Effect of water chemistry on the physiology and toxicity assessment in Daphnia

Abstract

Todos os sistemas aquáticos estão potencialmente expostos a alterações nos parâmetros da água em consequência de fenómenos ambientais tais como deposição ácida, lixiviação de iões dos solos e alterações climáticas. Dado que os parâmetros químicos da água estão geralmente correlacionados, é pertinente estudar os seus efeitos combinados para o biota aquático. Assim, o principal objetivo desta tese é avaliar a importância ecológica da variação simultânea dos principais parâmetros fisico-químicos da água nos parâmetros de história de vida dos crustáceos tanto na ausência como na presença de metais. Foram estudados os seguintes parâmetros: dureza (0.5 - 3.5 mM), alcalinidade (0.3 - 2.3 mM), pH (5.7 - 9.0) e temperatura (13 - 30ºC). A Daphnia magna foi usada como espécie modelo representando os crustáceos aquáticos. A variação simultânea da dureza e alcalinidade afetou significativamente o crescimento, reprodução e crescimento populacional de Daphnia; no entanto, os efeitos da dureza excederam os efeitos da alcalinidade. Pareceu haver interação entre a dureza e alcalinidade na reprodução dos dafnídeos, o que sugere que os efeitos da variação da dureza para Daphnia e provavelmente outros crustáceos poderão depender do nível de alcalinidade. O pH e dureza da água exerceram efeitos combinados para Daphnia, sendo os efeitos do pH mais pronunciados do que os efeitos da dureza. A diminuição do pH reduziu a sobrevivência, crescimento, reprodução, taxa de ingestão e crescimento populacional dos dafnídeos. No entanto, os efeitos do pH baixo foram mais adversos a baixa dureza, o que sugere uma interação entre estes parâmetros. Assim, a diminuição do pH em lagos de água mole pode ser um estressor determinante para os crustáceos sensíveis à acidez, ameaçando a sua sobrevivência e, consequentemente, afetando a estrutura das cadeias alimentares aquáticas. A temperatura e a química da água (dureza e alcalinidade) interagiram entre si nos parâmetros de história de vida de Daphnia; no entanto, os efeitos da temperatura excederam os efeitos da química da água. De um modo geral, temperaturas extremas reduziram o crescimento, reprodução e, consequentemente, o crescimento populacional de Daphnia. Os efeitos do aumento da temperatura foram mais adversos a baixa dureza e alcalinidade, aumentando a preocupação com os efeitos ecológicos do aquecimento global em águas moles. A dureza e alcalinidade da água também desempenharam um papel importante na toxicidade aguda e subletal (inibição da ingestão) dos metais para Daphnia. A diminuição da dureza aumentou a toxicidade aguda do zinco. Por outro lado, a diminuição da alcalinidade aumentou a toxicidade aguda e subletal do cobre, mas reduziu a toxicidade subletal do zinco, tornando evidente o importante papel da alcalinidade na toxicidade subletal dos metais para Daphnia. Globalmente, os parâmetros fisico-químicos da água parecem interagir entre si, afetando os parâmetros de história de vida e o crescimento populacional de Daphnia e também afetam a toxicidade dos metais. Em particular, a baixa dureza agrava os efeitos adversos da diminuição do pH, aumento da temperatura e toxicidade dos metais, o que aumenta a preocupação com os efeitos ecológicos da sua variação simultânea sobre os crustáceos e, portanto, sobre as cadeias alimentares aquáticas.

All aquatic systems are potentially exposed to changes in the water parameters, as a consequence of environmental current phenomena such as acid deposition, leaching of ions from soils and climate change. Since water chemistry parameters are often correlated, it is pertinent to study their combined effects to aquatic biota. Thus, the main objective of this thesis is to assess the ecological importance of the simultaneous variation of the main water physicochemical parameters to the life-history endpoints of crustaceans either in the absence or presence of metals. The following water parameters were studied: hardness (0.5 - 3.5 mM), alkalinity (0.3 - 2.3 mM), pH (5.7 - 9.0) and temperature (13 - 30ºC). Daphnia magna was used as a model species representing aquatic crustaceans. The simultaneous variation of hardness and alkalinity significantly affected growth, reproduction and population growth of Daphnia; however the effects of hardness overruled the effects of alkalinity. There seemed to be an interaction between hardness and alkalinity on daphnids reproduction, suggesting that the effects of varying hardness to Daphnia and probably other crustaceans might depend on the alkalinity level. Water pH and hardness exerted combined effects to Daphnia, being the effects of pH more pronounced than the effects of hardness. Decreasing pH reduced survival, growth, reproduction, feeding rate and population growth of the daphnids. However, the effects of low pH were more adverse at low hardness, suggesting an interaction between these parameters. Thus, decreasing pH in soft water lakes might be a major stressor to acid-sensitive crustaceans threatening their survival and, thus, affecting the structure of aquatic food webs. Temperature and water chemistry (hardness and alkalinity) interacted with each other on the life-history endpoints of Daphnia; however, the effects of temperature overruled the effects of water chemistry. In general, extreme temperatures reduced growth, reproduction and, consequently, population growth of Daphnia. The effects of increasing temperature were more adverse at low hardness and alkalinity, raising concern about the ecological effects of global warming in soft waters. Water hardness and alkalinity also played an important role in the acute and sublethal (feeding inhibition) metals toxicity to Daphnia. Decreasing hardness raised the acute toxicity of zinc. On the other hand, decreasing alkalinity raised the acute and sublethal toxicity of copper, but reduced the sublethal toxicity of zinc, evidencing the important role of alkalinity in the sublethal toxicity of metals to Daphnia. Overall, water physicochemical parameters seem to interact among each other, affecting life-history endpoints and population growth of Daphnia and also affect metals toxicity. In particular, low hardness exacerbates the adverse effects of decreasing pH, increasing temperature and metals toxicity, which raises concern about the ecological effects of their simultaneous variation on crustaceans and, thus, on aquatic food webs.