Advances in life cycle impact assessment of pesticides: methodological improvements and experimental studies

Abstract

El objetivo principal de esta tesis doctoral es el de contribuir al desarollo y evaluación en la aplicación y exposición de pesticidas en plantas y su impacto sobre la salud humana y los ecosistemas. Los modelos ambientales usados para la evaluación de impacto en el análisis de ciclo de vida y en analisis de riesgo ambiental relacionan las emisiones con su impacto, combinando el destino y la exposición estimada y relacionandolo con información toxicológica. Los pesticidas liberados en aire, agua y suelos llegan al cuerpo humano a través de los alimentos, principalmente por la ingestión de las partes comestibles de los vegetales. Por dicha razón, es de gran importacia el desarollo de métodos para el análisis de residuos tóxicos en productos agrícolas. De aquí emergen las siguientes preguntas:<br/><br/>1. ¿Como puede ser modelada la cantidad residual y el lugar de destino de los pesticidas aplicados por aire en los invernaderos? ¿Cual es su compotamiento dinámico y como afecta la concentración residual en las partes comestibles de los vegetales?<br/>2. ¿Como puede medirse y modelarse la degradación de los pesticidas tanto en superficie como en el interior de vegetación?<br/>3. ¿Como puede hacerse una estimación de la vida media específica tanto en superficie como en el interior de vegetales partiendo de la información de degradación en el suelo?<br/>4. ¿Como puede desarollarse un indicador de riesgo con el cual se puedan analizar comparativamente pesticidas basado en el lugar de aplicación, tiempo de exposición y características toxicológicas?<br/><br/>Después de una breve introdución al análisis medioambiental y los problemas específicamente relacionados con la aplicación de pesticidas y sus características en el capítulo uno, en el capítulo dos se propone un acercamiento a través del modelado de residuos de pesticidas en tomates cultivados en invernadero. Este modelo de destino y exposición tiene en consideración el tiempo transcurrido entre la aplicación, la cosecha y el consumo, la absorción del spray depositado en la superficie de las plantas, las propiedades de transporte a través de la cutícula, la degradación en el interior de la misma planta y perdidas debido al procesado del alimento. El modelo fue validado usando datos experimentales obtenidos a partir de ensayos de campo. También se presenta la fracción de pesticida ingerido por humanos debido al consumo de tomate mostrando un escenario realista de la exposición humana a estos productos.<br/><br/>En el capítulo tercero se presentan dos algoritmos genéricos para la estimación de (i) la vida media específica de pesticidas en superficie y (ii) en el interior de las plantas, usados en el modelo de destino y exposición. También se propone una rutina de extrapolación para estimar la vida media de plaguicidas en superficie, basándose en un factor de conversión cuya base de cálculo parte de la vida media de estos en suelos. Más adelante se presenta un método de estimación tentativa para el cálculo de la vida media de pesticidas en el interior de las plantas, básandose en datos experimentales.<br/><br/>El capítulo cuatro es una prolongación de los capítulos dos y tres. Los resultados antes obtenidos, se combinan aquí con un nuevo método de análisis experimental para medir absorción, transporte y persistencia de pesticidas en tomates tratados por (i) spray foliar estándar y (ii) aplicación en raíces por riego por goteo. Un modelo dinámico de absorción de pesticidas por raíz trata de estimar la dependencia temporal de la concentración del contaminante en los frutos. Finalmente, los resultados experimentales son comparados con el modelo en terminos de ingestión de fracción de pesticida por parte de la población humana. En esta investigación se intenta evaluar el comportamiento medioambiental de los pesticidas comparando los diferentes métodos de aplicación de un mismo ingrediente activo.<br/><br/>El capítulo cinco ilustra el desarollo de un nuevo método llamado PestScreen, el cual calcula el nivel relativo de riesgo de pesticidas con el fin de clasificarlos ascendentemente dependiendo de su impacto. Esta aproximación es un método de estimación del nivel relativo de riesgo y permite comparar la peligrosidad tanto a nivel de salud humana como de impacto medioambiental, de diferentes tipos de pesticidas, a través de una categorización. Este método se desarolla como una herramienta para la evaluación e identificación de pesticidas con peligrosidad medioambiental usados en la agricultura. PestScreen incorpora tanto su efecto tóxico como su destino y exposición en varios compartimentos medioambientales. Esto se realiza combinando medidas de toxicidad química con la cantidad liberada, la persistencia medioambiental, el potencial de transporte en un radio amplio y la fracción ingerida por la población humana. En el capítulo seis los principales resultados son presentados y resumidos, finalmente se sugieren recomendaciones para investigaciones futuras.

