Toxicity of the cypermethrin-based pesticide Barrage® to larvae of shrimp and zebrafish

Abstract

The Pantanal (Brazil) is one of the largest wetlands in the world and is home to a considerable diversity of aquatic organisms. The region is based on a hydrological cycle where each year the rivers flood extensive areas and periods of drought return the water to the river beds, with important variations in the physicochemical properties of the water of rivers and lagoons. Associated with this it has been observed an increasing growth of agricultural and livestock activities that heavily depend on chemical products (pesticides) to ensure production in the region. The effects of these compounds on the environment, especially in water bodies, are not very well known. Thus, it is important to assess the effects of these compounds on aquatic fauna taking into consideration environmental variation (which can still be exacerbated in a climate change scenario). Therefore, the objective of this work was to evaluate the effects of Barrage®, a cypermethrin-based pesticide widely used in the region in shrimp species (one endemic to the Pantanal) and zebrafish model. In a first phase, effects of pH and nitrite concentrations variation in the toxicity of Barrage® were studied using larvae of Macrobrachium pantanalense, Macrobrachium amazonicum and Danio rerio. In a second phase, histological effects were studied in adults of M. pantanalense. Finally, larvae of Palaemons varians were tested as model for behavioral analysis (locomotion) and behavioral toxicity of Barrage® tested in this species and in D. rerio larvae. The results of this thesis confirm that pH and nitrite modify the toxicity of Barrage® to the tested species, mainly at sublethal level (larval growth and development). Results suggest that lethality may not be sufficient to correctly predict the combined effects of stressors and that inclusion of endemic species is crucial to the correct risk evaluation on sensitive biomas such as Pantanal. P. varians larvae revealed to be a good model for locomotor activity evaluation and were sensitive to the Barrage® effects confirming the usefulness of behavioral endpoints in the early detection of ecological risk and suggesting that shrimps as suitable models for behavioral ecotoxicology. At histological level, results show important changes in Pantanal shrimp gills, including relevant structural lesions that may affect the physiological function of these organisms. The results of this thesis contribute to a better understanding of the Barrage® effects in the development, behavior and histology of non-target organisms, also confirming the importance of the variation of environmental components in the toxicity of this compound. Data obtained are essential to raise awareness for the need of conducting systematic studies for accurately predicting ecological risks of the use of pesticides and establishing mitigation and environmental protection measures in Pantanal.

O Pantanal (Brasil) é uma das maiores áreas úmidas do mundo e abriga uma considerável diversidade de organismos aquáticos. A região é baseada em um ciclo hidrológico onde a cada ano os rios inundam áreas extensas e períodos de seca que retiram a água para os leitos dos rios, com importantes variações nas propriedades físico-químicas da água de rios e lagoas. Associado a isso tem sido observado um crescimento cada vez maior de atividades agrícolas e da pecuária que dependem fortemente de produtos quimicos (pesticidas) para garantir a produção na região. Os efeitos desses compostos no ambiente, principalmente nos corpos d’agua não são muito bem conhecidos. Assim avaliar os efeitos desses compostos para a fauna aquática tendo em consideração variação ambiental (a qual pode ser ainda exacerbada com as atuais mudanças do clima) torna-se pertinente. Assim, o objetivo deste trabalho foi avaliar os efeitos do Barrage®, um pesticida a base de cipermetrina amplamente utilizado na região, em espécies de camarão (uma endêmica do Pantanal) e no peixezebra. Numa primeira fase foram estudados os efeitos de variações de pH ou nitritos na toxicidade do Barrage® para larvas de Macrobrachium pantanalense, Macrobrachium amazonicum e Danio rerio. Numa segunda fase os efeitos histológicos do Barrage® foram avaliados em adultos de M.pantanalense. Finalmente larvas de Palemons varians foram testadas como modelo para avaliação comportamental (locomoção) e a toxicidade comportamental do Barrage® testada nesta espécie e em larvas de D. rerio. Os resultados comprovam que o pH e nitrito modificaram a toxicidade do Barrage® nas espécies testadas, principalmente a nível subletal (crescimento e desenvolvimento larval). Os resultados sugerem que a letalidade pode não ser suficiente para prever corretamente os efeitos combinados de estressores e que a inclusão de espécies endémicas é fundamental para uma correta avaliação de risco ecológico em biomas sensíveis como o Pantanal. As larvas do camarão P. varians revelaram ser um bom modelo para avaliação da atividade locomotora e foram sensíveis aos efeitos do Barrage® confirmando a utilidade dos parâmetros comportamentais na detecção precoce de risco ecológico e indicando que o grupo dos camarões tem potencial como modelos em ecotoxicologia comportamental. A nível histológico, os resultados mostraram importantes alterações nas brânquias do camarão do Pantanal, incluindo lesões estruturais relevantes que podem afetar a função fisiológica destes organismos. Os resultados desta tese contribuem para uma melhor compreensão dos efeitos do Barrage® no desenvolvimento, histologia e comportamento de organismos não alvo, confirmando ainda a importância do estudo das variações ambientais na toxicidade deste composto. Estes dados são essenciais para chamar a atenção para a necessidade de conduzir estudos sistemáticos na região para previsão de riscos ecológicos do uso de pesticidas e estabelecimento de medidas de mitigação e proteção ambiental no Pantanal.