Organohalogen contaminants in wildlife from the Yangtze River Delta : Development of methods and assessments of legacy and emerging persistent organic pollutants

Rapid economic development has occurred during the past few decades in China with the Yangtze River Delta (YRD) area as one of the most progressive areas. The urbanization, industrialization, agricultural and aquaculture activities result in extensive production and application of chemicals. Organohalogen contaminants (OHCs) have been widely used as i.e. pesticides, flame retardants and plasticizers. They are persistent, bioaccumulative and pose a potential threat to ecosystem and human health. However, limited research has been conducted in the YRD with respect to chemicals environmental exposure. The main objective of this thesis is to investigate the contamination level, distribution pattern and sources of OHCs in the YRD. Wildlife from different habitats are used to indicate the environmental pollution situation, and evaluate selected matrices for use in long term biomonitoring to determine the environmental stress the contamination may cause. In addition, a method is developed for dicofol analysis. Moreover, a specific effort is made to introduce statistic power analysis to assist in optimal sampling design. The thesis results show extensive contamination of OHCs in wildlife in the YRD. The occurrences of high concentrations of chlorinated paraffins (CPs) are reported in wildlife, in particular in terrestrial species, (i.e. short-tailed mamushi snake and peregrine falcon). Impurities and byproducts of pentachlorophenol products, i.e. polychlorinated diphenyl ethers (PCDEs) and hydroxylated polychlorinated diphenyl ethers (OH-PCDEs) are identified and reported for the first time in eggs from black-crowned night heron and whiskered tern. High concentrations of octachlorodibenzo-p-dioxin (OCDD) are determined in these samples. The toxic equivalents (TEQs) of polychlorinated dibenzo-p-dioxin (PCDDs) and polychlorinated dibenzofurans (PCDFs) are at mean levels of 300 and 520 pg TEQ g-1lw (WHO2005 TEQ) in eggs from the two bird species, respectively. This is two orders of magnitude higher than European Union (EU) regulation limit in chicken eggs. Also, a novel pattern of polychlorinated biphenyls (PCBs) with octa- to decaCBs, contributing to as much as 20% of total PCBs therein, are reported in birds. The legacy POPs shows a common characteristic with relatively high level of organochlorine pesticides (i.e. DDT, hexacyclohexanes (HCHs) and Mirex), indicating historic applications. In contrast, rather low concentrations are shown of industrial chemicals such as PCBs and polybrominated diphenyl ethers (PBDEs). A refined and improved analytical method is developed to separate dicofol from its major decomposition compound, 4,4’-dichlorobenzophenone. Hence dicofol is possible to assess as such. Statistic power analysis demonstrates that sampling of sedentary species should be consistently spread over a larger area to monitor temporal trends of contaminants in a robust manner. The results presented in this thesis show high CPs and OCDD concentrations in wildlife. The levels and patterns of OHCs in YRD differ from other well studied areas of the world. This is likely due to the extensive production and use of chemicals in the YRD. The results strongly signal the need of research biomonitoring programs that meet the current situation of the YRD. Such programs will contribute to the management of chemicals and environment in YRD, with the potential to grow into the human health sector, and to expand to China as a whole.

Fonctionnement et dynamiques des processus décisionnels de gestion des pesticides en France et au Canada

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Fonctionnement et dynamiques des processus décisionnels de gestion des pesticides en France et au Canada

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Potential adverse health effects of persistent organic pollutants on sea turtles: Evidences from a cross-sectional study on Cape Verde loggerhead sea turtles

[EN] The Cape Verde nesting population of loggerhead sea turtles (Caretta caretta) is the third largest population of this species in the world. For conservation purposes, it is essential to determine how these reptiles respond to different types of anthropogenic contaminants. We evaluated the presence of organochlorine pesticides (OCPs), polychlorinated biphenyls (PCBs), and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in the plasma of adult nesting loggerheads from Boa Vista Island, Cape Verde, and studied the effects of the contaminants on the health status of the turtles using hematological and biochemical parameters. All turtles had detectable levels of non-dioxin like PCBs, whereas dioxin-like congeners (DL-PCBs) were detected in only 30% of the turtles.

