Combined effects of invasive species and insecticide exposure on freshwater invertebrates

Abstract

Freshwater invertebrate communities are often exposed to multiple stressors that can disrupt aquatic trophic chains and ecosystem functioning. Insecticide contamination and invasive species are two main anthropogenic stressors of concern in freshwaters. Understanding their combined effects to community structure and vital ecosystem functions present challenges for an improved ecological risk assessment. The main objective of this research was thus to investigate whether the deleterious effects of insecticide pollution may be mediated by the presence of alien invasive species. An integrative study was designed to assess the direct and indirect effects of these actual threats to freshwater benthic communities, from the individual towards the community and ecosystem levels with focus on detritus-based food webs. Chlorantraniliprole (CAP), an anthranilic diamide was selected as model compound due to its novel mode of action that confers specificity for ryanodine receptors of insects. Plus, CAP neurotoxicity can potentially disrupt individual behaviour and chemical communication among freshwater species. In a first step, CAP toxicity was assessed and compared with that from a broad-spectrum pyrethroid. Although CAP revealed less toxicity towards the selected species in comparison with the pyrethroid esfenvalerate (ESF), environmentally relevant concentrations of both insecticides disrupted the feeding behaviour of the shredder Sericostoma vittatum and impaired the development of the collector Chironomus riparius. Further, metabolic costs and sub-organismal effects due to insecticide-induced stress were also assessed with different biochemical biomarkers, revealing high energetic costs in exposed organisms. Two biotic factors of high ecological relevance, predation and resource quality, were selected and effects of two widely distributed invasive species (Procambarus clarkii and Eucalyptus globulus) were also considered. Multiple stressors exposures were then performed in microcosms systems with tri-trophic simplified detritus-based food webs to evaluate effects on leaf decomposition, C. riparius development and shredder-collector interactions. In a first trial, combined effects of CAP exposure and predation risk were tested. Shredders presence drastically increased leaf decomposition, but CAP exposure decreased this ecosystem process. CAP toxicity, predation risk and shredders presence independently lead to decreases on C. riparius growth. Additionally, in similar assays, alder and eucalypt leaf decomposition was reduced under predation risk, impairing larvae growth, being this effect exacerbated in the presence of less nutritive eucalypt leaves. In both assays, C. riparius growth was reduced in the presence of the shredders, suggesting a competition between these species, irrespective of CAP exposure or predation risk. Lastly, freshwater benthic communities were exposed to CAP and invasive species presence in mesocosms systems allowing to test the different combinations of stressors under a more complex and realistic exposure scenario. Community responses to CAP were assessed in the presence of leaf litter of different nutritional value (native A. glutinosa vs invasive E. globulus leaves) and the presence of different predators (native dragonfly Cordulegaster boltonii vs invasive crayfish P. clarkii). A path analysis using structural equation modeling (SEM), was applied to identify, quantify and discriminate between the strength of direct and indirect effects of all stressors and their combination on community structure (macroinvertebrate abundances) and ecosystem function (leaf decomposition and primary production). Environmentally relevant exposure to CAP, presence of crayfish and eucalypt leaves all contribute to changes on macroinvertebrate abundances. Crayfish presence mediated CAP toxicity to collectors and grazers. Shredders and collectors survival was reduced in treatments with eucalypt leaves which also presented lower leaf decomposition in comparison with streams with alder leaves. CAP toxicity towards collectors was magnified in the streams with Eucalyptus leaves. Density-mediated effects were observed and reductions of grazer species lead to increased primary production. In summary, this research showed that predator identity and detritus quality can mediate the effects of insecticide contamination on structural and functional endpoints in benthic freshwater communities and highlights the value of incorporating biotic stressors in ecotoxicological experiments. The present thesis is a contribution to the complex task of assessing the effects of pesticides under a more natural and complex scenario of exposure that is, nevertheless, critical for an effective risk management of freshwater ecosystems near agricultural areas.

