The effects of pesticides on terrestrial life stages of amphibians

Abstract

The growth in the human population increases the need for greater consumption of available resources, namely due to the increase in food production. To respond to this food need, agriculture began to use intensive production methods that involve the application of large amounts of chemical compounds (e.g.: fertilizers, pesticides) to increase productivity, promoting rapid food growth and minimizing the occurrence of pests. Despite the advantage of using these compounds in terms of agricultural productivity, they can cause negative impacts on biodiversity and ecosystem services. In particular, regarding the application of pesticides (used for pest control) there are legal limits for the doses at which they can be applied in agricultural fields, and this limit is defined based on safe concentrations for the user as well as for the biodiversity. However, during the ecological risk assessment process of these compounds, the hazards to terrestrial life stages of amphibians are not directly assessed. These are assessed based on extrapolations performed on the basis of derived toxicity values for mammals and birds. This type of extrapolation may lead to the underestimation of risk for terrestrial life stages of amphibians, as their exposure pathways (e.g.: dermal exposure vs ingestion) and metabolism (ectothermic vs endothermic) differ from those of mammals and birds. However, carrying out ecotoxicological tests with amphibians raises ethical questions, namely because it constitutes animal experimentation. Thus, in parallel with the need to generate knowledge about pesticide hazards for terrestrial life stages of amphibians, there is a need to develop alternative methodologies that do not involve animal experimentation. In this context, the present work aimed to: (i) evaluate the toxicity of two active ingredients in terrestrial life stages of two species of anurans, through dermal exposure (considered the main route of exposure in these stages of development); (ii) to evaluate the suitability of ecotoxicity assays with the annelid species Eisenia andrei as a non-animal alternative for evaluating the ecotoxicity of pesticides in terrestrial life stages of amphibians. To achieve the proposed objectives, juveniles of Pelophylax perezi and Bufo spinosus were exposed, by spraying, to three doses of the active ingredients pirimicarb and metsulfuron-methyl (recommended dose (RD); 0.1x the RD and 10x the RD). The effects of this spray were evaluated, after 7 and 21 days, on the survival and growth of the organisms. Adults of E. andrei were sprayed with the same doses than the amphibians, the effects of this exposure were evaluated on the survival and weight of the organisms during 72 h. Overall, the results obtained indicated that the concentrations tested (including the lowest dose: 0.1 x RD) of pirimicarb and metsulfuron-methyl caused significant lethal effects in juveniles of P. perezi and B. spinosus. Sublethal effects on snout-to-vent length, inter-orbital distance, head width and body weight were also observed. However, there was no consistent pattern of effects on these parameters, in some concentrations increased relative to the control and in others decreased. In the case of E. andrei, only exposure to 0.1x RD induced significant changes and only in body weight. The active ingredient metsulfuron-methyl proved to be more toxic than pirimicarb for both species of anurans, with the lowest concentration of this compound that caused these effects being 1.5 mg/l while that of pirimicarb was 25 mg/l. Regarding the sensitivity of each species, P. perezi showed a higher sensitivity than B. spinosus. The results obtained in this work show that dermal exposure to ecologically relevant concentrations of pirimicarb and metsulfuron-methyl may pose a risk to natural populations of P. perezi and B. spinosus that inhabit agroecosystems. Therefore, it is suggested to include the evaluation of effects caused by dermal exposure on amphibians during the process of risk assessment of active ingredients. Furthermore, although the species E. andrei showed greater lethal tolerance to the two compounds studied, this pattern may not be verified for compounds from other chemical groups or with different modes of action.

