Effects assessment of chemicals used in aquaculture

Abstract

Aquaculture provides food and income for millions of families worldwide being an activity with a high growth rate and with a strong potential for further expansion. Both producers and consumers are interested in a sustainable model of aquaculture development covering social, economic and environmental aspects. Such model implies to cope with the environmental impacts generated by aquacultures. The main objective of this work was to evaluate the use of chemicals applied in aquaculture farms and their harmful effects to aquatic organisms. Since more than 80% of global production of aquatic organisms is concentrated in Southwest Asia, special attention was given to the aquaculture in this region, particularly Thailand. Three different types of aquaculture scenarios were studied: shrimp farms and tilapia farms in cages and in earth ponds. Surveys and monitoring campaigns were conducted in several farms and the fate, use and application patterns of chemicals were identified. In cage farms the results indicated overuse/misuse of antibiotics, in shrimp farms the major group of chemicals used were disinfectants whereas in earth pond farms 1,7α-methyltestosterone (MT) was the most used. The results from the monitoring campaigns showed that the excessive use of chemicals was correlated to contamination of the surrounding environment namely with the antibiotics oxytetracycline (OTC) and enrofloxacin (ENR) in the cage farms, and with MT in the earth pond farms. In the laboratory, ecotoxicity assays were performed with antibiotics, disinfectants and pesticides using organisms belonging to different trophic levels. The disinfectants benzalkonium chloride (BKC), chlorhexidine gluconate (ChD) and glutaraldehyde (GA) were tested. BKC and ChD demonstrated to be very toxic to primary and secondary consumers. Moreover, an approach based on the species sensitivity distributions (SSD) was used to estimate the hazardous concentrations for 5 and 50 % of the species after BKC and GA exposure highlighting the sensitivity of primary producers to BKC exposure (HC5 = 10.8 μg/l). In the case of GA, different trophic levels showed similar sensitivities and a general HC5 = 300 μg/l was obtained. Additionally, a probabilistic environmental risk assessment was performed indicating a PAF (potentially affected fraction) of species > 5% for adverse effects of BKC in effluents and surface water. Concerning pesticides, both trichlorfon (TCF) and ivermectin (IVM) were studied. TCF showed to be extremely toxic to daphnids (48h- LC50 = 0.29 μg/l) and affected the acetilcolinesterase activity in D. magna and D rerio. IVM showed to be acutely toxic to D. rerio life stages (96h-LC50 = 18.5 μg/l for juveniles) and affected their development and biomarkers. In chronic exposures, IVM led to changes in the behaviour and growth of D. rerio juveniles (21d-LOEC < 0.25 μg/l). The antibiotics amoxicillin and OTC were not acutely toxic to aquatic organisms but both induced oxidative stress related enzymes of adults and embryos of D. rerio. Globally, most of the tested chemicals showed to compromise at least a particular group of organisms or sub-lethal parameters, requiring further long term studies so that the environmental risk assessment of these compounds can be refined. Lethal and sub lethal effects obtained to non-target organisms suggest a potential biodiversity loss in the aquatic ecosystems which might, thus, compromise the services provided by the ecosystems in a near future. Since the aquaculture relies directly on these services (e.g. high water quality) to succeed, there is an urgent need of control/education measures both in the use of chemicals in aquaculture and monitoring/mitigation of adverse impacts in natural ecosystems.

A aquacultura fornece sustento para milhões de famílias, sendo uma actividade em crescimento e com um forte potencial de expansão em todo o mundo. Há um interesse por parte de produtores e consumidores em desenvolver modelos sustentáveis de aquacultura abrangendo aspectos sociais, económicos e ambientais. Tais modelos implicam lidar com os impactos ambientais gerados pela aquacultura. O principal objectivo deste trabalho foi estudar o uso de produtos químicos usados nas aquaculturas e avaliar os seus efeitos nocivos para organismos aquáticos. Uma vez que mais de 80% da produção mundial de organismos aquáticos está concentrada no sudoeste da Ásia, foi dada especial atenção à aquacultura nessa região, particularmente na Tailândia. Três diferentes cenários foram considerados: aquaculturas de camarão, aquaculturas de tilápias cultivadas em gaiolas e em tanques escavados no solo. Em cada tipo foram realizados inquéritos e campanhas de monitoramento em várias aquaculturas nas quais foram averiguados o uso, destino e forma de aplicação de químicos. Os resultados indicaram o uso excessivo/inapropriado de alguns compostos, nomeadamente de antibióticos (em aquaculturas em gaiolas), de desinfectantes (em aquaculturas de camarão) e de 1,7α-metiltestosterona (MT) (em aquacultura de tilápias em tanques escavados). Os resultados das campanhas de monitorização mostraram que o uso excessivo de produtos químicos resulta na contaminação do meio ambiente com antibióticos (oxitetraciclina (OTC) e enrofloxacina (ENR)) nas aquaculturas em gaiola, e com MT nas aquaculturas de tilápias em tanques escavados. No laboratório, foram realizados ensaios de ecotoxicidade com antibióticos, desinfectantes e pesticidas usando organismos modelo pertencentes a diferentes níveis tróficos. Foram testados os desinfectantes, cloreto de benzalcónio (BKC), gluconato de clorexidina, e glutaraldeído (GA) sendo que os dois primeiros demonstraram ser muito tóxico para consumidores primários e secundários. Para uma análise integrada foi utilizada uma abordagem baseada nas distribuições de sensibilidade das espécies (DSE) com a qual se estimaram as concentrações perigosas (CP) para 5% e 50% das espécies após e exposição ao BKC e GA. O grupo dos produtores primários foi o grupo mais sensível à exposição ao BKC com CP5% = 10,8 μg/l enquanto para GA não foram encontradas diferenças de sensibilidade entre os grupos tróficos e, assim sendo, um valor geral de CP5% = 300 μg/l foi obtido. Além disso, uma análise probabilística dos riscos ambientais indicou uma fracção de espécies potencialmente afectada (FAPE) pelo BKC > 5% em efluentes e águas superficiais. Os pesticidas estudados foram o trichlorfon (TCF) e a ivermectina (IVM). O TCF foi extremamente tóxico para dafnídeos (48h-LC50 = 0,29 μg/l) e afectou também a actividade de acetilcolinesterase em D. magna e D. rerio. A IVM foi tóxica para adultos, juvenis e embriões de D. rerio (96h- CL50 = 18,5 μg/l para os juvenis) afectando o seu desenvolvimento e actividade de biomarcadores. Em exposições crónicas, IVM causou alterações no comportamento e crescimento em D. rerio juvenis (21d-LOEC <0,25 μg/l). Os antibióticos amoxicilina e OTC apresentam baixa toxidade para os organismos aquáticos, mas ambos induziram enzimas relacionadas estresse oxidativo em adultos e embriões de D. rerio. Em geral, a maioria dos químicos testados apresentaram toxicidade para algum grupo de organismo da cadeia trófica ou tiveram efeito a nível de parâmetros sub-letais, sendo portanto recomendados estudos de exposição crónica para que se possa refinar a avaliação de risco ambiental destes compostos. Os efeitos letais e sub-letais observados nos organismos não-alvo sugerem que pode haver uma perda da biodiversidade nos ecossistemas aquáticos, e assim, comprometer os serviços prestados pelos ecossistemas num futuro próximo. Sendo o sucesso da aquacultura dependente directo destes serviços (por exemplo, água de alta qualidade), há uma necessidade urgente de medidas de controlo/educação, tanto no uso de produtos químicos na aquacultura e monitoramento/mitigação dos impactos negativos destes nos ecossistemas naturais.