An energy budget agent-based model of earthworm populations and its application to study the effects of pesticides

Earthworms are important organisms in soil communities and so are used as model organisms in environmental risk assessments of chemicals. However current risk assessments of soil invertebrates are based on short-term laboratory studies, of limited ecological relevance, supplemented if necessary by site-specific field trials, which sometimes are challenging to apply across the whole agricultural landscape. Here, we investigate whether population responses to environmental stressors and pesticide exposure can be accurately predicted by combining energy budget and agent-based models (ABMs), based on knowledge of how individuals respond to their local circumstances. A simple energy budget model was implemented within each earthworm Eisenia fetida in the ABM, based on a priori parameter estimates. From broadly accepted physiological principles, simple algorithms specify how energy acquisition and expenditure drive life cycle processes. Each individual allocates energy between maintenance, growth and/or reproduction under varying conditions of food density, soil temperature and soil moisture. When simulating published experiments, good model fits were obtained to experimental data on individual growth, reproduction and starvation. Using the energy budget model as a platform we developed methods to identify which of the physiological parameters in the energy budget model (rates of ingestion, maintenance, growth or reproduction) are primarily affected by pesticide applications, producing four hypotheses about how toxicity acts. We tested these hypotheses by comparing model outputs with published toxicity data on the effects of copper oxychloride and chlorpyrifos on E. fetida. Both growth and reproduction were directly affected in experiments in which sufficient food was provided, whilst maintenance was targeted under food limitation. Although we only incorporate toxic effects at the individual level we show how ABMs can readily extrapolate to larger scales by providing good model fits to field population data. The ability of the presented model to fit the available field and laboratory data for E. fetida demonstrates the promise of the agent-based approach in ecology, by showing how biological knowledge can be used to make ecological inferences. Further work is required to extend the approach to populations of more ecologically relevant species studied at the field scale. Such a model could help extrapolate from laboratory to field conditions and from one set of field conditions to another or from species to species.

Alkaloids from the Bark of Guatteria hispida and Their Evaluation as Antioxidant and Antimicrobial Agents

Phytochemical investigation of the bark of Guatteria hispida afforded three new alkaloids, 9-methoxy-O-methylmoschatoline (1), 9-methoxyisomoschatoline (2), and isocerasonine (3), along with 10 known alkaloids, 8-oxopseudopalmatine (4), O-methylmoschatoline (5), lysicamine (6), liriodenine (7), 10-methoxyliriodenine (8), nornuciferine (9), anonaine (10), xylopine (11), coreximine (12), and isocoreximine (13). The major compounds, 2, 6, 12, and 13, showed significant antioxidant capacity in the ORAC(FL), assay. Compounds 5, 6, and 7 were active against S. epidermidis and C. dubliniensis, with MIC values in the range 12.5-100 mu g mL(-1).

Preferência alimentar de Dione juno juno (CRAMER, 1779) (Lepidoptera: Nymphalidae) por genótipos de maracujazeiro

O presente trabalho teve por objetivo determinar o efeito de genótipos de maracujazeiro quanto à atratividade e à não-preferência para alimentação de lagartas de Dione juno juno, em diferentes idades, através de testes com e sem chance de escolha. Os experimentos foram conduzidos no Departamento de Fitossanidade da FCAV/UNESP de Jaboticabal-SP, sob condições ambientais controladas (T=26=±=1°C=U.=R.= 60 ± 10% e fotofase = 14 horas), utilizando-se dos genótipos Passiflora edulis, P. gibertii, P. alata, Sul Brasil, IAC-275, Flora FB 300, P. serrato-digitata, P. edulis f. flavicarpa, Maguary FB-100 e P. foetida. Para o teste com chance de escolha, foram utilizadas placas de Petri, onde foram distribuídos, de forma eqüidistante, um disco foliar (3,2 cm) de cada genótipo estudado e liberando-se em seguida, no centro da placa, 5 lagartas recém-eclodidas ou uma lagarta com 10 dias de idade por material. No teste sem chance de escolha, foi colocado apenas um disco de cada genótipo por placa de Petri (9 cm de diâmetro), mantendo-se o mesmo padrão de infestação utilizado no teste com chance. As avaliações foram realizadas em duas etapas, sendo que, na primeira, avaliou-se a atratividade, contando o número de lagartas em cada material a 1; 3; 5; 10; 15; 30; 60; 120; 240 minutos e 24 horas após a liberação das mesmas. Na segunda etapa, observou-se o consumo foliar 24 horas após o início do teste. O genótipo menos atrativo às lagartas recém-eclodidas e de 10 dias de idade foi P. alata em testes com e sem chance de escolha. O genótipo P. alata foi o menos consumido em teste com chance de escolha, sendo que, no teste sem chance, P. alata e P. foetida destacaram-se como os menos consumidos para as duas fases larvais.

