Marion D. Ellis

Pesticides and honey bee toxicity - USA*

Until 1985 discussions of pesticides and honey bee toxicity in the USA were focused on pesticides applied to crops and the unintentional exposure of foraging bees to them. The recent introduction of arthropod pests of honey bees, Acarapis woodi (1984), Varroa destructor (1987), and Aethina tumida (1997), to the USA have resulted in the intentional introduction of pesticides into beehives to suppress these pests. Both the unintentional and the intentional exposure of honey bees to pesticides have resulted in residues in hive products, especially beeswax. This review examines pesticides applied to crops, pesticides used in apiculture and pesticide residues in hive products. We discuss the role that pesticides and their residues in hive products may play in colony collapse disorder and other colony problems. Although no single pesticide has been shown to cause colony collapse disorder, the additive and synergistic effects of multiple pesticide exposures may contribute to declining honey bee health.ZusammenfassungNeuere systemisch wirkende Pestizide, einschließlich der Neonikotinoide (z. B. Imidacloprid) und Phenylpyrazole (z. B. Fipronil) finden in den USA verbreitete Anwendung im Pflanzenschutz. Das Gefährdungspotenzial von Bienen durch diese Präparate unterscheidet sich von dem traditioneller Pestizidanwendungen, bei denen die hauptsächliche Sorge der akuten Giftigkeit galt. Im Hinblick auf die Verordnungen zu Pestiziden in den USA wurden die Folgen von chronischer und sublethaler Belastung durch systemische Mittel bisher nicht umfassend in Betracht gezogen, obwohl die Sachlage, was diese Präparate betrifft, gegenwärtig von der Umweltbehörde (EPA) begutachtet wird. Zahlreiche in den USA angebaute Pflanzen wurden genetisch verändert, um entweder insektizid wirkende Bt Toxine oder Herbizidresistenz zu exprimieren. Insektizid wirkende Bt Toxine scheinen jedoch spezifisch toxisch für Ertragsschädlinge zu sein und können daher den Bienen nützen, indem sie die Anwendung traditioneller Pestizide reduzieren.Bis zur Einführung von arthropoden Bienenschädlingen in die USA in der Mitte der achtziger Jahre wurden Bienen den verschiedenen Pestiziden nur unbeabsichtigt ausgesetzt, während sie auf gespritzten Pflanzen sammelten. Die Notwendigkeit, Bienenschädlinge, besonders die Varroamilbe (Varroa destructor), zu bekämpfen, erfordert seitdem jedoch oft eine absichtliche Anwendung von Pestiziden in Bienenvölkern. Tau-Fluvalinat und Coumaphos, jeweils in Streifenform angewendet, sind in den USA immer noch für die Anwendung in Bienenvölkern zugelassen, obwohl die Wirksamkeit dieser Substanzen gegen Varroamilben durch die Entwicklung von Resistenzen vermindert wurde. Ein neues Varroazid, Fenpyroximate, wurde in einigen Staaten zur Anwendung zugelassen. Essentielle Öle, einschließlich Thymol und Menthol, sind ebenso wie Ameisensäure zur Anwendung in der Verdampfung zugelassen. Oxalsäure ist nur in Kanada, jedoch nicht in den USA zugelassen.Über 150 verschiedene Pestizide wurden in Proben aus Bienenständen in den USA gefunden. Von Imkern eingesetzte Pestizide werden tendenziell öfter im Wachs der Völker nachgewiesen, von wo aus Pollen, Bienenbrot und Honig damit kontaminiert werden. Auf der anderen Seite werden Pestizide, vor allem Fungizide, die nicht in Bienenvölkern eingesetzt werden, tendenziell am häufigsten in Pollen nachgewiesen und kontaminieren das Wachs nur dann, wenn sie eingelagert werden. Da Honigbienen den sublethalen Konzentrationen zahlreicher Pestizide gleichzeitig ausgesetzt sind, wird zusätzliche Forschung zur Aufklärung synergistischer Effekte bei chronischer sublethaler Belastung mit mehreren Pesitziden benötigt.

Varroa mites and honey bee health: can Varroa explain part of the colony losses?

