Deposits of foliar-applied herbicides

Abstract

The main focus is to elucidate and characterize the effect of formulation on the deposition patterns and the consequences for the foliar uptake of herbicides, either through cuticular or stomatal pathways. Glyphosate (Gly) and diquat were chosen as model hydrophilic, systemic or contact foliar applied herbicides. The formulations were prepared either with surfactants or hygroscopic salts. The ethoxylated rapeseed oil (RSO) surfactants of different number of ethylene oxide (EO) units were added to affect the deposition behaviour of active ingredients on the leaves. Likewise, to understand the stomatal uptake process, hygroscopic salts were added to the formulation to induce hydraulic activation of stomata (HAS). The formulation droplets were applied on plant leaves with kinetic energy (from a defined height with a monodroplet generator), and/or without kinetic energy (with a micropipette in contact with the plant surface). Easy-to-wet species,<i> Stellaria media</i> and/or <i>Viola arvensis</i>, and difficult-to-wet species, <i>Setaria viridis</i> and/or <i>Chenopodium album</i>, were selected. The formulation residues were characterized using a scanning electron microscope integrated with/without energy dispersive x-ray microanalysis. Deposit residue, in terms of its pattern or hydraulic activation of stomata, were discussed in relation to foliar uptake of herbicides affecting the biomass or the chlorophyll fluorescence of the tissue. The major results can be summarized as follows-<br /> 1. A simple and robust pneumatic monodroplet generator was constructed for drop-on-demand application of aqueous pesticide solutions. Increasing the impulse width and orifice diameter led to an increase in the droplet diameter. In contrast, increased pressure and reduced surface tension of the liquid led to a decreased droplet diameter. With optimum adjustments, monodroplets with diameters ranging from 533 to 1819 µm were generated.<br /> 2. The kinetic energy of the droplet had no consistent effect on the deposit structure or the bio-efficacy of Gly formulations. On the other hand, RSO surfactants differing in the number of EO units, affected both the deposit structure and the bio-efficacy of the formulations, depending upon the plant species. In easy-to-wet species, the higher EO units of RSO surfactant failed to affect the deposit area of Gly and its bio-efficacy. But in difficult-to-wet species, higher EO units of RSO surfactant reduced the deposit area of Gly and enhanced its bio-efficacy.<br /> 3. The non-significance of RSO surfactant in affecting the area of diquat residue on the easy-to-wet leaves coincided also with its non-significant changes on the chlorophyll fluorescence parameters and the herbicide-induced desiccation potential of the leaves. In contrary, on difficult-to-wet leaves, decreased deposit area of diquat droplet was associated with stronger modifications of chlorophyll fluorescence parameters, and the increased desiccation potential of diquat.<br /> 4. Hygroscopic salts led to hydraulic activation of stomata (HAS). Kosmotropic salts (Na₂SO₄) slightly reduced the surface tension of Gly solution and formed amorphous globular structures of Gly-salt deposit. In contrast, chaotropic salts(NaNO₃ or NaClO₃) led to strong reduction of the solutions' surface tension and formed a colloidal mixture flowing through periclinal walls and even into the stomata. Kosmotropic Na₂SO₄ had no impact on the Gly bio-efficacy, but the chaotropic NaNO₃ enhanced the Gly bio-efficacy yielding in results equivalent or even better than that obtained with the organosilicone Break Thru S233.

