Bachelorarbeit. Strategien zur Vermeidung von Fusarium-Pilzen und der damit verbunden Mykotoxinbelastungen in der Weizen und Maiskultur

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1 Fachbereich Agrarwirtschaft und Lebensmittelwissenschaften Fachgebiet Phytomedizin Bachelorarbeit Strategien zur Vermeidung von Fusarium-Pilzen und der damit verbunden Mykotoxinbelastungen in der Weizen und Maiskultur Peter von Holtzendorff 1. Betreuer: Prof. Dr. Heinz Große-Hokamp 2. Betreuer: Bernd Schulze Tag der Einreichung: urn:nbn:de:gbv:519-thesis

2 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis...II Tabellenverzeichnis...III Abkürzungsverzeichnis... IV 1. Einleitung Literaturübersicht Taxonomie und Artenspektrum Biologie und Infektionszyklus Symptomatik Symptomatik an Weizen Symptomatik an Mais Mykotoxine Grenzwerte und Schadwirkung Strategien zur Vermeidung von Mykotoxinen Fruchtfolge und Vorfrucht Bodenbearbeitung Sortenwahl Fungizideinsatz Fusarium-Befall in Abhängigkeit abiotische Faktoren Relevanz in der landwirtschaftlichen Praxis Fusarium-Monitoring in Mecklenburg-Vorpommern Fusarium-Monitoring in Brandenburg Niederschlag zur Zeit der Blüte QS Monitoring Report Verband Deutscher Mühlen Aspekte der Probenentnahme durch den Landhandel Nutzung von kontaminierten Getreide Entwicklung für die Zukunft Zusammenfassung Literaturverzeichnis...35 I

3 Abbildungsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Abb. 1: Fruchtkörperbildung auf Maiskolben (NN, 2016)...4 Abb. 2: Haupt- und Nebenfruchtform von F. graminearum...5 Abb. 3: Sporenfänge von Fusarium spp. und Witterungsverlauf...6 Abb. 4: Symptom der partiellen Taubährigkeit bzw. Weißährigkeit an Winterweizen...7 Abb. 5: Abb. 6: Abb. 7: Abb. 8: Abb. 9: Abb. 10: Symptome der Kolbenfäulnis am Mais. Links: Kolben mit Lieschblättern mit Myzel. Mitte: aufgeplatzte Körner mit Myzel. Rechts: abgeknickter Kolben durch starken Fäulnisbefall (BIRR, 2013)...8 Symptome der Stängelfäule an der Maispflanze. Links: Durch Fusarium spp. verursachter lagernder Mais. Mitte: Sichtbares Myzel und Weißfärbung am Stängel. Rechts: Mittels Querschnitt im Stängel sichtbares rötlich verfärbtes Mark (DORN et al., 2008)...9 Aufnahmemenge von DON durch den Deutschen Verbraucher in μg/kg pro Tag (KAPPENSTEIN, 2007)...12 DON Maximal- und Mittelwerte sowie die Anzahl positiver DON Werte von Weizen in den Jahren in der Abhängigkeit der Vorfrucht DON-Gehalte (μg/kg) im Silomais der Sorten Lorado, P 8000, Torres und LG an den zehn Mais-Monitoring-Standorten in Schleswig-Holstein FF = Fruchtfolge, M = Maismonokultur, P = Pflugsaat, PL = pfluglose Bodenbearbeitung. Daten sind MW (n = 4), multipler Kontrasttest (p 0,05) (BIRR, 2013)...16 DON Maximal- und Mittelwerte sowie der Prozentsatz DON positiver Weizenproben und Proben über dem EU- Grenzwert in Abhängigkeit der Bodenbearbeitung in den Jahren (NN, 2014)...17 Abb. 11: Mittlerer Niederschlag [mm] (links) und mittlere Temperatur im Juni [Grad C] (rechts) im Mittel (MÜHR, 2004)...25 Abb. 12: Mittlerer Niederschlag [mm] (links) und mittlere Temperatur im August [Grad C] (rechts) im Mittel (MÜHR, 2004)...27 Abb. 13: Teststreifen von R-Biopharm (eigenes Bild, )...29 Abb. 14: Abb. 15: Selektion mit DNA-Markern auf Fusarium-Resistenz in Weizen: Lage von zwei Resistenzgenen auf den Chromosomen 3B und 5A und in der Nähe liegenden molekularen Markern (EBMEYER, 2012)...32 Effekt der markergestützten Einkreuzung von zwei Resistenzgenen in eine für fusarium-anfällige Sorte (EBMEYER, 2012)...33 II

4 Tabellenverzeichnis Tabellenverzeichnis Tab. 1: Nachgewiesene Fusarium-Arten mit Haupt- und Nebenfruchtform...3 Tab. 2: Höchstgehalte für Deoxynivalenol (DON) und Zearalenon (ZEA) in Lebensmitteln (verändert nach SCHLÜTER und KROPF, 2010)...11 Tab. 3: Tab. 4: Richtwerte für die Fusarium-Toxine DON und ZEA in zur Verfütterung an Tiere bestimmten Erzeugnissen (verändert nach NN, 2006)...13 Mykotoxingehalte in Getreide aus MV Anteil Proben mit Höchstmengenüberschreitungen (μg/kg) (verändert nach NN, 2005)...22 Tab. 5: Anzahl der in den einzelnen Landkreisen auf DON untersuchten Weizenproben, deren Minimum-, Maximum- und Mittelwerte sowie die Anzahl der Proben mit einem DON-Gehalt über dem gesetzlich geregelten Grenzwert von μg/kg in den Jahren (verändert nach NN, 2014)...24 III

5 Abkürzungsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis C Grad Celsius % Prozent Euro μg Mikrogramm Abb. Abbildung AG Aktiengesellschaft BBE Besonderen Ernteermittlung bzw. beziehungsweise ca. circa DNS Desoxyribonukleinsäure DON Deoxynivalenol DOM-1 Deepoxy-deoxynivalonol EC phänologisches Entwicklungsstadium (Eucarpia code) EGM Europäischen Getreidemonitorings et al. et all (und andere) EU Europäische Union FUGEMA Futtermittel- und Getreidehandelsgesellschaft mbh F. Fusarium g Gramm GmbH Gesellschaft mit beschränkter Haftung ha Hektar kg Kilogramm l Liter LAG Landes-Arbeitsgruppe LELF Landesamt für Ländliche Entwicklung, Landewirtschaft und Flurneuordnung LKW Lastkraftwagen LUFA Labor für Futter- und Lebensmittel Analytik m 2 mm Max mg Min Quadratmeter Millimeter Maximum Milligramm Minimum Mio. Million IV

6 Abkürzungsverzeichnis MV N Pfl. ppm QS spp. t Tab. TKG UM z.b. ZEA Mecklenburg-Vorpommern Stickstoff Pflanzen parts per million Qualität und Sicherheit GmbH Species Tonnen Tabelle Tausendkorngewicht Uckermark zum Beispiel Zearalenon V

7 1. Einleitung 1. Einleitung Die landwirtschaftliche genutzte Fläche wird auf der Welt und auch in Deutschland von Jahr zu Jahr geringer. Jeden Tag werden in Deutschland 77 ha der landwirtschaftlichen Nutzung entzogen, um sie als Siedlungs- und Verkehrsfläche zu nutzen. Das Ziel der Nachhaltigkeitsstrategie der Bundesregierung ist es, die Inanspruchnahme neuer Flächen für Siedlungs- und Verkehrsfläche bis 2020 auf 30 ha pro Jahr zu reduzieren. Zusätzlich zur Entnahme von Agrarland müssen Kompensationsflächen aufgebracht werden. Diese Flächen werden mit einem Faktor von 1:1 bis 1:8 renaturiert. Somit wird noch weiteres Land aus der Bewirtschaftung in der heimischen Landwirtschaft entzogen. Auf der gesamten Welt wird das Agrarland ebenfalls immer geringer. Dort kommen andere Ursachen zum Tragen. So wird durch nicht sachgerechte Bewässerung Ackerland versalzt. Des Weiteren geht wichtiges Ackerland durch Erosion und dem Klimawandel in Form von Überschwemmungen und Wüstenausdehnung verloren. Meist sind es ärmere Länder der Welt, die durch den Klimawandel ihr wichtiges Ackerland verlieren (TIETZ et al., 2012). Aber wie soll die Ernährung der Weltbevölkerung weiterhin gesichert werden? Durch den gezielten Einsatz von Pflanzenschutzmittel konnte die Menge und die Qualität an landwirtschaftlichen Rohstoffen immer weiter gesteigert werden. Es gibt zahlreiche Pilze und andere Schädlinge, die Ertrag und Qualität schädigen. Die Pilze der Gattung Fusarium verursachen Krankheiten unserer Ackerkulturen, die im großen Maß Lebensmittel für Mensch und Tier unbrauchbar machen und so ein Feind für die Ernährung der Weltbevölkerung darstellen. Der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit ist es, Strategien zur Vermeidung von Fusarium-Pilzen und der damit verbunden Mykotoxinbelastungen in der Weizenund Maiskultur aufzuzeigen und zusammenzutragen, um die Quantität und Qualität der wichtigsten Rohnährstoffe der menschlichen Ernährung zu sichern. 1