Since 2006, disastrous colony losses have been reported in Europe and North America. The causes of the losses were not readily apparent and have been attributed to overwintering mortalities and to a new phenomenon called Colony Collapse Disorder. Most scientists agree that there is no single explanation for the extensive colony losses but that interactions between different stresses are involved. As the presence of Varroa in each colony places an important pressure on bee health, we here address the question of how Varroa contributes to the recent surge in honey bee colony losses.ZusammenfassungSeit 2006 werden in Europa und Nordamerika katastrophale Völkerverluste gemeldet. Die Ursachen dieser Verluste waren nicht leicht zu erklären, sie wurden als überwinterungsbedingte Mortalitäten bewertet und unter dem Begriff Colony Collapse Disorder (CCD) zusammengefasst. Die meisten Wisenschaftler stimmen dahingehend überein, dass diesen Völkerverlusten keine Einzelursache zugrunde liegt, sondern, dass vermutlich verschiedene Stressfaktoren zusammenwirken. Da der Varroa-Befall einen wichtigen Druck auf die Gesundheit der Bienen in den Völkern darstellt, gingen wir der Frage nach, inwiefern Varroa an den seit kurzem beobachteten Völkerverlusten beteiligt sein kann.Verschiedene physikalische und physiologische Faktoren mit negativer Wirkung der Varroa-Milbe auf die Gesundheit der einzelnen Biene und den Volkszusammenhang sind bereits bekannt. So führt das wiederholte Saugen von Hämolymphe zu Verletzungen der Bienen, zu erniedrigten Werten im Proteingehalt, sowie dem Lebend- und Trockengewicht und zur Behinderungen in der Organentwicklung. Die parasitische Milbe und die von ihr übertragenen Viren führen zu morphologischen Fehlentwicklungen, reduzierter Widerstandskraft und Lebenserwartung und zu negativen Effekten auf die Flugdauer und Heimfindungsfähigkeit der Sammlerinnen. Die Milbe schwächt das Immunsystem der Bienen, indem die Expression von Genen der Immunantwort reduziert wird. Zusammen mit erhöhten DWV-Viren-Titern reduziert sie damit die Lebensfähigkeit der Arbeiterinnen und die Koloniefitness. Die Rolle der Varroa-Milbe als Vektor in der horizontalen und vertikalen Übertragung von Viren ist hingehend bekannt, und Ko-Infektionen von V. destructor mit verschiedenen Viren wurden bereits als wichtige Faktoren im Varroa-bedingten Zusammenbruch von Völkern beschrieben. V. destructor muss deshalb weiterhin als eine ernsthafte Bedrohung der Honibiene gelten, und weiterhin werden Honigbienenpopulationen weltweit durch diese parasitische Milbe dezimiert.Die Hypothese, dass CCD durch eindringende Varroa-Milben und ihre immunsuppressiven Fähigkeiten hervorgerufen wird, ist damit nicht auszuschliessen und wird durch die Befunde von vanEngelsdorp et al. (2009) gestärkt. Die Varroa-Milbe ist seit Jahren in den meisten Ländern vertreten, aus denen auch Völkerverluste gemeldet werden. Obwohl die Milbenpopulationen kontrolliert werden können, kann trotzdem spekulativ postuliert werden, dass die Verluste zumindest teilweise durch einen Varroa-Befall der Völker bedingt sein können. Welche Veränderungen in der Varroa-Biologie können also die jetzigen Verluste im Vergleich zu denen vor 20 Jahren erklären? Wir diskutieren potentielle Ursachen, einschliesslich Veränderungen in der Biologie und Populationsdynamik von Varroa und ihrem Wirt, der Kontrolle von Varroa durch Akarizide, indirekte Effekten der Varroa-Behandlungen, sowie synergistische Effekte multipler Faktoren.

Acaricide, Fungicide and Drug Interactions in Honey Bees (Apis mellifera)

