Zum Stand der Bewertung von Cocktail-Effekten durch Pestizide

Posted on by Alisa Hufsky

von Dr. Peter Clausing

Toxikologe,  Pestizid Aktions-Netzwerk e.V.

Seit langem ist bekannt, dass wir im täglichen Leben einem Cocktail von Chemikalien, insbesondere Pestiziden, ausgesetzt sind. Trotz einer kontinuierlich, wenngleich langsam wachsenden Zahl von wissenschaftlichen Untersuchungen und offiziellen Anstrengungen, dies im Rahmen der Risikobewertung von Pestiziden zu berücksichtigen, handelt es sich um ein bis heute ungelöstes Problem.

Die Bemühungen der Europäischen Behörde für Lebensmittelsicherheit, das Cocktail-Problem anzugehen (EFSA 2013a, 2013b, 2019), hat bis heute nichts an der von Kortenkamp, Backhaus und Faust (2009) getroffenen Einschätzung geändert, dass die verfügbaren Informationen zur kombinierten Einwirkung von Chemikalien auf Mensch und Umwelt ungenügend sind. Das kommt auch in der kürzlich erschienenen Metaanalyse von Martin u.a. (2021) zum Ausdruck, deren Ergebnisse nachstehend zusammengefasst werden. 

Zuvor ist es jedoch erforderlich drei nachfolgend verwendete Begriffe klar zu definieren. Im Zusammenhang mit Cocktaileffekten spricht man von additiver, synergistischer und antagonistischer Wirkung. Am einfachsten zu erfassen sind additive Wirkungen: bei den verschiedenen untersuchten Stoffen steht der gleiche Effekt im Mittelpunkt der Betrachtung, zum Beispiel die Hemmung eines Enzyms, die dann schädliche Auswirkungen auf den Organismus hat. Im Kontext von Pestiziden ist das vermutlich bekannteste Beispiel die von phosphororganischen und Carbamat-Insektiziden gehemmte Azetylcholinesterase. Stoff A hemmt bei Dosis X dieses Enzym um 20 Prozent, Stoff B bei Dosis Y um 30 Prozent. Werden Stoff A und B bei den genannten Dosierungen gleichzeitig verabreicht, kann man eine 50-prozentige Hemmung der Azetylcholinesterase erwarten. 

Oftmals sind toxische Wirkungen jedoch nicht monokausal. Dadurch kann es zu einer mehr als additiven Wirkungsverstärkung (synergistischer Effekt) oder einer mehr als additiven Abschwächung der Wirkung (antagonistischer Effekt) kommen. Solche Effekte können z.B. dadurch verursacht werden, dass nur Stoff A die betrachtete Wirkung ausübt, Stoff B jedoch dessen Verweildauer im Organismus beeinflusst, indem er den für Stoff A wirksamen Abbaumechanismus (Metabolismus) hemmt oder stimuliert. Eine weitere Möglichkeit ist, dass die Ausscheidung von Stoff A (bzw. seinen Abbauprodukten) durch Stoff B verlangsamt oder beschleunigt wird.

Chemische Cocktails – Stand des Wissens

In einem umfangreichen Systematic Review haben Martin u.a. (2021) den aktuellen Wissensstand zur Toxizität von Chemikalienmischungen zusammengefasst. Hierfür wurden 1.205 Publikationen, die zwischen 2007 und 2017 erschienen, im Volltext ausgewertet und die Daten von 1.220 Experimenten berücksichtigt. Von diesen wiederum enthielten 388 Studien ausreichend detaillierte Daten, um diese zu extrahieren und mit einer einheitlichen Verfahrensweise neu zu berechnen. Die Begrenztheit des Kenntnisstandes ist angesichts der Komplexität des Themas verständlich, aber zugleich ernüchternd. Etwa zwei Drittel der ausgewerteten Experimente befassten sich nur mit 2‑Komponenten-Mischungen und in den meisten Untersuchungen kamen relativ einfache, leicht quantifizierbare, wenig kostenintensive Methoden zur Anwendung wie zum Beispiel Experimente an Zellkulturen.  Die meisten Untersuchungen waren ökotoxikologischer Natur. Studien von besonderer Relevanz für die menschliche Gesundheit (Krebspotenzial, Gentoxizität, Reproduktionstoxizität, Immuntoxizität, Neurotoxizität) sind extrem unterrepräsentiert. Insgesamt wurden nur 6,3 Prozent der 1.220 Studien laut Martin u.a. (2021) mit „umweltrelevanten“ Konzentrationen bzw. Dosierungen durchgeführt, und es gibt nur eine „verschwindend kleine Zahl“ von Studien, bei denen alle Komponenten des untersuchten Cocktails in niedriger Dosis kombiniert wurden.

