Effects of combined stressors in the life-cycle trait of Daphnia Magna

Abstract

Os diversos compartimentos naturais estão constantemente expostos a vários tipos de contaminantes, bem como a misturas destes compostos, oriundos da actividade humana. Em ecossistemas aquáticos, vários stressores podem actuar em conjunto e causar danos aos organismos. O aumento do uso de pesticidas para fins agrícolas causa demanda a avaliação do risco inerente que estes compostos representam ao atingir o ambiente aquático. A lixiviação dos pesticidas está geralmente associada com o transporte de matéria orgânica e consequente diminuição da concentração de oxigénio em sistemas aquáticos. Os metais pesados podem ser introduzidos no ambiente através da actividade humana, como a actividade mineira. Portanto, a poluição dos ecossistemas é geralmente caracterizada por uma mistura de compostos químicos, que na maioria das vezes, estão presentes em combinação com stressores naturais Neste estudo, três tipos de stressores químicos, dois insecticidas (imidacloprid e thiacloprid), um metal pesado, níquel, e um tipo de stressor natural, representado por diferentes níveis de alimento foram testados com o objectivo de avaliar o impacto de cada stressor em isolado, bem como as suas misturas e combinações para um organismo não-alvo, Daphnia magna, através da aplicação do modelos teóricos Adição de concentração (AC) e Acção independente (AI), bem como seus possíveis desvios para sinergismo (causando efeito mais severo) ou antagonismo (efeito menos severo), dependentes da dose aplicada, ou dependência do rácio entre as doses aplicadas para cada item da mistura e/ou combinação. Os efeitos crónicos dos compostos isolados bem como os das misturas foram obtidos pela exposição de Daphnia magna a uma gama de concentrações por 21 dias. Os parâmetros analisados foram a produção de juvenis e o crescimento. Os resultados das exposições isoladas de Daphnia magna aos compostos químicos mostraram decréscimo na produção de juvenis e no crescimento do organismo. O mesmo padrão foi observado quando os organismos foram expostos a níveis baixos de alimento, enquanto a níveis elevados, a produção de juvenis e o crescimento foram estimulados. Os resultados da exposição à mistura de imidacloprid e thiacloprid mostraram um desvio do modelo AC, com uma dependência das doses aplicadas, sendo observado sinergismo a doses baixas e antagonismo a doses altas de ambos os compostos. Para a mistura de imidacloprid e níquel, nenhum desvio foi obtido, e a mistura foi ajustada ao modelo AI. A resposta na produção de juvenis para a combinação de imidaclopid ou níquel com níveis baixos de alimento não demonstrou desvio do modelo de acção independente. Para a análise da combinação entre imidacloprid ou níquel com níveis altos de alimento não foi possível aplicar os modelos teóricos, e os efeitos tóxicos dos químicos para os organismos foram avaliados para cada nível de alimento maior que o controlo. Neste estudo, é demonstrado que o impacto dos compostos químicos encontrados no ambiente, em misturas ou em combinação com stressores naturais será diferente do impacto induzido por estes compostos em isolado. O presente estudo mostra a necessidade da avaliação dos efeitos das exposições a misturas de químicos e combinações com stressores naturais encontrados no ambiente, e não somente a avaliação dos compostos em isolado.

The environment is being constantly exposed to various types of contaminants as well as their mixtures mainly due to human activities. In aquatic ecosystems several stressors may act together and affect the life traits of organisms. The increasing use of pesticides for agricultural purposes will require the assessment of the inherent risk when they arrive in marine or freshwater ecosystems. Pesticide runoffs are usually associated with high inputs of organic matter and depletion of oxygen in aquatic systems. Heavy metals can be introduced into the environment due to human activities such as mining processes. Therefore, polluted ecosystems are characterized by an amalgam of chemical compounds, most of the times in combination with natural stressors. In this study, three different chemical stressors, two neonicotinoid insecticides, imidacloprid and thiacloprid, a heavy metal, nickel and an environmental stressor, food level with low and high concentrations, were tested in order to assess the impact of their single toxic effects as well as their mixtures and combinations with a natural stressor on a non-target organism, Daphnia magna, with the use of theoretical models, Concentration Addition and Independent Action as well as possible deviations from them, like synergism, (causing a more severe effect) or antagonism (less severe effect), effects dependent from “dose level” (different deviations at high and low concentrations) or those dependent from “dose ratio” (deviations differ from mixture composition). Chronic effects of the single stressors as well as their combinations were assessed by exposing Daphnia magna to a range of concentrations for 21 days. The parameters analyzed were offspring production and body length of Daphnia magna. Results from single exposure of Daphnia magna to the chemical compounds showed a decrease in offspring production and in the body length of the organism. The same was observed when D. magna was exposed to low levels of food while in increased levels of food the offspring production and body length increased. Mixture exposure of imidacloprid and thiacloprid for offspring production showed a deviation from the CA model to dose level dependency indication synergism at low does level and antagonism at high does level of the chemicals. For the mixture of imidacloprid and nickel no deviation was obtained and the mixture fitted the IA model. Offspring production from the combinations of imidacloprid or nickel with low food levels showed no deviation from the IA model. For the combinations of imidacloprid or nickel with high food levels it was not possible to use the theoretical models and the toxic effects of the chemicals to the organism were assessed for each food level higher than the control. In this study, it is presented that the impact of chemicals found in the environment in mixtures between them or in combinations with environmental stressors will be different to the impact the single stressors induce. This study shows the need for evaluation of the exposure effects of mixtures of chemicals and combinations with natural stressors found on the environment and not only the single exposure effects.