Comportamento de maracujazeiros (Passiflora spp.) quanto à morte prematura

Na Universidade Estadual Paulista, Câmpus de Jaboticabal-SP, estudou-se o comportamento de Passifloráceas quanto à morte prematura de plantas, cultivadas em local com histórico da doença. O objetivo do trabalho foi avaliar o comportamento de diversos acessos de populações e espécies de maracujazeiros em relação a esta doença, sendo que as plantas resistentes deverão ser utilizadas como porta-enxertos de formas comerciais de maracujá-amarelo (Passiflora edulis Sims f. flavicarpa) e em programas de melhoramento genético. As espécies utilizadas foram P. edulis Sims, P. edulis Sims f. flavicarpa Degener, P. nitida H.B.K., P. cincinnata, P. giberti, P. laurifolia, P. morifolia, P. foetida e P. capsularis. em local com histórico da doença, plantaram-se mudas em número variável e em épocas distintas. A condução das plantas e os tratos culturais foram os recomendados para o maracujá-amarelo. A morte prematura das plantas ocorreu entre dois meses e dois anos da cultura no campo. P. giberti e P. nitida mostraram-se resistente à doença, independentemente do local de origem. Entre os demais acessos, não se encontraram fontes promissoras de resistência. Entretanto, novos acessos e novas espécies deverão ser estudadas na busca da resistência.

Genetic variations among passion fruit species using rapd markers

Foram avaliadas as variações genéticas através de marcadores moleculares RAPD, as seguintes espécies de maracujá: Passiflora amethystina, P. caerulea, P. cincinnata, P. coccinea, P. serrato digitata, P. foetida, P. maliformis, P. alata, P. giberti, P. laurifolia, P. macrocarpa, P. nitida, P. setacea, P. suberosa, P. ligularis, P. capsularis, P. edulis Sims e sua variedade botânica P. edulis Sims f. flavicarpa Deg. Neste estudo, a análise dos produtos da amplificação ao acaso do DNA polimórfico (RAPD) foi usada para estimar a diversidade genética e as relações taxonômicas entre as espécies. Foram utilizados 21 primers, que produziram um total de 270 bandas polimórficas. Verificou-se que as espécies de Passiflora apresentaram uma média de similaridade de 17,3%, e entre Passiflora edulis Sims e Passiflora edulis Sims f. flavicarpa, de 34,35%. Pode-se perceber que o valor de similaridade dentro da espécie edulis é baixo, ilustrando a grande variação entre a forma amarela e a roxa de Passiflora edulis.

Biodegradation and toxicological evaluation of lubricant oils

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Aspectos biológicos de Dione juno juno (Cramer) (Lepidoptera: Nymphalidae) em genótipos de maracujazeiro

It was studied the effect of passion fruit genotypes on Dione juno juno (Cramer) (Lepidoptera: Nymphalidae) development. The experiment was carried out in a laboratory, under controlled conditions (temperature: 26 ± 1° C, RH = 60 ± 10% and photophase of 14 hours). Newly-hatched larvae were fed with leaves from different passion fruit genotypes: Passiflora edulis Sims., P. alata Dryand., P. serrato-digitata L., P. edulis f. flavicarpa Deg. ('Sul Brasil'), P. edulis f. flavicarpa, P. edulis f. flavicarpa ('Maguary FB-100') and P. foetida L. Fifty larvae from eggs collected in the field were used per genotype. Larvae were kept on passion fruits branches inside PVC tubes until pupation. Daily observations were performed and branches were replaced whenever necessary. The following parameters were evaluated: duration and viability of larval and pupal phases, larval and pupal weight and adult longevity. The experiment was arranged in randomized blocks design with seven treatments and ten replications. Data were subjected to an ANOVA and means were compared by Tukey test at 5% of probability. The least adequate genotypes for D. juno juno development were P. alata, P. serrato-digitata and P. foetida, showing a high level of antibiosis, while P. edulis, P. edulis f. flavicarpa, 'Maguary FB-100' and 'Sul Brasil' were the most suitable.

