Evaluation of the ecological impact of contaminants

Abstract

Agricultural activities are one of the major sources of pollution in the surrounding environments. Diffuse pollution with nutrients, pesticides and metals [or plant protection products (PPPs) in general] has been identified as one of the most critical threats to both surface and groundwater resources. In fact, mainly through leaching and runoff from adjacent agricultural fields, the nutrients and contaminants can enter the water bodies promoting the occurrence of algal blooms and an increased eutrophication of the system. The eutrophication processes thus may be caused by the direct increase in nutrient loads, but also by the inability of primary consumers in controlling the blooms due to direct or indirect impacts of PPPs on their populations. In these scenarios of diffuse pollution, and in order to have a good overview on how the system works, is also necessary to understand the interactions between aquatic and terrestrial compartments to assess the contribution of the soils of the drainage basin, with PPPs, to shallow freshwater lakes. In this context, the present study contributed to increase knowledge about the effects of diffuse pollution, particularly how the exposure to the herbicide pendimethalin, under environmentally relevant concentrations, may compromise the nutritional quality of phytoplankton, thus indirectly affecting the sustainability of primary consumers’ populations within freshwater food webs. Furthermore, this study presented an adapted ecological risk assessment (ERA) framework, previously proposed for contaminated sites, and demonstrated its application on an area undergoing diffuse pollution from agricultural activities, in the drainage basin of a shallow freshwater lake in the Center of Portugal (Lake Vela, Figueira da Foz). Thus, combining ecotoxicological and chemical analysis for a soil screening assessment, risks were calculated for a first tier of the ERA framework. Finally, it was also aimed to assess the application of a nanotechnology-based approach for the remediation of shallow freshwater bodies exposed to diffuse pollution. According to our results, the nutritional quality of algae exposed to the herbicide pendimethalin (Prowl®) revealed a slight decrease in fatty acids levels and an increase of protein content, while no significant differences were recorded for carbohydrates. The reproduction of Daphnia magna was significantly reduced in organisms fed with algae previously exposed to the herbicide, but no significant effects were recorded at the time to first broad, brood size and growth rate. Additionally, an internal pendimethalin body burden of 4.226 μg g-1 was recorded on D. magna fed with algae exposed to the pesticide. It was not possible to establish a direct causeeffect relationship between the effects recorded on daphnids and the nutritional quality of microalgae. The toxic effects of the pesticide transferred from the algae to consumers may also have been responsible for the effects on organism’s reproduction. Using a cost-effective and time-effective battery of bioassays, the start of the ERA framework (tier 1), with the application of the Ecotoxicological Line of Evidence (EcoToxLoE), was informative for a first screening of soils from the Lake Vela drainage basin that may represent higher risks to the lake. The Chemical Line of Evidence (ChemLoE), only applied to a reduced number of soils, reinforced the conclusions made based on the.

EcoToxLoE, highlighting the role of the soil organisms as more sensitive indicators of the effects of mixtures of soil contaminants. Finally, the application of TiO2 nanoparticles on water remediation approaches proved to be effective in controlling the internal loading of nutrients and for eliminating algal blooms. Nevertheless, this approach was not innocuous for non-target species of eutrophic systems, as tested under microcosm multispecies test systems. Thus, future efforts should be focused on testing different nanomaterials, both innocuous and environmentally sustainable, for their effectiveness in preventing or mitigating algal blooms in shallow lakes through an integrated approach, similar to the one tested in our study.

