Vergleich der Diazinon-Toxizität mit gemäßigten und tropischen Süßwasser-Daphnien-Arten
Zusammenfassung
Das Vorhandensein von Pestiziden in Gewässern stellt das Ökosystem und alle Lebensformen vor einzigartige Herausforderungen. Biologische Methoden sind weit verbreitet, um die toxischen Wirkungen verschiedener Giftstoffe einschließlich Pestizide zu untersuchen. Die vorliegende Studie zielt darauf ab, die nachteiligen Auswirkungen von Diazinon, einem nicht-systemischen Organophosphat-Insektizid, auf zwei Cladoceran-Arten zu bestimmen, darunter die gemäßigte Daphnia magna (D. magna) und die tropische Daphnia lumholtzi (D. lumholtzi). Die 48 h LC50-Werte zeigten eine höhere Toxizität von Diazinon für D. lumholtzi bei einer Konzentration von 3,41 µg · L−1 im Vergleich zu D. magna bei einer Konzentration von 4,63 µg · L−1. Nach 14-tägiger Diazinon-Exposition verringerten sich die Überlebenskapazität sowie das Reproduktionspotential der beiden Cladoceran−Arten deutlich und ihre Populationswachstumsrate (RPI) nahm bei Konzentrationen > 0,1 µg · L-1 ab. Die vorliegende Studie zeigte, dass der tropische Cladoceran (D. lumholtzi) empfindlicher war als der gemäßigte D. magna. Daher könnte es als Indikator für die Toxizitätsbewertung in tropischen Umgebungen verwendet werden. Das Vorhandensein von Diazinon in Gewässern kann mit einem erheblichen Risiko für Wasserorganismen verbunden sein.
1. Einleitung
In den letzten Jahrzehnten haben sich die meisten Industrieländer zu einer chemikalienfreien Landwirtschaft entwickelt, die auch als „biologische“ Landwirtschaft / Landwirtschaft bezeichnet wird, oder mit anderen Worten, den Einsatz von Pestiziden verringert . Dies hat zu erheblichen Verbesserungen der agronomischen Praktiken geführt, die von strengen Rechtsvorschriften geleitet werden, und zur Qualität der natürlichen Gewässer, dh zu einem geringeren Risiko für das Leben im Wasser . Die meisten Entwicklungsländer in den tropischen Regionen erhöhen ihren Einsatz von Pestiziden und Düngemitteln, da sie wohlhabender werden . Infolgedessen hat die Konzentration von Pestiziden in tropischen Umgebungen ständig zugenommen, was zu einem Rückgang der Artenvielfalt geführt hat. Obwohl Pestizide bestimmte positive Auswirkungen auf landwirtschaftliche Kulturen haben, kann ihre Verwendung eine Vielzahl toxischer Wirkungen auf verschiedene nicht zielgerichtete Organismen haben .
Diazinon (O,O-diethyl-O- phosphorthioat) ist ein nicht-systemisches Organophosphat-Insektizid. Es wurde häufig zur Schädlingsbekämpfung in landwirtschaftlichen Kulturen verwendet . Die Toxizität von Diazinon resultiert aus der Hemmung des Enzyms Acetylcholinesterase (AChE), was zur Akkumulation von Neurotransmittern und einer veränderten Signalübertragung in chemischen Synapsen führt . Auf dem nationalen und internationalen Markt gibt es mehr als 500 registrierte Produkte, die Diazinon als Wirkstoff enthalten . Aufgrund seiner weit verbreiteten Verwendung kommt Diazinon häufig in Süßwasserökosystemen vor . In einer aktuellen Studie haben Montuori et al. berichtet, dass Diazinon in aquatischen Systemen in ganz Europa weit verbreitet ist, mit der höchsten Konzentration von 785 ng · L−1 im Ebro, Spanien. Darüber hinaus wurden hohe Konzentrationen von Diazinon bis zu 1,5 µg · L−1 in städtischen Wasserstraßen in Kalifornien gefunden . In den letzten Jahrzehnten wurde Diazinon in tropischen Regionen weit verbreitet eingesetzt . Pestizidgesetze und -vorschriften wurden in diesen Regionen jedoch trotz ihrer starken Anwendung nicht angemessen umgesetzt. Die toxischen Wirkungen von Diazinon sind in der Literatur für das gemäßigte Cladoceran D. magna verfügbar. Die toxischen Wirkungen von Diazinon auf tropische Zooplanktone wurden jedoch in der Literatur nicht gut dokumentiert und untersucht.