<strong>Deposition von Blatt-applizierten Herbiziden : Charakterisierung und Bedeutung für die biologische Wirksamkeit, untersucht an ausgewählten Unkrautarten</strong><br /> Der Schwerpunkt dieser Studie liegt auf dem Einfluss von Formulierungshilfsmitteln auf die Eigenschaften der Depositionen und deren Auswirkung auf die kutikuläre oder auch stomatäre Aufnahme von Herbiziden. Dazu wurden Glyphosat (Gly) und Diquat als hydrophile, systemische oder bei Kontakt wirkende blatt-applizierte Herbizide als Modellsubstanzen ausgewählt. Die Formulierungen wurden entweder mit Tensiden oder hygroskopisch wirkenden Salzen zubereitet. Das ethoxylierte Rapssamenöl-Tensid (RSO) mit unterschiedlichen Ethylenoxid (EO) Anteilen wurde zugefügt, um die Depositonseigenschaften der Aktivsubstanzen zu beeinflussen. Zum besseren Verständnis der stomatären Aufnahme wurden der Formulierung hygroskopische Salze zugesetzt, um somit die hydraulische Aktivierung der Stomata (HAS) zu induzieren. Die Formulierungströpfchen wurden entweder mit kinetischer Energie (aus definierter Höhe mittels Einzeltropfengenerator) oder ohne kinetische Energie (mittels Mikropipette) appliziert. Als relevante Unkrautarten wurden die leicht zu benetzende <i> Stellaria media</i> und <i>Viola arvensis</i>, sowie die schwer zu benetzende <i>Setaria viridis</i> und <i>Chenopodium album</i> herangezogen. Die Depositionen wurden mittels Rasterelektronenmikroskopie in Kombination mit der Röntgenstrahlmikroanalyse untersucht. Die Größe der Ablagerungsrückstände sowie die induzierte hydraulische Aktivierung der Stomata wurden in Relation zur Aufnahme des Herbizids durch das Blatt evaluiert. Darüber hinaus wurde die Auswirkung der Ablagerungsrückstände auf die Biomasse und die Chlorophyll-Fluoreszenz des Gewebes diskutiert. Die wichtigsten Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen: <br /> 1. Für die an dem tatsächlichen Bedarf orientierte, zielgerichtete Applikation von wässrigen Lösungen wurde ein robuster, pneumatischer Einzeltropfengenerator konstruiert. Eine Erhöhung der Impulsweite und des Düsendurchmessers hatte eine Vergrößerung des Tropfendurchmessers zur Folge. Im Gegensatz dazu führten erhöhter Druck und reduzierte Oberflächenspannung der Flüssigkeit zu einer Verringerung des Tröpfchen-Durchmessers. Bei optimaler Anpassung resultierten Einzeltropfen mit einem Durchmesser von 533 bis 1819 μm.<br /> 2. Die kinetische Energie der Tröpfchen hatte keinen gleichmäßigen Effekt auf die Ablagerungsstruktur oder die biologische Wirksamkeit der Gly-Formulierungen. RSO Tenside hingegen veränderten mit verschiedenen EO-Anteilen die Ablagerungsstruktur und die biologische Wirksamkeit der Formulierungen in Abhängigkeit von der Pflanzenart. Bei leicht zu benetzenden Unkrautarten hatte der EO-Anteil von RSO-Tensiden keinen Einfluss auf die Depositionsfläche von Gly und seine biologische Wirksamkeit. Bei schwer zu benetzenden Arten führte die Zunahme von EO-Anteilen in RSO-Tensiden zu einer Verringerung der Depositionsfläche von Gly und zu einer Steigerung der biologischen Wirksamkeit. <br /> 3. Der nicht signifikante Einfluss von RSO-Tensiden auf die Diquat-Depositionsfläche bei leicht zu benetzenden Blättern stimmte mit den nicht signifikanten Veränderungen der Chlorophyllfluoreszenzparameter und dem Herbizid-induziertem Austrocknungspotenzial der Blätter überein. Im Gegensatz dazu führte eine verringerte Depositionsfläche von Diquat-Tröpfchen zu stärkeren Veränderungen der Chlorophyllfluoreszenzparameter des Gewebes und höherem Austrocknungspotenzial von Diquat. <br /> 4. Hygroskopische Salze führten zur hydraulischen Aktivierung der Stomata (HAS). Kosmotropische Salze(Na₂SO₄) verringerten die Oberflächenspannung der Gly-Lösung geringfügig und resultierten in der Ausbildung von amorphen, kugelförmigen Strukturen von Gly-Salzablagerungen. Im Gegensatz dazu führten chaotropische Salze (NaNO₃ or NaClO₃) zu einer starken Reduzierung der Oberflächenspannung der Lösung und damit zur Ausbildung kolloidaler Mischungen, welche durch periklinische Zellwände und sogar bis in die Stomata strömten. Kosmotropisches Na₂SO₄, hatte keinen Einfluss auf die biologische Wirksamkeit von Gly, wohingegen das chaotropische NaNO₃ die biologische Wirksamkeit von Gly steigerte und zu einem äquivalenten, wenn nicht sogar besseren Ergebnis führte als bei Zusatz des organosilicone-basierten Adjuvant Break Thru S233.