Bern, Switzerland
October 13, 2015
Throughout the northern hemisphere beekeepers have struggled to maintain adequate numbers of honey bee colonies for crop pollination and honey production due to dramatic increases in colony deaths each year. Recent surveys of beekeepers suggest that poor queen health is an important reason for these losses, but why queen health is now being affected is not understood.
Eine Bienenkönigin, die während des Experiments von einem Paarungsflug zurückgekehrt ist. Die Überreste des Begattungsorganes eines Drohns verschliessen den Eingang zum Fortpflanzungstrakt am Hinterleib der Königin. - Foto: Geoffrey Williams, Universität Bern
A research team from Bern, Switzerland and Wolfville, Canada has found that honey bee queens, which are crucial to colony functioning, are severely affected by two neonicotinoid insecticides. In 2013, governments in Europe moved to partially restrict the use of these neonicotinoids while further risks assessments could be performed. The province of Ontario, Canada followed suit in 2015.
This is the first study to investigate the effects of neonicotinoids on honey bee queens. Its findings suggest that these insecticides may be contributing to bee colony mortality by affecting queen health, and it further strengthens calls for more thorough environmental risk assessments of these pesticides to protect bees and other beneficial organisms.
In recent years beekeepers have had difficulties maintaining honey bee colonies throughout North America and Europe, and often experience dramatic winter mortalities. ‘Alongside introduced parasites, it is believed that agricultural chemicals may play a role in these issues’, says lead author Geoff Williams of the University of Bern.
In 2013 governments in Europe took a precautionary approach by partially restricting the application of the widely used neonicotinoid pesticides thiamethoxam, clothianidin, and imidacloprid, with the mandate to perform further environmental risk assessments. A new inter-governmental review will take place in the coming months. Previous research suggests that these chemicals cause both lethal and sub-lethal effects on honey bee workers from exposure, but nothing is known about how they may affect queens.
A research team from the Institute of Bee Health at the University of Bern (Switzerland), from Agroscope at the Swiss Confederation (Switzerland), and from the Department of Biology at Acadia University (Canada), recently demonstrated in an article in the open-access journal SCIENTIFIC REPORTS (Nature Publishing Group) that honey bee queens are extremely vulnerable to the neonicotinoid pesticides thiamethoxam and clothianidin.
Diverse physiological and anatomical effects
The observation that honey bee queens are highly vulnerable to these common neonicotinoid pesticides is worrisome, but not surprising, says senior author Laurent Gauthier from the Swiss Confederation’s Agroscope: ‘Beekeepers frequently cite poor queen health as a major cause of colony death each year.’ The study shows profound effects on queen physiology, anatomy, and overall reproductive success.
The queen, as the sole egg-layer and the primary source of colony cohesion, is the most important individual in the colony; without her the colony will eventually fail to function. Co-author Peter Neumann from Bern states ‘this study, along with other recently published ones, supports calls for more thorough environmental risk assessments of agricultural chemicals to protect biodiversity and ecosystem functioning.’
Bees, pollination, and honey – a background
Honey bees are complex social organisms that demonstrate female reproductive division of labor between the queen and workers within a colony. Queens release chemical pheromones essential for colony social organization and usually monopolize female reproduction, while workers carry out all other tasks necessary for colony maintenance.
Since there is only a single queen in each colony, queen health is crucial to colony survival. Soon after birth, each queen will embark on a series of mating flights to collect sperm from males called drones. Afterwards, she will return to her colony to lay eggs and be cared for by workers.
Honey bees, like all insect pollinators, provide crucial ecosystem and economic services. Annually in Europe and North America, millions of honey bee colonies produce honey and contribute to the pollination of a range of agricultural crops – from carrots to almonds to oilseed rape – that is valued at billions of Euros.
Article citation:
Williams, G.R., Troxler, A., Retschnig, G., Roth, K., Shutler, D., Yañez, O., Neumann, P., Gauthier, L. 2015. Neonicotinoid insecticides severely affect honey bee queens. Scientific Reports 5, 14621; doi: 10.1038/srep14621. Available at: www.nature.com/articles/srep14621
The study was supported by the Vinetum Foundation, the Ricola Foundation – Nature and Culture, and the Swiss National Science Foundation, and was performed by researchers at the University of Bern (Institute of Bee Health, Vetsuisse Faculty), Agroscope (Swiss Bee Research Centre, Swiss Confederation), and Acadia University, Canada (Department of Biology, Faculty of Science).
Zwei Neonikotinoide schädigen Bienenköniginnen
Seit einigen Jahren kommt es auf der Nordhalbkugel zu massiven Verlusten von Bienenvölkern. Eine mögliche Ursache dafür sind geschwächte Bienenköniginnen. In einer neuen Studie konnte nun aufgezeigt werden, dass zwei Insektizide aus der Gruppe der Neonikotinoide den Bienenköniginnen erheblichen Schaden zufügen – und sie dadurch daran hindern können, ihre zentrale Funktion im Bienenvolk wahrzunehmen. Die Insektizide dürfen in der EU und der Schweiz seit 2013 nur noch beschränkt angewendet werden.
