Study of pesticide effects on non-target organisms

A utilização insustentável de pesticidas, especialmente em zonas com elevado valor ecológico constitui uma ameaça à integridade dos ecossistemas. Sendo um problema à escala mundial, e também no contexto nacional, o presente trabalho pretende ser um contributo para a avaliação dos efeitos de pesticidas em organismos não alvo terrestres e, principalmente, aquáticos, em contextos de progressiva relevância ecológica. Neste sentido, o estudo foi direccionado para áreas (A1 e A2) integradas numa zona agrícola extensa em Portugal, utilizada para a produção de milho e, principalmente, de arroz (Baixo Mondego), a qual sustenta uma elevada biodiversidade. O estudo teve início na área A1, onde a monitorização físico-química e os ensaios com amostras naturais (ensaios WET - whole effluent tests) provenientes desta área evidenciaram que, apesar da ausência de pesticidas, as amostras de água colhidas no canal que atravessava os arrozais foram as mais nocivas para o crescimento de Pseudokirchneriella subcapitata e Chlorella vulgaris. Uma vez que outras fontes de contaminação (produção de gado) actuavam em A1, o estudo prosseguiu apenas na área A2. Assim, em A2, começou-se por determinar a toxicidade individual e da mistura de dois herbicidas formulados aplicados nos campos de arroz (Viper®) e milho (Mikado®) em condições laboratoriais. Viper® foi o herbicida mais tóxico, tanto para o crescimento de P. subcapitata e C. vulgaris, como para a sobrevivência, reprodução e crescimento de Daphnia longispina e Daphnia magna. Adicionalmente, estimou-se que a mistura Viper®/Mikado® induz efeitos antagonistas no crescimento de P. subcapitata e efeitos sinérgicos no crescimento de C. vulgaris e na sobrevivência dos dafnídeos. A avaliação da toxicidade destes herbicidas formulados e seus ingredientes activos no comportamento de minhocas terrestres (Eisenia andrei), usando solos naturais, demonstrou que Viper® e penoxsulam causaram uma % de evitamento superior nos organismos expostos. Contudo, o risco para E. andrei será à partida reduzido se as taxas de aplicação dos herbicidas forem respeitadas. Ensaios WET foram novamente usados para testar amostras naturais da área A2. Verificou-se que a qualidade do sistema aquático e do arrozal diminuiu durante a estação agrícola, em paralelo com a presença de nutrientes e pesticidas. O crescimento algal foi inibido, apesar dos parâmetros de história de vida dos dafnídeos terem sido estimulados. O resultado desta avaliação subestimou, em certos casos, os impactos reais causados pela aplicação de pesticidas. A avaliação in situ simultânea à aplicação de herbicidas nos arrozais demonstrou que os efeitos registados foram de facto restritos aos pulsos de herbicidas. A inibição das taxas de alimentação de D. longispina e D. magna forneceram um sinal precoce de alterações no sistema, seguido pela diminuição da sua sobrevivência e do crescimento de P. subcapitata. Em suma, as diferentes fases da avaliação efectuada confirmaram a existência de condições desfavoráveis devido às práticas agrícolas, reforçando a necessidade de se conjugar ensaios laboratoriais com avaliações in situ de maior relevância ecológica, para reduzir o grau de incerteza aliado à determinação dos riscos.

Environmental impacts of freshwater use and suspended solids in life cycle assessment

