Effects of wildfire ashes from different plant coverages in aquatic life stages of amphibians

Abstract

Climate change has led to a global increase of earth surface temperatures. This phenomenon triggered the increase of frequency and intensity of extreme events such as wildfires. Mediterranean countries are severely affected by these disturbances because of their especially dry summers. Wildfire situation in Portugal is especially critical, because besides the hot and dry summers its native forests have been replaced with monospecific plantations that facilitate wildfires. Wildfires, along with the ashes formed, may cause environmental impacts. Formation of the ashes is a process that converts fuels (organic matter) into a matrix composed of organic and inorganic compounds. Plant coverage can alter the ashes’ chemical and physical properties, especially in ashes with a high organic fraction. During the first rain events post-wildfires, these ashes, with the adsorbed chemicals, are transported into nearby waterbodies, where they can induce adverse effects to aquatic biota. Early-life stages of amphibian (embryos and tadpoles) may be particularly susceptible to these chemicals and ashes. According to the above, this study intended to assess how ashes originated from wildfires of forests with different plant coverages (Eucalyptus globulus and Pinus pinaster) affect embryos or tadpoles of two species of amphibians – Xenopus laevis and Pelophylax perezi. In order to do so, embryos of X. laevis and tadpoles of the two species of amphibians were exposed for 96 h and 14 days, respectively, to serial concentrations (26.9% - 100%) of aqueous extracts of ashes (AEA, with 10 g/L of ashes) containing Eucalypt (ELS) and Pine (PLS) ashes. At the end of the assays, the following endpoints were measured: mortality, developmental stage, body length (total, snout-to-vent-SV, tail) and weight. Effects at sub-individual level were also monitored for oxidative stress (catalase-CAT, glutathione-S-transferase-GST, total glutathione-TG, and lipidic peroxidation-LPO), neurotoxicity (acetylcholinesterase-aChE), and energy metabolism (oxygen consumption through the electron transfer system-ETS, and carbohydrate, lipid and protein contents). Chemical characterization of ashes and AEA was also performed. The AEA of ELS showed higher concentrations of As, Cd, Co, Cr, Pb and V, while PLS showed higher concentrations of Cu, Mn, Ni and Zn. Though a mortality above 20% occurred in embryos of X. laevis exposed to AEA, it was not significantly different from the control. Effects at sublethal level were only observed for embryos exposed to PLS; which showed lower carbohydrates content and higher oxygen consumption. Exposure of tadpoles of X. laevis to ELS and PLS AEA caused some mortality, that was not significantly different from the control, and a delay in developmental stages. All tested concentrations of the two AEA significantly decrease the body lengths and body weight of X. laevis tadpoles. At the sub-individual level, a decrease in the activity of the enzymes CAT and GST and in carbohydrates and lipid contents were observed in these organisms. An increase in oxygen consumption was only registered for tadpoles exposed to PLS. As for tadpoles of P. perezi, exposure to ELS induced no significant effects in the organisms. Though exposure to PLS caused a reduction in body lengths, weight, GST activity and an increase in oxygen consumption. Overall, PLS AEA induced more effects in the two species, suggesting an influence of vegetation cover in the toxicity of ashes. Tadpoles of X. laevis showed a higher sensitivity to the AEA than the respective embryos and than of P. perezi, suggesting to be an adequate model organism for the risk assessment of ashes derived from wildfire to amphibians. Further, the obtained results showed that short-term exposure to ash-load runoffs from eucalypt or pine forests may compromise amphibian’s populations.