Diazinon erzeugt eine hohe akute Toxizität für eine Vielzahl von Wasserorganismen, was zu einer Vielzahl von subletalen biochemischen Wirkungen, Schäden an bestimmten Zielorganen und -geweben und nachteiligen ökologischen Auswirkungen führt. Die Toxizität von Diazinon wurde ausführlich an Fischen und Krebstieren untersucht , und es wurde berichtet, dass es für frühe Lebensstadien von Zebrafischen mäßig toxisch ist . Die 96 h LC50−Werte im Bereich von 0, 32 bis 1, 53 mg · L−1 für Larven und von 2, 2 bis 10, 3 mg · L-1 für Erwachsene mehrerer Fische wurden bereits aufgezeichnet . Yen et al. es wurde berichtet, dass Diazinon die Schwimmaktivität der Larven senkt und die AChE-Aktivität bei Zebrafischen sowie eine Erhöhung des Hsp70-Gehalts hemmt. In Cladoceranen verursachte Diazinon in einer Konzentration von 0,18 bis 0,30 µg·L−1 nachteilige Auswirkungen auf das Überleben von D. magna . Es wurde berichtet, dass diese Diazinonkonzentrationen eine Abnahme der mittleren Gesamtjunge pro Weibchen, der mittleren Brutgröße und der Populationswachstumsrate (RPI) und der Entwicklung von D. magna verursachen. Nur die Konzentration über 0,25 µg * L-1 verursachte eine Verzögerung der Zeit bis zur ersten Reproduktion . Toxikokinetische und toxikodynamische Modelle von Diazinon und seinem Nebenprodukt 2-isopropyl-6-methyl-4-pyrimidinol in krebstierarten wurden von Kretschmann et al. . Die Ergebnisse legen nahe, dass die oxidative Dearylierung von Diazinon zu Pyrimidinol ein entscheidender zellulärer Entgiftungsschritt ist, der durch das Enzym P450 katalysiert wird . Die meisten ökotoxikologischen Studien verwenden jedoch das gemäßigte Cladoceran D. magna als ökotoxikologisches Modell; Die Toxizität von Insektiziden auf tropische Zooplanktonarten wurde nicht in gleichem Maße untersucht .
In dieser Studie wurden ein akuter 48-Stunden-Assay und ein chronischer 14-Tage-Assay durchgeführt, um die Auswirkungen von Diazinon auf zwei Cladoceran-Spezies zu untersuchen. Die Toxizität von Diazinon für frühe Lebensstadien der gemäßigten Spezies D. magna wurde getestet, und die Toxizität an D. magna wurde mit der an der tropischen Art D. lumholtzi verglichen. Die Ergebnisse werden Basisinformationen liefern, um den Benchmark für Organophosphat-Insektizide in tropischen Gewässern festzulegen.
2. Materialien und Methoden
2.1. Chemikalien
Diazinon (O,O-diethyl-O- phosphorthioat) wurde von Sigma-Aldrich gekauft. Stammlösungen von 1 mM wurden durch Verdünnen in Dimethylsulfoxid (DMSO) vor dem Versuch hergestellt und bei 4°C gehalten.
2.2. Testorganismen
In der vorliegenden Studie wurden zwei cladocerans-Arten verwendet: D. lumholtzi wurde aus einem Fischteich im Norden Vietnams isoliert. D. magna wurde von MicroBioTest Inc. erhalten. (Belgien). Beide Daphniden wurden in mit COMBO Medium gefüllten 1 L Bechern gezüchtet und bei einer Temperatur von 25±1°C unter einem Hell-Dunkel-Zyklus von 12 h: 12 h gehalten. Die Tiere wurden mit Mikrogrünalge (Chlorella sp.) und eine 1:1 :1-Mischung aus Hefe, Cerrophyl und Forellen-Chow-Verdauung (YTC) . Das Lebensmittel und das Kulturmedium wurden alle zwei Tage erneuert.