The Use of Multi-Criteria Decision Analysis in Performing Alternatives Assessment and Comparative Risk Analysis: The Case Study of Codling Moth Pesticides

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-08

Effet des pesticides MCPA et imidaclopride sur la régulation des voies de signalisation du récepteur à la dioxine (AhR) et au récepteur aux androgènes (AR)

Avec l’ère industrielle sont venus les polluants environnementaux. Ils sont de plus en plus pointés du doigt pour une variété d’effets indésirables en particulier pour leur potentiel à affecter la santé humaine. Les pesticides font partie de ces polluants et leurs usages ne font que croître depuis une vingtaine d’années. Ces produits qui servent à améliorer la production agricole en éliminant les pestes qui ravagent les récoltes sont souvent peu étudiés à long terme avant d’être homologués. L’effet perturbateur au niveau cellulaire et les effets à long terme de ces pesticides sont peu connus. Pour ce projet de maîtrise, nous avons observé l’effet de deux pesticides, l’imidaclopride et l’acide 2-methyl-4-chlorophenoxyacetic (MCPA), sur les voies de signalisation du récepteur à la dioxine (AhR) et du récepteur aux androgènes (AR). L’imidaclopride est un insecticide de la famille des néonicotinoïdes, une classe de plus en plus utilisée. Ce pesticide est surtout connu pour être en lien avec le déclin des colonies d’abeilles depuis une décennie. Le MCPA est un des herbicides les plus utilisés au Québec, il est persistant et souvent retrouvé dans les eaux de la province. Nous avons traité des cellules du cancer du sein et des cellules du cancer de la prostate avec ces pesticides et nous avons vérifié si leur présence perturbait les deux voies de signalisation cellulaire à l’étude. Le récepteur AhR est un facteur de transcription activé par un ligand. Le TCDD, une dioxine, est le meilleur ligand exogène connu à ce jour de ce récepteur. Par contre, ses ligands naturels, des dérivés du tryptophane ou des facteurs de virulence de bactéries, l’activent de façon beaucoup moins forte. Lors de l’activation de la voie AhR, les gènes CYP1A1 et CYP1B1 sont transcrits et codent pour des enzymes du cytochrome P450 qui transforment les ligands en produits plus facilement éliminables. Dans un contexte où de l’œstradiol (E2) est présent dans les cellules, il y a une interaction croisée entre le récepteur à l’œstrogène (ER) et le récepteur AhR, qui fait en sorte que l’expression de CYP1A1 est réprimée. Cela se traduit en un ratio d’enzyme CYP1A1 à CYP1B1 différent qui pourrait augmenter la possibilité d’une accumulation de métabolites génotoxiques. En effet, CYP1B1 hydroxyle le ligand d’AhR mais aussi l’œstradiol en 4-hydroxyœstradiol (4-OHE), dont l’accumulation peut amener des mutations dans l’ADN alors que l’enzyme CYP1A1 l’hydroxyle en 2-hydroxyœstradiol (2-OHE), qui n’as aucun effet néfaste répertorié sur la cellule. Dans les cellules du cancer du sein, le MCPA appliqué en champs induisait fortement l’expression de CYP1B1 comparable à l’échantillon traité au témoin positif (TCDD), alors que CYP1A1 l’était que très légèrement par rapport au témoin non-traité. Au niveau protéique, CYP1A1 n’était qu’exprimée dans le témoin positif (TCDD) et ce, en quantité moindre lorsqu’il y avait présence d’œstradiol. CYP1B1 était fortement exprimée dans l’échantillon de TCDD, ce qui était attendu, mais aussi dans tous les échantillons traités au MCPA de NuFarm. Ces effets ne sont pas notés avec l’ingrédient actif du MCPA. La présence d’un ou plusieurs autres produits ajoutés dans le MCPA de la compagnie NuFarm en combinaison avec l’ingrédient actif pourrait activer la voie de signalisation d’AhR et causer ce débalancement dans l’expression des gènes CYP1A1 et CYP1B1. Nos résultats indiquent que plusieurs concentrations de l’ingrédient actif de l’imidaclopride ne perturbe pas les voies cellulaires d’AhR ni AR, alors que, le MCPA perturbe ces deux voies cellulaires. Par contre, c’est seulement celui produit par la compagnie NuFarm qui est utilisé en champs. Cette formulation appliquée en terrain agricole inclut l’ingrédient actif ainsi que les antigels, les surfactants et les adjuvants qui permettent au produit d’être plus efficace. L’ingrédient actif du MCPA seul n’affectait pas les deux voies. Le récepteur aux androgènes (AR) est aussi un facteur de transcription qui se lie à l’ADN afin de réguler l’expression des gènes et il est particulièrement important pour le développement et le maintien du phénotype masculin. Depuis une vingtaine d’années, des problèmes de baisse de libido et de fertilité s’accentuent dans notre société et semblent être reliés à la baisse de testostérone des hommes (Travison et al. 2007). Cette molécule est d’ailleurs un des deux ligands du récepteur AR, le deuxième étant la 5-dihydrotestostérone (DHT). Le facteur environnemental plutôt que le mode de vie semble être un facteur déterminant dans l’étude qui portait sur ce déclin. Les pesticides ont déjà été soupçonnés pour avoir un potentiel anti-androgénique, mais aucune étude ne fait un lien de causalité direct. Dans le projet de maitrise présenté dans ce document, l’expression des gènes marqueurs PSA (antigène spécifique de la prostate) et PCA3 (antigène du cancer de la prostate) a été quantifiée pour savoir si les pesticides ont un effet perturbateur sur la voie du récepteur AR. Dans les cellules du cancer de la prostate, l’expression de PSA et PCA3 était semblable au non-traité dans l’échantillon traité au MCPA (NuFarm), et ce, même après l’ajout de DHT, qui active l’expression de ces deux gènes. Cette fois-ci, l’ingrédient actif seul faisait en sorte que les deux gènes marqueurs étaient moins exprimés lors de l’ajout de la DHT, par rapport au témoin. Il semblerait que l’ingrédient actif est à la base de ce changement d’expression de nos gènes marqueurs. Donc, le MCPA pourrait avoir un effet anti-androgénique dans les cellules du cancer de la prostate. Donc, le MCPA est un pesticide qui affecte les voies de signalisation cellulaires AhR et AR. Il est particulier de noter que le pesticide appliqué en champ perturbe nettement plus les voies cellulaires. Il sera important de continuer à étudier les effets des pesticides sur l’homme au niveau cellulaire et de comprendre comment ils pourraient contribuer au développement du cancer.