Perturbation of natural ecosystems, namely by increasing freshwater use and its degradative use, as well as topsoil erosion by water of land-use production systems, have been emerging as topics of high environmental concern. Freshwater use has become a focus of attention in the last few years for all stakeholders involved in the production of goods, mainly agro-industrial and forest-based products, which are freshwater-intensive consumers, requiring large inputs of green and blue water. This thesis presents a global review on the available Water Footprint Assessment and Life Cycle Assessment (LCA)-based methods for measuring and assessing the environmental relevance of freshwater resources use, based on a life cycle perspective. Using some of the available midpoint LCA-based methods, the freshwater use-related impacts of a Portuguese wine (white ‘vinho verde’) were assessed. However, the relevance of environmental green water has been neglected because of the absence of a comprehensive impact assessment method associated with green water flows. To overcome this constraint, this thesis helps to improve and enhance the LCA-based methods by providing a midpoint and spatially explicit Life Cycle Impact Assessment (LCIA) method for assessing impacts on terrestrial green water flow and addressing reductions in surface blue water production caused by reductions in surface runoff due to land-use production systems. The applicability of the proposed method is illustrated by a case study on Eucalyptus globulus conducted in Portugal, as the growth of short rotation forestry is largely dependent on local precipitation. Topsoil erosion by water has been characterised as one of the most upsetting problems for rivers. Because of this, this thesis also focuses on the ecosystem impacts caused by suspended solids (SS) from topsoil erosion that reach freshwater systems. A framework to conduct a spatially distributed SS delivery to freshwater streams and a fate and effect LCIA method to derive site-specific characterisation factors (CFs) for endpoint damage on aquatic ecosystem diversity, namely on algae, macrophyte, and macroinvertebrates organisms, were developed. The applicability of this framework, combined with the derived site-specific CFs, is shown by conducting a case study on E. globulus stands located in Portugal as an example of a land use based system. A spatially explicit LCA assessment was shown to be necessary, since the impacts associated with both green water flows and SS vary greatly as a function of spatial location.