2.3. Akuter Toxizitätstest
Der akute Immobilisierungstest wurde gemäß Protokoll 202 der Organisation für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung durchgeführt . Dieser Assay wurde durchgeführt, um die Empfindlichkeit der Spezies zu bewerten und den Konzentrationsbereich für chronische Assays festzulegen. Kurz gesagt, Daphnia-Neugeborene (< 24 h alt) wurden in 50-ml-Bechern mit 30 ml COMBO-Medium, das mit Diazinon versetzt war, in einem Konzentrationsbereich von 0, 0.5, 1, 2, 5, und 10 µg·L-1. In jeder Expositionskonzentration wurden 15 Neugeborene pro Diazinonkonzentration und Blindkontrolle exponiert. Alle Testbelichtungen wurden in dreifacher Ausfertigung hergestellt. Die Testbehälter wurden bei einer kontrollierten Temperatur von 25 ± 1 °C unter einem Hell-Dunkel-Zyklus von 14 h: 10 h während 48 h Inkubation platziert. Das bewertete Ansprechen für diesen Assay war die Immobilität oder der Tod der Cladocerane. Das Kriterium für die Testakzeptanz war eine Überlebensrate von mindestens 90% in der Kontrollgruppe. Schließlich wurden die am Ende der Toxizitätstests (48 h) aufgezeichneten Mortalitätsdaten zur Bestimmung der mittleren letalen Konzentration (48 h LC50) verwendet.
2.4. Chronischer Toxizitätstest
Basierend auf den Ergebnissen der akuten Toxizität und den umweltrelevanten Konzentrationen von Diazinon in früheren Studien wurden Daphniden während 14 Tagen den folgenden subletalen Diazinonkonzentrationen ausgesetzt: 0 (Kontrolle), 0.05, 0.1, 0.2, 0.5, und 1,0 µg·L-1. Der Reproduktionstest wurde nach dem in APHA beschriebenen Standardprotokoll mit geringfügigen Modifikationen durchgeführt. Kurzzeitig wurden Neugeborene im Alter von weniger als 24 h einzeln in 50 ml Bechern mit 20 ml Kontrollmedium inkubiert oder Diazinonkonzentrationen ausgesetzt. Diazinonkonzentrationen und Nahrung (eine Mischung aus Grünalgen Chlorella sp., bei einer Dichte von 5 × 106 Zellen*mL-1 und YTC) wurden alle zwei Tage erneuert. Das Überleben, die Fortpflanzung (Fruchtbarkeit), die Zeit für die erste Fortpflanzung, die Gesamtzahl der Neugeborenen pro Weibchen, die Anzahl der Bruten und die Brutgröße wurden täglich aufgezeichnet. Die Körperlänge der Eltern Daphniden wurde am Ende des Experiments gemessen.
2.5. Statistische Analyse
Die 48 h mittleren letalen Konzentrationen (48 h LC50) wurden durch Probit-Analyse vorhergesagt, wie zuvor von Stephan berichtet. Die Bevölkerungswachstumsrate (RPI) wurde nach der von Euler–Lotka vorgeschlagenen Methode berechnet: ∑e-rxlxmx = 1, wobei lx = der Anteil des Überlebens am Alter x, mx = altersspezifische Fruchtbarkeit und x = Zeit in Tagen. Alle Berechnungen basierten auf 14-tägigen Experimenten . Die Unterschiede zwischen Behandlungsgruppen und Kontrollen wurden durch Einweg-Varianzanalyse (ANOVA) bestimmt. Signifikante Unterschiede () wurden unter Verwendung der Dunnet-Testmethode unterschieden. Alle Daten werden als Median ± SD dargestellt.
3. Ergebnisse und Diskussion
3.1. Akute Toxizität
Während der Versuchszeit des akuten Tests trat bei der Kontrolle keine Mortalität auf. Die höchste getestete Diazinonkonzentration führte zu einer 100% igen Mortalität beider Daphniden. Diazinon zeigte jedoch eine höhere Toxizität für D. lumholtzi. Die 48 h LC50-Werte von Diazinon für D. magna und D. lumholtzi unter den getesteten experimentellen Bedingungen bei 95% Konfidenzintervall waren 4,63 und 3.41 µg·L-1, beziehungsweise.