Background Chemical analysis shows that honey bees (Apis mellifera) and hive products contain many pesticides derived from various sources. The most abundant pesticides are acaricides applied by beekeepers to control Varroa destructor. Beekeepers also apply antimicrobial drugs to control bacterial and microsporidial diseases. Fungicides may enter the hive when applied to nearby flowering crops. Acaricides, antimicrobial drugs and fungicides are not highly toxic to bees alone, but in combination there is potential for heightened toxicity due to interactive effects. Methodology/Principal Findings Laboratory bioassays based on mortality rates in adult worker bees demonstrated interactive effects among acaricides, as well as between acaricides and antimicrobial drugs and between acaricides and fungicides. Toxicity of the acaricide tau-fluvalinate increased in combination with other acaricides and most other compounds tested (15 of 17) while amitraz toxicity was mostly unchanged (1 of 15). The sterol biosynthesis inhibiting (SBI) fungicide prochloraz elevated the toxicity of the acaricides tau-fluvalinate, coumaphos and fenpyroximate, likely through inhibition of detoxicative cytochrome P450 monooxygenase activity. Four other SBI fungicides increased the toxicity of tau-fluvalinate in a dose-dependent manner, although possible evidence of P450 induction was observed at the lowest fungicide doses. Non-transitive interactions between some acaricides were observed. Sublethal amitraz pre-treatment increased the toxicity of the three P450-detoxified acaricides, but amitraz toxicity was not changed by sublethal treatment with the same three acaricides. A two-fold change in the toxicity of tau-fluvalinate was observed between years, suggesting a possible change in the genetic composition of the bees tested. Conclusions/Significance Interactions with acaricides in honey bees are similar to drug interactions in other animals in that P450-mediated detoxication appears to play an important role. Evidence of non-transivity, year-to-year variation and induction of detoxication enzymes indicates that pesticide interactions in bees may be as complex as drug interactions in mammals.

Using inert dusts to detect and assess varroa infestations in honey bee colonies

SUMMARY Detection and assessment of varroa infestations in honey bee colonies are important for successful beekeeping. We examined the use of inert dusts to dislodge mites from adult honey bees that were isolated from their nest. Six dusts (powdered sugar, fine sugar, wheat flour, talcum powder, corn starch and baking soda) were evaluated for their ability to dislodge mites from adult bees collected in jars. We obtained the highest recovery rate with powdered sugar (92.9 ± 5.5%) and talcum powder (84.0 ± 5.6%). We also examined mite survival after recovery with inert dusts and compared it to mite survival after recovery from brood. After 24 h mite survival was significantly greater when mites were recovered with corn starch, powdered sugar, and from brood (F = 22.88, d.f. = 6,35, P < 0.0001). Finally, ether and powdered sugar were compared as tools for detecting and assessing the degree of infestation. Powdered sugar did not differ from ether in detecting or assessing low (1–5 mites per sample) infestation levels (F = 2.81, d.f. = 1,49, P = 0.1). At medium (6–30 mites per sample) and high (> 30 mites per sample) infestation levels, more mites were recovered with powdered sugar (medium: F = 14.28, d.f. = 1,29, P = 0.008; high: F = 6.34, d.f. = 1,17, P = 0.023).

Eicosanoids act in nodulation reactions to bacterial infections in newly emerged adult honey bees, Apis mellifera, but not in older foragers

Nodulation is the first, and qualitatively predominant, cellular defense reaction to bacterial infections in insects. We tested the hypothesis that eicosanoids also mediate nodulation reactions to bacterial challenge in adults of a social insect, the honey bee, Apis mellifera. Treating newly-emerged experimental bees with the eicosanoid biosynthesis inhibitor, dexamethasone, impaired nodulation reactions to bacterial infections, and the influence of dexamethasone was reversed by treating infected insects with arachidonic acid, an eicosanoid precursor. Several other eicosanoid biosynthesis inhibitors, including the cyclooxygenase inhibitor, indomethacin, and the dual cyclooxygenase/lipoxygenase inhibitor, phenidone, also impaired the ability of experimental honeybees to form nodules in reaction to bacterial challenge. The influence of phenidone on nodulation was expressed in a dose-dependent manner. However, in experiments with older honey bees foragers, similar bacterial challenge did not evoke nodulation reactions. We infer from our results that while eicosanoids mediate cellular immune responses to bacterial infections in newly emerged honey bees, and more broadly, in most insect species, nodulation reactions to bacterial challenge probably do not occur in all phases of insect life cycles.