Ultrastructure and phylogeny of peridinioid dinoflagellates

Os dinoflagelados são um grupo muito diverso de protistas que possuem um conjunto de características pouco comuns. Os peridinióides são dinoflagelados com teca que é formada por seis séries latitudinais de placas, incluindo a série cingular e um anel incompleto de placas intercalares anteriores, embora as últimas estejam ausentes em algumas espécies de Peridiniopsis. São dinoflagelados com simetria bilateral em relação ao plano apical que contem o eixo dorso-ventral. Na série sulcal há apenas uma placa posterior que contacta com o limite ventral de duas grandes placas antapicais. Entre os peridinióides, a presença ou ausência de um poro apical e o número de placas no cíngulo são geralmente consideradas marcas filogenéticas importantes ao nível de género ou família. Actualmente, a definição de Peridinium Ehrenberg, o dinoflagelado mais comum de água doce, inclui organismos com combinações diferentes destas duas características. Trabalhos anteriores sobre a ultrastrutura e afinidade filogenética das espécies tipo de Peridinium, P. cinctum, e Peridiniopsis Lemmermann, P. borgei também sugerem a necessidade de reexaminar as relações taxonómicas dos peridinióides. Esta tese combina o estudo ultrastrutural de uma selecção de espécies com hipóteses filogenéticas baseadas nas sequências de LSU rDNA, para aumentar o nosso conhecimento das diferenças e afinidades dentro dos peridinióides. Tem como objectivo aumentar o nosso conhecimento das características individuais das células que possam levar a reconhecer sinapomorfias que possam ser usadas como marcadores dos peridinióides como um todo e dos seus subgrupos. As espécies escolhidas para exame pormenorizado foram: Peridinium palatinum Lauterborn, de um grupo com duas placas intercalares anteriores, seis placas cingulares e sem poro apical; Peridinium lomnickii Wo!oszy"ska, de um grupo com poro apical, três placas intercalares e seis cingulares; Peridiniopsis berolinensis (Lemmermann) Bourrelly, uma espécie heterotrófica com poro apical, sem placas intercalares e com seis placas cingulares; e Sphaerodinium cracoviense Wo!oszy"ska, um membro de um género de formas com teca com um tipo de tabulação marginalmente peridinióide, com um suposto poro apical e quatro placas intercalares anteriores. Peridinium palatinum difere de Peridinium e Peridiniopsis típicos, quer em características da teca, quer internas. As diferenças estimadas entre as sequências parciais de LSU rDNA de P. palatinum e a espécie próxima P. pseudolaeve, relativamente a P. cinctum são comparativamente grandes e, juntamente com a topologia da árvore filogenética, apoiam a separação de P. palatinum e formas próximas ao nível de género. Palatinus nov. gen. foi, então, descrito com as novas combinações Palatinus apiculatus nov. comb. (espécie tipo; sin. Peridinium palatinum), P. apiculatus var. laevis nov. comb. e P. pseudolaevis nov. comb.. As características distintivas de Palatinus incluem uma superfície das placas lisa ou um tanto granulosa, mas não areolada, um grande pirenóide central penetrado por canais citoplasmáticos e de onde radiam lobos plastidiais, e a presença de uma fiada microtubular homóloga à de um pedúnculo. As células de Palatinus saem da teca pela zona antapicalpos- cingular. Peridinium lomnickii apresenta tabulação semelhante às formas marinhas, produtoras de quistos calcários, do género Scrippsiella A.R. Loeblich. Para comparação, adicionámos novas observações ultrastruturais de S. trochoidea. Peridinium lomnickii tem uma combinação de características diferente de Peridinium, Peridiniopsis e Scrippsiella. As hipóteses filogenéticas baseadas em DNA colocam P. lomnickii no mesmo ramo que Pfiesteria Steidinger et Burkholder, Tyrannodinium e outras Pfiesteriaceae, com as quais partilha um "microtubular basket" e uma ligação peculiar entre duas placas do sulco. As características distintivas do novo género proposto Chimonodinium gen. ined. incluem, além da tabulação, a ausência de pirenóides, a presença de um "microtubular basket" com quatro ou cinco fiadas sobrepostas de microtúbulos associados a um pequeno pedúnculo, um sistema pusular com tubos pusulares bem definidos ligados aos canais flagelares, e a produção de quistos não calcários. Peridiniopsis berolinensis partilha várias características significativas com Pfiesteria e afins, como um "microtubular basket" com a capacidade de suportar um tubo de alimentação, quimiossensibilidade para encontrar presas apropriadas, o modo de natação junto às presas e a organização geral da célula. Hipóteses filogenéticas com base em LSU rDNA confirmam a afinidade entre P. berolinensis e Pfiesteria bem como a relação mais remota com a espécie tipo de Peridiniopsis, P. borgei. Estas razões justificam a proposta de Tyrannodinium gen. nov., uma nova Pfiesteriaceae que difere de outros membros do grupo por viver em água doce e nos pormenores da tabulação. Sphaerodinium cracoviense revelou a tabulação típica do género Sphaerodinium, que apresenta um número de placas intercalares superiores e pos-cingulares maior que o que é típico em peridinióides: 4 e 6, respectivamente. Observações em SEM mostraram uma estrutura apical diferente da dos peridinióides, e um sulco apical numa das placas fazendo lembrar a área apical de alguns woloszynskióides. Os pormenores do aparelho flagelar e do sistema pusular ligam o Sphaerodinium aos woloszynskióides em geral e ao género Baldinia em particular, mas não aos peridinióides. O volumoso estigma de S. cracoviense revelou ser extraplastidial e de um modelo único, composto por elementos que se encontram em woloszynskióides, mas nunca encontrados anteriormente juntos. A análise filogenética baseada nas sequências parciais de LSU rDNA também sugerem uma maior proximidade de S. cracoviense com os woloszynskióides do que com os peridinióides. Futuras análises pormenorizadas de dinoflagelados peridinióides, em especial entre os do numeroso grupo de espécies com poro apical, serão necessárias para clarificar as suas relações taxonómicas; e a produção de descrições melhoradas das características finas particulares das células serão um requisito para perceber a evolução dos caracteres dos peridinióides por forma a podermos identificar marcadores filogenéticos.

The use of biomarkers to diagnose the ecological impact of pollutants in Mediterranean rivers

