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 Predation risk versus pesticide exposure: effects of fear and loathing on aquatic invertebrates
Please use this identifier to cite or link to this item http://hdl.handle.net/10773/955

title: Predation risk versus pesticide exposure: effects of fear and loathing on aquatic invertebrates
authors: Pestana, João Luís Teixeira
advisors: Soares, Amadeu
Baird, Donald J.
keywords: Biologia
Insectos aquáticos
Predação
Pesticidas
Fisiologia animal
issue date: 2007
publisher: Universidade de Aveiro
abstract: Os organismos aquáticos apresentam respostas plásticas à presença de predadores que são induzidas por pistas químicas presentes na água. Estas respostas além de minimizar os efeitos de predação, têm também custos associados que podem incluir alterações na tolerância às variações ambientais tais como contaminação por pesticidas. Os efeitos dos pesticidas em sistemas naturais resultam assim da toxicidade mas também do efeito nas interacções predador-presa. Apesar de extremamente relevante nomeadamente para análises de risco, as possíveis interacções entre contaminação por pesticidas e pressão predatória, não estão ainda esclarecidas nem tão pouco os mecanismos comportamentais e fisiológicos que as medeiam. O principal objectivo da investigação aqui apresentada foi assim avaliar o efeito de um insecticida, imidacloprid, em diferentes espécies de invertebrados aquáticos sujeitos a diferentes níveis de risco de predação. Numa primeira fase o efeito do Imidacloprid nas comunidades naturais foi avaliado com base em estudos de mesocosmos conjuntamente com ensaios ecotoxicológicos baseados em respostas individuais. Pulsos de concentrações relevantes de imidacloprid revelaram-se extremamente tóxicas para insectos aquáticos. A alimentação e metabolismo de uma espécie de plecóptero, Pteronarcys comsctocki, mostraram-se como respostas sub-letais sensíveis e assim ferramentas válidas em termos de biomonitorização dos efeitos do pesticida. Usando um clone de Daphnia magna foi também avaliada a relativa importância das substâncias de alarme e de kairomonas de truta (Salmo trutta) como mediadores de respostas anti predação em Daphnia. A combinação de kairomonas e substâncias de alarme mostrou ser necessária para uma resposta mais forte induzindo alterações no comportamento, fisiologia e história de vida de Daphnia. Esta combinação de sinais químicos pode ser assim usada para avaliar efeitos de intimidação ou de risco de predação. Utilizando metodologias ecotoxicológicas padronizadas avaliaram-se em laboratório as respostas de D. magna, Chironomus riparius e Sericostoma vittatum, expostos a concentrações sub-letais de Imidacloprid bem como diferentes níveis de risco de predação. Observaram-se efeitos significativos de concentrações relevantes de Imidacloprid na fisiologia e comportamento dos insectos enquanto que D. magna se mostrou muito mais tolerante respondendo apenas a concentrações bastante altas de imidacloprid. A exposição combinada a ambos os stressores foi avaliada considerando mecanismos de acção ecotoxicológicos dos dois stressores e usando diferentes abordagens nomeadamente modelos de referência para misturas químicas e análises de variância. No caso dos insectos, foram observados efeitos aditivos na maioria dos parâmetros testados sendo que a exposição a concentrações sub-letais de Imidacloprid inibiu algumas das respostas anti predatórias com potenciais efeitos em termos de mortalidade devido a predação em campo. Para D. magna a exposição simultânea aos dois stressores mostrou desvios relativamente aos modelos de referência que incluem sinergismo para algumas dos parâmetros testados. Os resultados obtidos mostram que invertebrados sujeitos a elevada pressão predatória são mais afectados por concentrações sub-letais de pesticidas. Dado que muitas espécies de invertebrados são simultaneamente sujeitas ao risco de predação e à contaminação por pesticidas, o estudo do efeitos combinados destes dois factores nas comunidades aquáticas, é extremamente importante para melhor prever e interpretar os efeitos ecológicos da contaminação por pesticidas em sistemas naturais.

Aquatic species rely on plastic traits to defend themselves against predators. The induction of these antipredator defences is mediated by water-borne chemical cues. These induced defences have associated costs which can include decreased tolerance to future environmental change such as pesticide contamination. The effects of pesticides in natural systems can be a result not only of their direct toxicity but also of their indirect effects on predator-prey interactions. Despite their relevance for risk assessment, the interactive effects of pesticide contamination and predation stress are poorly understood because the underlying behavioural and physiological mechanisms are largely unstudied. The main objective of this thesis was therefore to assess the toxic effects of imidacloprid, a widely-used insecticide, on different invertebrate species under different levels of predation risk. First, the effects of Imidacloprid on freshwater communities were assessed using field-deployed mesocosms and organism level bioassays. Pulses of environmentally-relevant concentrations of imidacloprid were highly toxic to non-target aquatic insects. Feeding and metabolic responses of a stonefly species Pteronarcys comsctocki, proved to be a good early warning indicator of pesticide detrimental effects. Using a clone of Daphnia magna, the relative importance of alarm cues and fish kairomones (Salmo trutta) were studied as initiators of Daphnia antipredator defences. Although behavioural responses could be triggered by single cues, a combination of alarm cues and predator-specific compounds induced stronger responses and were necessary to induce complete antipredator responses (behavioural, physiological and in the life-history) of daphnids. A combination of both types of chemical cues could thus be used as surrogate for the effects of intimidation posed by predators. Using standardized laboratory toxicological methodologies different responses of D. magna, Chironomus riparius and Sericostoma vittatum d to sublethal concentrations of imidacloprid were assessed under different levels of predation risk. Significant effects of environmentally-relevant concentrations of imidacloprid were observed on insect behaviour and physiology. Higher concentrations of imidacloprid were necessary to elicit effects on D. magna, relative to the other species tested. Considering the ecotoxicological mode of action of imidacloprid and perceived predation risk, the effects of simultaneous exposure to both stressors were assessed using different approaches with additive reference models and analysis of variance. Both stressors acted additively for most responses tested in the different insect species with exposure to sublethal concentrations of imidacloprid also inhibiting antipredator responses with potential negative consequences in terms of mortality from predation in the field. For D. magna, exposure to both stressors showed significant deviations from the reference models results including synergism for same endpoints tested. The results obtained provide insight into the conditions under which interactions between these stressors are likely to occur: invertebrates such as daphnids, midges and caddisflies living under fish predation stress will be more affected by sub-lethal concentrations of Imidacloprid than populations at low predatory pressure. Since predation risk and pesticides can be considered 'similarly-acting' stressors in an ecological sense, studying both types of stress within the same mechanistic framework can be of great value providing compatible data for modelling and allowing improved interpretation of ecological effects of relevant stressors.
description: Doutoramento em Biologia
URI: http://hdl.handle.net/10773/955
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