Efeito da combinação de stressores químicos e naturais em Daphnia magna

Abstract

A contaminação ambiental é quase sempre caracterizada pela combinação de factores de stress de várias origens (biológica, química e física). Na agricultura, a grande diversidade de colheitas e das pestes que as atingem, conduz à utilização de diversos tipos de tratamentos e à aplicação de uma larga diversidade de produtos químicos. O fungicida carbendazim, pertencente ao grupo dos benzimidazóis, e é um dos mais utilizados em todo o mundo, enquanto que o insecticida organofosforado clorpirifos, também globalmente utilizado, é somente o mais vendido em Portugal. Igualmente, da actividade industrial advêm alguns dos mais frequentes contaminantes encontrados nos nossos ecossistemas. Os metais pesados, como o cádmio e o níquel, resultantes de actividades mineiras e metalúrgicas, são importantes agentes de toxicidade, uma vez que induzem vários tipos de efeitos nocivos. O fenómeno das alterações climáticas, que já se faz sentir e que irá intensificar-se nas próximas décadas, levando ao surgimento de condições ambientais extremas durante longos períodos de tempo, será também uma nova fonte de agentes stressores que importa ter em consideração. A Avaliação do Risco Ecológico (ARE) tem como objectivo avaliar a probabilidade de determinados efeitos ecológicos adversos ocorrerem como resultado da exposição a um ou mais stressores (U.S.EPA 1992). Uma nova abordagem baseada na avaliação dos efeitos cumulativos da toxicidade resultante da acção de múltiplos stressores surgiu nos últimos anos, levando ao desenvolvimento de novas ferramentas para descrever e analisar os efeitos das misturas. Os modelos teóricos utilizados na avaliação da toxicidade de misturas são baseados nos conceitos de adição de concentração (AC) e acção independente (AI) e têm sido recentemente aplicados por diversos autores. No entanto, têm vindo a ser observados desvios a estes dois modelos conceptuais, principalmente devido a interacções que podem ocorrer ao nível toxicocinético ou toxicodinâmico e produzir padrões de resposta diferentes; sinergismo onde os efeitos são mais severos; antagonismo com efeitos menos severos; dependentes do nível da dose ou do rácio entre os dois componentes da mistura. A avaliação dos efeitos dos contaminantes em organismos aquáticos inclui geralmente a avaliação de parâmetros agudos (mortalidade) e crónicos, como a reprodução, o crescimento e a actividade alimentar. O cladócero, Daphnia magna tem sido utilizado, durante muitos anos, em ensaios de toxicidade devido à sua elevada sensibilidade, fácil manuseamento e manutenção em cultura e ainda pela sua alta taxa reprodutiva. Este trabalho tem como principais objectivos: avaliar a toxicidade de misturas heterogéneas, compostas por metais (Cd e Ni) e pesticidas com modos de acção ambíguos e diferente natureza química (carbendazim e clorpirifos); avaliar a toxicidade resultante da introdução de stressores naturais (temperatura e oxigénio dissolvido) em combinação com os diferentes químicos; obter padrões de comportamento das misturas em função dos conceitos de adição de concentração (AC) e acção independente (AI) e verificar a ocorrência de desvios (sinergismo, antagonismo e dependência da dose ou do rácio da mistura); verificar a existência de sinergismos associados às condições extremas de temperaturas altas e de hipoxia e avaliar a adequação dos modelos AI e AC na interpretação do comportamento da toxicidade conjunta de stressores com modos de acção diferentes ou semelhantes. Este estudo é um excelente exemplo da diversidade de efeitos e comportamentos que podem resultar da combinação de tóxicos bastante comuns no nosso ambiente, uma vez que todos os possíveis desvios aos modelos ocorreram (sinergismo, antagonismo, dependência da dose ou do rácio da mistura). Verificaram-se alterações de efeitos sinergísticos para efeitos antagonísticos, respectivamente, de exposições letais para subletais, em praticamente todas as misturas ajustadas ao modelo de acção independente. Os efeitos sinergísticos normalmente associados a condições ambientais extremas como altas temperaturas e baixas concentrações de oxigénio dissolvido foram observados nas exposições agudas, a partir de ajustes ao modelo de acção independente. O modelo matemático aqui utilizado e mostrou ser no geral, uma boa ferramenta na avaliação de respostas dadas pela D. magna exposta a misturas binárias. A validação a partir de estudos toxicocinéticos e toxicodinâmicos parece ser de primordial importância para este tipo de avaliações, uma vez que permitirá compreender todos os processos fisiológicos envolvidos na complexidade das misturas.

