Human exposure assessment of pesticide use in developing countries

Lesmes Fabian, Camilo (2014): Human exposure assessment of pesticide use in developing countries. Dissertation, LMU München: Fakultät für Geowissenschaften

Abstract

Summary Problem. Pesticides play an important role in the agricultural production but their misuse affect the health of farmers and workers who manipulate such toxic substances. In the field of occupational hygiene, researches have been working in finding out the most appropriate method to estimate the human exposure in order to assess the risk and therefore to take the due decisions to improve the processes in the pesticide management and to reduce the health risk. Goals. The goal of this research was focused in creating a model for human exposure assessment specially for farming systems in developing countries by (i) evaluating the available models for human exposure assessment developed in industrialized countries, (ii) measuring the exposure in the study areas of potato and flower farming systems in Colombia, and (iii) proposing a pesticide flow model to estimate quantitatively the human exposure. Methods. The research was organized in three phases by using different methods, namely (i) evaluation of previous models of human exposure assessment (by means of a Multi-Criteria and Sensitivity Analysis); (ii) quantification of dermal exposures in Vereda La Hoya (by applying the Whole Body Dosimetry, Luminiscence Spectrometry and Tracer Method); and (iii) the development of a pesticide flow model for the human exposure assessment (by applying the Material Flow Analysis method). This model was built with dermal exposure measurements obtained in the study area of greenhouse flower crops in Sabana de Bogotá, Colombia. Results. DERM, DREAM, PHED and RISKOFDERM were selected as the most appropriate models to be applied in farming systems in developing countries as their determinants are relevant for the assessment of pesticide use and all the processes involved during the pesticide management. Afterwards these four models were applied to assess the dermal exposure in the case study of Vereda La Hoya and their determinants were compared with the characteristics of the study area, DREAM and DERM were found as the most appropriate models to assess the dermal exposure in these study areas. However, because some relevant determinants are still absent, the accuracy of these models could be improved if these are included. When comparing the final model assessment of dermal exposure in the study area, DREAM was found as the model that assesses more accurately the dermal exposure in this study area. In the study area of Vereda La Hoya, Colombia was found that the application was the activity with the highest PDE. Even though lower body parts (thighs and legs) were the most exposed, these body parts also showed the highest level of protection because of the work clothing. The ADE was high for arms and upper back due to the lack of adequate work clothing covering the complete arm and the direct contact of the upper back with the spills on the sprayer tank. Furthermore, it was found that Metamidophos is the most toxic pesticide used in Vereda La Hoya. Farmers may reduce significantly the health risk by using adequate work clothing made of appropriate fabrics that covers the whole body including the arms, cleaning properly all the pesticide residues left on the sprayer before each application, and avoiding the modification of nozzles using only nozzles with the standard discharge. The proposed pesticide flow model helps to identify the patterns of pesticide distribution on the body, the level of protection given by personal protective equipment and the estimates of potential and actual dermal and inhalation exposure. This information can be used to determine the health risk level by comparing the model estimates with the AEOL reference values for each pesticide. In addition, the model makes it possible to easily identify the activities or body parts that have high levels of exposure. This is useful in identifying improvements that will decrease the exposure during pesticide management. Because it is not feasible to measure directly the dermal exposure in all study areas, this model might help to obtain a quick estimation which could help stakeholders and authorities to make further decisions. Conclusions. This research evaluated in depth the available models for human exposure assessment, so assessors can decide which model is the most appropriate according to the characteristics of the study area in which the model is going to be applied and furthermore this research suggested improvements in the models in order to increase the estimation accuracy. This research also contributes in the proposal of a new model for human exposure based on the material flow analysis methodology studying the pesticide fractioning during the pesticide management in a certain interval of time. With this model quantitative estimations of human exposure are obtained which facilitate the risk assessment and the implementation of measures to improve the safety during the pesticide management and to decrease the risk. The proposed model also demonstrates the feasibility of applying the material flow analysis methodology in the field of human exposure, obtaining a tool that helps to understand the mechanisms of distribution of the pesticide in the farming system based on the processes involved and the flows between these processes.