8 2. Literaturübersicht 2. Literaturübersicht 2.1 Taxonomie und Artenspektrum Fusarium ist eine Pflanzenkrankheit, die weltweit bedeutende Kulturarten für die Ernährung infizieren kann. Mittels Untersuchungen wurde festgestellt, dass Kulturpflanzen von unterschiedlichen Fusarium-Arten befallen werden können. Die Fusarium-Arten stehen selbst untereinander in Konkurrenz. Durch die Witterung kann sich eine dominante Art herauskristallisierend und etablieren (SCHWEYDA, 1996). In ganz Europa zählen F. avenaceum, F. culmorum, F. equiseti, F. graminearum, F. langsethiae, F. poae, F. sporotrichioides, F. tricinctum und F. venenatum zu den häufigsten Fusarium-Arten im Weizenanbau. Unter diesen verschiedenen Arten treten F. avenaceum, F. culmorum, F. graminearum und F. poae am häufigsten auf (DUBEN und FEHRMANN, 1979). Bei der Kultivierung von Mais treten die Fusarium-Arten F. avenaceum, F. culmorum, F. equiseti, F. graminearum, F. oxysporum, F. poae, F. proliferatum, F. sporotrichioides, F. subglutinans, F. tricinctum, F. venenatum und F. verticillioides auf. Einerseits spielt die Witterung bei der Beantwortung der Frage, in welcher Region sich eine bestimmte Fusarium-Art entwickelt, eine wichtige Rolle, andererseits sind das Infektionsniveau und die Mykotoxionproduktion eine wichtiges Kriterium (DORN et al., 2009). Nach der Taxonomie gehören die Fusarium-Pilze in die Gruppe der Eumycota und können sich asexuell oder sexuell vermehren. Die Hauptfruchtform oder auch Teleomorph genannte Form, ist die sexuelle Vermehrung des Fusarium-Pilzes. Eine asexuelle Vermehrung wird als Nebenfruchtform oder Anamorph bezeichnet (ADOLF, 1998). Nur von einigen Fusarium-Arten ist bekannt, dass sie eine Sexualphase bei Getreide und Mais besitzen (Tab. 1) (LESLIE und SUMMERELL, 2006). 2

9 2. Literaturübersicht Tab. 1: Nachgewiesene Fusarium-Arten mit Haupt- und Nebenfruchtform (Quelle: verändert nach LESLIE und SUMMERELL, 2006; GLENN, 2007) Anamorph (Nebenfruchtform) Fusarium avenaceum Fusarium crookwellense Fusarium culmorum Fusarium equiseti Fusarium graminearum Fusarium langsethiae Fusarium oxysporum Fusarium poae Fusarium proliferatum Fusarium sporotrichioides Fusarium subglutinans Fusarium tricinctum Fusarium venenatum Fusarium verticillioides Teleomorph (Hauptfruchtform) Gibberella avenacea unbekannt unbekannt Gibberella intricans Gibberella zeae unbekannt unbekannt unbekannt unbekannt unbekannt Gibberella subglutinans Gibberella tricincta unbekannt Gibberella monilliformis 2.2 Biologie und Infektionszyklus Wie im Kapitel 2.1 erwähnt, gibt es bei Fusarium-Pizen telemorphe und anamorphe Formen zur Vermehrung. Eine Vielzahl der Pilzarten hat einen vollständigen Entwicklungszyklus mit Haupt- und Nebenfruchtformen und kann daher sowohl Ascosporen (sexuell) als auch Konidien (asexuell) bilden. Ein solcher Pilz ist F. graminearum. Somit stellen sich zwei unterschiedliche Infektionswege dar, mit dem F. graminearum Weizen, Hafer, Gerste und Mais infizieren kann (TRAIL, 2009). Der Pilz benötigt zur Bildung seiner Hauptfruchtform Stroh, um darauf seine widerstandsfähigen Fruchtkörper (Perithezien) zu bilden, in denen sich die Ascosporen befinden (Abb. 1). Auf den Ernteresten der Vorfrucht können die Fruchtkörper mehrere Vegetationsperioden überdauern, um dann bei einer günstigen Witterung einen neuen Infektionszyklus durchführen zu können. Durch eine feucht-warme Witterung reifen die Fruchtkörper heran. In ihnen reifen die 3

10 2. Literaturübersicht sexuell gebildeten Ascosporen, welche in der Abtrocknungsphase aktiv durch Druck heraus katapultiert und mittels Wind sowie aufsteigender Luft in die Agrarlandschaft fortgetragen werden (SCHLÜTER und KROPF, 2010; VERREET und DEHNE, 2013). Dabei kann es vorkommen, dass die reifen Sporen Standorte infizieren, die eigentlich einen geringeren Infektionsdruck besaßen, um an Fusariosen zu erkranken. Verständlich ist, dass die Strohreste an der Oberfläche liegen müssen, um reife Sporen an die Atmosphäre abgeben zu können. Ein Sporenflug ist vom Frühjahr bis in den Herbst zu beobachten, dieser kann aber durch unterschiedliche Witterungen mal stärker oder schwächer ausfallen (SCHLÜTER und KROPF, 2010). Abb. 1: Fruchtkörperbildung auf Maiskolben (NN, 2016) Erreichen die Ascosporen nun eine neue Wirtspflanze, wird diese besiedelt (Abb. 2). Durch das Wachstum von Myzel breitet sich der Fusarium-Pilz weiter aus, bis die Stängel- und Blattoberflächen erreicht worden sind. Dort werden die neuen Sporen (Konidien) gebildet, welche als erstes Symptom visuell wahrzunehmen sind. Die gebildeten Konidien haben nur eine geringe Reichweite. Sie dienen der Massenvermehrung und werden hauptsächlich durch einschlagende Wassertropfen in unmittelbarer Entfernung im Bestand verteilt. Dadurch kann die Nebenfruchtform des Fusarium-Pilzes sich entwickeln (PARRY et al., 1995; MUNKVOLD, 2003). 4

11 2. Literaturübersicht Abb. 2: Haupt- und Nebenfruchtform von F. graminearum (verändert nach SCHLÜTER und KROPF, 2005) Nehmen die Temperaturen zum Ende der Vegetationsperiode ab, muss der Pilz wieder Fruchtkörper mit Ascosporen bilden, damit er mit Hilfe dieser Sporen überwintern kann. Hat der Pilz keine Zeit mehr seinen Fruchtkörper aus dem Myzel zu entwickeln, kann er auch als Myzel an Pflanzenresten den Winter überdauern. Man spricht hier von einer saprophytischen Lebensweise. Eine weitere Möglichkeit ist die Bildung von Dauersporen, die über mehrere Vegetationsperioden im Erdreich lebensfähig bleiben (PARRY et al., 1995; MUNKVOLD, 2003; SCHLÜTER und KROPF, 2010). Das anfälligste Entwicklungsstadium der Weizenpflanze ist die Zeit der Blüte. Eine Infektion ist ab Beginn des Ährenschiebens bis zur Teigreifen möglich. Auf den Deckspelzen der Ährchen und dem Staubblatt keimen die Asco- und Konidiosporen aus (BARTELS und RODEMANN, 2003). Über den Staubbeutel wächst der Pilz als Myzel zwischen Hüll- und Deckspelze in Richtung des entwickelten Kornes. Durch das Wachstum des Pilzes werden die Fruchtschale und das Endosperm zerstört. Die fadenförmigen Zellen des Pilzes breiten sich weiter bis zur Ährenspindel aus und können weitere Ährchen von dort infizieren (JANSEN et al., 2005). Außerdem werden dadurch die Leitgefäße unwiderruflich zerstört, sodass die Versorgung der Pflanzenteile mit Assimilaten oberhalb der Infektion der Spindel gestört ist und zu einem Ausbleichen sowie der 5

12 2. Literaturübersicht Bildung von Kümmerkörnern führt. Nachdem sich der Pilz ausreichend entwickelt hat, bildet er auf den Deckspelzen erste rosafarbene Sporenlager (SCHLÜTER und KROPF 2010). Der Infektionsweg bei der Kulturart Mais erfolgt während der Zeit, in der die Narbenfäden des Kolbens funktionsfähig sind. Dabei gelten Temperaturen von C und täglichen Niederschläge von mehr als 5 mm zum Zeitpunkt der Blüte als optimale Wachstumsbedingungen (BARTELS und RODEMANN, 2003). In der Abbildung 3 wird deutlich gemacht, wie die Auswirkung der Witterung sich auf den Sporenpflug auswirkt. Abb. 3: Sporenfänge von Fusarium spp. und Witterungsverlauf (WEIGAND et al., 2006) Die Sporen landen auf den Spitzen der Narbenfäden und wachsen in die Hyphen durch die Narbenfäden hin zum Kolben und infizieren die Körner. Eine Beschädigung der Pflanzenteile, welche durch Hagel, Maschienendurchfahrten oder Insekten entstanden ist, dient ebenfalls als Eingangspforte für Fusarium- Sporen. Je höher die Trockensubtanz des Kolbens ist, desto schwieriger hat es der Pilz, sich in der Pflanze zu etablieren. Erste Symptome sind auf den Körnern nach zwei Wochen zuerkennen, würde man die Lieschblätter vom Kolben entfernen (MUNKVOLD, 2003). Wenn Maisbestände, welche zur Vermehrung dienen, durch Fusarium-Pilze infiziert wurden, so kann es passieren, dass auch das Saatgut schon Pilzmyzel enthält. Somit ist die Pflanze schon von Beginn an 6