Um assunto que requer atenção é a avaliação ecológica da qualidade da água de ecossistemas de água doce. Uma abordagem que surge como promissora é a biomonitorização baseada em biomarcadores, porque pode avaliar a saúde dos organismos e obter sinais de alerta precoce acerca dos riscos ambientais. Até agora, porém, o uso de biomarcadores em espécies de invertebrados, para diagnosticar danos ecológicos nos rios, é escasso. Por essa razão, existe uma necessidade urgente de desenvolver biomarcadores nas principais espécies de macroinvertebrados dos ecossistemas fluviais que são alvo de estudo. Esta tese tem como objectivo averiguar se as respostas in situ, aliadas aos biomarcadores, podem ser um método viável para avaliar os danos ecológicos de contaminantes em ecossistemas de água doce. Numa primeira fase, os biomarcadores foram usados para averiguar os mecanismos fisiológicos de adaptação genética de clones de Daphnia magna ao pesticida organofosforado fenitrothion. Numa segunda fase, os biomarcadores foram usados como ferramentas de diagnóstico de poluição em zonas ribeirinhas. Estes estudos foram realizados com três espécies-chave de macroinvertebrados: Daphnia magna, Corbicula fluminea e Hydropsyche exocellata, nos rios Besós e Llobregat e no Delta do rio Ebro (NE Espanha). Além disso, foram realizados com animais capturados nos rios, ou com ensaios de transplantes, e foram complementados com índices biológicos de macroinvertebrados e análises químicas da água e dos animais. Como os contaminantes químicos têm vários modos toxicológicos de acção e, portanto, afectam várias respostas bioquímicas dos organismos, foram analisados nas três espécies um conjunto de biomarcadores pertencentes a diferentes vias metabólicas. A abordagem experimental indica que o uso combinado de biomarcadores e outras medidas, tais como índices biológicos e testes in situ, contribui para diagnosticar os efeitos prejudiciais de contaminantes nas comunidades ribeirinhas.

Toxicity assessment of essential metals in aquatic detritivores

Os contaminantes provenientes quer de fontes naturais quer como consequência da atividade humana, têm contribuído para a degradação dos ecossistemas aquáticos. Entre estes encontram-se os metais que podem, ou não ser essenciais mediante o papel que desempenham no metabolismo dos organismos. O cobre e o zinco são exemplos de metais essenciais, contudo quando atingem concentrações elevadas podem tornar-se tóxicos. Os detritívoros aquáticos desempenham um papel fundamental na decomposição da matéria orgânica, alimentando-se de carcaças e partes de plantas que caem nos cursos de água. Assim, estes organismos permitem que o ciclo dos nutrientes se complete e servem como elo de ligação entre todos os grupos funcionais do ecossistema mantendo o seu equilíbrio estrutural e funcional. Sendo a matéria orgânica a sua principal fonte de energia estão sujeitos à contaminação existente no meio, pelo que é de todo o interesse proceder-se à avaliação dos efeitos da toxicidade de metais nestes organismos. Uma vez que as diferenças comportamentais consequentes desta exposição podem originar variações na densidade e diversidade, o que se refletirá a nível das comunidades, originando alterações na estrutura e funcionamento do ecossistema. Tendo em vista a avaliação dos efeitos da contaminação por metais em detritívoros, o principal objetivo deste trabalho foi comparar a sensibilidade a metais essenciais de dois detritivoros aquáticos, o camarão Atyaephyra desmarestii e o anfípode Echinogammarus meridionalis. Para tal, avaliaram-se os efeitos do cobre e do zinco a diferentes níveis de organização biológica. Primeiro, foram determinadas as preferências alimentares de A. desmarestii e E. meridionalis considerando tanto a área das folhas como a contaminação por metais das folhas. Em seguida, avaliaram-se os efeitos do cobre e do zinco na sobrevivência e inibição alimentar de ambas as espécies. Finalmente, avaliaram-se os efeitos destes mesmos metais a nível bioquímico utilizando uma bateria de biomarcadores que incluiu enzimas de stresse oxidativo, o sistema de defesa antioxidante e as colinesterases. Ambos os organismos não mostraram preferência em relação a folhas de área diferente. A presença de uma maior ou menor concentração de metais essenciais no alimento não teve qualquer influência na sua escolha pelo alimento (contaminado ou não). Os ensaios agudos de cobre e zinco mostraram que o cobre é mais tóxico para ambas as espécies do que o zinco. O camarão demonstrou ser mais sensível ao zinco que o anfípode, tendo este sido mais sensível ao cobre ( CL50 do cobre para A. desmarestii foi de 0,128 mg.l-1 e o de E. meridionalis foi de 0,050 mg.l-1; os valores correspondentes para o zinco foram 7,951 e 11,860 mg.l-1, respectivamente. Em relação aos efeitos subletais, o cobre teve efeitos notórios na taxa de alimentação de E. meridionalis, mas não afectou a de A. desmarestii. No que diz respeito à exposição ao zinco, ambas as espécies parecem apresentar tendência para inibir a alimentação. A caracterização das colinesterases revelou que a principal forma presente em ambas as espécies é a acetilcolinesterase, a qual que não foi afetada pela presença dos metais, no caso do camarão, mas parece ser inibida pelo zinco no caso do anfípode. O cobre inibiu o sistema de defesa enzimático de ambas as espécies, sem sinais de danos lipídicos. Para além disto, inibiu uma das enzimas antioxidantes (GPx) do anfípode. Apesar de não ter ocorrido dano lipídico após exposição ao cobre, observou-se um ligeiro aumento dos níveis das LPO, o que pode ser indicativo de uma potencial existência de dano oxidativo, como resultado da falha do sistema de defesa antioxidante. Por outro lado, o zinco induziu o sistema de defesa em E. meriodionalis prevenindo o dano lipídico. Enquanto em A. desmarestii o sistema enzimático antioxidante não respondeu, tendo ocorrido dano celular oxidativo considerando-se, assim, que o sistema de defesa antioxidante do camarão pode ser comprometido por exposição a metais. Ainda que os danos celulares oxidativos tivessem ocorrido a baixas concentrações de zinco. A exposição a este metal também induziu a actividade da GST de E. meriodionalis. Considerando que a taxa de alimentação foi severamente reduzida no caso deste organismo, o zinco parece ser o metal cuja concentração no ecossistema requer maior atenção. Integrando as respostas dos biomarcadores parece também evidente que A. desmarestii responde de uma maneira geral a maiores concentrações dos dois metais, enquanto a resposta de E. meridionalis ocorre a concentrações inferiores. Pelo que, E. meridionalis parece ser mais sensível ao nível bioquímico. Neste trabalho, os dois detritívoros, com ligeiras diferenças no modo como utilizam a matéria orgânica disponível, apresentam diferenças na sensibilidade aos metais essenciais a vários níveis de organização biológica, sendo o zinco o metal que poderá causar maior preocupação a nível bioquímico, enquanto o cobre parece ser o mais tóxico ao nível do organismo, causando mortalidade a concentrações mais baixas.

