Health impact assessment of pesticide use in Europe

Abstract

Technology assessments in Europe have mainly focused on air quality management with respect to energy conversion and road transport. However, other environmental media must also be considered to arrive at an integrated perspective for developing strategies towards more sustainability and an improved human welfare. Consequently, bioaccumulation of pollutants in the environment, in food crops and in animal food products leads to human ingestion exposure that must be accounted for. In addition, growing crops for use as energy, biofuels and non-energy raw materials becomes more and more important in the context of current policy. Unfortunately, only little is known about how the health of the general population is affected by current agriculture in Europe, especially with respect to the use of pesticides.

Over the last three decades, European policy has developed towards a large legislation body regulating the marketing and use of pesticides as well as their residues in drinking water and various food items. Nonetheless, residues are still reported to reach levels where they can harm humans or the environment. Especially effects of pesticides on human health have lead to a continuously concerned general public. Existing regulations are therefore under constant revision by steadily evaluating the negative consequences of pesticide application based on continuously required scientific support. Thereby, evaluating exposure to pesticides and related health effects must build upon a deterministic understanding of the pathways from substance application via loss to the environment and uptake into the different food crops to finally human intake. However, current assessment tools are still challenged by the inherent complexity of plant uptake and translocation mechanisms as well as by an insufficient understanding of substance-specific chemical transformation, post-harvest food processing and health effects.

The present work, hence, aims at improving existing health impact assessments of pesticide use by contrasting pathways of human exposure to pesticides. Main challenges were to consider characteristics of different food crops, to characterize individual pesticide-crop combinations and to simplify a complex dynamic model for incorporation into existing assessment tools to also account for the pesticide fraction that directly reaches the target crops. To address these challenges, a new operational modeling approach was developed for quantifying health impacts from exposure to pesticide residues in multiple directly treated food crops based on transparent matrix algebra. From analyzing its functioning and uncertainty, the system was parameterized for use in existing models, thereby keeping crops and substances disaggregated.

In a case study, the new approach was applied to estimate health impacts and related damage costs caused by the five most extensively used pesticides in each of 25 European countries in 2003. Results indicate a high variation of impacts between countries as a function of the amount applied and substance toxicity. Total health impacts amount to 1672 DALY (disability-adjusted life years), to which the fraction reaching the target crops and the fraction lost to the environment during application contribute with 97% and 3%, respectively. Spain with 485, Italy with 442 and France with 370 DALY show the highest impacts per country. If translated into costs, damages amount to 67 million Euro in Europe in 2003. Results demonstrate the importance of considering pesticide residues in treated food crops for estimating overall human health impacts as integral part of evaluating current pesticide use in Europe.

Technikbewertung in Europa war bisher hauptsächlich fokussiert auf Luftreinhaltemaßnahmen im Rahmen der Energieumwandlung und des Straßenverkehrs. Jedoch müssen für einen ganzheitlichen Ansatz zur Erreichung von mehr Nachhaltigkeit und eines verbesserten Gemeinwohls auch weitere Umweltmedien berücksichtigt werden. Diesbezüglich führt die Schadstoffanreicherung in der Umwelt, in Nahrungspflanzen und tierischen Produkten zur menschlichen Exposition über die Nahrungsaufnahme. Auch der wachsende Kulturpflanzenanbau zur Energie-, Biokraftstoff- und Rohmaterialien-Produktion spielt eine wichtige Rolle für die aktuelle Politik. Leider ist bisher nur wenig darüber bekannt, wie sich die heutige Landwirtschaft auf die menschliche Gesundheit auswirkt, insbesondere bezüglich der Nutzung von Pestiziden.

In den letzten drei Jahrzehnten wurden in Europa Richtlinien zur Regulierung von Vermarktung und Anwendung von Pestiziden als auch zur Kontrolle von Rückständen in Trinkwasser und Nahrungsmitteln erarbeitet. Trotzdem finden sich Rückstandsmengen, die auf Mensch und Umwelt schädlich wirken können. Insbesondere Gesundheitsschäden führten zu einer kontinuierlich besorgten Bevölkerung. Bestehende Regulierungen unterliegen deshalb der ständigen Überprüfung hinsichtlich negativer Auswirkungen des Pestizideinsatzes auf Basis wissenschaftlicher Erkenntnisse. Dabei ist eine deterministische Betrachtungsweise der gesamten Wirkungskette vom Pestizideinsatz über den Transport in der Umwelt und in Nahrungspflanzen bis zur Aufnahme durch den Menschen entscheidend für die Abschätzung von Gesundheitsbelastungen. Bisherige Bewertungsmodelle haben jedoch bis heute sowohl mit der Komplexität von Schadstoffflüssen in Pflanzen als auch mit unzureichenden Kenntnissen bezüglich chemischen Stoffumbaus, Nahrungsmittelverarbeitung und Gesundheitseffekten zu kämpfen.

Die vorliegende Arbeit soll durch den Vergleich von menschlichen Expositionspfaden gegenüber Pestiziden bestehende Methoden zur Bewertung des Pestizideinsatzes verbessern. Besondere Herausforderungen waren die Betrachtung verschiedener Nutzpflanzen, die Charakterisierung einzelner Pestizid/Pflanze-Kombinationen und die Einbindung des Ansatzes in bestehende Bewertungsmodelle zur Berücksichtigung der Rückstände in Nahrungspflanzen. Zur Bewältigung dieser Herausforderungen wurde ein neues Bewertungsmodell zur Quantifizierung von Gesundheitsschäden durch Pestizidrückstände in Nahrungspflanzen auf Basis eines Matrix-Algebra Ansatzes entwickelt. Das Modellsystem wurde mittels Funktional- und Unsicherheitenanalyse parametrisiert, um in ganzheitlichen Bewertungsmodellen verwendet zu werden.

In einer Fallstudie wurde der vorliegende Ansatz zur Abschätzung von Gesundheitsschäden und damit verbundener Kosten durch die fünf am meisten eingesetzten Pestizide in jeweils 25 europäischen Ländern im Jahr 2003 angewendet. Die Ergebnisse zeigen hohe länderspezifische Unterschiede als Funktion von Einsatzmenge und Toxizität. Insgesamt belaufen sich die Schäden auf 1672 DALY ('disability-adjusted life years'), zu denen der die Nahrungspflanzen erreichende Pestizidanteil mit 97% beiträgt. Spanien mit 485, Italien mit 442 und Frankreich mit 370 DALY weisen die höchsten Schäden auf. Die Schadenskosten durch Pestizideinsatz in Europa im Jahr 2003 belaufen sich auf 67 Millionen Euro. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass die Berücksichtigung von Rückständen in Pflanzen wichtig ist für die Abschätzung von Gesundheitsschäden als integralem Bestandteil zur Bewertung des Pestizideinsatzes in Europa.