Germany
December 12, 2019
Pest damage to crops can be avoided with the use of pheromones.
Fraßschäden an Nutzpflanzen können durch Pheromone vermieden werden. - © Shutterstock/Kallayanee Naloka
Moths and other winged insects, and particularly their larva, can become a problem for farmers, often causing major damage to crops. Pesticides help alleviate the problem, but they have also been strongly criticized. Pheromones offer a sustainable alternative, albeit an expensive one. A new manufacturing technique is designed to reduce the costs of pheromones and make them competitive. In the EU project OLEFINE researchers at the Fraunhofer Institute for Building Physics IBP are dedicated to sustainability and Life Cycle Assessment.
Pesticides are under fire from critics: If they are sprayed on fruit, cereals or other plants, they harm the environment. After all, insecticides not only decimate crop pests such as the corn borer or the fall armyworm, but also reduce the numbers of useful insects such as bees, and thus decrease biodiversity. Moreover, pesticide residues can adhere to food. Having said that, the world population is growing and needs to be fed – without crop protection agents, this is practically impossible. Pheromones offer a sustainable solution. Instead of killing the insects, they ensure that male pests no longer find their female partners, thus preventing reproduction. As a result, there will be hardly any of the real pests – i.e. the larvae, which strip the plants bare. Pheromones offer numerous advantages over pesticides: They do not harm the farmer or pollinating insects, and they leave no residues on the crops. However, the chemical synthesis process that has been used to manufacture the pheromones before now is very costly and often harmful to the environment.
Manufacturing pheromones more cost effectively
A new manufacturing technique is set to change this in future – bringing about a substantial and lasting reduction in the costs for the pheromones. Researchers are currently developing the technique in the EU’s “OLEFINE” project, in which the Fraunhofer Institute for Building Physics IBP is a partner. “Instead of chemically synthesizing the pheromones, the team has taken a biotechnological manufacturing approach,” explains Eva Knüpffer, research associate at Fraunhofer IBP. The principle is familiar from insulin manufacture, for example, and is based on yeast cells, which produce the pheromones metabolically under certain circumstances. Meanwhile, the company BioPhero in Denmark is lead partner in the development of the manufacturing process itself. The Fraunhofer IBP personnel working on the project are focusing on sustainability and life-cycle assessment – both of the manufacturing method and of the subsequent use of the pheromones. “We’re using models, for example, to investigate how much materials and energy are required for manufacture and what their impact is on the environment. To do this, we analyze the individual steps in great detail and indicate for which individual steps changes would have a strong effect. We send this information to our Danish partners for them to implement accordingly,” says Knüpffer.
Effects on the environment
In the future, the researchers also want to investigate the effect of the pheromones on the environment in greater detail. Field trials with the biotechnologically manufactured pheromones are planned for 2020. With the data collected there, they will carry out further calculations and investigations based on life-cycle assessment models. Two of the questions they will be addressing are: What impact do the pheromones have on biodiversity? And what effect do they have on pests? In each case, they will be comparing the pheromones against conventional insecticides. In this way, the researchers can estimate to what extent the pheromones can reduce the environmental damage from pesticides.
Similar price framework to pesticides conceivable in long term
The researcher team at Fraunhofer IBP is also carrying out a cost analysis. Although specific statements are not possible at this stage, Knüpffer is confident nonetheless: “The biotechnological manufacture of the pheromones is significantly more cost-effective than chemical production. Furthermore, the pheromones only have to be applied once a year during the flight phase of the lepidoptera, whereas insecticides generally have to be sprayed several times a year. As such, it’s a very real possibility that they will eventually be sold in the same kind of price class as traditional pesticides,” says the researcher. Another advantage for farmers is that they don’t have to drive a heavy tractor over their fields to apply the crop protection agent, as the pheromones are spread out at regular intervals across the field in biodegradable dispensers. This also reduces diesel consumption and soil compaction on farms, with the corresponding benefits for the environment.
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement no. 760798.
Pflanzenschädlinge umweltfreundlich eindämmen
Falter können für Landwirte zum Problem werden, insbesondere ihre Larven: Sie verursachen oft große Schäden an Kulturpflanzen. Pestizide schaffen zwar Abhilfe, allerdings stehen sie stark in der Kritik. Pheromone bieten eine nach-haltige, jedoch teure Alternative. Ein neues Herstellungsverfahren soll ihre Kosten reduzieren und sie konkurrenzfähig machen. Forscherinnen und Forscher am Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP widmen sich im EU-Projekt OLEFINE der Nachhaltigkeit und Ökobilanzierung.
