Understanding the influence of soil pH on Dazomet behaviour and toxicity to promote its sustainable use in agriculture

Abstract

The production of food for human subsistence depends directly on agriculture and its productivity. To obtain high production rates and minimum crop losses related to pest and diseases, this sector frequently and intensively resorts to the use of pesticides or plant protection products (PPP). Despite the benefits and need to use PPPs, over time and together with misuse, its effects culminate in different severity scenarios in the environment. Thus, there is a need to understand the effects of these compounds on the biota in real scenarios of exposure of organisms, in order to investigate more sustainable and environmentally friendly ways of using PPP. The fumigant Basamid® (which active substance is dazomet) was selected for this study, being on the market for more than 10 years, with additional extended evaluation by the authorities (EFSA and European Commission) for another 5 years. This fumigant acts as a fungicide, herbicide, nematocide and sterilant. Abiotic factors such as soil moisture, pH and organic matter affect its behaviour in environmental matrices, influencing the rate of reactions such as hydrolysis, altering the fumigant's half-life. Thus, the main objective of this work was to investigate the effect of soil pH on Basamid® toxicity in non-target organisms of different complexities, representing two ecosystems (terrestrial: Folsomia candida, Enchytraeus crypticus, Hypoaspis aculeifer and Eisenia andrei and aquatic: Lemna minor, Raphidocelis subcapitata, Daphnia magna, Brachionus calyciflorus, Hydra viridissima, Xenopus laevis and Danio rerio) and trophic web, as well as the ability of soil recolonization by edaphic organisms after contamination by the fumigant. Ecotoxicity assays were performed with soil organisms through exposure to contaminated soil (and pH corrected to 5.5, 6.5 and 7.5) and aquatic organisms through exposure to eluates from soil contaminated with Basamid® (under the same pH conditions). Basamid® proved to be very toxic to all exposed organisms (particularly D. magna and F. candida) with lethal and sub-lethal concentrations much lower than the recommended dose. From the results of chemical analyses, the increase in soil pH tends to decrease the concentration of dazomet in soil. For terrestrial organisms, the increase of soil pH led to an increase in Basamid® toxicity, except in E. andrei where the influence of pH was not observed. However, the avoidance tests carried out with E. andrei exposed to aged soil contaminated with Basamid® under the same pH conditions above mentioned, allowed to perceive that over time, recolonization may occur 56 days (pH 5.5) after application of the fumigant and this will occur faster for soil pH 6.5 and 7.5 (14 days). As for non-target aquatic organisms, primary producer, primary and secondary consumer groups were studied. The results were variable, which may be due to the inherent sensitivity of each species and to the exposure conditions, namely different temperature and chemical composition of culture medium. The most common pattern observed for these organisms was the decrease in toxicity with increasing soil pH. The results obtained suggested high levels of toxicity for terrestrial and aquatic organisms what can converge in main trophic chain ruptures. Therefore, there is an urgent need for a new assessment of the environmental risk of this fumigant, to which this work may contribute with complementary information regarding exposure in different species. Finally, in view of the pH characteristics of the soil, together with the application of Basamid®, (greater toxicity at higher pH for soil organisms) these should be taken into account in the new environmental risk assessment of dazomet.

A produção alimentar, como base da subsistência Humana, depende diretamente da agricultura e da sua produtividade. Para a obtenção de elevadas taxas de produção e diminuição de perdas de culturas devido a invasões por pragas, este sector recorre frequentemente e de forma intensiva à utilização de productos protetores de plantas (PPP). Apesar dos benefícios associados à utilização de PPP, estes, ao longo do tempo e juntamente com a sua indevida utilização, culminam em efeitos de diferentes severidades no meio ambiente. Desta forma, acresce-se a necessidade de perceber os efeitos destes compostos no biota em cenários de exposição reais, para se poderem explorar formas mais sustentáveis e benéficas para o ambiente na utilização de PPP. Assim, foi selecionado para este estudo o fumigante Basamid® (composto pela substância activa dazomet) que está em livre comercialização há mais de 10 anos, sendo que foi estendida a sua avaliação pelas autoridades regulamentares (EFSA e Comissão Europeia) por mais 5 anos. Este fumigante atua como fungicida, herbicida, nematocida e esterilizante, e fatores abióticos como a humidade, o pH e matéria orgânica do solo afetam o seu comportamento nas matrizes ambientais, influenciando a velocidade da sua hidrólise, e, desta forma, alterando também o seu tempo de meia vida. Deste modo, o presente trabalho teve como principal objetivo investigar o efeito do pH do solo na toxicidade de Basamid® em organismos não-alvo de diferentes complexidades, representantes de diferentes ecossistemas (terrestre: Folsomia candida, Enchytraeus crypticus, Hypoaspis aculeifer e Eisenia andrei e aquático: Lemna minor, Raphidocelis subcapitata, Daphnia magna, Brachionus calyciflorus, Hydra viridissima, Xenopus laevis e Danio rerio) e redes tróficas, bem como na capacidade de recolonização no solo por organismos edáficos após contaminação pelo fumigante. Foram realizados testes com organismos terrestres através da sua exposição a solo contaminado (e pH corrigido a 5.5, 6.5 e 7.5) e com organismos aquáticos por meio de eluatos de solo contaminado com Basamid® (nas mesmas condições de pH). O Basamid® revelou ser muito tóxico para todos os organismos expostos (particularmente D. magna e F. candida) identificando-se concentrações letais e sub-letais muito inferiores à dose recomendada. Os resultados das análises quimicas, sugerem que o aumento de pH diminui a concentração de dazomet no solo sendo que para os organismos terrestres o aumento do pH do solo, levou ao aumento da toxicidade de Basamid®, exceto em E. andrei onde não se observou a influência do pH. No entanto, os testes de evitamento realizados com E. andrei, expostas a solo envelhecido contaminado com Basamid® e nas mesmas condições de pH já referidas, permitiram perceber que ao longo do tempo, a recolonização poderá acontecer 56 dias (a pH 5.5) após aplicação do fumigante e esta ocorrerá de forma mais célere para o pH do solo 6.5 e 7.5 (14 dias). Quanto aos organismos aquáticos não-alvo, os resultados demonstraram não haver um padrão consistente da influência do pH, o que pode estar relacionado com sensibilidade inerente de cada espécie e/ou com condições de exposição, nomeadamente temperatura e composição química dos meios de cultura. Tendencialmente, o padrão mais comum observado para estes organismos foi a diminuição da toxicidade com o aumento do pH do solo. Os resultados obtidos sugerem níveis elevados de toxicidade para organismos terrestres e aquáticos que podem provocar a rotura de cadeias tróficas. Assim, acresce a necessidade urgente de uma nova avaliação do risco ambiental deste fumigante, para a qual o presente trabalho poderá contribuir com informação complementar relativa à exposição em diferentes espécies. Por fim, tendo em vista as características do pH do solo, em conjunto com a aplicação de Basamid®, (maior toxicidade a pH mais elevado para organismos de solo) sugere-se que sejam ser tidos em conta na nova avaliação de risco ambiental de dazomet.