The overall goal of this dissertation is to contribute to the development of best available practice in fate and the exposure assessment of pesticides for evaluating their impacts on human health and ecosystems. Environmental models used in Life Cycle Impact Assessment (LCIA) and Environmental Risk Assessment (ERA) relate emissions to impacts by combining fate and exposure estimates with toxicological assessment data. Pesticides released to air, water, soil and plants enter the human body through food commodities, particularly through the ingestion of arable parts of plants. Therefore, specific methods to assess the presence of residues in agricultural products are of importance for human exposure assessment. This raises the following questions:<br/><br/>1. How can the fate (from air and soil) of pesticides in/on plants cultivated in greenhouses be measured and modelled? How does dynamic behaviour affect the final residues in arable parts of plants?<br/>2. How can the degradation of pesticides on plant surfaces and within plants be measured and modelled? <br/>3. How can a substance specific half-life in/on plants be estimated from soil degradation data using extrapolation routines?<br/>4. How can a risk indicator for comparative assessment of pesticides be developed using fate, exposure, and toxicity characteristics?<br/><br/>After a short introduction to environmental assessment approaches and the specific problems related to the application of pesticides and their characteristics in Chapter 1, Chapter 2 proposes an approach for modelling pesticide residues in greenhouse tomato plants. This fate and exposure model considers the time between pesticide application and harvest, the time between harvest and consumption, the absorption of spray deposit on plant surfaces, transfer properties through the cuticle, degradation inside the plant and loss due to food processing. The model is validated with experimental data which was obtained from field trials conducted in the Catalan Institute for Food and Agricultural Research and Technology (Institut de Recerca i Tecnologia Agroalimentàries; IRTA) in Cabrils (Barcelona). Human intake fractions of pesticides due to ingestion of tomatoes representing a realistic scenario of human exposure to pesticide residues in foods are presented.<br/>In Chapter 3, two generic estimation routines for substance specific half-lives of pesticides (i) on plant surfaces and (ii) within plants to be used in fate and exposure models are presented. First, an extrapolation routine for the estimation of pesticide half-lives on plant surfaces based on a conversion factor from half-lives of pesticides in soil is proposed. Furthermore, a tentative estimation method for the calculation of metabolism half-lives of pesticides in inner parts of plants based on experimental data is presented.<br/><br/>Chapter 4 presents a follow-up of Chapter 2 and Chapter 3. Previous results are combined with new experimental assessment to measure the uptake, translocation and persistence behaviour of pesticides in tomato fruits treated by (i) standard foliar spray application and (ii) soil application using direct localised drip irrigation into root zone. A dynamic root uptake model for pesticides aiming at the estimation of time dependent contaminant concentrations in fruits is proposed. Finally, experimental results are compared with model estimates in terms of human population intake fractions of pesticides. These investigations aim to evaluate the environmental performance of pesticides when the same active ingredient is applied to crops by different application techniques. <br/><br/>Chapter 5 illustrates the development of a new method entitled PestScreen, to calculate the relative risk level of pesticides with the aim of ranking them from lowest to highest degree of concern. The approach is an estimation method of relative risk levels and allows comparing environmental and human health risks of specific pesticide types through their ranking. The method is developed to serve as an analytical tool in screening and identification of pesticides of environmental concern used in agriculture. PestScreen incorporates both the toxic effects of pesticides and their fate and exposure characteristics in different compartments of the environment. This is done by combining measures of chemical toxicity pertaining to both human health and the environment with chemical release amounts and information on overall environmental persistence, long-range transport potential and human population intake fractions. In Chapter 6 the most important results are summarized and recommendations for further research are discussed.