Comparative Toxicity of Acaricides to Honey Bee (Hymenoptera: Apidae) Workers and Queens

ABSTRACT Acaricides are used to treat honey bee (Apis mellifera L.) colonies to control the varroa mite (Varroa destructor Anderson & Trueman), a worldwide threat to honey bee health. Although acaricides control a serious honey bee parasite and mitigate bee loss, they may cause harm to bees as well. We topically applied five acaricides, each with a different mode of action, to young adult queen and worker bees to generate dose-response curves and LD50. Twenty-four hours after treatment, queens were found to be three-times more tolerant of tau-fluvalinate and six-times more tolerant of thymol than workers when adjusted for body weight differences between workers (108 mg) and queens (180 mg). Queens survived the highest administered doses of fenpyroximate (1620 µg/g) and coumaphos (2700 µg/g) indicating that queens are at least 11-fold more tolerant of coumaphos and at least 54-fold more tolerant of fenpyroximate than workers. However, queens treated with as little as 54 µg/g of fenpyroximate exhibited reduced survival over 6 wk after treatment. Amitraz was the only acaricide tested for which queens were not more tolerant than workers. The striking difference in acaricide tolerance of queen and worker honey bees suggests physiological differences in how the two castes are affected by xenobiotics.

A strategy for using powdered sugar to reduce varroa populations in honey bee colonies

SUMMARY We developed a technique to remove varroa (Varroa destructor) from adult honey bees (Apis mellifera) using powdered sugar. Our technique requires isolating a colonys adult bee population in a detachable box prior to powdered sugar application. We designed a detachable ‘bee box’ that connects to the colonys entrance and is capable of holding the adult bee population. By applying a bee repellent, Bee Goreg, to a colony, we forced adult bees into the bee box where they were subsequently dusted with 225 g of powdered sugar. Adult honey bee populations treated in this manner dropped 76.7 ± 3.6% (n = 28) of their mites.

Bee-to-bee contact drives oxalic acid distribution in honey bee colonies

Nine divided hives were constructed to study the distribution of oxalic acid (OA). Experimental colonies were split into two equal, queenright sections with one of three divider types. The first divider allowed trophallaxis to occur between adult bees on each side, but did not allow bee-to-bee contact. The second divider did not allow trophallaxis or bee-to-bee contact. The third divider allowed both bee-to-bee contact and trophallaxis between the two sides. All three dividers allowed gas exchange of volatile materials. The objective was to investigate factors that contribute to the distribution of OA in a hive by monitoring Varroa destructor mortality. Forty mL of a 3.5% OA sugar water solution was trickled on one side of the divider. Sticky boards were used to quantify mite fall before, during, and after OA treatment on both treated and untreated sides. Trophallactic interactions and fumigation did not significantly influence the distribution of OA. Bee-to-bee contact was the primary route for OA distribution.ZusammenfassungOxalsäure (OS) wird intensiv zur Bekämpfung von Varroa destructor in Europa und Kanada eingesetzt, zum einen wegen ihres hohen Wirkungsgrades (> 90 %) und zum anderen wegen der geringen Rückstandsgefahr (Charrière and Imdorf, 2002; Special Supplement, 2005). In den Vereinigten Staaten läuft das Zulassungsverfahren. OS wird im Bienenvolk entweder als Lösung mit Zuckerwasser auf die Bienen versprüht oder geträufelt oder aber als kleinste Kristalle bei hoher Hitze verdampft. Obwohl OS eine effektive Bekämpfungsmöglichkeit gegenüber V. destructor darstellt, sind die Wirkungsweise und die Verteilung im Bienenvolk ungeklärt.Mit dieser Studie sollten durch die Bestimmung der Mortalität von V. destructor unter verschiedenen Bedingungen Faktoren analysiert werden, die für die Verbreitung der OS innerhalb des Bienenstockes verantwortlich sind.Dabei wurde die Bedeutung von Gasaustausch, Trophallaxis und direktem Kontakt beim Träufeln der OS erfasst. Hierfür wurden neun Bienenkästen, die jeweils in zwei Einheiten unterteilt waren, verwendet. Die Testvölker wurden in zwei gleich große und weiselrichtige Einheiten unterteilt und durch einen von drei unterschiedlichen Trennschieden voneinander getrennt. Der erste Typ des Trennschiedes erlaubte Trophallaxis zwischen den Bienen der beiden Einheiten, aber keinen direkten Kontakt zwischen den Bienen der beiden Einheiten. Der zweite Typ erlaubte weder Trophallaxis noch direkten Kontakt. Der dritte erlaubte Trophallaxis und direkten Kontakt zwischen den Bienen beider Seiten. Bei allen drei Schieden war Gasaustausch möglich. 40 mL einer 3,5 % OS-Zuckerwasser-Lösung wurde dann auf die Bienen einer Seite des unterteilten Volkes geträufelt. Auf Bodeneinlagen, die mit Klebstoff versehen waren, wurde der Milbenabfall vor und nach Behandlung sowohl im behandelten als auch im unbehandelten Teil erfasst.In Tabelle III sind die Mittelwerte der jeweils sechs Behandlungen als Prozent der Abnahme des Varroa-Befalls zusammengefasst dargestellt. In der „divider/treatment“-Säule ist aufgeführt, ob bei der ausgewerteten Einheit OS direkt angewendet wurde („OA treated side“) oder nicht („untreated side“).Es gab keinen Unterschied im prozentualen Milbenfall bei den Einheiten, die mit OS behandelt wurden unabhängig vom Typ des Trennschiedes. Bei den nicht behandelten Einheiten hatten die mit Königinnenabsperrgitter abgetrennten Testvölker einen signifikant höheren Milbenfall als solche mit Einfach-oder Doppelgitter getrennte Einheiten. Trophallaxis und Gasaustausch beeinflusste die Verteilung der OS nicht signifikant.Lediglich das Trennschied aus Königinnenabsperrgitter erlaubte den Arbeiterinnen freie Bewegung zwischen den beiden Einheiten und damit Biene zu Biene Kontakt zwischen behandelter und unbehandelter Seite. Tabelle III zeigt, dass Biene zu Biene Kontakt der entscheidende Weg für die Verbreitung der OS ist, da die mit Absperrgitter geteilten Testvölker einen signifikant höheren Milbenfall aufwiesen (65%) als Testvölker, die durch die zwei unterschiedlichen Gitter voneinander getrennt waren. Unsere Ergebnisse sollen Imkern und Bienenwissenschaftlern ein besseres Verständnis über die Verteilung von OS im Bienenvolk geben und dazu beitragen, Applikationsformen mit einer noch effektiveren Verteilung der OS zu entwickeln.