Abstract

Thema. Pestizide spielen eine wichtige Rolle in der landwirtschaftlichen Produktion. Aber deren falsche Anwendung hat Auswirkungen auf die Gesundheit der Bauern und Arbeiter, die mit solchen giftigen Substanzen arbeiten. Im Bereich der Arbeitshygiene haben Wissenschaftler versucht, die bestgeeignete Methode zu finden, das Risiko durch die Exposition des Menschen abzuschätzen und zu bewerten und somit die geeigneten Entscheidungen zu treffen, die Prozesse im Pestizid-Management zu verbessern und das gesundheitliche Risiko zu verringern. Ziel. Das Ziel dieser Forschung war es, ein Modell für die menschliche Belastung zu entwickeln, vor allem für die Landwirtschaft in Entwicklungsländern. Das Modell fokussierte auf die Exposition von Arbeitern während des manuellen und motorisierten Einsatzes von Pestiziden in Landwirtschaftssystemen wie Kartoffel-und Blumenpflanzen. Dieses Ziel wurde verfolgt durch 1. die Auswertung der verfügbaren Modelle für die menschliche Exposition in den Industrieländern, 2. die Messung der Exposition in den Untersuchungsgebieten der Kartoffel- und Blumenanbausysteme in Kolumbien und 3. die Entwicklung eines Vorschlages für ein Pestizid-Flow-Modell, um die Exposition des Menschen quantitativ abzuschätzen. Methoden . Die Forschung wurde in drei Phasen mit unterschiedlichen Methoden gegliedert. Nämlich (i) die Bewertung der bisherigen Modelle der menschlichen Expositionsbeurteilung (mittels einer Multi-Kriterien und Sensitivitätsanalyse), (ii) die Quantifizierung der Hautexpositionen in Vereda La Hoya (mit Hilfe der Ganzkörper-Dosimetrie, Lumineszenz-Spektrometrie und Tracer-Methode) und (iii) die Entwicklung eines Pestizid-Flow-Modells für die menschliche Expositionsbeurteilung durch Anwendung der Stoffflussanalyse-Methode. Das Modell wurde erstellt mit Messungen der Hautexposition im Untersuchungsgebiet von Treibhäusern mit Blumenpflanzen in Sabana de Bogotá, Kolumbien. Ergebnisse. DERM, DREAM, PHED und RISKOFDERM wurden als die am besten geeigneten Modelle ausgewählt, da deren Parameter relevant sind für die menschliche Expositionsbeurteilung des Einsatzes von Pestiziden und aller Prozesse beim Pestizid-Management in der Landwirtschaft in den Entwicklungsländern. Ferner wurden während der Forschung diese Modelle im Untersuchungsgebiet in Kolumbien angewendet, und nach einem Vergleich ihrer Schätzungen mit den Messungen im gleichen Untersuchungsgebiet wurde festgestellt, dass DREAM eine realistischere Abschätzung der Hautexposition ermöglicht. Im Untersuchungsgebiet Vereda La Hoya, Kolumbien, wurde festgestellt, dass die Anwendung von Pestiziden die Aktivität mit der höchsten PDE war. Obwohl die unteren Körperteile (Oberschenkel und Beine) am stärksten exponiert waren, zeigten diese Körperteile auch den höchsten Grad an Schutz, aufgrund der Arbeitsschutzkleidung. Die ADE war hoch an Armen und oberem Rücken wegen des Mangels an angemessener Arbeitskleidung, die den gesamten Arm bedeckt, und wegen des direkten Kontaktes des oberen Rückens mit den Verschmutzungen auf dem Sprüher Tank. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass Metamidophos das giftigste Pestizid ist, welches in Vereda La Hoya verwendet wird. Die Bauern können das gesundheitliche Risiko deutlich reduzieren durch den Einsatz entsprechender Arbeitskleidung aus geeigneten Stoffen, die den ganzen Körper einschließlich der Arme bedeckt, korrekte Reinigung aller Rückstände von Pestiziden auf dem Sprüher Tank vor jeder Anwendung und die Vermeidung der Abänderung der Düsen, indem nur Standard-Düsen benützt werden. Das Pestizid-Flow-Modell hilft festzustellen, wie das Pestizid auf den Körper verteilt wird, wie hoch das Niveau des Schutzes durch persönliche Schutzausrüstung ist und ermöglicht die Abschätzung von dermalen und inhalativen Expositionen. Diese Informationen können verwendet werden, um das Gesundheitsrisiko abzuschätzen, und zwar durch den Vergleich der Schätzungen der Modell-Schätzungen mit den AEOL Referenzwerten für jedes Pestizid. Darüber hinaus macht das Modell es möglich, die Aktivitäten oder Körperteile leicht zu identifizieren, die eine hohe Exposition haben. Dies ist nützlich bei der Identifizierung von Verbesserungen, welche die Exposition während des Pestizid-Managements verringert. Da es nicht möglich ist, direkt die dermale Exposition in allen Untersuchungsgebieten zu messen, könnte dieses Modell eine schnelle Einschätzung erlauben und den Interessengruppen und Behörden helfen, weitere Entscheidungen zu treffen. Schlussfolgerungen. Diese Forschung bewertet die verfügbaren Modelle für die menschliche Expositionsbeurteilung in der Tiefe. So können Gutachter entscheiden, welches Modell, je nach den Merkmalen des Untersuchungsgebietes, am besten geeignet ist. Ferner hat diese Forschung Verbesserungen vorgeschlagen um die Schätzgenauigkeit zu erhöhen. Diese Forschung schlägt auch ein neues Modell für die menschliche Expositionsbeurteilung vor, basierend auf der Stoffflussanalyse-Methode, mit welcher die Pestizid-Fraktionierung während des Pestizid-Managements in einem bestimmten Zeitintervall studiert wird. Mit diesem Modell erhält man eine quantitative Abschätzung der Exposition von Menschen, welche die Risikobewertung und die Umsetzung von Maßnahmen erleichtert, um die Sicherheit während des Pestizid-Managements zu verbessern und das Risiko zu verringern. Das vorgeschlagene Modell zeigt auch die Machbarkeit der Anwendung der Stoffflussanalyse- Methode im Bereich der menschlichen Expositionsbeurteilung. Es bietet ein Werkzeug, die Mechanismen der Verteilung der Pestizide im Landwirtschaftssystem zu verstehen, basierend auf den beteiligten Prozessen und den Flüssen zwischen diesen Prozessen.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Human Exposure Assessment, Pesticides, Developing Countries, Potato Crops, Flower Crops, Colombia
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 550 Geowissenschaften
• Fakultäten: Fakultät für Geowissenschaften
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 7. Februar 2014
• 1. Bericht­erstatter:in: Binder, Claudia