Die Komplexität des Problems und damit verbunden die Schwierigkeit, die Studien miteinander vergleichen zu können, ergibt sich nicht nur dadurch, dass unterschiedliche Organsysteme oder biochemische Abläufe gleichzeitig betroffen sein können und sich eventuell gegenseitig beeinflussen. Auch das Dosierungsdesign kann Auswirkungen auf das Ergebnis des jeweiligen Experiments haben. Dies betrifft einerseits das zeitliche Schema. In so gut wie allen von Martin u.a. (2021) analysiertenVersuchen wurden die untersuchten Stoffe gleichzeitig verabreicht. Nur 0,25 Prozent der Experimente basierten auf einer sequentiellen (aufeinanderfolgenden) Exposition. Ein sequentielles Expositions- bzw. Dosierungsschema kann für die Erfassung synergistischer Effekte von Bedeutung sein (vgl. Parkinson u.a. 2019), nämlich dann, wenn das für den Abbau des Giftstoffs zuständige Enzymsystem zuvor durch die andere Substanz stimuliert oder gehemmt wurde. Es dauert in der Regel einige Zeit, bis das Entgiftungssystem in den Normalzustand zurückkehrt, so dass synergistische (und antagonistische) Effekte ggf. auch dann auftreten können, wenn die Stoffe nacheinander auf den Organismus einwirken. 

In der absoluten Mehrzahl der von Martin u.a. (2021) analysierten Studien wurden die Effekte jedoch bei gleichzeitiger Einwirkung untersucht. Hier wiederum gab es die unterschiedlichsten Studiendesigns, von der Testung unterschiedlicher Dosierungen der Komponenten des Gemischs bei etwa gleicher Giftigkeit, über die Verabreichung genau der gleichen Dosis der verschiedenen Komponenten trotz unterschiedlicher Toxizität, bis zur Verwendung einer Komponente mit relativ hoher Dosis kombiniert mit einer niedrigen Dosis der anderen Komponente(n). Bezogen auf alle 1.220 Studien, wurde bei rund zwei Drittel Additivität ermittelt. Aber immerhin bei 20 Prozent der Experimente wurde eine synergistische Wirkung beobachtet, d.h. eine mindestens vierfache Wirkungsverstärkung (Martin u.a., 2021; Tabelle 7).

Von den 388 Studien, für die Martin u.a. (2021) die Daten extrahieren konnten, wurden bei 62 Prozent zwei Stoffe kombiniert, bei 18 Prozent drei Stoffe, und nur bei 20 Prozent wurde mehr als drei Stoffe kombiniert. In der Realität dürften die Verhältnisse, vereinfacht gesagt, eher umgekehrt sein: In aller Regel wirken auf uns mehr als drei verschiedene chemisch-synthetische Stoffe gleichzeitig ein (Metalle, Pestizide, Chemikalien aus Verpackungsmaterial, Auto- und Industrieabgasen usw.).

Nach Extraktion der Daten von den 388 Studien, wurden die synergistischen Effekte von Martin u.a. (2021) mit einer einheitlichen Methodik neu berechnet und nur solche mit einer mehr als vierfachen Wirkungsverstärkung als synergistisch betrachtet. Damit sollten „zufällige“ synergistische Effekte, die auf die biologischen Variabilität zurückzuführen sind, ausgeschlossen werden.  Anhand des Kriteriums einer mehr als vierfachen Wirkungsverstärkung wurden zehn Experimente mit humantoxikologischer Relevanz und 32 Experimente mit ökotoxikologischer Relevanz ermittelt.

Unter Betonung der Lückenhaftigkeit der Datenbasis schlussfolgern die Autor*innen dieser Metaanalyse, dass – so lange keine spezifischen Hinweise auf Interaktionen vorliegen – die Ergebnisse ihrer Studie die Annahme von Additivität als Standard-Herangehensweise unterstützen. Zugleich heben sie jedoch hervor, dass dieses Herangehen ergänzt werden muss, indem das synergistische Potenzial bestimmter Chemikalienklassen besonders berücksichtigt werden sollte. Bemerkenswert ist auch, dass bei Chemikalien-Cocktails, die auf Krebsverursachung untersucht wurde, in 75 Prozent der Fälle synergistische Effekte nachgewiesen wurden, wobei die Zahl der Krebsstudien allerdings sehr klein war und sich auf chlororganische Verbindungen konzentrierte. 