O aumento da população humana aumentou a necessidade de um maior consumo dos recursos disponíveis, nomeadamente os relacionados com a produção alimentar. Para responder a este aumento de produção de alimentos, a agricultura começou a utilizar métodos de produção intensiva que envolvem a aplicação de grandes quantidades de compostos químicos (por exemplo, fertilizantes, pesticidas) para aumentar assim a produtividade; promovendo o rápido crescimento alimentar e minimizando a ocorrência de pragas. Apesar da vantagem de utilizar estes compostos em termos de produtividade agrícola, estes podem causar impactos negativos na biodiversidade e nos serviços do ecossistema. Em particular, no que diz respeito à aplicação de pesticidas (utilizados para controlo de pragas) existem limites legais para as dosagens em que podem ser aplicados nos campos agrícolas, e este limite é definido com base em concentrações seguras para o utilizador, bem como para a biodiversidade. No entanto, durante o processo de avaliação do risco ecológico destes compostos, os perigos para as fases da vida terrestre dos anfíbios não são diretamente avaliados. Estes são avaliados com base em extrapolações efetuadas com base em valores de toxicidade derivados para mamíferos e aves. Este tipo de extrapolação pode levar à subestimação do risco para as fases da vida terrestre de anfíbios, uma vez que as suas vias de exposição (por exemplo, exposição dérmica versus ingestão) e o metabolismo (ectotérmico vs endotérmico) diferem das dos mamíferos e das aves. No entanto, a realização de testes ecotoxicológicos com anfíbios levanta questões éticas, nomeadamente porque constitui experimentação animal. Assim, em paralelo com a necessidade de gerar conhecimento sobre os perigos dos pesticidas para as fases da vida terrestre de anfíbios, há a necessidade de desenvolver metodologias alternativas que não envolvam experimentação animal. Neste contexto, o presente trabalho teve como objetivo: (i) avaliar a toxicidade de dois ingredientes ativos nas fases de vida terrestre de duas espécies de anuros, através de exposição dérmica (considerada a principal via de exposição nestas fases de desenvolvimento); (ii) avaliar a adequação dos ensaios de ecotoxicidade com a espécie de minhoca Eisenia andrei como alternativa não animal para avaliar a ecotoxicidade de pesticidas em fases de vida terrestre de anfíbios. Para atingir os objetivos propostos, juvenis de Pelophylax perezi e de Bufo spinosus foram expostos, por pulverização, a três doses dos ingredientes ativos pirimicarbe e metilsulfurão-metilo (dose recomendada (1x DR; 0,1x DR e 10x DR). Os efeitos desta pulverização foram avaliados, após 7 e 21 dias, na sobrevivência e crescimento dos organismos. Os adultos de E. andrei foram pulverizados com as mesmas doses dos dois ingredientes ativos; os efeitos desta exposição foram avaliados na sobrevivência e no peso dos organismos durante 72 h. Os resultados obtidos indicaram que as concentrações testadas (incluindo a dose mais baixa: 0,1 x DR) de pirimicarbe e metsulfurão-metilo causaram efeitos letais significativos em juvenis de P. perezi e B. spinosus. Foram também observados efeitos subletais no comprimento rostro-cloaca, distância interorbital, largura da cabeça e peso corporal. No entanto, não foi observado um padrão consistente de efeitos nestes parâmetros; em algumas concentrações ocorreu um aumento de efeito em relação ao controlo e noutras uma diminuição. No caso de E. andrei, apenas a exposição a 0,1x DR induziu alterações significativas e apenas no peso corporal. O ingrediente ativo metsulfurão-metilo apresentou maior toxicidade do que o pirimicarbe para ambas as espécies de anuros; a concentração mais baixa deste composto que causou efeitos significativos foi de 1,5 mg/L enquanto a do pirimicarbe foi de 25 mg/L. Relativamente à sensibilidade das duas espécies de anuros, P. perezi mostrou uma maior sensibilidade letal a pirimicarbe e B. spinosus a metilsulfurão-metilo. Os resultados obtidos neste trabalho mostram que a exposição dérmica a concentrações ecologicamente relevantes de pirimicarbe e metsulfurão-metilo pode representar um risco para as populações naturais de P. perezi e B. spinosus, dado que habitam agroecossistemas. Portanto, sugere-se incluir a avaliação de efeitos causados em anfíbios após exposição dérmica durante o processo de avaliação do risco de ingredientes ativos. Além disso, embora a espécie E. andrei tenha mostrado maior tolerância letal aos dois compostos estudados, este padrão de sensibilidade pode não ser verificado para compostos de outros grupos químicos ou com modos de ação diferentes. Portanto, recomenda-se a obtenção de dados de toxicidade para mais ingredientes ativos, a fim de estabelecer associações entre sensibilidade dos dois taxa.