13 2. Literaturübersicht durch den Pilz geschädigt. Dieser breitet sich während der gesamten Vegetationsperiode in der Pflanze aus (MUNKVOLD et al., 1997). Während dieser Zeit produziert der Pilz ein für den Mensch und Tier gesundheitlich beeinträchtigendes Gift, die Mykotoxine. 2.3 Symptomatik Symptomatik an Weizen Die beim Weizen am stärksten auftretende Krankheitserscheinung, ist die partielle Taubährigkeit (Abb. 4), bei durch eine Blüteninfektion die gebildeten Konidiosporen und Ascosporen von Fusarium-Pilzen in die Ähre gelangen und ein Myzel bilden, welches an den Fruchtknoten anhaftet und weiter in die Ährenspindel eindringt. Durch das Einwachsen des Myzels werden Xylem und Phloem unterbrochen, sodass die Wasser- und Nährstoffversorgung unterbrochen werden. Dadurch werden die darüber liegenden Ährchen nicht mehr ausreichend versorgt und sterben frühzeitig ab. Erst jetzt werden die Symptome der partiellen Taubährigkeit sichtbar (SNIJDERS und KRECHTING, 1992). Die ausschlaggebenden Fusarium-Arten für diese Erkrankung sind: F. culmorum und F. graminearum (SCHLÜTER und KROPF, 2010).Unter den dem Fusarium-Pilz entsprechenden klimatischen Bedingungen findet man einen lachsfarbenen Sporenbelag auf den befallenden Ährchen, welche später mit Schwärzepilzen überzogen werden. Da durch die Infektion in diesen Bereichen der Ähre nur noch Kümmerkörner gebildet werden, kommt es zu einem geringeren Tausendkorngewicht (TKG) bzw. einem verminderten Ertrag (DIETHELM, 2010). Abb. 4: Symptom der partiellen Taubährigkeit bzw. Weißährigkeit an Winterweizen (SCHLÜTER und KROPF, 2006) 7

14 2. Literaturübersicht Fusariosen befallen nicht nur die Ähre der Getreidekulturen sondern auch Wurzeln, Blattscheiden, Halmbasis und die Halmknoten. Zu Beginn sind unscharfe, vom gesunden Pflanzengewebe abgegrenzte, strichförmige Verbräunungen auf den Blattscheiden und auf dem Halm leicht zu entdecken, die in halmumfassende Nekrosen übergehen. Des Weiteren entwickelt sich im Inneren des Halmes ein weißes Pilzmycel und beim Befall der Blattscheiden ein braunvioletter Ring über den ersten Halmknoten. Ein Befall des Halmknotens führt zur erhöhten Gefahr, dass das Getreide ins Lager geht (OBST und GEHRING, 2002). Eine Bestimmung der Art von Fusarium auf einer infizierten Pflanze ist optisch nicht möglich. Nur bei F. poae bildet sich ein typischer, scharf abgegrenzter dunkler Ring auf der Deckspelze, der zur sensitiven Klassifizierung der Fusarium- Art herangezogen werden kann (OBST und GEHRING, 2002) Symptomatik an Mais Die Fusarium-Kolbenfäule beim Mais wird durch Fusarium-Arten hervorgerufen, wobei die Infektion während der gesamten Kolbenbildungssperiode stattfinden kann. Unter den Lieschblättern der Maiskolben findet man ein dichtes, lachsfarbenes Pilzgeflecht. Des Weiteren sind auch die Körner des Kolbens und die Lieschblätter mit dem Pilzmycel durchzogen (Abb. 5). Abb. 5: Symptome der Kolbenfäulnis am Mais. Links: Kolben mit Lieschblättern mit Myzel. Mitte: aufgeplatzte Körner mit Myzel. Rechts: abgeknickter Kolben durch starken Fäulnisbefall (BIRR, 2013) 8

15 2. Literaturübersicht Beim Zerlegen des Kolbens fällt auf, dass einzelne Körner rot bis braun verfärbt und zum Teil aufgeplatzt sind. Vereinzelt kann man auch abgebrochene Kolben finden, was auf einen sehr starken Befall hindeutet (HURLE et al., 2005). Bei der Wurzel- und Stängelfäule des Mais wirken meist mehrere Erreger. Schon während des Auflaufens des Keimlings kann es durch bodenbrütige Fusarium- Pilze zur Infektion kommen, welches zu einem Absterben der jungen Pflanze führen kann. In den wachstumsstarken Zeiten, in der Assimilate und Wasser durch die Leitbahnen transportiert wird, kann sich das Fusarium-Myzel schnell ausbreiten. Zu Beginn sind am Stängel braun-schwarze Verfärbungen zu beobachten. Das Myzel dringt bis zur Epidermis hervor, wo es das Sporenlager anlegt. Erhöht sich die Befallsstärke weiter, werden die Strukturen weiter desstabilisiert, was zu einer Verringerung der Standfestigkeit führt (Abb. 6). Außerdem wird die Pflanze zu einer Notreife angeregt, dies führt dazu, dass weniger Körner am Kolben angelegt werden. (HURLE et al. 2005, HÜSGEN und LÖCHER-BOLZ, 2013). Abb. 6: Symptome der Stängelfäule an der Maispflanze. Links: Durch Fusarium spp. verursachter lagernder Mais. Mitte: Sichtbares Myzel und Weißfärbung am Stängel. Rechts: Mittels Querschnitt im Stängel sichtbares rötlich verfärbtes Mark (DORN et al., 2008) 2.4 Mykotoxine Mykotoxine sind Stoffwechselprodukte der Schimmelpilze. Ein Verzehr von stark belasteten Nahrungs- oder Futtermitteln führt zu gesundheitlichen Schädigungen. Außerdem erleidet die Landwirtschaft einen wirtschaftlichen Schaden durch belastete Erntemengen durch Mykotoxine. In den Jahren 1998 und 2000 wurde in 9

16 2. Literaturübersicht den USA ein Schaden in Höhe von 2,7 Mrd. US$ durch Ährenfusariosen bei Weizen und Gerste festgestellt (NGANJE et al., 2004). Es gibt verschiedene Wege, wie die Mykotoxine in den Lebensmittelkreislauf gelangen. Von der Primärkontamination spricht man, wenn Lebensmittelrohstoffe von Fusariosen befallen sind. Man unterscheidet zwischen den Feld -Pilzen, welche während der Vegetationsperiode das Getreide mit Mykotoxinen versuchen und den Lager -Pilzen, die durch unsachgemäße Lagerung entstehen. Einen andereren Weg, auf dem Mykotoxine in unsere Nahrungsmittel gelangen, beschreibt die Sekundärkontamination, bei der verdorbene Nahrungsmittel von einem Organismus aufgenommen werden. Bei einer weiteren Kontamination spricht man vom carry-over. Dabei wird kontaminiertes Futtermittel von Masttieren aufgenommen. Nach der Schlachtung dieses Tieres, lässt sich im Muskelgewebe eingelagerte Mykotoxine nachweisen (BARTELES und RODEMANN, 2003). Es gibt weltweit fünf wirtschaftlich bedeutende Mykotoxine: Aflatoxin B1, Ochratoxin A, 4-Deoxynivalenol (DON), Zearalenon (ZEA) und Fumonisin B1 (FB1), wobei die letzten drei genannten Mykotoxine von unseren Fusarien-Pilzen produziert werden (KRSKA at al., 2001) Grenzwerte und Schadwirkung Der Mensch und die Nutztiere werden durch die Mykotoxine tiefgreifenden gesundheitlichen Auswirkungen ausgesetzt. Sie schädigen das Erbgut, die Leibesfrucht, die Organe und werden als allergen sowie kanzerogen eingestuft. Hautschäden können durch eine Berührung der Mykotoxine entstehen und beeinflussen enzymatische Stoffwechselprobleme. Bei unseren Nutztieren treten vergleichbare Schädigungen auf, die zu einer geringeren Leistung führen (STRÖHLEIN, 2005). Doch ist nicht nur das Futter ein Träger der Toxine. In Jahren, in denen ein erhöhter Fusarium-Befall auf den Flächen stattgefunden hat, war auch das Stroh stark belastet durch Mykotoxine. Dieses Stroh, als Einstreu für Ferkel und Geflügel verwendet, führte zu höheren Sterberaten in der Aufzucht. Bei der Umstellung der Sauenhaltungsform auf Stroh in der Schweiz, wurden massive Fruchtbarkeitsstörungen bei den Sauen beobachtet (HECKER et al., 2004). 10