Developing an in vivo toxicity assay for RNAi risk assessment in honey bees, Apis mellifera L.

Maize plants expressing dsRNA for the management of Diabrotica virgifera virgifera are likely to be commercially available by the end of this decade. Honey bees, Apis mellifera, can potentially be exposed to pollen from transformed maize expressing dsRNA. Consequently, evaluation of the biological impacts of RNAi in honey bees is a fundamental component for ecological risk assessment. The insecticidal activity of a known lethal dsRNA target for D. v. virgifera, the vATPase subunit A, was evaluated in larval and adult honey bees. Activity of both D. v. virgifera (Dvv)- and A. mellifera (Am)-specific dsRNA was tested by dietary exposure to dsRNA. Larval development, survival, adult eclosion, adult life span and relative gene expression were evaluated. The results of these tests indicated that Dvv vATPase-A dsRNA has limited effects on larval and adult honey bee survival. Importantly, no effects were observed upon exposure of Am vATPase-A dsRNA suggesting that the lack of response involves factors other than sequence specificity. The results from this study provide guidance for future RNAi risk analyses and for the development of a risk assessment framework that incorporates similar hazard assessments.

Evaluating sub-lethal effects of orchard-applied pyrethroids using video-tracking software to quantify honey bee behaviors

Managed honey bee, Apis mellifera L., colonies are contracted to pollinate fruit and nut orchards improving crop quality and yield. Colonies placed in orchards are potentially exposed to pyrethroid insecticides used for broad-spectrum pest control. Pyrethroids have been reported to pose minimal risk to bees due to their low application rates in the field and putative repellent properties. This repellency is believed to alter foraging behavior with the benefit of preventing bees from encountering a lethal dose in the field. However, sub-lethal exposure to pyrethroids may adversely impact bee behavior potentially resulting in social dysfunction or disruption of foraging. This study quantified behaviors associated with sub-lethal exposure to orchard-applied pyrethroids including, lambda-cyhalothrin, esfenvalerate, and permethrin, using video tracking software, Ethovision XT (Noldus Information Technologies). Bee locomotion, social interaction, and time spent near a food source were measured over a 24-h period. Bees treated with a pyrethroid traveled 30-71% less than control bees. Social interaction time decreased by 43% for bees treated with a high sub-lethal dose of esfenvalerate. Bees exposed to a high sub-lethal dose of permethrin spent 67% less time in social interaction and spent more than 5 times as long in the food zone compared to control bees.