Influence of wildfires severity on ash toxicity to early life stages of amphibians

Abstract

Wildfire severity depends on many factors and on their interactions, namely on temperature, geomorphology, fuel characteristics, meteorological conditions, among others. This, in turn, influences the amount of ashes produced during the fire and their chemical composition. Ashes produced by forest fires are a complex matrix composed of organic and inorganic compounds, which are of great environmental concern due to their high toxicity, environmental persistence and tendency to bioaccumulate. Actually, recent studies have confirmed that wildfires act as diffuse source of contamination for the aquatic ecosystems, leading to impairments in their structure and functions. Within the context of contamination driven by wildfire ashes, aquatic early life stages (embryos and tadpoles) of amphibians, due their ecology and vulnerability to environmental disturbances, may be highly susceptible to this type of contamination as they will be exposed to chemical substances released by the ashes the water column and the sediment. This work intended to assess the influence of wildfire severity in pine stands on the ecotoxicity of aqueous extracts of the generated ashes (AEA) on aquatic early life stages of two anuran species: Pelophylax perezi and Xenopus laevis. To attain this goal, embryos of X. laevis and tadpoles of the two species were exposed for 96 hours and 14 days, respectively, to serial concentrations (26.9 to 100 %) of AEA of a medium severity (MS) and a high severity (HS) wildfire. At the end of the exposure periods, the following parameters were evaluated: mortality, malformations, developmental stages, body length (tail-TL, snout-to-vent-SVL and total body-TotL) and body mass (only for tadpoles). Adding to these apical endpoints, effects at the sub-individual level were also monitored for oxidative stress (lipid peroxidation, catalase, total glutathione, glutathione S-transferase-also a xenobiotic transformation enzyme), neurotoxicity (acetylcholinesterase), and energetic metabolism (electron transport system, total lipids, carbohydrate and proteins). Chemical analyses were performed to the two types of ashes and AEA. When comparing MS and HS AEA, the former showed a lower hardness. Furthermore, five (As, Co, Mn, Ni, V) of the ten analysed elements were present at higher concentrations in MS, while only Cd and Pb were at higher concentrations in HS. The assays performed with embryos and tadpoles of the two anuran species, revealed influence of AEA type, species and life stage in the observed ecotoxicological effects. As for lethal toxicity, a similar and significant reduction in survival of embryos of X. laevis and tadpoles of P. perezi was observed at 100 % of MS and HS. Though, tadpoles of X. laevis were more sensitive to MS (survival impaired at concentrations ≥ 26.9 %) than to HS (survival impaired at concentrations ≥ 76.9 %). Regarding sublethal effects, HS was more toxic to embryos of X. laevis than MS, as the former type of AEA significantly reduced TL, SVL and TotL at all tested concentrations, while MS only affected TL. On the contrary, tadpoles of X. laevis were more sensitive to MS; their body lengths and weight were significantly reduced at all tested concentration of MS, though only the two highest concentrations of HS affected these parameters. Tadpoles of P. perezi were more sensitive to HS, having, in general, their body lengths and weight significantly reduced at concentrations ≥ 26.9 % and 59.2 % of MS, respectively. Overall, biochemical markers were not significantly affected by exposure to the two types of AEA. Though it must be emphasized that catalase increase in embryos of X. laevis and tadpoles of P. perezi after exposure to AEA, indicating the occurrence of oxidative stress. This is the first study on the ecotoxicological effects of AEA to amphibians, and showed that the input of wildfire generated ashes, and adsorbed chemicals, may constitute a risk to aquatic life stages of amphibians.