17 2. Literaturübersicht Bei den Wiederkäuern wird das Stoffwechselprodukt (DON) der Fusarien unter anaeroben Bedingungen durch Bakterien im Verdauungstrakt zum nichttoxischen DOM-1, einem Abbauprodukt (De-Epoxid) des DON, mikrobiell umgewandelt und entgiftet (LISKE, 2002). Mittels einer Mykotoxin-Höchstmengenverordnung (EG 856/2005) wurden 2006 im gesamten europäischen Raum Grenzwerte erhoben, welche die maximale Belastung von Fusarium-Toxinen (Deoxynivalenol, Zearalenon und Fumonisine) in Rohnahrungsmitteln regelt. In der Tabelle 2 werden alle Grenzwerte für die Höchstmengen der Toxine in Lebensmitteln dargestellt. Tab. 2: Höchstgehalte für Deoxynivalenol (DON) und Zearalenon (ZEA) in Lebensmitteln (verändert nach SCHLÜTER und KROPF, 2010) Lebensmittel DON μg/kg ZEA μg/kg Unverarbeitetes Getreide außer Hartweizen, Hafer und Mais Unverarbeitetes Getreide außer Mais Hartweizen, Hafer 1750 Unverarbeiteter Mais Getreidemehle zum menschlichen Verzehr, Kleie und Keime Teigwaren Maismehl, Maisschrot, Maisgrits, Maiskeime, Maisöl, direkt zum Verzehr bestimmter Mais Brot, Gebäck, feine Backwaren, Getreidesnacks, Frühstückszerealien Snacks und Frühstückszerealien aus Mais Getreidebeikost und andere Beikost für Säuglinge und Kleinkinder dito, und aus Mais Außerdem beinhaltet die Verordnung eine tägliche tolerierbare Höchstmenge für die Aufnahme von 1 μg/kg DON und 0,2 μg/kg ZEA je Kilogramm Körpergewicht. Anhand der Darstellung nach KAPPENSTEIN (2007) (Abb. 7) nehmen die Menschen in einem Alter zwischen 4 und 10 Jahren mehr DON μg/kg auf, als die nach der Verordnung geforderte Höchstmenge. 11

18 2. Literaturübersicht Abb. 7: Aufnahmemenge von DON durch den Deutschen Verbraucher in μg/kg pro Tag (KAPPENSTEIN, 2007) Die Höchstmengen für unverarbeitete bzw. verarbeitete Lebensmittel gelten aber nicht für die Futtermittelherstellung. Bei der Herstellung von Futtermitteln wird lediglich darauf geachtet, dass die unterschiedlichen Sensitivitäten unserer Nutztierarten auf die vorhandene Mykotoxinbelastung angepasst werden. Wie in der Tabelle 3 zu sehen ist, sind die Richtwerte für die Verfütterung von Futtermitteln bei der Schweinehaltung wesentlich geringer eingestuft. Das liegt daran, dass Wiederkäuer durch ihre anaerobe Verdauung einen Teil des DON zum nichttoxischen DOM-1 umwandeln und somit höhere Mengen des Mykotoxins aufnehmen können gegenüber Monogastriern (LISKE 2002). 12

19 2. Literaturübersicht Tab. 3: Richtwerte für die Fusarium-Toxine DON und ZEA in zur Verfütterung an Tiere bestimmten Erzeugnissen (verändert nach NN, 2006) Zur Fütterung bestimmter Erzeugnisse Futtermittelausgangserzeugnisse DON μg/kg ZEA μg/kg Getreide & Getreideerzeugnisse außer Maisnebenprodukte Maisnebenprodukte Ergänzungs- und Alleinfuttermittel Schweine Ferkel und Jungsauen 100 Sauen und Mastschweine 250 Kälber (< 4 Monate), Lämmer und Ziegenlämmer Um die Daten aus den Tabellen 2 und 3 greifbarer zu machen, muss man die Kommastelle der Zahlen ein wenig verschieben, da die Mykotoxingehalte sich im Milligramm pro Kilogramm (mg/kg) bis Mikrogramm pro Kilogramm (μg/kg) bewegen. In einem Weizensack mit einem Gewicht von 50 kg entspricht ein einziges Weizenkorn 1 mg/kg. Bei einem Gehalt von 1 μg/kg entspricht dies einem Weizenkorn in der Ladung von zwei beladenen Güterwaggons (50 t). 2.5 Strategien zur Vermeidung von Mykotoxinen Wie schon bekannt ist, stellen Temperaturen von mehr als 18 C und Niederschläge von 3 5 mm beste Bedingungen dar, um die Mais- oder Weizenpflanzen mit Fusariosen zu infizieren (BARTELS und RODEMANN, 2003). Da der Landwirt nicht in der Lage ist, in das Witterungsgeschehen einzugreifen, kommen anbau- und erntetechnische, pflanzenbauliche sowie konservierendeund lagerungstechnische Maßnahmen zum Einsatz, um das Risiko der Kontamination so gering wie möglich zu halten. Auch die standorttypischen Faktoren und die situationsbedingten Verhältnisse müssen beleuchtet und aufeinander abgestimmt werden, um eine Verkettung von ungünstigen Bedingungen, die zufällig entstanden sein können, zu vermeiden. Die folgenden Maßnahmen sind wesentliche Möglichkeiten im Anbau von Weizen und Mais, um den Ertrag und die Qualität entscheidend beeinflussen zu können. 13

20 2. Literaturübersicht Fruchtfolge und Vorfrucht Der Befall von unseren Kulturen durch Fusariosen sowie die Befallsstärke sind vom Standort und der Witterung zum Zeitpunkt der Blüte abhängig (BARTELS und RODEMANN, 2003; MASTEL, 2003). Langjährige Untersuchungen in Deutschland zeigen, dass die Wahl der Vorfrucht Mais in Verbindung mit einer nicht wendenden Bodenbearbeitung ein erhöhtes Infektionsrisiko durch Fusariosen darstellen und zu den höchsten DON-Gehalten beim Weizen führen (OBST et al., 1990), da beispielsweise der bedeutende DON- Produzent F. graminearum in der Lage ist, sowohl Weizen als auch Mais zu infizieren (DUBEN und FEHRMANN, 1979; DORN et al., 2009). Der Unterschied zwischen Körnermais und Silomais ist in dieser Problematik deutlich, denn die Körnermaisernte beginnt im Jahr wesentlich später, somit hat der Pilz deutlich mehr Zeit sich zu etablieren. Zusätzlich verbleibt wesentlich mehr an organischer Substanz auf dem Acker zurück, welche als primäre Quelle des Inokulums dienen. Vorfrüchte, wie Zuckerrüben und Kartoffeln führen hingegen nicht zu erhöhten DON-Gehalten (LEPSCHY VON GEISSENTHAL 1992; WEGNER und WOLF, 1995). Des Weiteren dauert die organische Umsetzung der verholzten Maisstoppeln wesentlich länger als bei anderen Kulturen und stellt somit ein größeres Inokulumpotential dar (SCHLÜTER und KROPF, 2010). Abb. 8: DON Maximal- und Mittelwerte sowie die Anzahl positiver DON Werte von Weizen in den Jahren in der Abhängigkeit der Vorfrucht. * Getreide außer Weizen (NN, 2014) 14

21 2. Literaturübersicht Werden Weizen und Mais in einer zu engen Fruchtfolge angebaut oder sogar in Monokultur verwendet, werden erhöhte Werte von Mykotoxinen nachgewiesen und die Fusarium-Problematik steigt immer weiter an (MUNKVOLD, 2003). In der Abbildung 7 wird ersichtlich, wie hoch die DON-Konzentration beim Weizen, in Abhängigkeit der verschiedenen Vorfrüchte, variiert. Durch eine auf die Bedingung abgestimmte Bodenbearbeitung kann jedoch das Risiko minimiert werden (BARTELS und RODEMANN, 2003) Bodenbearbeitung Tatsache ist, dass desto mehr organische Substanz von der Vorfrucht auf der Oberfläche des Feldes verbleibt, desto höher die Infektionsgefahr für die Folgefrucht ist. Daher geht man davon aus, dass eine wendende Bodenbearbeitung das Risiko einer Infektion im Vergleich zur konservierenden Bodenbearbeitung minimiert (WEINERT et al., 2008) und folglich zur Minderung der DON-Belastung führt (Abb. 7 und Abb. 8). Aus diesem Grund ist eine saubere Pflugfurche positiv zu betrachten. Sie vergräbt die zurückgebliebenen Stoppelreste und schützt so durch die lokale Barriere die Folgefrucht (BARTELS und RODEMANN, 2003; MUNKVOLD, 2003; BEYER et al., 2006). Es besteht dabei jedoch die Gefahr, dass im nächsten Jahr nicht verottetes organisches Material wieder an die Oberfläche gefördert wird, welches noch immer eine Infektionsgefahr für die Folgefrucht darstellt. Um eine schnellere Umsetzung der Ernterückstände zu gewährleisten und damit die Nahrungsgrundlage der Fusariosen zu entziehen, ist darauf zu achten, dass die Pflanzenreste gleichmäßig verteilt werden und das Stroh möglichst klein gehäckselt wird. Daher sollte die Verwendung von Direktsaaten bei einer engen Getreidefruchtfolge mit Mais, vermieden werden (BARTELS und RODEMANN, 2003). Aus einer Studie von BIRR (2013) in Schleswig-Holstein wird deutlich, dass diejenigen Standorte einen höheren DON-Gehalt aufweisen, welche pfluglos bestellt worden sind. Sowohl in Cacilienkoog als auch in Dreisdorf wurde der DON-Grenzwert überstiegen (Abb. 8). 15

