ChiNor solutions for Low Impact climate smart vegetable production with reduced pesticide residues in food, soil and water resources

LowImpact-prosjektet har hatt som mål å utvikle kombinerte løsninger for en klimasmart produksjonspraksis med redusert negativ innvirkning på jordkvalitet, miljø og mattrygghet. Vi har fokusert på bruk av plantevernmidler og utslipp av drivhusgasser i grønnsaksproduksjon og potensialet for biokull-baserte løsninger for å redusere miljøbelastningen. For å styrke verktøykassen for å undersøke persistens og forekomst av plantevernmidler i mat og miljø er det utviklet en non-target suspect-screening metode for 850 pesticider og metabolitter i jord og grønnsaker på NIBIO på QExactive orbitrap MS. Denne metoden er benyttet for å kartlegge rester av plantevernmidler i jord i feltforsøk med gulrot og potet i Norge. IPP-CAAS utviklet tilsvarende en screeningmetode på QTOF-teknologi som er benyttet til screening av både jord og vekster i kinesiske feltforsøk. Arbeidet i prosjektet har hatt god nytte av ekspertisen ved Universitetet i Almeria i utvikling og bruk av slike screeningmetoder både for matovervåking og for miljøforskning. Det er gjennom prosjektet gjort en vurdering av hvor godt den relativt nye modellen PERSAM beregner konsentrasjoner av plantevernmidler i jord under norske forhold. Denne modellen er nylig tatt inn i godkjenningsordningen for plantevernmidler. Ved bruk av resultater fra feltforsøkene gjennomført i prosjektet samt i sammenlikning med en annen tilgjengelig modell, er det gjort en vurdering av hvor godt, eller mindre godt, PERSAM simulerer rester i norsk jord på kort og lang sikt. Her kreves det mye mer data om plantevernmidler i norsk jord for å kunne gjøre en god nok vurdering. Prosjektpartner ved SINTEF ER produserte biokull for bruk i norske laboratorieeksperimenter i prosjektet og en detaljert karakterisering av dette materialet er peer-review publisert. Mais ble valgt som råmateriale på grunn av nødvendigheten av å ha plantemateriale med isotopisk C4-signatur for å spore CO2-opphavet i mikrokosmstudier, samt at dette er tilgjengelig som råstoff både i Kina og Norge. Jordmikrokosmstudier for å se på interaksjoner mellom plantevernmidler, biokull og frigjøring av lystgass gjennomført ved NIBIO viser klare interaksjoner mellom biokull og rester av plantevernmidler i jord som kan påvirke utslippene av klimagasser. Både bruken av plantevernmidler og jordtype er noe man må ta med i beregningen da det har en effekt på hvordan biokull vil påvirke klimagassutslipp fra jorda. Ulike kommersielt tilgjengelige biokullvarianter i Kina, deres sorpsjonsegenskaper for pesticider ved tilsetning i ulike jordtyper og deres innvirkning på plantevekst mm, er undersøkt ved IPPCAAS og peer-review publisert. Utfordringer med persistens av soppmidler i miljøet og mulig danning av toksiske metabolitter er undersøkt spesielt for soppmidlet difenoconazol. Studiene viser en ganske rask fotolyse mens nedbrytning i jord er langsom og avhenger av innhold av organisk materiale. Dette arbeidet er peer-review publisert i samarbeid mellom IPPCAAS og NIBIO og fulgt opp med studier av toksisitet av pesticidmetabolitter i akvatisk miljø. Videre er det gjort laboratorieinkubasjoner og potteforsøk ved IPPCAAS med utvalgte pesticider og biokull for å vise potensialet ved bruk av biokull for å redusere planteopptak av restmengder av plantevernmidler fra jord og dermed bedret plantevekst. Ved NIBIO er det gjennomført laboratoriestudier for å undersøke den kombinerte effekten av biokull og plantevernmidler på mikrobiell diversitet og funksjonalitet i jord. Forsøkene viste som ventet at plantevernmidler påvirker mikrobiell diversitet, men virkningen var midlertidig. Biokull hadde ingen merkbar virkning på dette. I disse forsøkene så vi altså kun en forbigående effekt av plantevernmidler og biokull, men det var kun mulig å undersøke én pesticidblanding og én type biokull her og dette gjør det vanskelig å generalisere. Dette arbeidet er gjennomført med støtte av prosjektpartner ved INRAE, Dijon. Formidlingsaktiviteter inkluderte et seminar om prosjektets bidrag til økt mattrygghet og bedre jordhelse med deltakelse bl.a. fra Landbruksdirektoratet og det kinesiske landbruksdepartementet i mai 2021 samt et sluttseminar i desember 2022 med fokus på det regulatoriske rammeverket for plantevernmidler i mat- og miljø samt de konkrete resultatene fra prosjektet fra både kinesisk og norsk side. Det er i samarbeid med det UD-finansierte prosjektet SinograinII laget en informasjonsvideo om betydningen av gode analysemetoder og omfattende overvåkingsprogram for plantevernmidler for å sikre trygg mat på det markedet. Videre er hovedresultater fra prosjektet formidlet gjennom nyhetssaker på nibio.no med fokus på plantevernmidler og mattrygghet, biokull som tiltak for klimagassutslipp, og som en oppsummering av hovedresultater. Det er publisert flere artikler i samarbeid mellom norske og kinesiske partnere, og peer-review publikasjoner fra laboratorie- og feltforsøkene gjennomført i Norge er under utarbeiding og vil komme i 2023-2024.

