Effects of environmental factors on the toxicity of pesticides to zebrafish embryos

Abstract

During the last century mean global temperatures have been increasing. According to the predictions, the temperature change is expected to exceed 1.5ºC in this century and the warming is likely to continue. Freshwater ecosystems are among the most sensitive mainly due to changes in the hydrologic cycle and consequently changes in several physico-chemical parameters (e.g. pH, dissolved oxygen). Alterations in environmental parameters of freshwater systems are likely to affect distribution, morphology, physiology and richness of a wide range of species leading to important changes in ecosystem biodiversity and function. Moreover, they can also work as co-stressors in environments where organisms have already to cope with chemical contamination (such as pesticides), increasing the environmental risk due to potential interactions. Therefore, the objective of this work was to evaluate the effects of climate change related environmental parameters on the toxicity of pesticides to zebrafish embryos. The following environmental factors were studied: pH (3.0-12.0), dissolved oxygen level (0-8 mg/L) and UV radiation (0-500 mW/m2). The pesticides studied were the carbamate insecticide carbaryl and the benzimidazole fungicide carbendazim. Stressors were firstly tested separately in order to derive concentration- or intensity-response curves to further study the effects of binary combinations (environmental factors x pesticides) by applying mixture models. Characterization of zebrafish embryos response to environmental stress revealed that pH effects were fully established after 24 h of exposure and survival was only affected at pH values below 5 and above 10. Low oxygen levels also affected embryos development at concentrations below 4 mg/L (delay, heart rate decrease and edema), and at concentrations below 0.5 mg/L the survival was drastically reduced. Continuous exposure to UV radiation showed a strong time-dependent impact on embryos survival leading to 100% of mortality after 72 hours of exposure. The toxicity of pesticides carbaryl and carbendazim was characterized at several levels of biological organization including developmental, biochemical and behavioural allowing a mechanistic understanding of the effects and highlighting the usefulness of behavioural responses (locomotion) as a sensitive endpoint in ecotoxicology. Once the individual concentration response relationship of each stressor was established, a combined toxicity study was conducted to evaluate the effects of pH on the toxicity of carbaryl. We have shown that pH can modify the toxicity of the pesticide carbaryl. The conceptual model concentration addition allowed a precise prediction of the toxicity of the jointeffects of acid pH and carbaryl. Nevertheless, for alkaline condition both concepts failed in predicting the effects. Deviations to the model were however easy to explain as high pH values favour the hydrolysis of carbaryl with the consequent formation of the more toxic degradation product 1- naphtol. Although in the present study such explanatory process was easy to establish, for many other combinations the “interactive” nature is not so evident. In the context of the climate change few scenarios predict such increase in the pH of aquatic systems, however this was a first approach focused in the lethal effects only. In a second tier assessment effects at sublethal level would be sought and it is expectable that more subtle pH changes (more realistic in terms of climate changes scenarios) may have an effect at physiological and biochemical levels with possible long term consequences for the population fitness.

Durante o século passado, as temperaturas globais médias têm vindo a aumentar. De acordo com as previsões, a mudança de temperatura deverá ser superior a 1,5ºC neste século e o aquecimento é provável que continue. Os ecossistemas de água doce estão entre os mais sensíveis, principalmente devido às mudanças no ciclo hidrológico e, consequentemente, em diversos parâmetros físico-químicos (ex. pH, oxigénio dissolvido). Alterações nos parâmetros abióticos de ambientes de água doce irão provavelmente afectar a distribuição, morfologia, fisiologia e riqueza de uma ampla gama de espécies levando a mudanças importantes na biodiversidade e funcionamento do ecossistema. Para além disto, eles também podem atuar como co-estressores em ambientes onde os organismos já tem que lidar com contaminação química. Portanto, o objetivo deste trabalho foi avaliar os efeitos de parâmetros ambientais sobre a toxicidade dos pesticidas para embriões de peixe-zebra. Foram estudados os seguintes fatores ambientais: pH (3,0-12,0), nível de oxigénio dissolvido (0-8 mg/L) e radiação UV (0-500 mW/m2). Os pesticidas estudados foram o inseticida carbamato carbaril e o fungicida benzimidazólico carbendazim. Ambos os estressores (fatores ambientais e pesticidas) foram testados separadamente a fim de obter curvas dose-resposta para estudar mais profundamente os efeitos combinados de estressores ambientais e toxicidade química, aplicando modelos de mistura. A caracterização das respostas do peixe-zebra ao estresse ambiental mostrou que os efeitos do pH foram totalmente estabelecidas após 24 h de exposição e a sobrevivência foi só afetada a valores de pH abaixo de 5 e acima 10. Os níveis reduzidos de oxigénio também afetaram o desenvolvimento dos embriões em concentrações abaixo de 4 mg/L (atraso, redução dos batimentos cardíacos e edema) e em concentrações abaixo de 0.5 mg/L a sobrevivência foi drasticamente reduzida. A exposição contínua a radiações UV mostrou um forte efeito dependente do tempo na sobrevivência dos embriões levando a 100% de mortalidade no final do ensaio. A toxicidade dos pesticidas carbaril e carbendazim foi caracterizada em vários níveis de organização biológica, incluindo desenvolvimento, biomarcadores e comportamental, permitindo uma compreensão mecanicista dos efeitos e destacando a utilidade de respostas comportamentais (locomoção) como um parâmetro sensível em ecotoxicologia. Uma vez que as curvas dose resposta para cada estressor foram estabelecidas, um estudo de toxicidade combinado foi realizado para avaliar os efeitos do pH sobre a toxicidade do carbaril. Os resultados mostraram que o pH pode modificar a toxicidade do pesticida carbaryl. O modelo conceitual de adição da concentração permitiu uma previsão precisa da toxicidade dos efeitos conjuntos do pH ácido e carbaril. No entanto, para a condição alcalina ambos os conceitos falharam na previsão dos efeitos. Os desvios ao modelo foram no entanto fáceis de explicar uma vez que os valores de pH elevados favoreceram a hidrólise do carbaril com a consequente formação de um produto de degradação mais tóxico 1-naftol. Embora no presente estudo tal processo explicativo foi fácil de estabelecer, para muitas outras combinações de natureza "interativa" talvez esse processo não seja tão evidente. No contexto das alterações climáticas poucos cenários preveem um aumento tão elevado do pH de sistemas aquáticos, no entanto, esta pode ser considerada uma primeira abordagem focada apenas nos efeitos letais. Numa segunda avaliação, efeitos ao nível sub-letal seriam recomendados uma vez que espera-se que mudanças mais sutis de pH (mais realistas em termos de cenários de mudanças climáticas) possam ter um efeito em níveis fisiológicos e bioquímicos, com possíveis consequências a longo prazo para o fitness das populações.