22 2. Literaturübersicht Abb. 9: DON-Gehalte (μg/kg) im Silomais der Sorten Lorado, P 8000, Torres und LG an den zehn Mais-Monitoring-Standorten in Schleswig-Holstein FF = Fruchtfolge, M = Maismonokultur, P = Pflugsaat, PL = pfluglose Bodenbearbeitung. Daten sind MW (n = 4), multipler Kontrasttest (p 0,05) (BIRR, 2013) Auch die Auswertungen der Proben des Ministerium für ländliche Entwicklung, Umwelt und Landwirtschaft des Landes Brandenburg zeigen einen deutlichen Anstieg der DON-Gehalte in der Weizenkultur mit der Vorfrucht Mais bei einer konservierenden Bodenbearbeitung in den Jahren , wie in der Abbildung 9 zu erkennen ist. Bei der konservierenden Bodenbearbeitung erhöhte sich die Anzahl der positiven Weizenproben mit DON-Gehalten über dem EU- Grenzwert von 40,2 auf 64,8 %. Dabei veränderte sich der Median der Weizenproben von 50 μ/kg DON auf gepflügten Flächen auf 125 μ/kg DON bei Flächen mit pflugloser Bestellung (NN, 2014). 16

23 2. Literaturübersicht Abb. 10: DON Maximal- und Mittelwerte sowie der Prozentsatz DON positiver Weizenproben und Proben über dem EU- Grenzwert in Abhängigkeit der Bodenbearbeitung in den Jahren (NN, 2014) Sortenwahl Durch die vermehrte Verwendung von ertragreichen Kurzstrohsorten bei unserer Kulturart Weizen, wie z.b. Haven, Hanseat, Ritmo, Marco, steigt der Infektionsdruck durch Fusariosen. Denn die Ascosporen des Fusarium-Pilzes können aufgrund der Höhe leichter Kurzstrohsorten als Langstrohsorten erreichen. Diese haben eine größer räumliche Entfernung zu den Sporen und werden deswegen nicht so schnell infiziert. Bei einer Untersuchung von zwei Weizensorten konnte unter gleichen Bedingungen festgestellt werden, dass die Sorte Dekan um 75 % weniger DON-Gehalt aufwies, als die Weizensorte Ritmo (BEYER et al. 2006). Daher ist die Züchtung von toleranzfähigen Sorten eine wichtige Maßnahme um das Befallsrisiko und die Qualität unserer Kulturen zu sichern. Wie aus der Studie von BIRR (2013) in der Abbildung 8 ersichtlich wird, besteht die Möglichkeit der Verwendung von toleranteren Maissorten, welche die DON-Gehalte reduzieren können. Es wird deutlich, dass die Maissorte Lorado die anfälligste Sorte in seinem Versuch war. Resistente Sorten gegenüber Fusariosen in Mais gibt es zurzeit nicht. Bisher gibt es nur den sogenannten Bt-Mais, welcher einen insektiziden Stoff in der Pflanze produziert, der gegen den Maiszünsler wirkt. Da sich damit die Fraßverletzungen 17

24 2. Literaturübersicht am Mais reduzieren, verringert sich die Gefahr, dass die Pflanze durch diese Eintrittspforten des Fusarium-Pilzes infiziert werden (SCHORLING, 2005) Fungizideinsatz Die Verwendung von Fungiziden ist eine wesentliche Hilfe bezüglich des integrierten Pflanzenschutzes und dient hauptsächlich der Vorsorge in der Bekämpfung von Fusariosen. Besteht jedoch ein erhöhtes Infektionsriskio durch befallsfördernde Witterungsbedingungen oder wie zuvor dargestellt, durch eine ungünstige Vorfrucht, eine nicht entsprechende Bodenbearbeitung und die Wahl einer anfälligen Sorte, müssen Fungizide zur Ährenbehandlung eingesetzt werden. Im Getreideanbau sind in Deutschland zahlreiche Fungizide gegen Ährenfusarium zugelassen. Beim Anbau von Mais sind bisher ausschließlich Beizmittel zugelassen worden, die einen samenbürtigen Fusarium-Befall bekämpfen. Die Höhe der Effizienz der Bekämpfung der partiellen Taubährigkeit wird begrenzt durch einen ungünstigen Applikationstermin. Der optimale Zeitpunkt für eine Fungizidmaßnahme stellt die Zeit während der Weizenblüte dar. Zu dieser Zeit kann die bestmögliche Wirkung erreicht werden. Wird aber der exakte Termin der Blüte verpasst, nimmt die Wirkung immer weiter ab (BARTELS und RODEMANN, 2003). Am wirksamsten ist die Behandlung mit Azol-Fungiziden. Sie reduzieren nicht nur die Befallsintensität, sondern verringern gleichzeitig den Mykotoxingehalt (SCARPINO et al., 2014). Die Azol-Fungizide umfassen unter anderem die Wirkstoffgruppen der Triazole, Imidazole und der Triazolinthione, welche die Biosynthese der Ergesterole hemmen. Sie zählen zu den wirksamsten Stoffgruppen um eine Infektion mit Fusariosen zu hemmen (PAUL et al., 2008). Bei einem Versuch von FORRER et al. (1999) hat man 3 unterschiedliche fusariumanfällige Winterweizensorten (Terza (mittel), Runal (mittel) und Arina (gering)) mit den Azol-Fungiziden Horizont, Sirocco und Opus-Top 6 Tage vor der künstlichen Infektion der Pflanze appliziert. Die Wirkung der Azol-Fungizide war sehr schwach oder reduzierte den Fusarium-Befall erst gar nicht. Bei der Verwendung des Strobilurinfungizid Amistar wurde bei den Winterweizensorten Runal und Terza ein signifikanter höherer F. culmorum-befall nachgewiesen. Auch OBST et al. (1997) erläuterten in einem Versuch, dass bei der Verwendung von Strobilurinfungiziden der optische Fusarium-Befall reduziert wurde, jedoch der 18

25 2. Literaturübersicht Toxingehalt sich nicht verändert hat. FORRER et al. (1999) beobachteten zusätzlich, dass in über 1/3 der Fälle,sich die DON-Belastungen nach dem Strobilurineinsatz erhöht hatten. Warum sich der DON-Gehalt und der Fusarium- Befall erhöhen können, wird auf den Greening -Effekt der Strobilurine zurück geführt. Denn das Absterben der Halme und Blätter wird durch die Applikation von Strobilurine, hinausgezögert. So kann das Stroh bis zur Ernte nicht abreifen. Strobilurine werden in der heutigen Zeit aber nicht mehr für die Fusarium- Bekämpfung verwendet Bei einem Auflaufversuch von Mais mit den Fungizidbeizen Maxim XL und Maxim Quattro wurde von WIESE (2014) untersucht, wie sich das Auflaufverhalten nach 28 Tagen im Gegensatz zur unbehandelten Kontrolle verhält. Dabei wurden die aufgelaufenen Pflanzen je Quadratmeter gezählt. Nach Ablauf von 28 Tagen stellte sich ein signifikanter Vorteil für die gebeizten Varianten gegenüber der unbehandelten Kontrolle dar. Die Versuchsparzellen mit Maxim Quattro erreichten eine Bestandesdichte von 9,9 Pflanzen je Quadratmeter bei einer Aussaat von 10 Körnern/m 2. Bei der Variante mit der Beize Maxim Quattro lag das Auflaufverhalten etwas geringer mit 8,8 Pflanzen je m 2. Auf den unbehandelten Parzellen konnten Bestandesdichten von nur 4,5 Pflanzen m 2 festgestellt werden. Dieses geringe Auflaufverhalten kann jedoch auch durch andere Schaderreger verursacht werden Fusarium-Befall in Abhängigkeit abiotische Faktoren Verfahren, die zu einer Verbesserung der Widerstandskraft der Pflanze gegenüber Schaderregern beitragen, haben zu Folge, dass der Bestand effektiver gegen einen Befall von Fusariosen geschützt ist und somit den Mykotoxingehalt minimieren. Somit beeinflusst der Ernährungszustand der Pflanzen die Anfälligkeit von Krankheiten und Schaderregern (OLENDENBURG et al., 2007). Durch zu hohe Stickstoffgaben und ausreichend Wasser wird die Krankheitsanfälligkeit gesteigert aber gleichzeitig auch die Standfestigkeit verschlechtert. Eine der Kultur entsprechende Stickstoffversorgung und Kalidüngung verbessert die Gesundheit des Bestandes. Somit ist es der Pflanze möglich, keimhemmende oder keimtötende Substanzen zu bilden, welche die Widerstandskraft steigern (KLINGENHAGEN und FRAHM, 2001). 19

26 2. Literaturübersicht In den neuen Bundesländern sind die Agrarstrukturen wesentlich größer. Die Flächengrößen können zwischen 5 und 150 ha liegen. Die Flächen beinhalten zum großen Teil Senken und Kuppen mit einer Vielzahl von Söllen. Auf solchen großen Flächen kann man während der gesamten Vegetationsperiode unterschiedliche BBCH-Stadien bonitieren. Dies führt zu unterschiedlichen Biomassen, Pflanzenhöhen und Pflanzendichten, was ausschlaggebend für den Ertrag ist. Außerdem beginnt die Blüte und somit das Abreifen an verschiedenen Punkten des Feldes unterschiedlich. Weiter stellt sich die Lagerneigung des Getreides innerhalb des Feldes unterschiedlich dar, was dazu führt, dass man in bestimmten Bereichen ein stärkeren Befall mit Fusariosen beobachten kann (DELIN 2004, NORNG et al., 2005). Die genannten Auswirkungen entstehen durch die Unterschiede in der Beschaffenheit des Bodens, des Wasserhaltevermögens und der Wasserversorgung durch das Grundwasser. In den Senken kann man vor der Ernte erkennen, dass diese Bereiche noch deutlich grüner sind als andere Flächenteile des Feldes. In den Senken fließt das oberflächliche Wasser hinab, zudem wird das Wasser durch den meist lehmigmoorigen Boden gespeichert, welches zur Folge hat, dass die Luftfeuchtigkeit in diesem Teil des Bestands deutlich höher ist als auf den Kuppen. Somit besteht die Gefahr, dass in diesem lokalen Gebiet ein verstärkter Befall mit Fusarium spp. erwartet werden kann, was durch höhere Mykotoxinwerte im Erntegut nachzuweisen ist. 20

