Aktuálně používané pesticidy a jejich směsi: jaká představují rizika pro necílové vodní organismy? Laboratorní a in situ studie.

Bc. Eliška Kuchovská, MSc

Doctoral thesis

Currently used pesticides and their mixtures: what are the risks to non-target aquatic organisms? Laboratory and in situ approaches.

Abstract:

Pesticidy umožnily lidstvu chránit úrodu proti škůdcům, čímž zintenzivnily výnosy z úrody pro uživení stále rostoucí lidské populace. Pesticidy však často končí v povrchových vodách například splachem z polí, kde mohou ublížit necílovým vodním organismům. Environmentální koncentrace pesticidů jsou často považovány za bezpečné pro vodní ekosystémy, ačkoliv mohou způsobovat subletální změny v exponovaných organismech. Navíc se většinou organismy nemusí vyrovnávat jen s jedním pesticidem spláchnutým z vedlejšího pole, ale s komplexní směsí různých chemických látek, které mezi sebou interagují a tvoří chemický koktejl s neznámými a těžko předvídatelnými účinky. Tato disertační práce shrnuje současné znalosti ve vědě o toxicitě směsí pesticidů a je složena z pěti vědeckých publikací, které se věnují problematice subletálního vlivu vybraných pesticidů na necílové vodní organismy. Zranitelná embryo-larvální stádia dvou modelových organismů: sladkovodní ryby dania pruhovaného (Danio rerio) a v brakických vodách žijícího mlže ústřice velké (Magallana gigas) byly použity pro posouzení subletální toxicity především environmentálních koncentrací, naměřených v evropských vodách, běžně používaného herbicidu S-metolachloru a jeho dvou metabolitů (metolachlor oxanilic acid, metolachlor ethanesulfonic acid), insekticidu imidaklopridu a fungicidu propikonazolu, samostatně a ve směsi. Doplňující in situ terénní výzkum posuzující reálný dopad na raná vývojová stádia ústřice velké byl proveden v Arcachonském zálivu ve Francii, který představuje finálního příjemce rozličných látek včetně pesticidů přinášených z odpovídajících povodí. Zaprvé, embryo-larvální stádia danio pruhovaného byly vysoce citlivé na environmentálně relevantní koncentrace propikonazolu a v menší míře též imidaklopridu. Herbicid a jeho degradační produkty naopak neměly téměř žádný efekt na jejich vývoj, neurobehaviorální funkce a genovou expresi s výjimkou genů implikovaných v thyroidním systému. Směs zmiňovaných látek měla koncentračně adiční efekt na vývoj dania pruhovaného. Tato pozorování naznačují, že vývoj sladkovodních ryb může být ohrožen současnými zemědělskými praktikami. Zadruhé, studie s embryi a larvami ústřice velké odhalila nízkou toxicitu propikonazolu a imidaklopridu na jejich vývoj a pohybové vzorce. Tyto látky způsobily pár efektů na molekulární úrovni, stejně jako testovaná směs. Environmentální koncentrace směsi přivodila larvám ústřic vývojové malformace, které však nebyly pozorovány v larvách exponovaných přímo v Arcachonském zálivu, což ukazuje na dostačující kvalitu vody v zálivu pro úspěšný vývoj ústřic. Nicméně, larvy ústřic exponované ve vnitřní části zálivu měly rozdílné genové exprese od larev exponovaných na referenčním stanovišti, které bylo vybráno blíže ústí zálivu do oceánu, což může značit potenciální následky s dlouhodobým dopadem. Výsledky obdržené při tomto výzkumu dokazují, že embryo-larvální stádia dania pruhovaného a ústřice velké jsou relevantními nástroji pro posuzování vlivu toxicity nízkých koncentrací pesticidů, jakož i pesticidů ve směsích a že laboratorní studie doplněné terénním výzkumem jsou užitečné pro (eko)toxikologické hodnocení a mají vysokou ekologickou relevanci.

Abstract:

Pesticides have enabled humankind to protect its crops from pests, intensifying thus the crop yields to sustain the growing population. However, pesticides often end up in aquatic water bodies, e.g. via field runoff, where they may harm non-target organisms. The environmental concentrations of pesticides are often considered safe for aquatic ecosystems although they might induce sublethal changes in exposed organisms. Moreover, the organisms are generally not dealing with only one pesticide issued from a nearby field but with a complex mixture of various chemical compounds, interacting amongst themselves, and creating a toxic cocktail with unknown and hardly predictable impacts. These compounds, each with different environmental fate, eventually degrade and form more or less toxic and persistent metabolites aggravating the complexity of the mixtures. This dissertation thesis summarizes the state-of-the-art in pesticide mixture toxicity research and is composed of five research articles dealing with sublethal effects of selected pesticides on non-target aquatic species. Vulnerable embryo-larval stages of two model organisms: freshwater zebrafish (Danio rerio) and euryhaline bivalve Pacific oyster (Magallana gigas) were used to assess the sublethal toxicity of especially environmental concentrations (detected in selected European water bodies) of commonly used herbicide S metolachlor with its two metabolites metolachlor oxanilic acid and metolachlor ethanesulfonic acid, insecticide imidacloprid, and fungicide propiconazole, alone and in a mixture. A complementary in situ approach was carried out to evaluate a real impact on early-life stages of the Pacific oyster in Arcachon Bay in France, a final recipient of various substances including pesticides from respective watersheds. First, zebrafish embryo-larval stages were observed to be highly sensitive to environmentally relevant concentrations of propiconazole and to a lesser extent also to imidacloprid. In contrast, S-metolachlor and its metabolites had almost no effect on their development, neurobehavioral functions, or gene expression except for altered genes implicated in the thyroid system. A mixture of these compounds exhibited a concentration addition effect on zebrafish development. These observations imply that the development of freshwater fish may be at risk with current agricultural practice. Second, a study with Pacific oyster embryos and larvae revealed very low toxicity of propiconazole and imidacloprid on their development and locomotion patterns. Few effects caused by these compounds were observed at the molecular level, as well as the effects caused by the mixture. The environmental concentration of the mixture induced developmental malformations in oyster larvae, however, those exposed in situ in Arcachon Bay did not show higher proportions of abnormal larvae suggesting that the water quality of Arcachon Bay is sufficient for oyster development. Nevertheless, oyster larvae exposed in the inner part of Arcachon Bay showed different gene expression levels than larvae from the reference site located near the ocean entrance, which may indicate consequences of a potential long term impact. These results documented that embryo-larval stages of zebrafish and Pacific oysters are relevant tools for the assessment of low concentrations of pesticides and pesticides in a mixture, and that laboratory studies complemented with field research are useful for (eco)toxicity assessment and of high ecological relevance.

Keywords

Ecotoxicity, Embryo-larval stages, Pacific oyster, Pesticide, Sublethal effect, Zebrafish, Danio pruhované, Ekotoxicita, Embryolarvální stadia, In situ, Subletální efekt, Pesticid, Ústřice velká

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 13. 11. 2020

Thesis defence

• Date of defence: 17. 12. 2020
• Supervisor: prof. RNDr. Luděk Bláha, Ph.D.
• Reader: prof. Valérie Bolliet, prof. Banni Mohamed

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Environmental Health Sciences / Environmental chemistry and toxicology