Improved tools for exposure and impacts assessment of pesticides in food and environment: The project has developed comprehensive screening tools for the detection of pesticides and metabolites in food and environmental samples based on high resolution mass spectrometry (HRMS) technologies. These tools are already in use in the national research and monitoring programs in Norway and China for food safety and soil monitoring and contributes in the long term to and improved database and provide a better basis for risk assessments in these fields for both research, regulatory and risk assessment bodies. Ultimately, these improved tools for exposure assessment of pesticides will ensure the development of more sustainable food production practices and food safety for the general public in the long term. Further, the project results included novel model approach for plant uptake of pesticides, as well as testing of a new regulatory model approach for pesticide concentrations in soil under northern soil and climate conditions. These tools needs further studies and developments by the research partners, but will in the longer term be able to provide modeling tools better adapted to the regulatory and research needs for the assessment of pesticide impacts in northern soil and climate conditions. New knowledge on pesticide and biochar interactions in soil: The project provides new knowledge on the interactive effects between pesticides and biochar in soil, and the resulting potential impacts on functional soil microbial diversity and GHG emission rates. This provides a starting point for further studies on these topics. More data is needed to enable sufficiently reliable conclusions and recommendations on how best use biochar balancing the concerns regarding pesticides and GHG emissions under different climate and soil conditions and different pesticide use practices. Long term impacts: Better tools to identify the potential exposure and effects of pesticides in cropping systems will, in the long term, result in improved food safety and improved environmental risk assessment. The combination of studies of biochar impacts on GHG emission with climate impacts of those with studies of biochar effects on pesticide fate and impacts will improve the background knowledge necessary to design more/sufficiently holistic solutions for reducing the environmental impact of vegetable cropping. This will benefit policy makers and risk assessors through improved knowledge and methods. The society will benefit directly through healthier foods and lower human health risk and indirectly through reduced impacts on the natural environment and the ecosystem services it provides. In all, the project results will potentially contribute to more sustainable agriculture in the longer term.

Current challenges in agricultural production practices include negative impacts on soil quality, environmental and food safety. Biochar technologies show promise as tools for climate smart and environmentally friendly agricultural production, both as tools to improve soil quality and impact greenhouse gas emission from soils and to reduce pesticide pollution to the environment and pesticide residues in food. However, there is a lack of studies integrating these concerns and designing joint solutions. The LowImpact project aims to develop such combined solutions for vegetable production in Chinese and Norwegian pedoclimates. To achieve this we will (i) develop tools for appropriate exposure assessment of pesticides and metabolites in food, soil and water, (ii) assess pesticide exposure in important agricultural productions in Norway and China, (iii) evaluate effects of biochar on the fate of pesticides, organic C and N in soils, and (iv) characterize impacts of pesticide and biochar use to ensure environmentally friendly production practices. LowImpact is a collaboration between Norwegian and Chinese research partners representing comparable national expertise that will allow for a twinning of studies being performed under the different regulatory frameworks and pedoclimatic conditions, creating solutions that can be extrapolated beyond the limits of each participating country. The project aims to alleviate joint Chinese-Norwegian challenges specific for vegetable production, and will complement and strengthen an already ongoing ChiNor research collaboration addressing challenges in cereal production (the SinoGrain 2 project). The project results will benefit policy makers and risk assessors via improved knowledge and methods. The society will benefit directly through improved food safety and indirectly through reduced impacts on the natural environment and the ecosystem services it provides.