Determination of endocrine disruptor pesticides in river waters by SPME-GC-MS

FCT - PEst-C/EGE/LA0006/2011

Development of gene expression-based biomarkers of exposure to metals and pesticides in the freshwater amphipod Hyalella azteca

Ecological risk assessment (ERA) is a framework for monitoring risks of exposure and adverse effects of environmental stressors to populations or communities of interest. One tool of ERA is the biomarker, which is a characteristic of an organism that reliably indicates exposure to or effects of a stressor like chemical pollution. Traditional biomarkers which rely on characteristics at the tissue level and higher often detect only acute exposures to stressors. Sensitive molecular biomarkers may detect lower stressor levels than traditional biomarkers, which helps inform risk mitigation and restoration efforts before populations and communities are irreversibly affected. In this study I developed gene expression-based molecular biomarkers of exposure to metals and insecticides in the model toxicological freshwater amphipod Hyalella azteca. My goals were to not only create sensitive molecular biomarkers for these chemicals, but also to show the utility and versatility of H. azteca in molecular studies for toxicology and risk assessment. I sequenced and assembled the H. azteca transcriptome to identify reference and stress-response gene transcripts suitable for expression monitoring. I exposed H. azteca to sub-lethal concentrations of metals (cadmium and copper) and insecticides (DDT, permethrin, and imidacloprid). Reference genes used to create normalization factors were determined for each exposure using the programs BestKeeper, GeNorm, and NormFinder. Both metals increased expression of a nuclear transcription factor (Cnc), an ABC transporter (Mrp4), and a heat shock protein (Hsp90), giving evidence of general metal exposure signature. Cadmium uniquely increased expression of a DNA repair protein (Rad51) and increased Mrp4 expression more than copper (7-fold increase compared to 2-fold increase). Together these may be unique biomarkers distinguishing cadmium and copper exposures. DDT increased expression of Hsp90, Mrp4, and the immune response gene Lgbp. Permethrin increased expression of a cytochrome P450 (Cyp2j2) and decreased expression of the immune response gene Lectin-1. Imidacloprid did not affect gene expression. Unique biomarkers were seen for DDT and permethrin, but the genes studied were not sensitive enough to detect imidacloprid at the levels used here. I demonstrated that gene expression in H. azteca detects specific chemical exposures at sub-lethal concentrations, making expression monitoring using this amphipod a useful and sensitive biomarker for risk assessment of chemical exposure.