Efeito de genótipos de maracujazeiro sobre Dione juno juno (Cramer, 1779) (Lepidoptera: Nymphalidae) e associação ao predador Podisus nigrispinus (Dallas, 1851) (Hemiptera: Pentatomidae)

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Avaliação ecotoxicogenética da torta de filtro, obtido do beneficiamento da cana-de-açúcar, antes e após processo de biodegradação

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Avaliação toxicológica durante a biodegradação de óleos e biodiesel

Atividades relacionadas com a extração do petróleo, bem como as atividades derivadas envolvem grandes riscos, que podem ser ambientais ou à saúde humana. Podem ser de forma direta, como os derramamentos, ou indireta, como resíduos gerados pela sua utilização, poluindo ar, corpos d’água e solos. A biorremediação consiste na utilização de microrganismos tais como as bactérias, fungos filamentosos e leveduras para remediar um ambiente contaminado, transformando os compostos em algo pouco tóxico ou sem nenhuma toxicidade. A ciência que estuda os efeitos tóxicos nos organismos e no ambiente se chama toxicologia. Por isso existe uma íntima ligação entre essas duas ciências. O presente projeto tem como objetivo estudar a toxicidade de óleos lubrificantes automotivos (mineral novo, sintético novo e usado), óleos vegetais (novo e usado) e biodiesel durante sua biodegradação em ambiente terrestre. Análises descritivas e comparativas são as bases para o estudo e compreensão da biodegradação dos contaminantes aqui citados. Os testes toxicológicos darão uma idéia de biodegradação dos diferentes contaminantes no solo. Para os testes de toxicidade serão utilizadas sementes de Eruca sativa (rúcula), sementes de Lactuca sativa (alface) e Eisenia andrei (minhoca). Após 180 dias de biodegradação dos compostos pôde-se concluir que o óleo lubrificante sintético é o mais biodegradável e os demais contaminantes necessitam de tempo de biodegradação superior a 6 meses para que sua toxicidade fique baixa.

Growth and reproduction of earthworm in organic waste mixtures and effects on chemical and microbial properties of vermicompost

There is a large demand for organic fertilizers in organic agriculture, but few options for different wastes have been studied. The aim of the present work was to evaluate the biological responses of earthworms Eisenia andrei Bouche in wastes composed of cattle manure, peanut husk and spent coffee grounds, as well as to analyze the effect of earthworms on the microbial density and chemical properties of the vermicompost. Four treatments were employed, H1: cattle manure (100%), H2: cattle manure (75%) + peanut husk (25%), H3: cattle manure (75%) + spent coffee grounds (25%), H4: cattle manure (50%) + spent coffee ground (25%) + peanut husk (25%), with six replicates in a completely randomized design. The addition of spent coffee grounds to the manure increased the total biomass and indicated a rising trend in the production of cocoons, while the peanut husk apparently did not affect these variables. The CFU of bacteria and fungi were affected by the treatments at the beginning and end of the experiment and by the earthworms during the waste transformation. The evaluated organic waste mixtures differently affected the growth and reproduction of earthworms and chemical and biological properties of humus.