27 3. Relevanz in der landwirtschaftlichen Praxis 3. Relevanz in der landwirtschaftlichen Praxis In diesem Kapitel werden anhand verschiedener Monitoring-Studien, dem Einfluss der Niederschlagereignisse zum Zeitpunkt der Blüte, der Aspekte der Probenentnahme und der Nutzung von kontaminierten Getreide die Problematik des Fusarium-Befalls in der landwirtschaftlichen Praxis beleuchtet sowie die züchterische Entwicklung von resistenten Sorten betrachtet. 3.1 Fusarium-Monitoring in Mecklenburg-Vorpommern Seit 1997 führt das Landesamt für Landwirtschaft, Lebensmittelsicherheit und Fischerei Mecklenburg-Vorpommern jedes Jahr ein Monitoring von Fusarium- Pilzen und deren Mykotoxinen bei verschiedenen Getreidearten durch. Dabei wurde mit Hilfe von ELISA (Enzyme Linked Immunosorbent Assay) und HPLC (Hochleistungsflüssigkeitschromatographie) die Höhe des Toxinbefalls durch ZEA, DON und Fumonisine bestimmt. Anhand der Tabelle 4 wird ersichtlich, dass die Belastung von Mykotoxinen (DON und ZEA) im Erntegut mit 0,9 % der analysierten Proben sehr gering ausfällt. Es lagen nur ca. 5 Proben oberhalb der von der EU eingeführten Mykotoxin-Höchstmengenverordnung. Des Weiteren wird durch diese Untersuchung deutlich, dass die höchsten DON-Gehalte im Weizen analysiert wurden, da Weizen als besonders anfällig gegenüber Fusarium-Pilzen gilt (MASTEL und MICHELS, 2000). Steht der Weizen auch noch nach Mais (Vorfrucht Mais 5,5% in MV, (NN, 2013) kann man noch höhere Toxinwerte bei den Messungen erwarten. In der Regel wird Weizen aber nach der Vorfrucht Raps angebaut (Vorfrucht Raps 62,5% in MV, (NN, 2013)), bei dieser Vorfrucht ist meist eine geringere Höhe an DON zu messen (NN, 2014). Auch das Fusarium- Monitoring in Mecklenburg-Vorpommern hat gezeigt, dass das Fusarium-Risiko bei einer pfluglosen Bestellung von Weizen nach der Vorfrucht Mais steigt. Jedoch haben auch die verwendeten Weizensorten zu unterschiedlichen Mykotoxinbelastungen geführt (NN, 2005). 21

28 3. Relevanz in der landwirtschaftlichen Praxis Tab. 4: Mykotoxingehalte in Getreide aus MV Anteil Proben mit Höchstmengenüberschreitungen (μg/kg) (verändert nach NN, 2005) Getreidearten Anzahl Proben Proben mit DON-Gehalt > 1,25 ppm Proben mit ZEA-Gehalt > 1,25 ppm % MAX % MAX Winterweizen 401 0, ,8 236 Winterroggen 72 2, ,8 235 Wintergerste Triticale Dinkel Hafer Sommerweizen Sommergerste Gesamt 573 0, , Fusarium-Monitoring in Brandenburg Im Dezember 2001 wurde im Bundesland Brandenburg eine Arbeitsgruppe des Ministeriums für Ländliche Entwicklung, Umwelt und Verbraucherschutz und anderer Einrichtungen gegründet, um die Problematik der Mykotoxine im Land Brandenburg zu erfassen und zu bewerten. Man wollte mit Hilfe dieser Untersuchungen die Risiken für Lebens- und Futtermittel besser einschätzen. Dabei stellt sich heraus, dass man noch wissenschaftlichen Nachholbedarf bei der Untersuchung von erzeugtem Getreide in Brandenburg hat. Um eine detaillierte und aussagekräftige Aussage tätigen zu können, wurde ein Untersuchungsprogramm initialisiert, bei dem die Brandenburger Landwirte auf freiwilliger Basis teilnehmen konnten. Daraus entstand eine Datenbank mit Weizenproben und anderen Getreidesorten in dem Zeitraum , in der alle Mykotoxinwerte nach Jahren und Landkreisen in Brandenburg erfasst wurden. Die Verteilung und der Umfang der Proben, bei denen hauptsächlich die DON- Bewertung beim Weizen den größten Anteil der Analysen ausmachte, variierte von Jahr zu Jahr. Folgende Monitoring-Untersuchungen wurden angewendet: 22

29 3. Relevanz in der landwirtschaftlichen Praxis das Vorerntemonitoring der Landes-Arbeitsgruppe (LAG) Mykotoxine mit Analysen von Winterweizen und Triticale in den Jahren reguläre Ernteuntersuchungen des Landes Brandenburg mit Analysen von Winterweizen und Winterroggen aus konventionellen und ökologischen Anbau in den Jahren Monitoring-Untersuchungen von Proben der Kontrollschläge des Pflanzenschutzdienstes des LELF mit Analysen von Winterweizen und Triticale in den Jahren BEE-Untersuchungen der bundesweit durchgeführten Besonderen Ernteermittlung (BEE) von Kontrollschlägen bei Weizen, durch die LAG nutzbar seit 2011 Durch das Vorerntemonitoring ist es dem Landwirt möglich, vor der Ernte wesentliche Entscheidungen zu treffen. Somit hat der Landwirt die Möglichkeit, Einstellungen am Mähdrescher durchzuführen, die eine Abscheidung von Kümmerkörnern verbessert oder die separate Ernte von Flächenteilen (Lager) in den ein erhöhter DON-Gehalt vermutet wird, durchzuführen. Das Hauptanbaugebiet für Winterweizen im Land Brandenburg befindet sich im Landkreis Uckermark. Aus der Tabelle 5 wird deutlich, dass in diesem Landkreis Proben analysiert wurden. Des Weiteren zeigt sie, dass im Landkreis Uckermark (UM) im Vergleich zu den anderen Landkreisen in Brandenburg die meisten Grenzwertüberschreitungen mit 12,4 % Proben oberhalb des gesetzlichen Grenzwertes detektiert werden konnten. Auch der Landkreis Märkisch-Oderland (MOL) weißt relativ viele Proben (8,9 %) auf, die den gesetzlichen Grenzwert von DON übersteigen. Allerdings wird aus dieser Studie (Tab. 5) nicht deutlich, in welchen Jahren es innerhalb des Untersuchungszeitraumes zu einer Grenzwertüberschreitung für DON in den einzelnen Weizenproben kam. 23

30 3. Relevanz in der landwirtschaftlichen Praxis Tab. 5: Landkreis Anzahl der in den einzelnen Landkreisen auf DON untersuchten Weizenproben, deren Minimum-, Maximum- und Mittelwerte sowie die Anzahl der Proben mit einem DON-Gehalt über dem gesetzlich geregelten Grenzwert von μg/kg in den Jahren (verändert nach NN, 2014) Anzahl aller Proben Anzahl der DON- Proben oberhalb der Bestimmungsgrenze DON Min 1 -Max μg/kg DON Mittelwert μg/kg Anzahl der Proben oberhalb des gesetzlichen Grenzwertes BAR ,3 2 (3,3%) EE ,6 2 (3,2%) HVL ,4 6 (4,2%) LDS ,0 2 (6,2%) LOS ,7 10 (9,6%) UM ,4 249 (12,4%) MOL ,8 35 (8,9%) SPN ,9 3 (5,9%) PR ,0 2 (3,0%) PM ,6 2 (2,5%) OSL ,5 1 (2,7%) OPR ,5 7 (8,6%) OHV ,3 1 (4,2%) TF ,4 1 (1,5%) Andere ,1 1 (6,2%) BAR = Barnim; EE = Elbe-Elster; HVL = Havelland; LDS = Landkreis Dahme-Spreewald; LOS = Landkreis Ober-Spree; UM = Uckermark; MOL = Märkisch-Oberland; SPN = Spree-Neiße; PR = Prignitz; PM = Potsdam-Mittelmark; OSL = Oberspreewald-lausitz; OPR = Ostprignitz-Ruppin; OHV = Oberhavel; TF = Teltow-Fläming 1 - Der Minimum-Wert von 50 μg/kg entspricht der Bestimmungsgrenze und damit einer nicht nachweisbaren DON Konzentration Außerdem stammten die meisten Proben zur Ermittlung der DON-Gehalte von Flächen, die ein erhöhtes Risiko aufweisen, von Fusariosen zu infiziert werden. Unter gefährdeten Flächen wurde verstanden: Vorfrucht Mais, pfluglos oder gepflügt und Vorfrucht Weizen oder Triticale pfluglos oder gepflügt bzw. für Fusarium spp. anfällige Sorten. 24