Weltweit sterben seit den 2000er Jahren immer mehr Bienenvölker – die Gründe dafür sind vielseitig und noch nicht vollständig geklärt. Neben eingeschleppten Parasiten wird vermutet, dass auch landwirtschaftliche Insektizide zu den Völkerverlusten beitragen können. Diese werden gegen Schädlinge in der Landwirtschaft eingesetzt, entfalten ihre Wirkung aber auch in Nützlingen wie Honigbienen.
Widersprüchliche Studien zur Wirkung auf Nützlinge liessen indes bisher keine eindeutigen Schlüsse zu. Umfragen bei Imkerinnen und Imkern in mehreren Ländern haben ergeben, dass der Verlust ganzer Kolonien möglicherweise mit Gesundheitsproblemen von Bienenköniginnen zusammenhängen könnte. Ob auch die Insektizide der Neonikotinoidgruppe zu einer Schwächung der Bienenköniginnen beitragen können, war bislang nicht erwiesen.
Nun hat ein internationales Forscherteam unter Schweizer Führung herausgefunden, dass zwei weitverbreitete Neonikotinoide die Fortpflanzung von Bienenköniginnen stark beeinträchtigen können. Die untersuchten Bienenköniginnen wiesen vergrösserte Eierstöcke auf, konnten weniger Spermien von männlichen Bienen (den Drohnen) speichern und waren insgesamt weniger erfolgreich bei der Eierlegetätigkeit. «Dies ist die erste Studie zu den Auswirkungen von Neonikotinoiden auf die Physiologie, die Anatomie und allgemein auf den Reproduktionserfolg von Bienenköniginnen», sagt Erstautor Dr. Geoffrey Williams vom Institut für Bienengesundheit der Universität Bern. «Die Ergebnisse zeigen, dass diese Chemikalien Königinnen schädigen und dadurch für die Verluste von Bienenvölkern mitverantwortlich sein können.»
Schädigung durch zwei Neonikotinoide nachgewiesen
Die Studie wurde in Bern von einem internationalen Forscherteam unter Leitung des Instituts für Bienengesundheit der Universität Bern zusammen mit dem Zentrum für Bienenforschung von Agroscope sowie der kanadischen Acadia Universität durchgeführt und im open-access Journal «Scientific Reports» der «Nature»-Verlagsgruppe publiziert. Bereits 2013 wurde vorsorglich die Anwendung von drei Wirkstoffen aus der Gruppe der Neonikotinoide in Europa für zwei Jahre stark eingeschränkt, um die Auswirkungen auf die Bienengesundheit genauer zu untersuchen. In Anlehnung an die EU wurde der Einsatz dieser Wirkstoffe in der Schweiz ebenfalls teilweise verboten.
Zu diesen aktuell verbotenen Chemikalien zählen Thiamethoxam, Clothianidin und Imidacloprid, wobei die zwei ersten in der vorliegenden Studie untersucht wurden und eine erhebliche negative Wirkung auf die Bienenköniginnen zeigten. «Die Ergebnisse der Studie sind beunruhigend, aber nicht überraschend», sagt Letztautor Dr. Laurent Gauthier von Agroscope. Laut den Forschenden seien diese Chemikalien nicht so harmlos für Nützlinge wie ursprünglich angenommen. Sie fordern denn auch gründlichere Umweltverträglichkeitsprüfungen von Neonikotinoiden, um Bienen und andere Nützlinge zu schützen.
Zusammenhang von Gesundheit, Bestäubung und Honigproduktion
In einem Bienenvolk gibt es nur eine Königin. Sie allein kann Eier legen und ist daher zentral für den Nachwuchs im Volk. Zudem sorgt sie durch die Produktion von Pheromonen für den sozialen Zusammenhalt des Volkes. «Ohne sie wäre das Volk innert kürzester Zeit nicht mehr überlebensfähig», erklärt Ko-Autor Professor Peter Neumann vom Institut für Bienengesundheit der Universität Bern.
Honigbienen erfüllen, wie alle bestäubenden Insekten, eine sehr wichtige Rolle für das Ökosystem und dadurch auch für die Wirtschaft. Jedes Jahr produzieren Millionen von Honigbienenvölkern in Europa und Nordamerika Honig und tragen massgeblich zur Bestäubung von landwirtschaftlichen Pflanzen bei. Die Vielfalt der bienenbestäubten Pflanzen reicht von der Karotte über die Mandel bis hin zum Raps. Die gesamte Bestäubungsleistung beträgt jährlich mehrere Milliarden Euro.
Die Studie wurde finanziell von der Stiftung Vinetum, der Ricola Foundation – Natur und Kultur, und dem Schweizerischen Nationalfonds unterstützt. Durchgeführt wurden die Arbeiten von Forschenden der Universität Bern (Institut für Bienengesundheit, Vetsuisse Fakultät), Agroscope (Zentrum für Bienenforschung) und der Universität Acadia, Kanada (Department of Biology, Faculty of Science).
Angaben zur Publikation:
Williams, G.R., Troxler, A., Retschnig, G., Roth, K., Shutler, D., Yañez, O., Neumann, P., Gauthier, L. 2015. Neonicotinoid insecticides severely affect honey bee queens. Scientific Reports 5, 14621; doi: 10.1038/srep14621.
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