Environmental contamination is often characterised by the combination of stress factors of various sources (biological, chemical and physical). In agriculture, the diversity of crops and respective pests lead to the use of a large variety of treatments and to the application of a wide miscellaneous of chemical compounds. Carbendazim, a benzimidazole fungicide, is one of the most used pesticides in all world, while chlorpyrifos, an organophosphorus insecticide, also widely used is the most sold insecticide in Portugal. Also, from the industrial activity, many compounds that are manufactured can be usually found in our ecosystems. Heavy metals, such as cadmium and nickel, resulting from metallurgic and mining activities, are one of those chemicals and are considered important toxic agents for inducing several types of harmful effects. Climate changes phenomenon can increase adverse effects during the next decades, leading to the emergence of extreme environmental conditions during long time periods, and will also be a source of stressors that should be taken into consideration. Ecological risk assessment (ERA) has as main objective to assess the likelihood of occurrence of adverse ecological effects as a result of exposure to single or multiple stressors. A new approach based on the evaluation of cumulative effects resulting from the toxicity of the multiple stressors action emerged in the last few years, conducting to the development of novel tools to describe and analyse mixtures effects. Theoretical models based on the two widely concepts used on toxicity of mixtures, concentration addition (CA) and independent action (IA), have been recently applied by several authors. Deviations from these two conceptual models have also been observed, probably due to interactions that may occur at toxicokinetics or toxicodynamics levels and produce different behaviour patterns, according to a more severe effect (synergism), less severe effect (antagonism), dose level or dose ratio dependent. An evaluation of the contaminants effects in aquatic organisms usually includes assessment of acute and sublethal parameters such as mortality and feeding activity, respectively. Daphnia magna has been used during many years in standard toxicity tests due to its high sensitivity, easy handling and high reproductive rate. The main objectives of this study are: to evaluate the toxicity of heterogeneous mixtures of metals (Cd and Ni) and pesticides with ambiguous modes of action and different chemical nature (carbendazim and chlorpyrifos); to evaluate the toxicity of natural stressors (temperature and dissolved oxygen) in combination with the different chemicals; to obtain behaviour patterns as a function of CA and IA concepts and verify the occurrence of possible deviations (synergism, antagonism, dose level dependent and dose ratio dependent); to check the occurrence of synergisms associated to extreme conditions of high temperatures and hypoxia and to evaluate the adequacy of the IA and CA models on the interpretation of the joint toxicity behaviour of chemicals with dissimilar or similar modes of action. This work comprises a diversity of effects and behaviours that can result from the combination of very common toxicants once all the possible deviations have occurred (synergism, antagonism, dose level and dose ratio dependency). A switch from synergistic to antagonistic effects has occurred from lethal to sublethal exposures, in practically all the mixtures fitted to IA model. Synergistic effects normally associated to extreme environmental conditions such as high temperatures and low dissolved oxygen levels were observed on acute exposures, after the fit to IA model. The mathematical model used in this work showed to be, in general, a good tool to evaluate the responses given by the exposure of D. magna to binary mixtures. Validation from toxicokinetics and toxicodynamics studies seems to be of crucial importance for this kind of approach, once it permits the understanding of toxicological pathways involved on complex mixtures.