Avaliação ecológica do efeito combinado de contaminantes ambientais

The assessment of ecological status of lotic freshwater bodies, based on stringent criteria of classification, has been defined by the Water Framework Directive (WFD), as a result of the implementation and optimization of methodologies that integrate physico-chemical, biological, and hydromorphological parameters. It is recognized that the application of this methodology is not easy, because it requires deep technical and scientific knowledge; it is time consuming in its application involving high financial costs. Thus, the main objective of this study was the development of cheaper and faster complementary methodologies that may contribute to the technical application of the classification criteria defined by the WFD, achieving the same final results of evaluation. In order to achieve this main goal, the river Mau, a small mountain river subjected to different stressors (eg, metals, pesticides), was established as the main sampling area. This thesis reviewed the historical development of various biotic indexes and its application in assessing water quality, especially highlighting the new paradigm defined by the WFD, and the corresponding actions developed for optimization and intercalibration of methodologies, evaluating the final state of water bodies. The ecological spatiotemporal characterization of the river Mau focused on the application of the WFD methodology, using at this stage only macroinvertebrates collected during four seasons. Results were compared with historical data of the last three years and they demonstrated that the river is in good condition. However, the ecological quality decreased at certain locations indicating that organisms were subjected to some type of disturbance. As the ecological quality can be conditioned by pulses of contamination from the sediments, in environmental adverse conditions, assays were performed with elutriates, obtained from sediments collected near the mining complex Braçal-Palhal. Results showed that this method was effective achieving the state of contamination, which may be important in prioritizing/scoring of critical areas within river ecosystems potentially impacted, using the WFD methodology. However, this methodology requires the collection of sediment which can promote the modification and / or loss of contaminants. To solve this potential problem, we developed a new methodology to obtain similar results. For this, we used a benthic microalga, belonging to the Portuguese flora, sensitive to organic pollution and metals. This methodology was optimized for application in situ, by immobilization of diatom in calcium alginate beads. The results showedthat their sensitivity and normal growth rate are similar to data obtained when used free cells of diatom. This new methodology allowed the achievement of a very quick response on the degree of contamination of a site, providing a complementary methodology to WFD.