Energy and Antioxidant Responses of Pacific Oyster Exposed to Trace Levels of Pesticides

Here, we assess the physiological effects induced by environmental concentrations of pesticides in Pacific oyster Crassostrea gigas. Oysters were exposed for 14 d to trace levels of metconazole (0.2 and 2 mu g/L), isoproturon (0.1 and 1 mu g/L), or both in a mixture (0.2 and 0.1 mu g/L, respectively). Exposure to trace levels of pesticides had no effect on the filtration rate, growth, and energy reserves of oysters. However, oysters exposed to metconazole and isoproturon showed an overactivation of the sensing-kinase AMP-activated protein kinase alpha (AMPK alpha), a key enzyme involved in energy metabolism and more particularly glycolysis. In the meantime, these exposed oysters showed a decrease in hexokinase and pyruvate kinase activities, whereas 2-DE proteomic revealed that fructose-1,6-bisphosphatase (F-1,6-BP), a key enzyme of gluconeogenesis, was upregulated. Activities of antioxidant enzymes were higher in oysters exposed to the highest pesticide concentrations. Both pesticides enhanced the superoxide dismutase activity of oysters. Isoproturon enhanced catalase activity, and metconazole enhanced peroxiredoxin activity. Overall, our results show that environmental concentrations of metconazole or isoproturon induced subtle changes in the energy and antioxidant metabolisms of oysters.

Estimating the demand curve for sustainable use of pesticides from contingent-valuation data

Stated-preference valuation techniques are often used to assess consumers' willingness-to-pay for food items produced in farming systems that adopt a sustainable use of pesticides (SUP). We propose an innovative valuation methodology in which dichotomous-choice contingent valuation is used to estimate the demand curve (price-quantity relationship) for such food items where price means price premium for the SUP output, quantity is the probability of choosing SUP and the conventional food product is kept available in the market at the current market price. This methodology can be used to evaluate market differentiation as a policy option to promote the SUP. The methodology is tested with data from a sample of urban consumers of fruits and vegetables in Portugal. The estimated demand curve is used to define the price level maximizing the total premium revenue for the SUP sector as a whole. This optimal level of the price premium is €77.55 (or 163% of the value of the monthly basket of fruits and vegetables at current prices). Adopting the optimal price premium will decrease the number of consumers of SUP food by 54%. The reduction is even higher for low income consumers (80%) leaving them more exposed to the risks of pesticide use.

The bioconcentration factor of pesticides in potatoes.

We presented a model that estimates the bioconcentration factor (BCF) of pesticides in potatoes supposing that the pesticide in the soil solution is absorbed by the potato by passive diffusion, following Fick?s second law. The pesticides in the model are nonionic organic substances, traditionally used in potato crops that degrade in the soil according to a first order kinetic equation. This presents an expression that relates BCF with the pesticide elimination rate by the potato, with the pesticide accumulation rate within the potato, with the rate of growth of the potato and with the pesticide degradation rate in the soil. BCF was estimated supposing steady state equilibrium of the quotient between the pesticide concentration in the potato and the pesticide concentration in the soil solution. It is suggested that a negative correlation exists between the pesticide BCF and the soil sorption partition coefficient. The model was built based on the work of Trapp et al. (2007), [Diffusion of PAH in Potato and Carrot Slices and Applications for a Potato Model] in which an expression to calculate the diffusivity of persistent organic substances in potatoes is presented. The model consists in adding to the expression of Trapp et al. (2007) the hypothesis that the pesticide degrades in the soil. The value of BCF suggests which pesticides should be monitored in potatoes.

Integrated pest management and the (un)sustainable use of pesticides

Doutoramento em Engenharia Agronómica - Instituto Superior de Agronomia - UL

Validation of neurobehavioral studies for evaluating the perinatal effects of single and mixture exposure to pesticides.

2009