Bei gemeinsamer Betrachtung der Ergebnisse der Metaanalyse (Martin u.a. 2021) und der TIEM-Studie (Hoffmann u.a. 2020), fällt auf, dass sich unter den 18 am häufigsten nachgewiesenen Wirkstoffen der TIEM-Studie (vgl. dort Abb. 16) mehrere Substanzen befinden, die von Martin u.a. (2021) als Stoffe mit stark synergistischen Effekten identifiziert wurden. Dabei handelt es sich um das Herbizid Terbuthylazin, das Fungizid Tebuconazol und das seit kurzem verbotene Fungizid Epoxiconazol, deren Cocktail-Wirkung in Tests mit Zellkulturen (AR reporter gene assays) eine überadditive hormonschädliche Wirkung aufwiesen.  Kjaerstad u.a. (2010) untersuchten Tebuconazol und Epoxiconazol zusammen mit Propiconazol als dritter Komponente und stellten eine zehnfache Wirkungsverstärkung fest. Kjeldsen u.a. (2013) untersuchten einen Fünfer-Mix, der neben Terbuthylazin auch Bitertanol, Propiconazole, Cypermethrin und Malathion enthielt. Hier wurde eine vierfache Wirkungsverstärkung festgestellt.

Was die oben erwähnten Chemikalienklassen anbetrifft, die wegen ihres synergistischen Potenzials im Auge behalten werden sollten, verweisen Martin u.a. (2021) explizit auf die Herbizidgruppe der Triazine, zu denen Terbuthylazin gehört, sowie die fungiziden Azol-Wirkstoffe (Tebuconazol, Epoxiconazol), und die insektiziden Pyrethroide.

Aktivitäten seitens der Behörden

Die Europäischen Behörde für Lebensmittelsicherheit (EFSA) hat im Jahr 2013 mehrere Scientific Opinionsveröffentlicht (EFSA 2013a, EFSA 2013b), die sich mit kumulativer Risikobewertung befassten, d.h. mit der toxikologischen Bewertung von Mehrfachrückständen in Lebensmitteln. Es ging dabei um die Beurteilung des toxikologischen Profils von Wirkstoffen hinsichtlich ihrer Eignung, sie einer „kumulativen Bewertungsgruppe“ (Cumulative Assessment Group) zuzuordnen. Konkret ging es um die kumulative Bewertung von Wirkstoffen mit toxischen Effekten auf das Zentralnervensystem (EFSA 2020a) und auf die Schilddrüse (EFSA 2020b). Die toxischen Effekte auf das Zentralnervensystem wurden anhand von zwei Parametern (Hemmung der Azetylcholinesterase bzw. motorische Funktionsstörungen) bewertet. Auch die kumulative Bewertung möglicher Schädigungen der Schilddrüsenfunktion wurde lediglich mit Hilfe von zwei Parametern bewertet – Schilddrüsenunterfunktion bzw. die Zunahme eines speziellen Zelltyps (C-Zellen). Unter Zugrundelegung einer additiven Wirkung wurde für beide Wirkstoffgruppen anhand der Analysenwerte des europäischen Rückstandsmonitorings mit Hilfe von mathematischen Modellen berechnet, dass sich aus den beobachteten Mehrfachrückständen in Lebensmitteln für die Wirkstoffe mit den oben beschriebenen toxischen Effekten (Zentralnervensystem, Schilddrüse) kein kumulatives Risiko ableiten lässt. Ob solche einfachen Modelle (ein Zielorgan, zwei Parameter, nur Expositionsweg, d.h. Rückstände in Lebensmitteln, nur Pestizide) repräsentativ für die unter Praxisbedingungen anzutreffende Situation ist, kann bezweifelt werden. In der Meta-Analyse von Martin u.a. (2021) wird auf Interaktionen zwischen Pestiziden und anderen Chemikalien (insbesondere Schwermetalle) sowie auf Multi-Organ-Effekte (z.B. Beeinflussung der Metabolisierung in der Leber und damit verbunden, stärkere Giftwirkung in anderen Organen) hingewiesen. Mögliche synergistische Wirkungen durch das Eindringen der Chemikalien über verschiedene Routen (Nahrungsmittel, Atemluft) fanden bislang keinerlei Beachtung.

Vor zwei Jahren veröffentlichte die EFSA eine methodische Leitlinie zur Bewertung des Gesundheits- und Umweltrisikos von Chemikalien-Cocktails (EFSA 2019). Bezüglich einer harmonisierten Bewertung dieser Cocktails werden zwei prinzipiell mögliche Herangehensweisen beschrieben[1] und zahlreiche Empfehlungen zur weiteren methodischen Entwicklung ausgesprochen. Die Ableitung konkreter Vorsichtsmaßnahmen (Risikomanagement), falls sich aus den Ergebnissen einer kumulativen Risikobewertung die Notwendigkeit dafür ergibt, ist nicht Gegenstand dieser Leitlinie.