Toxicogenomics of natural and anthropogenic effectors in eleutheroembryos

The introduction of chemicals into the environment by human activities may represent a serious risk to environmental and human health. Environmental risk assessment requires the use of efficient and sensitive tools to determine the impact of contaminants on the ecosystems. The use of zebrafish for the toxicity assessment of pharmaceuticals, drugs, and pollutants, is becoming well accepted due to zebrafish unique advantages for the screening of compounds for hazard identification. The aim of the present work is to apply toxicogenomic approaches to identify novel biomarkers and uncovered potential modes of action of classic and emergent contaminants able to disrupt endocrine systems, such as the Retinoic Acid Receptor, Retinoid X Receptor and the Aryl Hydrocarbon Receptor. This study relies on different nuclear and cytosolic protein receptors and other conditional (ligand- or stress- activated) transcriptional factors that are intimately involved in the regulation of defensome genes and in mechanisms of chemical toxicity. The transcriptomic effects of organic compounds, endogenous compounds, and nanoparticles were analysed during the early stages of zebrafish development. Studying the gene expression profiles of exposed and unexposed organisms to pollutants using microarrays allowed the identification of specific gene markers and to establish a "genetic code" for the tested compounds. Changes in gene expression were observed at toxicant concentrations that did not cause morphological effects. Even at low toxicant concentrations, the observed changes in transcript levels were robust for some target genes. Microarray responses of selected genes were further complemented by the real time quantitative polymerase chain reaction (qRT-PCR) methodology. The combination of bio-informatic, toxicological analyses of differential gene expression profiles, and biochemical and phenotypic responses across the treatments allowed the identification of uncovered potential mechanisms of action. In addition, this work provides an integrated set of tools that can be used to aid management-decision making by improving the predictive capability to measure environmental stress of contaminants in freshwater ecosystems. This study also illustrates the potential of zebrafish embryos for the systematic, large-scale analysis of chemical effects on developing vertebrates.

Combined effects of chemical and natural stressors to soil organisms and plants

Nas últimas décadas, a Terra tem experimentado um aquecimento global e mudanças nos padrões de precipitação. Muitos estudos sobre a avaliação de risco de agrotóxicos em organismos não-alvo foram realizados com base em protocolos padronizados, com condições abióticas controladas. Mas, em campo, os organismos são expostos a flutuações de vários fatores ambientais, bem como a poluentes, que podem alterar os limites de tolerância dos organismos aos stressores naturais, bem como alterar a toxicidade ou biodisponibilidade do químico em causa. Considerando isso, o principal objetivo deste trabalho foi o de avaliar de que modo e em que medida os fatores ambientais (temperatura, humidade do solo e radiação UV) podem interagir uns com os outros ou afetar a toxicidade do carbaril para invertebrados do solo e plantas. Para isso, foram utilizadas quatro espécies padrão: Folsomia candida, Eisenia andrei, Triticum aestivum e Brassica rapa, e simulados diferentes cenários climáticos, com vários parâmetros letais e subletais analisados. A exposição combinada foi analisada utilizando, quando possível, a ferramenta MIXTOX, com base no modelo de referência de acção independente (IA) e possíveis desvios, assim como rácios sinergísticos/antagonísticos (a partir de valores de EC50/LC50), quando a dose-resposta de um dos stressores não foi obtida. Todos os fatores de stress aplicados isoladamente causaram efeitos significativos sobre as espécies testadas e sua exposição combinada com carbaril, apresentaram respostas diferenciadas: para as minhocas, a seca e temperaturas elevadas aumentaram os efeitos deletérios do carbaril (sinergismo), enquanto o alagamento e temperaturas baixas diminuíram sua toxicidade (antagonismo). Para os colêmbolos, o modelo IA mostrou ser uma boa ferramenta para prever a toxicidade do carbaril tanto para temperaturas altas como para as baixas. Para as duas espécies de plantas foram encontradas diferenças significativas entre elas: em termos gerais, as interações entre carbaril e os stressores naturais foram observadas, com sinergismo aparecendo como o padrão principal relacionado com a radiação UV, solos secos e temperaturas elevadas, enquanto o padrão principal relacionado com temperaturas baixas e stress de alagamento foi o antagonismo. Quando os efeitos de dois stressores naturais (radiação UV e humidade do solo) em plantas foram avaliados, uma interação significativa foi encontrada: a seca aliviou o efeito deletério da radiação UV em T. aestivum e o alagamento aumentou os seus efeitos, mas para B. rapa a adição de ambos os stresses de água causou um aumento (sinergismo) dos efeitos deletérios da radiação UV para todos os parâmetros avaliados. Portanto é necessário que as diferenças sazonais e latitudinais, bem como as mudanças climáticas globais, sejam integradas na avaliação de risco de contaminantes do solo.

