistische Kombination von Bacillus-Stämmen mit anderen biologischen Bekämpfungsmitteln oder Biostimulanzien, um multifunktionale Präparate zu schaffen, die einen umfassenden Pflanzenschutz gewährleisten und das Pflanzenwachstum unterstützen. Verschiedene Stämme weisen unterschiedliche Wirkungen und Eigenschaften auf, und ihre Kombination sorgt für eine umfassende Unterstützung der Pflanzen. Darüber hinaus kann die Zugabe anderer unterstützender Inhaltsstoffe, wie z. B. Huminsäuren oder Algenextrakte, die Wirkung der Bakterien zusätzlich verstärken. ^{[3, 6, 7]}

PCC Exol als Anbieter von Lösungen für die Formulierung von Biopestiziden und Biostimulanzien

Der Surfactant-Hersteller PCC Exol unterstützt die Agrarindustrie seit Jahren mit seinen Produkten und seiner technischen Beratung. Wir sind ständig auf der Suche nach optimalen Lösungen für die oben beschriebenen Formulierungen von Biopestiziden und Biostimulanzien ( ), sodass wir einige unserer Produkte für diese Kategorien empfehlen können.

Für die SL-Formulierung bieten wir eine große Auswahl an Netzmitteln, Mitteln zur Verbesserung der Sprühbildung und -retention sowie Mitteln, die in die Blattcuticula eindringen und die Aufnahmefähigkeit erhöhen. Alle genannten Produkte sind leicht biologisch abbaubar und umweltfreundlich. Als Benetzungsmittel empfehlen wir insbesondere speziell für diesen Zweck entwickelte Produkte wie EXOwet D15, EXOwet L5, EXOwet T7 und EXOwet OS. Auch viele Produkte aus der ROKAnol-Gruppe haben gute Benetzungseigenschaften, wobei insbesondere NL8P4, L5P5, die Serien DB, GA und ID. Als Mittel zur Verbesserung der Sprühbildung und -retention empfehlen wir die Serie ROKAmer, darunter die Produkte ROKAmer G4300 und G3800, insbesondere ROKAmer 6500 oder dessen wasserbasierte und einfacher anzuwendende Version ROKAmer 6500W. Als Mittel zur Penetration der Blattcuticula empfehlen wir Produkte auf Basis ungesättigter Fettsäuren oder Fettsäurealkohole mit mittlerem HLB-Wert: ROKAcet O7 oder ROKAnol O10 ^[10].

In OD-Formulierungen muss eine ausreichende Stabilität der Suspension und Emulgierung der Ölphase nach Zugabe zu Wasser gewährleistet sein, weshalb sich Tenside, die beide Funktionen vereinen, gut eignen. Darüber hinaus dürfen diese Tenside Mikroorganismen nicht schädigen, daher empfehlen wir für diese Formulierung: ROKAcety aus der R-Serie und die Produktgruppen ROKwin und ROKwinol, die sich auch positiv auf die Eigenschaften des Sprays auswirken und die Sprüheffizienz erhöhen ^[10].

In der CS-Formulierung muss eine ausreichende Emulgierung der Ölphase während der Interphasen- oder In-situ-Polymerisation sichergestellt werden, was eine präzise Auswahl von Emulgatoren und Schutzkolloiden erfordert, da es sonst zu einer Verklumpung der Mizellen und einer unzureichenden Kapselgröße kommt. Darüber hinaus töten viele der zur Einkapselung herkömmlicher Substanzen verwendeten Lösungsmittel und Emulgatoren Mikroorganismen ab, weshalb meist Pflanzenöle und entsprechend ausgewählte Emulgatoren verwendet werden. Nach dem Verkapselungsprozess müssen noch geeignete Netzmittel und wasserbasierte Dispergiermittel hinzugefügt werden. Als Netzmittel können dieselben ROKAnols oder ROKAmers verwendet werden, die auch in SL-Formulierungen zum Einsatz kommen. ROKAmers stabilisieren die Suspension zusätzlich, indem sie als Co-Dispergiermittel fungieren. Als Dispergiermittel empfehlen wir hier EXOfos PT­ K25 oder PT­ K60, SULFOROKAnol TSP95, EXOdis PC40, Rodys OP und Rodys KP ^[10].

PCC Exol bietet auch technische Beratung bei der Lösung verschiedener Probleme im Zusammenhang mit Formulierungen und entwickelt auf Wunsch neuer Produkte oder Produktvarianten. Wir laden Sie ein, unseren Produktkatalog zu besuchen und sich mit uns in Verbindung zu setzen.