A severidade dos incêndios florestais depende de vários fatores e das suas interações, nomeadamente, da temperatura, geomorfologia, características do combustível, condições meteorológicas, entre outras, que por sua vez influenciam a quantidade de cinzas produzidas durante o incêndio e a sua composição química. As cinzas produzidas durante incêndios florestais constituem uma matriz complexa composta por vários compostos orgânicos e inorgânicos, os quais constituem uma grande preocupação ambiental devido à sua elevada toxicidade, persistência no ambiente e tendência para bioacumulação. De facto, estudos recentes têm confirmado que os incêndios florestais atuam como fonte difusa de contaminação nos ecossistemas aquáticos, provocando alterações na sua estrutura e função. No contexto da contaminação causada por cinzas de incêndios florestais, os estádios de vida iniciais (embriões e girinos) de anfíbios, devido à sua ecologia e vulnerabilidade a perturbações ambientais, podem apresentar elevada suscetibilidade a este tipo de contaminação, por estarem mais expostos às substâncias químicas libertadas pelas cinzas, através da coluna de água e dos sedimentos. Este trabalho teve como objetivo avaliar a influência da severidade de incêndios florestais em povoamentos de pinheiro na ecotoxicidade de extratos aquosos de cinzas (AEA) em estádios iniciais de vida de duas espécies de anuros: Pelophylax perezi e Xenopus laevis. Para atingir esse objetivo, embriões de X. laevis e girinos das duas espécies foram expostos por 96 horas e 14 dias, respetivamente, a uma série de concentrações (26.9 a 100 %) de AEA resultantes de um incêndio de moderada severidade (MS) e alta severidade (HS). No final dos ensaios, foram avaliadas as seguintes respostas: mortalidade, malformações, estádio de desenvolvimento, comprimento corporal (cauda, rostro-cloaca e corpo total) e massa corporal (apenas para girinos). Para além destes critérios de avaliação apicais, os efeitos ao nível sub-individual também foram monitorizados para stress oxidativo (peroxidação lipídica, catalase, glutationa total, glutationa S-transferase - também uma enzima de transformação de xenobióticos), neurotoxicidade (acetilcolinesterase) e metabolismo energético (sistema transporte de eletrões, lípidos totais, carbohidratos e proteínas). Foram ainda realizadas análises químicas aos dois tipos de cinzas e AEA. Ao comparar MS e HS-AEA, verificamos que o primeiro apresentou uma dureza inferior. Além disso, cinco (As, Co, Mn, Ni, V) dos dez elementos analisados estavam presentes em maiores concentrações no HS. Os ensaios realizados com embriões e girinos, das duas espécies de anuros, revelaram influência do tipo de AEA, espécie e estádio de vida, nos efeitos ecotoxicológicos observados. Quanto à toxicidade letal, observou-se uma redução semelhante e significativa na sobrevivência de embriões de X. laevis e girinos de P. perezi expostos a 100 % de MS e HS. Porém, os girinos de X. laevis foram mais sensíveis a MS do que a HS. Em relação ao efeitos sub-letais, HS foi mais tóxico para embriões de X. laevis do que MS, pois o primeiro tipo de AEA reduziu significativamente o CC, CRC e o CTot em todas as concentrações testadas, enquanto MS apenas afetou o CC. Pelo contrário, os girinos de X. laevis mostraram-se mais sensíveis ao MS; os comprimentos e peso corporais diminuíram significativamente para todas as concentrações testadas de MS, embora apenas as duas concentrações mais altas de HS afetassem esses parâmetros. Os girinos de P. perezi revelaram maior sensibilidade ao HS, tendo, em geral, o comprimento e peso corporais sido significativamente reduzidos em concentrações ≥ 26,9 % e 59,2 % de MS, respetivamente. No geral, os marcadores bioquímicos não foram significativamente afetados pela exposição aos dois tipos de AEA. Porém, é de salientar que a atividade da enzima catalase aumentou em embriões de X. laevis e girinos de P. perezi expostos a AEA, indicando a ocorrência de stress oxidativo. Este é o primeiro estudo sobre os efeitos ecotoxicológicos de AEA em anfíbios, e mostrou que a entrada de cinzas, geradas durante incêndios florestais, e de compostos químicos que lhes estão absorvidos, podem constituir um risco para as fases de vida aquáticas deste grupo de organismos.