Effects of environmental factors on the toxicity of pesticides to zebrafish embryos

During the last century mean global temperatures have been increasing. According to the predictions, the temperature change is expected to exceed 1.5ºC in this century and the warming is likely to continue. Freshwater ecosystems are among the most sensitive mainly due to changes in the hydrologic cycle and consequently changes in several physico-chemical parameters (e.g. pH, dissolved oxygen). Alterations in environmental parameters of freshwater systems are likely to affect distribution, morphology, physiology and richness of a wide range of species leading to important changes in ecosystem biodiversity and function. Moreover, they can also work as co-stressors in environments where organisms have already to cope with chemical contamination (such as pesticides), increasing the environmental risk due to potential interactions. Therefore, the objective of this work was to evaluate the effects of climate change related environmental parameters on the toxicity of pesticides to zebrafish embryos. The following environmental factors were studied: pH (3.0-12.0), dissolved oxygen level (0-8 mg/L) and UV radiation (0-500 mW/m2). The pesticides studied were the carbamate insecticide carbaryl and the benzimidazole fungicide carbendazim. Stressors were firstly tested separately in order to derive concentration- or intensity-response curves to further study the effects of binary combinations (environmental factors x pesticides) by applying mixture models. Characterization of zebrafish embryos response to environmental stress revealed that pH effects were fully established after 24 h of exposure and survival was only affected at pH values below 5 and above 10. Low oxygen levels also affected embryos development at concentrations below 4 mg/L (delay, heart rate decrease and edema), and at concentrations below 0.5 mg/L the survival was drastically reduced. Continuous exposure to UV radiation showed a strong time-dependent impact on embryos survival leading to 100% of mortality after 72 hours of exposure. The toxicity of pesticides carbaryl and carbendazim was characterized at several levels of biological organization including developmental, biochemical and behavioural allowing a mechanistic understanding of the effects and highlighting the usefulness of behavioural responses (locomotion) as a sensitive endpoint in ecotoxicology. Once the individual concentration response relationship of each stressor was established, a combined toxicity study was conducted to evaluate the effects of pH on the toxicity of carbaryl. We have shown that pH can modify the toxicity of the pesticide carbaryl. The conceptual model concentration addition allowed a precise prediction of the toxicity of the jointeffects of acid pH and carbaryl. Nevertheless, for alkaline condition both concepts failed in predicting the effects. Deviations to the model were however easy to explain as high pH values favour the hydrolysis of carbaryl with the consequent formation of the more toxic degradation product 1- naphtol. Although in the present study such explanatory process was easy to establish, for many other combinations the “interactive” nature is not so evident. In the context of the climate change few scenarios predict such increase in the pH of aquatic systems, however this was a first approach focused in the lethal effects only. In a second tier assessment effects at sublethal level would be sought and it is expectable that more subtle pH changes (more realistic in terms of climate changes scenarios) may have an effect at physiological and biochemical levels with possible long term consequences for the population fitness.