Development of a toxicokinetic model for the honey bee (Apis mellifera) colony for the use in risk assessment

Hörig, Kerstin; Schäffer, Andreas; Hollert, Henner

doi:34671

Development of a toxicokinetic model for the honey bee (Apis mellifera) colony for the use in risk assessment = Entwicklung eines Toxikokinetik-Modells für die Honigbiene (Apis mellifera) für den Einsatz im Risk Assessment

Hörig, Kerstin

2016

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Kerstin Hörig

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2016

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2015

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2016

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Schäffer, Andreas (Thesis advisor) ; Hollert, Henner (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-10-26

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-063366
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/541129/files/541129.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/541129/files/541129.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Biowissenschaften, Biologie (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Honigbienen sind von großer wirtschaftlicher und ökologischer Bedeutung als Bestäuber von Nutz- und Wildpflanzen. Jedoch sind in den letzten Jahrzehnten große Verluste von Honigbienen verzeichnet worden. Diese Verluste von Honigbienenvölkern wurden auf breiter Ebene diskutiert und es wurden Maßnahmen veranlasst, diese Verluste zu untersuchen. Ein Aspekt, der in diesen Diskussionen als Ursache für den Rückgang der Honigbienen erwähnt wird, sind die Effekte, die der Einsatz von Pflanzenschutzmitteln auf die Gesundheit der Honigbienenvölker haben können. Diese Diskussion wird besonders in Europa und den USA ausgetragen. Als Antwort veröffentlichte die Europäische Behörde für Lebensmittelsicherheit ein neues Guidance Document zur Durchführung des Risk Assessments von Pflanzenschutzmitteln in Bezug auf die Honigbiene. Das Guidance Document betont die Bedeutung von detailliertem Wissen über die Exposition von Bienen gegenüber Pflanzenschutzmitteln.Diese Dissertation nähert sich diesem Problem mit Hilfe eines Modellierungsansatzes. Es wurde ein Modell entwickelt, um die Verteilung von Pflanzenschutzmitteln, die in das Bienenvolk eingetragen werden, sowie die Exposition der verschiedenen Bienenkasten und Altersklassen zu simulieren. Das Modell berücksichtigt zur Beschreibung der Toxikokinetik der Pflanzenschutzmittel im “Superorganismus” des Honigbienenvolks sowohl die zeitliche und räumliche Dynamik. Die toxikokinetisch relevanten Prozesse werden als Ergebnis einer umfassenden Literaturrecherche identifiziert und beschrieben. Der Transport und die Verarbeitung von Nektar und Pollen werden als die toxikokinetisch wichtigsten Expositionsrouten identifiziert. Es werden drei Teilmodelle entwickelt, die zu einem Modell zur umfassenden Simulation der Verteilung von Pflanzenschutzmitteln in der Honigbienenkolonie zusammengeführt werden können.Ein Teilmodell sagt den Transport potentiell mit Pflanzenschutzmitteln belasteter Ressourcen über die Transportkette der verschiedenen Arbeiterbienenklassen voraus. Dieses Teilmodell berücksichtig die Toxizität, die ein Pflanzenschutzmittel in Bezug auf die Honigbienen besitzt, in Form des LD50.Ein zweites Teilmodell beschreibt die Verteilung eines Pflanzenschutzmittels zwischen dem Wachs, aus dem die Waben im Nest der Honigbienen gebaut sind, und eingelagerten Ressourcen auf Basis des log KOW.Ein drittes Teilmodell simuliert den Transfer von Pflanzenschutzmitteln, die von der Biene aus Ressourcen aufgenommenen werden, in das Jelly - eine Substanz, die von Arbeiterbienen in speziellen Drüsen hergestellt wird und mit der die Königin, die Brut und andere ausgewachsene Bienen gefüttert werden. Dieses Teilmodell basiert auf einem PBTK-Modellierungsansatz.Die Simulationsergebnisse dieser Teilmodelle werden diskutiert und mit experimentellen Daten aus der Literatur verglichen. Die Teilmodelle werden verknüpft und das aus dieser Verknüpfung resultierende umfassende Toxikokinetik-Modell wird mit Hilfe eigens entwickelter Szenarien getestet. Das in dieser Dissertation entwickelte Toxikokinetik-Modell für die Honigbiene berücksichtigt die (soziale) Ökologie und die Physiologie der Honigbiene, ist einfacher zu validieren als bereits existierende Modelle zur Beschreibung der Toxikokinetik von Substanzen im Honigbienenvolk und ist potentiell verknüpfbar mit weiteren Modellen, die notwendig sind, um eine wissenschaftliche Beurteilung der Exposition im Risk Assessment von Pflanzenschutzmitteln in Bezug auf die Honigbiene zu liefern. Abschließend soll dazu angeregt werden, dass in zukünftiger Forschung Experimente zur Verbesserung und Validierung des entwickelten Toxikokinetik-Modells durchgeführt werden.

Honey bees are of tremendous economic and ecologic value due to the important pollination services they provide to agricultural crops and wild plants. But over the last decades their number has drastically declined. This has been widely discussed in the last years and measures were taken to investigate the reasons for this decline. One aspect in this discussion are the effects plant protection products may have on the honey bee colonies' health, which may result in colony declines, especially in Europe and the US. As an answer to this problem, a new guidance document on the risk assessment of plant protection products on bees was developed and published by the European Food Safety Authority. This guidance document highlights the importance of detailed knowledge about the exposure of plant protection products to bees.This thesis approaches this needs from a modelling point of view. A model is developed to simulate the distribution of plant protection products within the colony that are brought into the hive and the exposure of different bee castes and age classes to this plant protection products within the colony.The model, that describes the toxicokinetics of the “superorganism” honey bee colony, takes the colonies' high dynamic in space and time into account. The toxicokinetically relevant processes are identified and described as a result of a thorough literature study. The transport and processing of nectar and pollen are identified as the toxicokinetically most important routes of exposure. Three submodels are developed, that are suitable to be connected to an integrative approach towards simulating the toxicokinetics of plant protection products in the honey bee colony.The first submodel predicts the transport of potentially contaminated resources via the chain of worker bees of different age classes. This submodel takes the toxicity of a plant protection product, to which the honey bees may be exposed, into account, considering the LD50 of the substance of interest.The second submodel predicts the partitioning of plant protection products between the wax, of which the combs in the nest are build, and the resources, that may be stored in wax cells, on the basis of the physicochemical properties of the plant protection products of interest (log KOW).The third submodel predicts the transfer of plant protection products from ingested resources into the jelly, that is produced by certain glands of the worker bees and that is used as a food for the queen, the larvae, and other adult bees. This submodel is based on a physiological based modelling approach.The simulation outcomes of these three submodels are discussed and compared to experimental results from the literature. Finally, the submodels are linked and the comprehensive model, that is the result of this linkage, is tested, taking especially developed scenarios into consideration.The toxicokinetic model for the honey bee colony that is developed in this thesis takes the (social) ecology and physiology of the honey bee colony into account, is better validatable than existing modelling approaches towards the toxicokinetics of the honey bee colony, and is potentially linkable to further model approaches that may be necassary to deliver a scientific evaluation for the exposure in the context of the risk assesssment of plant protection products for honey bee colonies. Future research is encouraged to carry out experiments for the refinement and the validation of this toxicokinetic model.

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