Evaluation and optimization of the effectiveness of Attracap® and its environmental influences: A biological soil insecticide to control wireworms (Agriotes spp.)

by Elisa Beitzen-Heineke
Doctoral thesis
Date of Examination:2024-11-28
Date of issue:2024-12-19
Advisor:Prof. Dr. Stefan Vidal
Referee:Prof. Dr. Michael Rostás
Referee:Prof. Dr. Anant Patel
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-10949

 

 

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Abstract

English

The use of entomopathogenic fungi as biocontrol agents in agricultural pest management offers a promising alternative to chemical pesticides, aligning with the increasing global emphasis on sustainable farming practices. Among these agents, Metarhizium brunneum has received attention due to its ability to infect and control a wide range of insect pests. The effectiveness of such biological control measures, however, can vary significantly depending on a myriad of environmental factors. Attracap®, a commercial formulation of M. brunneum Cb15-III, has been developed to exploit the fungus's pathogenic capabilities against soil-dwelling pests, particularly click beetle larvae, which are notable for their detrimental impact specifically on potato crops. The formulation imitates a plant by releasing CO2 through the encapsulated yeast and starch and infects attracted wireworms by contact with the fungal conidia growing out of the beads in soil. To comprehensively evaluate the effectiveness of Attracap® under diverse agricultural conditions, 37 field trials adhering to EPPO (European and Mediterranean Plant Protection Organization) guidelines were conducted across various European countries, primarily in Germany and France. Parallel laboratory trials were set-up to understand the influence of temperature, soil moisture and soil type on the growth of Metarhizium brunneum Cb15-III. Virulence assays revealed a broad host spectrum of Attracap® against A. sputator, A. lineatus, A. ustulatus, A. obscurus, A. sordidus, while only A. sordidus revealed a lower susceptibility. Attracap® significantly increased the number of undamaged tubers, achieving the highest effectiveness under warm and rainy conditions. Extreme temperature conditions below 10°C or long or warm periods exceeding 20°C for at least 20 days adversely affected the effectiveness of the Attracap® treatments. While no significant difference in the effectiveness of Attracap® in sand, sandy loam, silty loam and loam soils, respectively, were observed, the smallest difference in undamaged tubers between control and treated plots was observed in loam. In general, a higher pH value, high organic matter and high cation exchange capacity positively influenced the effectiveness of Attracap®. Thus, the environmental conditions were responsible for some explained variation in effectiveness. Further influential factors were the click beetle species composition and the microbiome occurring on site. A novel “Fast-Acting” formulation demonstrated a superior damage reduction only in France compared to standard trials. Delaying the application of Attracap® until just before the closure of potato rows revealed improved effectiveness, when initial climate conditions were suboptimal. Over all trials, a small improvement was achieved with the late application of Attracap®. Despite notable variations in effectiveness, the product is economically viable for farmers even at lower levels of effectiveness. This study reveals that an entomopathogenic fungus with a broad host spectrum, incorporated into an innovative attract-and-kill formulation, can elevate microbiological plant protection beyond its current niche role in vegetable and greenhouse production systems in European agriculture. Initially, this formulation provides an effective solution for organic farming. Additionally, with further cost reductions aimed at enhancing its competitiveness against prices of chemical insecticides, it shows promise for successful integration into conventional agriculture. This underscores the critical role of advancements in formulation technology in promoting both economic and environmental sustainability within the agricultural sector.
Keywords: Biocontrol; Entomopathogenic fungus; Metarhizium brunneum; Agriotes spp.

