Biochemical and toxicological effects induced by copper sulphate and Tebuconazole on three freshwater species

Abstract

Pesticides usage is considered a common activity and even a necessity in some regions, due fundamentally to the growth of the human population worldwide and, consequently, the increasing of food demand. The uncontrolled use of pesticides is a threat to ecosystems, affecting the biodiversity. One of the most relevant concerns about pesticides' contamination is their impacts on non-target organisms. Freshwater ecosystems in the proximity of agricultural areas are especially vulnerable, since these contaminants can easily reach them by water run-off, and therefore can affect biological processes at different levels: molecular, individual and population. Copper sulphate and Tebuconazole are two widely used pesticides in agriculture to eliminate or control fungi and fungus-like pathogens. Due to their widespread use and moderate persistence, pesticides are frequently detected in aquatic systems near agricultural areas. This study aims to determine the toxicological and biochemical effects of copper sulphate and Tebuconazole in three standard freshwater species: Raphidocelis subcapitata, Lemna minor and Daphnia magna, at two different temperatures of 20ºC and 25ºC for a potential climate change scenario perspective. To understand the effects of both compounds, exposure assays and biochemical analyzes were performed, especially, fatty acids and carbohydrates profiles. Results show that D. magna was the most sensitive species to copper sulphate exposure (EC50 values of 0.13 and 0.12 mg.L-1, at 20ºC and 25ºC, respectively), while Tebuconazole exposure induced more effects on L. minor (EC50 values of 0.78 and 1.40 mg.L-1, at 20ºC and 25ºC, respectively). In general, the microalgae presented to be more affected to both contaminants at 25°C, whereas the macrophytes and daphniids showed to be more sensitive at 20°C. The fatty acid and carbohydrates profiles of the three species significantly changed, presenting different responses according to the pesticide and temperature to which the individuals were exposed. These biochemical alterations can have an impact on the nutritional value of these organisms. As important food sources and basis of freshwater food webs, changes in the populations of R. subcapitata, L. minor and also D. magna may induce severe impacts in the whole ecosystem. Fatty acid and carbohydrates biomarkers showed to be relevant tools to detect contaminants impacts, providing additional and useful information to ecotoxicological studies, and, therefore, good bioindicator of the presence of these compounds in aquatic systems.

O uso de pesticidas é considerado uma atividade comum e até mesmo uma necessidade em alguma regiões, fundamentalmente devido ao crescimento da população humana e, consequentemente, ao aumento da procura de alimento. O uso descontrolado de pesticidas é uma ameaça aos ecossistemas, afetando a biodiversidade. Uma das preocupações mais relevantes sobre a contaminação de pesticidas é os seus impactos em organismos não-alvo. Os ecossistemas de água doce nas proximidades de áreas agrícolas são especialmente vulneráveis, uma vez que esses contaminantes podem alcançá-los facilmente pelo escoamento de água e podem, portanto, afetar processos biológicos em diferentes níveis: molecular, individual e populacional. O sulfato de cobre e o Tebuconazole são dois pesticidas amplamente usados na agricultura para eliminar ou controlar fungos e patogénios semelhantes a fungos. Devido ao seu uso generalizado e persistência moderada, os pesticidas são frequentemente detetados em sistemas aquáticos próximos de áreas agrícolas. Este estudo tem como objetivo determinar os os efeitos toxicológicos e bioquímicos do sulfato de cobre e do Tebuconazole em três espécies standard de água doce: Raphidocelis subcapitata, Lemna minor e Daphnia magna, a duas temperaturas distintas de 20ºC e 25ºC para uma prespectiva de cenário de potencial alteração climática. Para compreensão sobre os efeitos de ambos os compostos, foram realizados ensaios de exposição e análises bioquímicas, especificamente, perfis de ácido gordos e de hidratos de carbono. Os resultados mostram que D. magna foi a espécie mais sensível à exposição de sulfato de cobre (valores de EC50 de 0,13 e 0,12 mg.L-1, a 20ºC e 25ºC, respetivamente), enquanto a exposição ao Tebuconazole induziu mais efeitos em L. minor (valores de EC50 de 0,78 e 1,40 mg.L-1, a 20ºC e 25ºC, respetivamente). Em geral, as microalgas mostraram ser mais afetadas a ambos os contaminantes a 25ºC, enquanto que as macrófitas e as dáfnias mostraram ser mais sensíveis a 20ºC. Os perfis de ácidos gordos e de hidratos de carbono das três espécies variaram signficativamente, apresentado diferentes respostas de acordo com o pesticida e a temperatura a que os indivíduos estavam expostos. Estas alterações bioquímicas podem ter repercussões no valor nutricional destes organismos. Como importantes fontes de alimento e bases das cadeias alimentares de água doce, alterações nas populações de R. subcapitata, L. minor e também de D. magna pode induzir diversos impactos no ecossistema. Os ácidos gordos e os hidratos de carbono mostraram ser ferramentas relevantes na deteção dos impactos de contaminantes, fornecendo informacão adicional e útil para ensaios ecotoxicológicos, e , por isso, bons bioindicadores da presença destes compostos em sistemas aquáticos.