As comunidades de invertebrados de água doce estão frequentemente expostas a múltiplas pressões que podem perturbar as cadeias tróficas e funções do ecossistema. A contaminação por inseticidas e a presença de espécies invasoras são duas das principais pressões antropogénicas nestes sistemas. Entender os seus efeitos combinados na estrutura e funções das comunidades é um dos atuais desafios para uma melhor avaliação de risco ecológico. O principal objetivo deste estudo foi avaliar se os efeitos deletérios da poluição por inseticidas são mediados pela presença de espécies invasoras. Para tal, foi realizado um estudo integrativo dos efeitos diretos e indiretos destas ameaças para as comunidades bentónicas de água doce, medindo respostas ao nível do indivíduo, da comunidade e ecossistema, com foco em cadeias alimentares de detritos. Chlorantraniliprole (CAP), uma diamida antranílica, foi usado como composto modelo devido ao seu modo de ação que lhe confere especificidade pelos recetores de rianodina de insetos. Além disso, a neurotoxicidade do CAP pode perturbar o normal comportamento e comunicação química entre espécies. Primeiramente, a toxicidade do CAP foi avaliada e comparada com a de um piretróide de amplo espectro. Embora o CAP se tenha revelado menos tóxico para as espécies estudadas que o esfenvalerato (ESF), concentrações ambientalmente relevantes de ambos os inseticidas inibiram a alimentação do fragmentador Sericostoma vittatum e diminuíram o desenvolvimento do coletor Chironomus riparius. Os custos metabólicos e os efeitos ao nível suborganismal foram avaliados através de diferentes biomarcadores bioquímicos, revelando elevados custos energéticos para estes invertebrados quando sob stress químico. Os efeitos de dois fatores bióticos de elevada relevância ecológica, predação e qualidade do recurso alimentar, foram estudados e avaliados alterando a sua identidade por duas espécies invasoras (Procambarus clarkii e Eucalyptus globulus) amplamente distribuídas na Europa. Exposições a múltiplos stressores foram então realizadas em sistemas de microcosmos com cadeias alimentares de detritos simplificadas para avaliar a decomposição de folhada, o crescimento de C. riparius e alterações nas interações fragmentador-coletor. Num primeiro ensaio, foram avaliados os efeitos combinados da exposição a CAP e risco de predação. A presença de fragmentadores aumentou consideravelmente as taxas de decomposição da folhada, mas a contaminação por CAP teve o efeito contrário. A toxicidade do CAP, o risco de predação e a presença de fragmentadores contribuíram para o decréscimo do crescimento de C. riparius. Em ensaios similares, a decomposição da folhada de amieiro e eucalipto foi reduzida sob risco de predação, diminuindo o crescimento das larvas, sendo este efeito exacerbado com eucalipto, de menor valor nutricional. Em ambos os ensaios, o crescimento de C. riparius foi reduzido na presença dos fragmentadores, sugerindo uma competição entre estas espécies, independentemente da exposição a CAP ou presença do predador. Por fim, comunidades bentónicas de água doce foram expostas a CAP e presença de espécies invasoras em mesocosmos, permitindo testar as diferentes combinações de stressores sob um cenário de exposição mais relevante. As respostas das comunidades ao CAP foram avaliadas na presença de folhada de diferentes valores nutricionais (da nativa Alnus glutinosa vs folhas da invasora E. globulus) e na presença de diferentes predadores (odonata nativo Cordulegaster boltonii vs lagostim invasor P. clarkii). Para identificar, quantificar e discriminar a magnitude dos diversos efeitos diretos, indiretos e combinados dos vários stressores sobre a estrutura da comunidade (abundância de macroinvertebrados) e função do ecossistema (decomposição foliar e produção primária), utilizou-se um método de análise de equações estruturais (SEM). Concentrações ambientalmente relevantes de CAP, a presença do lagostim e das folhas de eucalipto, contribuíram para alterações na abundância de macroinvertebrados. A presença do lagostim mediou os efeitos tóxicos do CAP para coletores e herbívoros. A sobrevivência dos fragmentadores e coletores foi reduzida nos tratamentos com folhada de eucalipto, que por sua vez também apresentaram menor decomposição em comparação com os rios com folhada de amieiro. A toxicidade do CAP para os coletores foi magnificada em rios com eucalipto como recurso alimentar. Efeitos mediados pela densidade foram observados através da redução de herbívoros que levou ao aumento de produção primária. Em síntese, este estudo demonstra que a identidade do predador e a qualidade dos recursos alimentares podem mediar os efeitos da contaminação por inseticidas em parâmetros estruturais e funcionais das comunidades bentónicas de água doce e destaca o valor da incorporação de stressores bióticos em testes ecotoxicológicos. A presente tese é um contributo para a complexa tarefa de avaliar os efeitos dos pesticidas considerando cenários de exposição ecologicamente relevantes que é, no entanto, crítica para uma avaliação de risco eficaz em ecossistemas de água doce perto de áreas agrícolas.