German

Der Einsatz entomopathogener Pilze als biologische Pflanzenschutzmittel bietet eine vielversprechende Alternative zu chemischen Insektiziden in der Landwirtschaft und steht im Einklang mit der weltweit zunehmenden Bedeutung nachhaltiger landwirtschaftlicher Praktiken. Pilze der Art Metarhizium brunneum infizieren ein breites Spektrum von Schadinsekten, wodurch M. brunneum großes Forschungsinteresse auf sich gezogen hat. Die Wirksamkeit solcher biologischen Maßnahmen kann jedoch in Abhängigkeit von einer Vielzahl von Umweltfaktoren stark variieren. Attracap®, eine kommerzielle Formulierung von M. brunneum Cb15-III, wurde entwickelt, um die pathogenen Fähigkeiten des Pilzes gegen bodenbewohnende Schädlinge zu nutzen, mit dem Fokus auf den Larven der Schnellkäfer. Die Drahtwürmer verursachen zunehmend größere Schäden, speziell im Kartoffelanbau, die sogar zum Ernteausfall führen können. Die Formulierung imitiert eine Pflanze, indem sie CO2 durch die verkapselte Hefe abgibt, um Drahtwürmer anzulocken und diese dann mit den aus dem Granulat auswachsenden Pilzsporen im Boden zu infizieren. Um die Wirksamkeit von Attracap® unter verschiedenen landwirtschaftlichen Bedingungen umfassend zu bewerten, wurden 37 Feldversuche gemäß den Richtlinien der EPPO (European and Mediterranean Plant Protection Organization) in verschiedenen europäischen Ländern, vor allem in Deutschland und Frankreich, durchgeführt. Parallel dazu wurden Laborversuche durchgeführt, um den Einfluss von Temperatur, Bodenfeuchtigkeit und Bodenart auf das Wachstum von Metarhizium brunneum Cb15-III zu untersuchen. Virulenztests ergaben ein breites Wirtsspektrum von Attracap® gegen A. sputator, A. lineatus, A. ustulatus, A. obscurus und A. sordidus. Nur A. sordidus zeigte eine geringere Anfälligkeit. In den Feldversuchen steigerte Attracap® die Anzahl der unbeschädigten Knollen signifikant, wobei die höchste Wirkung unter warmen und regnerischen Bedingungen erreicht wurde. Extreme Temperaturbedingungen unter 10°C oder lange und warme Perioden von mehr als 20°C für mindestens 20 Tage beeinträchtigten die Wirksamkeit der Attracap® - Behandlungen. Während die Wirksamkeit von Attracap® zwischen den Bodentypen sich nicht signifikant unterschied, wurde der geringste Unterschied bei den unbeschädigten Knollen zwischen Kontroll- und behandelten Parzellen in Lehmböden beobachtet. Im Allgemeinen wirkten sich ein höherer pH-Wert, ein hoher Anteil an organischer Substanz und eine hohe Kationenaustauschkapazität positiv auf die Wirksamkeit von Attracap® aus. Die Umweltbedingungen trugen zu der erklärten Varianz in der Wirksamkeit bei. Weitere Einflussfaktoren waren die Artenzusammensetzung der Schnellkäfer und das vor Ort vorhandene Bodenmikrobiom. Eine neuartige „Fast-Acting“-Formulierung zeigte nur in Frankreich eine überlegene Wirkung im Vergleich zur Standardformulierung. Wenn die Anwendung von Attracap® bis kurz vor dem Schließen der Kartoffelreihen hinausgezögert wurde, zeigte sich eine signifikant bessere Wirksamkeit, besonders wenn die anfänglichen klimatischen Bedingungen suboptimal für die Entwicklung des Pilzes waren. Trotz beachtlicher Unterschiede in dem Wirkungsgrad, die auch bei den noch zugelassenen konventionellen Mitteln zu beobachten sind, ist das Produkt für die Landwirte auch bei niedrigen Wirkungsgraden wirtschaftlich rentabel. Diese Studie zeigt, dass ein entomopathogener Pilz mit einem breiten Wirtsspektrum, der in eine innovative Attract-and-Kill-Formulierung integriert ist, den mikrobiologischen Pflanzenschutz aus seiner derzeitigen Nische in Gemüse- und Gewächshausproduktionssystemen in die europäische Landwirtschaft bringen kann. Zunächst kann diese Formulierung vor allem im ökologischen Landbau Akzeptanz finden. Mit weiteren Kostensenkungen, die die Wettbewerbsfähigkeit von Attracap® gegenüber den Preisen chemischer Insektizide verbessern würde, kann sie auch in der konventionellen Landwirtschaft erfolgreich Einzug finden. Dies unterstreicht die entscheidende Rolle von Fortschritten in der Formulierungstechnologie bei der Förderung sowohl der wirtschaftlichen aus auch der ökologischen Nachhaltigkeiten im Agrarsektor.
 
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