Pestizide stehen in der Kritik: Werden diese auf Früchte, Getreide oder andere Pflanzen gesprüht, wirkt sich dies negativ auf die Umwelt aus. Denn: Die Insektizide dezimieren nicht nur Schädlinge wie den Maiszünsler oder den Herbstheerwurm, sondern reduzieren auch die Anzahl der nützlichen Insekten wie Bienen, Hummeln und Co. und senken somit die Biodiversität. Zum anderen können Reste der Pestizide auf den Nahrungsmitteln verbleiben. Die Kehrseite der Medaille: Die Weltbevölkerung wächst und muss versorgt werden – ohne Pflanzenschutzmittel ist dies kaum möglich. Eine nachhaltige Lösung bieten Pheromone. Statt die Insekten zu töten, sorgen sie dafür, dass die männlichen Schädlinge ihre weiblichen Partner nicht mehr finden und die Vermehrung verhindert wird. Die wirklichen Schädlinge – also die Larven, die die Pflanzen kahl fressen – gibt es somit kaum. Pheromone bieten zahlreiche Vorteile gegenüber Pestiziden: Sie schaden weder dem Landwirt noch den bestäubenden Insekten, auch bleiben keine Rückstände auf den Pflanzen zurück. Allerdings ist die chemische Synthese, über die die Pheromone bislang hergestellt werden, sehr kostenintensiv und oftmals umweltschädlich.
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Biotechnological method as alternative to conventional synthesis.
Biotechnologische Verfahren als Alternative zur konventionellen Synthese. - © Shutterstock/Catherine Eckert
Pheromone kostengünstiger produzieren
Eine neue Herstellungstechnik soll dies künftig ändern – und die Kosten für die Pheromone langfristig deutlich senken. Forscherinnen und Forscher entwickeln das Verfahren derzeit im EU-Projekt OLEFINE, an dem auch das Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP beteiligt ist. »Statt die Pheromone chemisch zu synthetisieren, setzt das Team auf eine biotechnologische Herstellung«, erläutert Eva Knüpffer, wissenschaftliche Mitarbeiterin am Fraunhofer IBP. Das Prinzip ist unter anderem von der Insulinherstellung bekannt. Die Basis bilden Hefezellen, die unter bestimmten Bedingungen über ihren Stoffwechsel die Pheromone produzieren. Der Herstellungsprozess selbst wird federführend von der Firma Biophero inDänemark entwickelt. Die Kolleginnen und Kollegen des Fraunhofer IBP widmen sich der Nachhaltigkeit und der Ökobilanzierung – sowohl der Herstellungsmethode als auch der späteren Verwendung der Pheromone. »Wir untersuchen über Modelle beispielsweise, wie viel Materialien und Energie bei der Herstellung nötig sind und wie sich dies auf die Umwelt auswirkt. Dabei schauen wir uns die einzelnen Schritte sehr detailliert an und zeigen auf, bei welchen Einzelschritten sich Veränderungen stark auswirken würden. Diese Informationen spielen wir an die dänischen Partner zurück, die sie dann entsprechend umsetzen«, sagt Knüpffer.
Auswirkungen auf die Umwelt
Künftig wollen die Forscherinnen und Forscher auch die Wirkung der Pheromone auf die Umwelt näher untersuchen: Für 2020 sind Feldversuche mit den biotechnologisch hergestellten Pheromonen geplant. Mit den dort erhobenen Daten werden sie weitere Berechnungen und Untersuchungen basierend auf Ökobilanzmodellen durchführen. Eine der Fragestellungen: Wie wirken sich die Pheromone auf die Biodiversität aus? Wie ist ihre Wirkung auf die Schädlinge? Verglichen wird jeweils mit den herkömmlichen Insektiziden. Auf diese Weise können die Forschenden abschätzen, in welchem Ausmaß die Pheromone die Umweltbelastungen durch Pestizide reduzieren können.
Langfristig ähnlicher Preisrahmen wie bei Pestiziden denkbar
Auch eine Kostenanalyse führt das Forscherteam am Fraunhofer IBP durch. Zwar sind konkrete Aussagen derzeit noch nicht möglich, dennoch ist Knüpffer zuversichtlich: »Die biotechnologische Herstellung der Pheromone ist deutlich kostengünstiger als die chemische. Dazu kommt: Die Pheromone müssen nur einmal jährlich während der Flugphase der Falter ausgebracht werden, während Insektizide in der Regel mehrmals pro Jahr versprüht werden. Daher ist es durchaus denkbar, langfristig in einen ähnlichen Preisrahmen zu kommen wie bei den Pestiziden«, sagt die Forscherin. Ein weiterer Vorteil für die Landwirte: Sie müssen nicht mit dem schweren Traktor über das Feld fahren, um das Pflanzenschutzmittel auszubringen. Denn die Pheromone werden in bioabbaubaren Dispensern in regelmäßigen Abständen auf dem Feld verteilt. Hierbei ergibt sich auch eine Reduzierung des Dieselverbrauchs und der Bodenverdichtung und somit auch der Umweltbelastung.
Dieses Projekt wird mit Mitteln aus dem Horizon 2020 Forschungs- und Innovationsprogramm der Europäischen Union unter Grant Agreement Nr. 760798 gefördert.
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