31 3. Relevanz in der landwirtschaftlichen Praxis 3.3 Niederschlag zur Zeit der Blüte Der Zeitpunkt der Weizenblüte liegt Erfahrungsgemäß in der Region Mecklenburg- Vorpommern im Juni. In speziellen Jahren kann sie auch schon Ende Mai beginnen, aber dies trifft sehr selten zu. Da zu dieser Zeit die Ähre durch die Fusarium-Sporen infiziert werden kann, sind speziell die Witterungsverhältnisse zu diesem Zeitpunkt von besonderer Bedeutung, da durch die Witterung maßgeblich die weitere Ausdehnung des Pilzes beeinflusst wird. Wie man auf der linken Karte der Abbildung 9 sehen kann, fallen die Niederschläge in den Neuen Bundesländern gegenüber der restlichen Bundesrepublik wesentlich geringer aus. Speziell im südlichen Teil der Bundesrepublik regnet es zum Zeitpunkt der Blüte deutlich mehr, als in anderen Teilen Deutschlands. Der westliche Teil Deutschlands liegt zwar unterhalb der Menge an Niederschlägen aus dem Süden, doch noch immer höher als in der Region der Neuen Bundesländer. Abb. 11: Mittlerer Niederschlag [mm] (links) und mittlere Temperatur im Juni [Grad C] (rechts) im Mittel (MÜHR, 2004) Die klimatischen Bedingungen der unterschiedlichen Fusarium-Arten differieren ein wenig. Die optimalen Wachstumsbedingungen für F. graminearum liegt zum Beispiel zwischen 15 und 25 C und Luftfeuchtigkeiten von 96 bis 99 % (MAGAN, 2006). Die anderen Fusarium-Gattungen haben ähnliche 25

32 3. Relevanz in der landwirtschaftlichen Praxis Wachstumsbedingungen. Einige Fusarium-Arten (F. poae, F. culmorum) können sich besser in kühleren, maritim geprägten Regionen ausbreiten und einige andere haben einen höheren Temperaturanspruch wie F. graminearum, der verstärkt das Mykotoxin DON produziert (PARRY et al., 1995; MILLER et al., 1995; MAGAN, 2006). Somit kann man durch die Abbildung 9 erkennen, in welchen Regionen sich bestimmte Fusarium-Arten etabliert haben oder ein Risiko eines Fusarium-Befalls eher gering zu bewerten ist, bzw. geringe Mykotoxinwerte im Erntegut nachzuweisen sind. Bei der Gegenüberstellung der Daten des Fusarium-Monitoring aus Brandenburg (Tab. 5) mit den Grafiken aus der Abbildung 9 ist ein Zusammenhang ersichtlich. Durch die hohen Temperaturen ist eine Infizierung mit der Fusarium-Art F. graminearum in der Kultur Winterweizen in den Bundesländern Sachsen, Sachsen-Anhalt und Brandenburg wahrscheinlicher. Im Bundesland Mecklenburg- Vorpommern sind die Temperaturen aufgrund der Nähe zur Ostsee kühler, dadurch ist eine tiefgreifende Infizierung weniger wahrscheinlich. In den Küstenregionen Mecklenburg-Vorpommerns kann durch stärkere Taubildung aufgrund der Nähe zur Ostsee ausreichend Feuchtigkeit für eine Infizierung der Weizenblüte mit F. poae und F. culmorum zur Verfügung stehen, auch wenn nicht genügend Niederschlag gefallen ist. Beide Fusarium-Arten produzieren nur wenig DON. Nur ca. 0,8% der Proben aus dem Mykotoxin-Monitoring aus Mecklenburg- Vorpommern wiesen eine Höchstmengenüberschreitung von DON aus (Tab. 4). 26

33 3. Relevanz in der landwirtschaftlichen Praxis Abb. 12: Mittlerer Niederschlag [mm] (links) und mittlere Temperatur im August [Grad C] (rechts) im Mittel (MÜHR, 2004) Die Ausbildung der Narbenfäden des Maiskolbens und die männliche Blüte beginnen erfahrungsgemäß zwischen den Monaten Juli und August. Dabei ist der August in unserem Klimabereich der wärmste Monat im Jahr. In Mecklenburg- Vorpommern liegt die durchschnittliche Temperatur bei ca C. In Richtung Erzgebirge steigt die durchschnittliche Temperatur im August leicht an. Im Zentralen Mecklenburg-Vorpommern und im Norden von Brandenburg liegen die Niederschläge im August zwischen 40 und 60 mm (Abb. 10). Wenn die Narbenfäden der Maiskolben voll ausgebildet sind, kann der Fusarium-Pilz über die Narbenfäden in die Pflanze eindringen. Beginnt die männliche Blüte, fallen die Maispollen in die Blattachseln, wo der Pilz optimale Bedingungen zur Infizierung vorfindet. Ist aber nicht ausreichend Niederschlag bzw. Feuchtigkeit zur Verfügung, kommt es nicht zu einer Infizierung. Somit ist das Risiko einer Infizierung während der Blüte in dem besagten Regionen geringer einzuschätzen. Nur an der Küste Mecklenburg-Vorpommerns besteht eine Gefahr der Infektion über die Narbenfäden und den Blattachseln, durch starke Taubildung (RODEMANN und BARTELS, 2004). Zusätzliche Eintrittspforten entstehen durch einen Befall des Maiszünslers. Tritt ein verstärkter Befall von Maiszünsler auf, geht man damit auch von einem verstärkten Fusarium-Befall beim Mais aus 27

34 3. Relevanz in der landwirtschaftlichen Praxis (MUSA, 2011). Aufgrund der nicht immer optimalen Witterung für den Maiszünsler, ist die Gefahr des Einfluges des Schädlings, nicht immer gegeben. 3.4 QS Monitoring Report 2015 Die Qualität und Sicherheit GmbH (QS) wurde 2001 gegründet und dient der Lebensmittelsicherheit. Sie befasst sich mit der Produktionskette vom Landwirt bis zur Ladentheke. Das Ziel der Qualitätssicherung ist die lückenlose und konsequente Kontrolle sowie Prozess- und Herkunftssicherung. Bei dem Monitoring-Report wurden mehr als 2 Mio. Einzelanalysen ausgewertet. Im Vergleich zum Monitoring 2014 stellte man fest, dass die Zahl der Überschreitungen vor allem bei DON (+14) und ZEA (+9) gestiegen sind. Bei der Ermittlung der ZEA Belastung wurden Analysen ausgewertet, hier konnte in ca. 36 % der Proben ZEA nachgewiesen werden. Dabei zeigten 16 Futtermittelproben eine Überschreitung des EU-Grenzwerts und wurden aus dem Verkehr genommen. Bei der Bestimmung der DON-Belastung wurden Proben untersucht, hierbei wies ungefähr die Hälfte aller Proben eine Kontamination mit DON auf. Die Anzahl der kontaminierten Proben, welche den EU-Grenzwert von DON überschritten, lag bei 57 Futtermittelproben und Einzelerzeugnissen (NN, 2015). 3.5 Verband Deutscher Mühlen Die Mühlen erheben seit vielen Jahren im Rahmen des Europäischen Getreidemonitorings (EGM) freiwillig sowohl im Getreide als auch in den Mahlprodukten verschiedene Fusarien-/Mykotoxin-Werte. Für das vergangene Getreidewirtschaftsjahr 2014/15 beispielsweise wurden insgesamt allein über 900 Weizengetreide- bzw. -mehlproben auf eine Belastung mit Mykotoxine untersucht. Weder bei DON noch bei ZEA konnten auffällige Werte gemessen werden, die gesetzlichen Grenzwerte wurden nicht überschritten und in 66 % bzw. 97,4 % der untersuchten Proben konnten DON bzw. ZEA überhaupt nicht nachgewiesen werden. Für 2012/2013 kam es bei DON zu sieben Grenzwert-Überschreitungen und im Getreidewirtschaftsjahr 2013/2014 zu einer Überschreitung, untersucht wurde hier jeweils Getreide. Für ZEA lagen auch in diesen Jahren keine Grenzwertüberschreitungen vor. Zu beachten ist, dass die während der Mühlenreinigung des Getreides eventuelle Verunreinigungen gut entfernt bzw. 28