Kritischer Blick auf die behördliche Herangehensweise 

Die bisherigen Bemühungen der Behörden, mit dem Problem der Mehrfachexposition umzugehen basiert auf der Annahme einer additiven toxischen Wirkung von Pestiziden auf das gleiche Zielorgan. Diese Beschränkung ist zwar angesichts der Komplexität der Problematik nachvollziehbar, löst aber in keiner Weise das Problem. Es fehlen drei entscheidende Dinge: (1) Die Berücksichtigung anderer Expositionsrouten (über Lebensmittelrückstände hinaus), insbesondere die Aufnahme von Pestiziden über die Atemluft, was ggf. auch Konsequenzen hinsichtlich des Wirkstoffabbaus im Körper haben kann (vgl. Clausing 2020); (2) kumulativen Wirkungen, die anders geartet sind als die Addition von Effekten beim gleichen Zielorgan. Hier wäre insbesondere die eingangs beschriebene Beeinflussung von Toxikokinetik und Metabolisierung zu nennen, also eine mögliche Verlängerung der Verweildauer und/oder die verstärkte Umwandlung des Wirkstoffs zu einem eventuell noch giftigeren Abbauprodukt (vgl. Clausing 2020); (3) die Berücksichtigung anderer Chemikalien als Pestizide als Teil des real existierenden Cocktails. Die Leitlinie der EFSA (2019) spricht zwar von „Chemikalien“, d.h. sie suggeriert, nicht auf Pestizide beschränkt zu sein. Doch die bisher veröffentlichten, datenbasierten Bemühungen um eine kumulative Bewertung (EFSA 2020a, 2020b) fokussierten sich ausschließlich auf multiple Pestizidrückstände in Lebensmitteln.

Schlussfolgerungen

Eine angemessene Risikobewertung von Chemikalien-Cocktails stellt eine gewaltige Herausforderung dar und wurde bislang nur modellhaft auf Basis stark einschränkender Prämissen geleistet. Die Ableitung konkreter Vorsichtsmaßnahmen (Risikomanagement), falls sich aus den Ergebnissen einer solchen kumulativen Risikobewertung die Notwendigkeit ergibt, ist noch völlig offen. 

Im Endeffekt bleiben zwei Möglichkeiten zum Umgang mit dem Problem, die sich ggf. ergänzen. Die erste und einfachste Möglichkeit ist eine zügige und deutliche Reduzierung der ausgebrachten Pestizidmengen und der mit Pestiziden behandelten Flächen, was zu einer entsprechenden Reduktion der Exposition gegenüber Pestiziden führen würde. Die zweite Möglichkeit wäre eine wissensbasierte Priorisierung der Untersuchung spezifischer Cocktaileffekte, verbunden mit einer zügigen Umsetzung von Maßnahmen, falls Cocktaileffekte ermittelt werden. Eine solche Priorisierung, sollte sich nicht auf die Betrachtung des Zusammentreffens von Pestiziden in der Nahrung beschränken, sondern die gleichzeitige Exposition gegenüber Pestiziden und anderen Chemikalien berücksichtigen, die über verschiedene Routen in den Körper gelangen können. Eine solche datenbasierte Priorisierung ist allerdings deutlich aufwändiger als die Modellierung von additiven Effekten durch Pestizidrückstände in Lebensmitteln auf ein Zielorgan anhand von zwei Parametern. Und allein dafür wurden von der EFSA offenbar sieben Jahre benötigt (vgl. EFSA 2013a und 2013b mit EFSA 2020a und 2020b)

[1] Beim “whole mixture approach” werden reale Stoffgemische experimentell untersucht bzw. ihre Wirkung aus den experimentellen Ergebnissen mit ähnlichen Stoffgemischen abgeleitet („read across“). Beim „component-based approach“ wird unter Annahme einer additiven Wirkung auf vorhandene Daten für die einzelnen Komponenten des Gemischs (z.B. Mehrfachrückstände in Lebensmitteln) zurückgegriffen und in Form von „kumulativen Bewertungsgruppen“ (siehe oben) eine Risikobewertung vorgenommen. 