As atividades agrícolas são uma das principais fontes de poluição para os ambientes circundantes. A poluição difusa com nutrientes, pesticidas, metais [ou produtos de proteção de plantas (PPPs) em geral] foi identificada como uma das principais ameaças para os recursos de águas superficiais e subterrâneas. De facto, principalmente através da lixiviação e escoamento dos campos agrícolas adjacentes, os nutrientes e contaminantes podem entrar nas massas de água promovendo a ocorrência de blooms de algas e o aumento da eutroficação do sistema. Os processos de eutroficação são causados pelo aumento direto da concentração de nutrientes, mas também pela incapacidade das populações de consumidores primários em controlar a proliferação de microalgas devido aos impactos diretos ou indiretos dos PPPs. Nestes cenários de poluição difusa, e para se ter uma boa perspectiva de como o sistema funciona, é também necessário entender as interações entre os compartimentos aquático e terrestre para avaliar a contribuição dos solos da bacia de drenagem, com PPPs, para os lagos pouco profundos. Neste contexto, o presente estudo contribuiu para melhorar o conhecimento sobre os efeitos da poluição difusa, em particular sobre a forma como a exposição ao herbicida pendimetalina, sob concentrações ambientalmente relevantes, pode comprometer a qualidade nutricional do fitoplâncton, afectando indiretamente a sustentabilidade das populações de consumidores primários dentro das cadeias tróficas de água doce. Além disso, este estudo apresentou uma adaptação de Análise de Risco Ecológico (ARE), previamente proposto para locais contaminados, e demonstrou a sua aplicação numa área de poluição difusa por atividades agrícolas, na bacia de drenagem de uma lagoa pouco profunda, de água doce, no centro de Portugal (Lagoa da Vela, Figueira da Foz). Assim, combinando análises ecotoxicológicas e químicas para um rastreio dos solos circundantes, os riscos foram calculados para o primeiro nível do esquema da ARE. Por fim, o nosso estudo teve também como objetivo avaliar a aplicabilidade de uma abordagem baseada em nanotecnologia para a remediação de massas de água interiores pouco profundas expostas a poluição difusa. De acordo com os nossos resultados, a qualidade nutricional das algas expostas ao herbicida pendimetalina (Prowl®) revelou uma ligeira diminuição dos níveis de ácidos gordos e um aumento no seu conteúdo em proteínas, enquanto não foram registadas diferenças significativas nos hidratos de carbono. A reprodução de Daphnia magna foi significativamente reduzida em organismos alimentados com microalgas previamente expostas ao herbicida, embora nenhum efeito significativo tenha sido registado no tempo de ocorrência da primeira ninhada, no tamanho geral das ninhadas e na taxa de crescimento. Adicionalmente, foi registado um conteúdo corporal de pendimetalina de 4.226 μg g-1 em D. magna alimentada com algas expostas ao pesticida. Não foi possível estabelecer uma relação de causa e efeito direta entre os efeitos registados nos dafnídeos e a qualidade nutritiva das microalgas. Os efeitos tóxicos do pesticida transferido das microalgas para os consumidores podem também ter sido responsáveis pelos efeitos sobre a reprodução dos organismos. Utilizando uma bateria de bioensaios efetiva em termos de tempo e custos, demonstrou-se que o início da fase de rastreio da ARE (nível 1), com a aplicação da Linha de Evidência Ecotoxicológica (do inglês: EcotoxLoE), foi informativa para um primeiro rastreio dos solos da bacia de drenagem da lagoa da Vela que podem representar riscos mais elevados para a lagoa. A Linha de Evidência Química (do inglês: ChemLoE), aplicada já apenas a um número reduzido de solos, reforçou as conclusões baseadas na EcotoxLoE, destacando o papel dos organismos do solo como indicadores mais sensíveis dos efeitos das misturas de contaminantes presentes nesta matriz. Finalmente, a aplicação de nanopartículas de TiO2 na remediação de massas de água mostrou-se eficaz no controlo da concentração interna de nutrientes e na eliminação de blooms algais. No entanto, esta abordagem não foi inócua para as espécies não-alvo de sistemas eutróficos, como foi testado em sistema de microcosmos multiespecífico. Assim, estudos futuros devem ser focados em avaliar a eficácia de diferentes nanomateriais, inócuos e ambientalmente sustentáveis, para a prevenção e mitigação blooms de algas em lagos de baixa profundida através de uma abordagem integrada, semelhante à testada no nosso estudo.