As alterações climáticas têm provocado um aumento global das temperaturas da superfície da terra. Este fenómeno potenciou um aumento da frequência e intensidade de eventos extremos, aos quais está associado o aumento da ocorrência de incêndios florestais. Os Países localizados na bacia Mediterrânea são severamente afetados por estes tipo de ocorrências por apresentarem verões secos. A situação dos incêndios em Portugal é especialmente critica, porque para além dos verões quentes e secos, a sua floresta tem sido substituída por plantações mono específicas que facilitam a propagação dos incêndios. A ocorrência de incêndios, bem como a subsequente formação de cinzas pode ter um grande impacto ecológico. A formação de cinzas é um processo que converte combustíveis numa matriz composta por compostos orgânicos e inorgânicos, alguns potencialmente tóxicos. Contudo, a sua composição é condicionada pela cobertura vegetal. Durante os primeiros eventos de chuva, após a ocorrência de um incêndio, estas cinzas são arrastadas por escorrência superficiais para os corpos de água adjacentes, levando consigo elementos que podem ser tóxicos para os organismos aquáticos. Os estádios de desenvolvimento aquático de anfíbios (embriões e girinos) podem ser particularmente sensíveis a estas cinzas e aos compostos a elas adsorvidos. Deste modo, o presente estudo pretendeu avaliar a toxicidade de cinzas oriundas de incêndios de florestas com diferentes coberturas vegetais (Eucaliptus globulus e Pinus pinaster) para embriões e girinos de duas espécies de anfíbios – Xenopus laevis e Pelophylax perezi. Para tal, embriões de X. laevis e girinos de ambas as espécies foram expostos durante 96 h e 14 dias, respetivamente, a concentrações (26.9% - 100%) de extratos aquosos de cinzas (AEA, com 10g/L de cinzas) obtidas de incêndios de florestas de eucalipto (ELS) e de pinheiro (PLS). No final dos ensaios, foram analisados os seguintes parâmetros: mortalidade, estádio de desenvolvimento, comprimento corporal (total, rostro à cloaca, cauda) e peso (apenas em girinos). Efeitos a um nível sub-individual também foram monitorizados para stress oxidativo (catalase-CAT, glutationa-S-transferase-GST, glutationa total-TG, e peroxidação lipídica-LPO), neurotoxicidade (acetilcolinesterase-aChE), e metabolismo energético (consumo de oxigénio pelo sistema de transporte de eletrões-ETS, e conteúdos de carbohidratos, lípidos e proteína). A caracterização química das cinzas e dos AEA também foi efetuada. O AEA de ELS apresentou concentrações mais elevadas de As, Cd, Co, Cr, Pb e V, enquanto o de PLS de Cu, Mn, Ni e Zn. Embora tenha ocorrido uma mortalidade superior a 20% em embriões de X. laevis expostos a AEA de eucalipto e pinheiro, não foi significativamente diferente do controlo. Efeitos ao nível sub-letal foram apenas observados em embriões expostos a PLS: os quais apresentaram um conteúdo baixo de carbohidratos e elevado consumo de oxigénio. A exposição de girinos de X. laevis a ELS e PLS entre 10 e 35% de mortalidade, que não foi significativamente diferente do controlo, e um atraso nos estádios de desenvolvimento. Todas as concentrações testadas de ambos os AEA reduziram significativamente os comprimentos e pesos corporais de girinos de X. laevis. A um nível sub-individual, registou-se o decréscimo da atividade das enzimas CAT e GST e nos conteúdos de carbohidratos e lípidos. Um aumento no consumo de oxigénio foi apenas observado em girinos expostos a PLS. Quanto aos girinos de P. perezi, a exposição a ELS não induziu efeitos significativos nos organismos. No entanto, a exposição a PLS causou uma redução no comprimento corporal, peso, atividade de GST e um aumento no consumo de oxigénio. De um modo geral, PLS apresentou maior toxicidade para ambas as espécies, o que sugere que a cobertura vegetal é um dos fatores que afeta as propriedades físico-químicas e por consequência a sua toxicidade. Os girinos de X.laevis demonstraram uma sensibilidade mais elevada aos AEA que os respetivos embriões e girinos de P. perezi, sugerindo que é um modelo adequado para avaliação de risco de cinzas originarias de incêndios florestais em anfíbios. Mais ainda, os resultados obtidos demonstraram que uma exposição de curta duração a escorrências de cinzas de eucalipto ou pinheiro podem comprometer as populações de anfíbios.