Nachfolgend werden einige besonders interessante Studien, die von Martin u.a. (2021) berücksichtigt wurden, näher beschrieben:

zum Anhang

Quellen

  • Christiansen, S., Scholze, M., Dalgaard, M., Vinggaard, A.M., Axelstad, M., Kortenkamp, A., Hass, U., 2009. Synergistic Disruption of External Male Sex Organ Development by a Mixture of Four Antiandrogens. Environmental Health Perspectives 117, 1839–1846. https://doi.org/10.1289/ehp.0900689
  • EFSA Panel on Plant Protection Products and their Residues (PPR), 2013a. Scientific Opinion on the identification of pesticides to be included in cumulative assessment groups on the basis of their toxicological profile. EFS2 11. https://doi.org/10.2903/j.efsa.2013.3293
  • EFSA Panel on Plant Protection Products and their Residues (PPR), 2013b. Scientific Opinion on the relevance of dissimilar mode of action and its appropriate application for cumulative risk assessment of pesticides residues in food. EFS2 11. https://doi.org/10.2903/j.efsa.2013.3472
  • EFSA Scientific Committee, More, S.J., Bampidis, V., Benford, D., Bennekou, S.H., Bragard, C., Halldorsson, T.I., Hernández‐Jerez, A.F., Koutsoumanis, K., Naegeli, H., Schlatter, J.R., Silano, V., Nielsen, S.S., Schrenk, D., Turck, D., Younes, M., Benfenati, E., Castle, L., Cedergreen, N., Hardy, A., Laskowski, R., Leblanc, J.C., Kortenkamp, A., Ragas, A., Posthuma, L., Svendsen, C., Solecki, R., Testai, E., Dujardin, B., Kass, G.E., Manini, P., Jeddi, M.Z., Dorne, J.C., Hogstrand, C., 2019. Guidance on harmonised methodologies for human health, animal health and ecological risk assessment of combined exposure to multiple chemicals. EFS2 17.https://doi.org/10.2903/j.efsa.2019.5634
  • European Food Safety Authority (EFSA), Craig, P.S., Dujardin, B., Hart, A., Hernández‐Jerez, A.F., Hougaard Bennekou, S., Kneuer, C., Ossendorp, B., Pedersen, R., Wolterink, G., Mohimont, L., 2020a. Cumulative dietary risk characterisation of pesticides that have acute effects on the nervous system. EFS2 18. https://doi.org/10.2903/j.efsa.2020.6087
  • European Food Safety Authority (EFSA), Craig, P.S., Dujardin, B., Hart, A., Hernandez‐Jerez, A.F., Hougaard Bennekou, S., Kneuer, C., Ossendorp, B., Pedersen, R., Wolterink, G., Mohimont, L., 2020b. Cumulative dietary risk characterisation of pesticides that have chronic effects on the thyroid. EFS2 18. https://doi.org/10.2903/j.efsa.2020.6088
  • Kjeldsen, L.S., Ghisari, M., Bonefeld-Jørgensen, E.C., 2013. Currently used pesticides and their mixtures affect the function of sex hormone receptors and aromatase enzyme activity. Toxicology and Applied Pharmacology 272, 453–464. https://doi.org/10.1016/j.taap.2013.06.028
  • Martin, O., Scholze, M., Ermler, S., McPhie, J., Bopp, S.K., Kienzler, A., Parissis, N., Kortenkamp, A., 2021. Ten years of research on synergisms and antagonisms in chemical mixtures: A systematic review and quantitative reappraisal of mixture studies. Environment International 146, 106206. https://doi.org/10.1016/j.envint.2020.106206
  • Mutlu, E., Gao, L., Collins, L.B., Walker, N.J., Hartwell, H.J., Olson, J.R., Sun, W., Gold, A., Ball, L.M., Swenberg, J.A., 2016. Polychlorinated Biphenyls Induce Oxidative DNA Adducts in Female Sprague–Dawley Rats. Chem. Res. Toxicol. 29, 1335–1344. https://doi.org/10.1021/acs.chemrestox.6b00146
  • Parkinson, A., Ogilvie, B.W., Buckley, D.B., Kazmi, F., Parkinson, O., 2019. Biotransformation of Xenobiotics In: Klaassen, C.D. (Ed.), 2019. Casarett and Doull’s toxicology: the basic science of poisons, Ninth edition. ed. McGraw-Hill Education, New York.
  • Valavanidis, A., Vlachogianni, T., Fiotakis, K., Loridas, S., 2013. Pulmonary Oxidative Stress, Inflammation and Cancer: Respirable Particulate Matter, Fibrous Dusts and Ozone as Major Causes of Lung Carcinogenesis through Reactive Oxygen Species Mechanisms. IJERPH 10, 3886–3907. https://doi.org/10.3390/ijerph10093886