35 3. Relevanz in der landwirtschaftlichen Praxis stark vermindert werden können. Pauschal kann daher die Aussage gemacht werden, dass Mehl deutlich geringere DON/ZEA-Werte aufweist, als ungereinigtes Getreide. Auch dies belegen die EGM-Untersuchungen. Die in deutschen Mühlen verarbeiteten Getreide unterlaufen einer ständigen Qualitätskontrolle und werden bereits vor der Annahme untersucht, sodass ausschließlich sichere Mahlprodukte entstehen (WEHRMANN, 2016). 3.6 Aspekte der Probenentnahme durch den Landhandel Im Rahmen dieser Bachelorarbeit wurde die Hauptgenossenschaft Nord AG an dem Standort Neubrandenburg und die FUGEMA GmbH in Malchin befragt, welche Verfahren sie nutzen um Mykotoxine nachzuweisen und wie oft es in der Praxis vorkommt, dass Grenzwerte überschritten werden. Die HaGe Nord AG Neubrandenburg hat Kunden in der Region Mecklenburg- Vorpommern und Brandenburg. Bei der HaGe Nord AG wird auf Verdacht bei den Kunden in den Lägern beprobt. Dabei wird das Korn sensorisch und mit einem Schnelltest der Firma R-Biopharm AG analysiert. Abb. 13: Teststreifen von R-Biopharm (eigenes Bild, ) In besonderen Fällen werden die Proben nach Hamburg zur Firma Eurofins NDSC Food Testing Germany GmbH gesendet. Diese Analyse ist wesentlich genauer als der Schnelltest, der am Standort gemacht werden kann. Alle LKW, die Mais geladen haben, werden immer mit dem Schnelltest der Firma R-Biopharm AG analysiert. Insgesamt wurden in dem Jahr 2015, 26 Weizenproben und 6 Maisproben zur Firma Eurofins nach Hamburg geschickt. Bei den Analysen wurden keine Grenzwertüberschreitungen festgestellt. Im Jahr 2010 waren vier Proben im Auftrag der HaGe Nord AG mit Grenzwertüberschreitungen analysiert worden (RICHTER, 2016). 29

36 3. Relevanz in der landwirtschaftlichen Praxis Die FUGEMA GmbH in Malchin nutzt das System des Vorerntemonitoring. Ein geschulter Mitarbeiter untersucht den bestehenden Bestand auf Hinweise von Fusarium. Dieser kennt die Region und auch die Witterungsverhältnisse. Je nachdem, wie hoch das Risiko einer bestehenden Belastung von Mykotoxinen im Bestand ist, werden auch die angelieferten Partien untersucht. An der Waage auf dem Betriebsgelände in Malchin werden von jedem LKW, der Mais oder Weizen anliefert, Proben gezogen. Bei den Weizenproben kann optisch erkannt werden, ob die Körner mit Mykotoxinen belastet sind oder nicht. Eine sensorische Prüfung am Mais ist nicht möglich. Nur erfahrene Mitarbeiter erkennen, ob eine Weizenanlieferung mit Mykotoxinen belastet ist. Bei einer Maislieferung wird grundsätzlich ein Schnelltest durchgeführt. Auch die FUGEMA GmbH nutzt den Schnelltest der Firma R-Biopharm AG, um Mykotoxine nachzuweisen. Für diesen Schnelltest wird eine bestimmte Menge der Probe gemahlen und mit einer Lösung vermischt und dann filtriert. Danach wird die Filtration auf den Teststreifen gegeben. Dieser Teststreifen wird in einem Teststreifenlesegerät RIDA QUICK SCAN gesteckt, welcher dann die Menge an Mykotoxin auswirft, die in der Probe enthalten ist. Um genauere Werte zu ermitteln nutzt die Firma die Dienstleistungen der LUFA in Kiel. Im Jahr 2015 wurden insgesamt 80 Analysen von der LUFA in Kiel untersucht. Dabei wurden keine Grenzwertüberschreitungen nachgewiesen. Wenn es vorkommt, dass doch eine LKW-Ladung belastet ist, darf der LKW nicht abgeladen werden. Er wird dann wieder vom Hof geleitet. In solchen Fällen wird sich notiert, welcher LKW, welche Spedition und welcher Landwirt verantwortlich für diese Ladung sind. Dieser wird dann auf die schwarze Liste für Anlieferer gesetzt. So schützt man sich, dass die belastet Ladung nicht bei anderen Firmen abgeladen wird (ORLEMANN und HOFMANN, 2016). 3.7 Nutzung von kontaminierten Getreide Innerhalb eines ganzen Jahres fallen in Deutschland ca. 3,8 Mio. t kontaminiertes Getreide an (OECHSNER et al., 2008). Seit dem Beginn der EU- Höchstmengenverordnung von Mykotoxinen gilt ein Verschneidungsverbot. Das bedeutet, dass man nicht mehr kontaminiertes Getreide mit nicht-kontaminiertem vermischen darf. Eine ökologische und ökonomische Lösung um kontaminiertes Getreide zu verwerten muss daher gefunden werden, da eine Entsorgung durch 30

37 3. Relevanz in der landwirtschaftlichen Praxis eine Müllverbrennungsanlage 160 /t kostet und eine Genehmigung dafür benötigt wird. Da es in der Biogasbrunche eine hohe Nachfrage an Substraten gibt liegt die Möglichkeit nicht fern, kontaminiertes Getreide zu verwenden. Dabei muss darauf geachtet werden, wie sich die Mikroorganismen und Bakterien verhalten, wenn die Biogasanlage mit belastetem Getreide befüllt wird. Bei der anaeroben Fermentation von Weizen wurden keine Vermehrung von Fusarien unter thermophilen und mesophilen Bedingungen nachgewiesen (FRAUZ et al., 2006). Das Mykotoxin DON wurde während des Biogasprozesses abgebaut (OECHSNER et al., 2008) und war im Gärrest nicht mehr nachweisbar (WESOLOWSKI et al. 2008). Daher kann man sowohl in Flüssigkeitsfermentationsanlagen als auch im Feststofffermenter Getreide einsetzen, welches durch DON kontaminiert ist. Nach dem Gärprozess lässt sich das Mykotoxin nicht mehr im Substrat nachweisen. Des Weiteren werden die Fusarium-Sporen während der Fermentation im Fermenter nach ca. 12 Stunden abgetötet, unabhängig von der Verfahrenstechnik und der Temperatur (WESOLOWSKI et al., 2008). Die anaeroben Bedingungen lassen Sporen der Fusarium-Pilzen absterben (FRAUZ et al., 2006).4. Entwicklung für die Zukunft Die Forschergruppe FusResist arbeitet mit Prof. Dr. Thomas Miedaner von der Universität Hohenheim an neue Verfahren zur Züchtung pilzresistenter Weizensorten. Aber auch das Julius Kühn-Institut, das Leibnitz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzen sowie zahlreiche kanadische Universitäten arbeiten eng an dem Gemeinschaftsprojekt Genombasierte Analyse des Weizen/Fusarium-Pathosystems für die Erzeugung gesunder Lebens- und Futtermittel (FusResist). Dieses Projekt wird vom Bundesministerium für Forschung und Entwicklung mit einer Höhe von 1,6 Mio. gefördert. Bei dieser Forschung werden insgesamt Weizensorten auf ihre Resistenz gegen Fusarium spp. im Feldversuch analysiert und deren Genom untersucht. Mit Hilfe von DNS-Untersuchungen im Labor können erste Verbindungen von resistenten Weizensorten erkannt werden. Findet man dann eine Weizensorte, welche eine Resistenz aufweist, kann diese mittels Züchtung selektiert werden. Das Problem dabei ist, dass es ca. 30 verschiedene Kriterien zu erfüllen gibt, damit die Weizensorte sich in dem 31

38 3. Relevanz in der landwirtschaftlichen Praxis konkurrenzstarken Saatgutmarkt bewähren kann. Zu den Kriterien gehören: Kurzstrohigkeit, Backqualität, Dreschfähigkeit, Abreifedauer, Standfestigkeit oder natürlich der Ertrag. Es gibt auch noch eine Vielzahl andere Voraussetzungen, die eine etablierte Weizensorte erfüllen muss. Zur Anwendung kommt eine neue chipbasierte Technik, welche die Arbeit zur Entschlüsselung des Genoms vereinfacht. Die Wirkung des neu gefundenen Genoms wird dann auf Feldversuchen getestet. Befürchtet wird allerdings, dass der Fusarium-Pilz aggressiver wird, wenn man großflächig resistente Weizensorten anbaut. Dazu werden weitere Forschungen durchgeführt. Durch die Forschung neuer resistenter Weizensorten gegen Fusarium spp. wäre ein für die Nutztiere aber auch für den Menschen vermindertes Risiko kontaminiertes Getreide oder Endprodukte, die Mykotoxine enthalten, aufzunehmen (SCHMID, 2016). Bei der chinesischen Weizensorte Sumai 3, die ihr klimatisches Optimum nicht in unsere Regionen hat, wurden mittels molekularen Marker (Abschnitte der DANN, die dicht an wirtschaftlichen Erbfaktoren liegen) auf dem Chromosomen 3B und 5A zwei Gene gefunden (Abb. 10), die eine hohe Resistenz gegen Fusarium spp aufweisen (EBMEYER, 2012). Abb. 14: Selektion mit DNA-Markern auf Fusarium-Resistenz in Weizen: Lage von zwei Resistenzgenen auf den Chromosomen 3B und 5A und in der Nähe liegenden molekularen Markern (EBMEYER, 2012) 32

39 3. Relevanz in der landwirtschaftlichen Praxis Nach Ausstattung einer fusarium-anfälligen Weizensorte mit den beiden gefundenen Resistenzgenen der Weizensorte Sumai 3, konnte ein geringerer Befall mit Ährenfusariosen festgestellt werden. In der Kontrolle lag der Befall bei 43 %. Durch die Integration von 3B oder 5A in das Genom der anfälligen Weizensorte konnte der Befall bereits verringert werden. Durch die Kombination der beiden Chromosomen wurde jedoch die stärkste Reduzierung des Fusarium- Befalls (27 %) erreicht (Abb. 11). Abb. 15: Effekt der markergestützten Einkreuzung von zwei Resistenzgenen in eine für fusarium-anfällige Sorte (EBMEYER, 2012) 33