MEmO: multigenerational exposure in ecotoxicological model species: effects, mechanisms and implications

Abstract

Anthropogenic pollutants are continuously released into the environment, which can result in long term exposure to soil organisms. Currently, standard guidelines focus on the assessment of effects to only one life stage, mostly juveniles, during a fixed exposure time. Additionally, these methods evaluate harmful effects of compounds to e.g. organism’s survival, reproduction and avoidance. Results obtained when testing these endpoints, even when combined, can under-/over-estimate potential damage to soil fauna. Therefore, the main aim of this thesis was to develop and explore different methodologies to assess the effects of pollutants, namely using different life stages of the soil ecotoxicological model species Folsomia candida and multigenerational exposure. Moreover, it was aimed to integrate a multi-endpoint approach, by comparing the sensitivity of the endpoints proposed in the standard methods, with additional tested ones. The assessment of the effects of a well-known and studied metal, cadmium, to different life stages of F. candida provided new and valuable information to understand how these organisms are affected. Cadmium decreased reproduction after exposure of adults, while no effect on hatching, survival and reproduction was observed when organisms were exposed from eggs. Therefore, effects of contaminants can cause different impact depending on the organism’s age. Also, an assessment of different endpoints may result in more detailed conclusions. After evaluation the concentration addition (CA) model to predict the toxicity of a mixture (biocidal product), both to assess reproduction and avoidance behaviour, two distinct results were obtained. While the model was able to predict effects on reproduction, it strongly underestimated the impact on avoidance. The evaluation of the impact of pollutants after multigenerational exposure showed to have an unpredictable impact over the generations. While the impact of ivermectin (veterinary product) to survival and reproduction of F. candida was similar in all three tested generations, the size of the organisms decreased. Effects on size were also observed after exposure to an insect growth regulator – teflubenzuron, in addition to a decrease in survival and reproduction with increasing time of exposure, i.e. along generations. Since size has a crucial role to reproduction, the continuity of the population may be at risk if exposed during long periods of time. Also, different results from cellular and biochemical markers were obtained across generations, which contributed to the understanding of the effects and mechanisms involved after long term exposure. This thesis shows that the present guidelines can be improved by the incorporation of new parameters in addition to the currently required or standard endpoints. The multi-endpoint approach used in this work, which incorporated measurement of size and evaluation of cellular and biochemical markers, in combination with standard endpoints such as survival, reproduction and avoidance, showed the added value of the inclusion of a more integrative approach to the current risk assessment framework.

Os poluentes antropogénicos são continuamente libertados para o meio ambiente, o que pode resultar numa exposição de longa duração para os organismos do solo. Atualmente, as normas padrão visam a avaliação de efeitos em apenas um estádio de vida, geralmente juvenis, durante um determinado período de tempo. Além disso, estes métodos avaliam os efeitos nocivos destes compostos p.e. na sobrevivência, reprodução e comportamento de evitamento dos organismos. Os resultados obtidos com estes parâmetros, mesmo quando combinados, podem potencialmente sub/sobrestimar as consequências para a fauna do solo. Assim, o principal objetivo desta tese foi desenvolver e explorar diferentes metodologias para avaliar os efeitos de poluentes, especificamente usando diferentes estádios de vida do organismo modelo ecotoxicológico Folsomia candida e a exposição multigeracional. Além disso, objetivou-se integrar uma abordagem multiparamétrica, comparando a sensibilidade dos parâmetros propostos pelos métodos padrão, com outros já testados. A avaliação dos efeitos de um conhecido e bastante estudado metal, o cádmio, em diferentes estágios de vida da Folsomia candida, forneceu novas e valiosas informações para perceber como estes organismos são afetados. O cádmio diminuiu a reprodução após a exposição de adultos, contudo não foram observados efeitos ao nível da eclosão, sobrevivência e reprodução quando os organismos foram expostos a partir de ovos. Assim, os efeitos dos contaminantes podem causar impactos diferentes dependendo da idade dos organismos. Além disso, uma avaliação de diferentes parâmetros permite conclusões mais detalhadas. Após a avaliação do modelo de concentraçãoadição (CA) para prever a toxicidade de uma mistura (produto biocida) na reprodução e evitamento, dois resultados distintos foram obtidos. Enquanto que o modelo foi capaz de prever os efeitos na reprodução, subestimou fortemente o impacto no evitamento. A avaliação do impacto dos poluentes após exposição multigeracional mostrou ter consequências imprevisíveis ao longo das gerações. Enquanto que o impacto do fármaco antiparasitário ivermectina na sobrevivência e reprodução de F. candida foi similar nas três gerações testadas, o tamanho dos organismos diminuiu. Efeitos no tamanho foram também observados após exposição ao inseticida teflubenzuron, além de uma diminuição na sobrevivência e reprodução com o aumento do tempo de exposição, isto é, ao longo das gerações. Dado que o tamanho é essencial para a capacidade reprodutiva, a continuidade das populações pode estar em risco se estiverem expostas durante longos períodos de tempo. Além disso, foram obtidos diferentes resultados de marcadores celulares e bioquímicos entre gerações, o que contribuiu para a compreensão dos efeitos e mecanismos envolvidos após uma longa exposição. Esta tese demonstra que as normas atuais podem ser melhoradas com a inclusão de novos parâmetros aos que são requeridos atualmente ou considerados padrão. A abordagem multiparamétrica usada neste trabalho, que incorporou a medição do tamanho e avaliação de biomarcadores, em combinação com os parâmetros padrão, tais como a sobrevivência, reprodução e evitamento, mostrou a importância da inclusão de uma abordagem mais integrativa no quadro atual de avaliação de risco.