Integrated ecological risk assessment of pesticides in tropical ecosystems: A case study with carbofuran in Brazil

The aim of the present study is to contribute an ecologically relevant assessment of the ecotoxicological effects of pesticide applications in agricultural areas in the tropics, using an integrated approach with information gathered from soil and aquatic compartments. Carbofuran, an insecticide/nematicide used widely on sugarcane crops, was selected as a model substance. To evaluate the toxic effects of pesticide spraying for soil biota, as well as the potential indirect effects on aquatic biota resulting from surface runoff and/or leaching, field and laboratory (using a cost-effective simulator of pesticide applications) trials were performed. Standard ecotoxicological tests were performed with soil (Eisenia andrei, Folsomia candida, and Enchytraeus crypticus) and aquatic (Ceriodaphnia silvestrii) organisms, using serial dilutions of soil, eluate, leachate, and runoff samples. Among soil organisms, sensitivity was found to be E. crypticus < E. andrei < F. candida. Among the aqueous extracts, mortality of C. silvestrii was extreme in runoff samples, whereas eluates were by far the least toxic samples. A generally higher toxicity was found in the bioassays performed with samples from the field trial, indicating the need for improvements in the laboratory simulator. However, the tool developed proved to be valuable in evaluating the toxic effects of pesticide spraying in soils and the potential risks for aquatic compartments. Environ. Toxicol. Chem. 2012;31:437-445. (C) 2011 SETAC

Effetti della Salinizzazione sugli Invertebrati del suolo

Lo scopo di questa tesi è quello di valutare l'effetto della salinizzazione dei suoli sugli invertebrati edafici. Nell'ambito di questo obiettivo generale sono state effettuate due distinte attività di ricerca: una indagine sul campo e una serie di esperimenti di laboratorio. Lo studio sul campo è stato condotto nella Pineta di San Vitale (Ravenna, Italia). L'obiettivo specifico è stato quello di valutare la qualità biologica dei suoli attraverso l'analisi del popolamento dei microartropodi edafici, in relazione alla diversità del suolo e in particolare alla salinizzazione. La qualità biologica dei suoli è stata valutata mediante l'indice QBS-ar. La Pineta è stata campionata nella zona Est, più colpita da intrusione salina e nella zona Ovest dove questo fenomeno è meno evidente. I campionamenti sono stati effettuati in primavera ed estate. I risultati confermano che le caratteristiche chimico-fisiche si modificano in base al gradiente sommità dunali-depressioni interdunali. Per quanto riguarda il popolamento dei microartropodi alcune caratteristiche sono comuni alla maggior parte delle stazioni con lo stesso pedotipo. Non è stato evidenziato alcuno stress sui popolamenti attribuibule alla salinizzazione. Nel complesso, i valori di QBS-ar sono piuttosto elevati. Gli esperimenti di laboratorio sono stati finalizzata alla valutazione degli effetti combinati della salinità del suolo e della contaminazione da pesticidi (chlorpyrifos) sul lombrico Eisenia andrei. Nel complesso, i risultati indicano che effetti avversi sui lombrichi sono possibili a livelli di salinizzazione dei suoli ancora compatibili a concentrazioni di chlorpyrifos che sono piuttosto alte in confronto con i tipici risultati di campo, ma ancora compatibili con l'uso consigliato.

Predicting changes in abundance and juvenile proportions of earthworms in the field using glmmADMB in R

The study aimed at investigating effects of three differently acting biocides; the insecticide esfenvalerate, the fungicide picoxystrobin and the bactericide triclosan, applied individually and as a mixture, on an earthworm community in the field. A concentration-response design was chosen and results were analyzed using univariate and multivariate approaches. Effects on juvenile proportions were less pronounced and more variable than effects on abundance, but effects in general were species- and chemical-specific, and temporal variations distinct. Esfenvalerate and picoxystrobin appeared to elicit stronger effects than triclosan at laboratory-based ECx values, which is in accordance with our previous laboratory study on Eisenia fetida. The mixture affected abundance and juvenile proportions, but the latter only at high mixture concentrations. Esfenvalerate and picoxystrobin appeared to be the main drivers for the mixture's toxicity. Species-specific toxicity patterns question the reliability of mixture toxicity predictions derived on E. fetida for field earthworms. Biocide concentrations equaling EC50s (reproduction) for E. fetida provoked effects on the field earthworms mainly exceeding 50%, indicating effect intensification from the laboratory to field as well as the influence of indirect effects produced by species interactions. The differing results of the present field study and the previous laboratory study imply that lower- and higher-tier studies may not be mutually exclusive, but to be used in complementary.