Die toxischen Wirkungen von Pestiziden auf aquatische Organismen werden häufig mit dem Mittel D. magna unter Laborbedingungen untersucht. Es gibt jedoch noch wenig Verständnis über die akuten und chronischen Auswirkungen von Diazinon auf Krebstiere, insbesondere auf Arten, die aus tropischen Regionen stammen. Die in dieser Studie berichteten 48 h LC50-Werte von Diazinon lagen im Bereich der 48 h LC50-Werte, die für Nauplien des Copepoden Eodiaptomus berichtet wurden (48 h LC50 = 2,8 µg.L-1), Mesocyclops (48 h LC50 = 2,9 µg·L-1) und Thermocyclops (48 h LC50 = 4.1 µg·L-1) . Die Werte waren jedoch niedriger als die 48 h LC50−Werte für Erwachsene von Eodiaptomus (48 h LC50 = 46,8 µg · L−1), Mesocyclops (48 h LC50 = 30,6 µg · L−1) und Thermocyclops (48 h LC50 = 40,2 µg · L−1) oder höher als 48 h LC50-Werte für andere Cladocerane wie Ceriodaphnia dubia (48 h LC50 = 0,21 µg·L-1) . Die Ergebnisse von akuten Assays dokumentierten eine höhere Empfindlichkeit tropischer D. lumholtzi-Neugeborener gegenüber Diazinon im Vergleich zum gemäßigten D. magna. Aus praktischer Anwendungsperspektive, Diese Ergebnisse zeigten deutlich, dass die D. lumholtzi kann als geeigneter Ersatz für die gemäßigte Art D. magna, dh als Toxizitätsindikatorart, unter tropischen Bedingungen dienen.
3.2. Chronische Toxizität
Die Auswirkungen subletaler Diazinonkonzentrationen auf das Überleben und die Reproduktion von D. magna und D. lumholtzi während 14 Tagen Inkubation sind in Tabelle 1 und Abbildung 1 dargestellt. Das Überleben beider Daphniden nahm mit steigenden Diazinonkonzentrationen während des 14-tägigen Tests ab. Bei D. magna und D. lumholtzi wurde eine signifikante Abnahme der Lebensanamnese beobachtet, wenn sie Diazinon ausgesetzt wurden. Beide Daphniden wuchsen in der Kontrollinkubation gut (die Länge von D. magna und D. lumholtzi erhöhte sich am Ende des Experiments auf 4,1 bzw. 2,4 mm). Alle Individuen der Kontrolle überlebten während des gesamten Versuchszeitraums (14 Tage) und produzierten zahlreiche Nachkommen (27,4 ± 3,6 Jugendliche pro D. magna und 18,2 ± 2,1 pro D. lumholtzi).
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Hinweis. .
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(ein)
(b)
(a)
(b)
Diazinon verursachte signifikante Effekte und dosisabhängige Erhöhungen der Reproduktion (Anzahl der Bruten pro Weibchen) beider Daphniden (Tabelle 1). Bei D. magna führte Diazinon in einer Konzentration von bis zu 0,1 µg· L−1 oder höher zu einer signifikanten Abnahme der Fortpflanzung (Anzahl der Bruten pro Weibchen), während bei D. lumholtzi eine signifikante Verringerung der Fortpflanzung ab der niedrigsten getesteten Konzentration (0,05 µg · L−1) festgestellt wurde. Die Reproduktion beider Daphniden war signifikant verzögert (), von 6,5 Tagen für die Kontrolle auf 9,6 Tage für D. 0,1 µg · L−1 oder höher) und von 3,5 Tagen in der Kontrolle auf 5,4 Tage für D. lumholtzi (als Diazinonkonzentration bis zu 0,05 µg · L−1 oder höher) (Tabelle 1). Die Ergebnisse beider getesteten Spezies zeigten, dass die Anzahl der pro Weibchen geborenen Neugeborenen bei einer Diazinonkonzentration von 0,1 µg · L−1 oder höher signifikant abnahm (Tabelle 1). Die mittlere Körperlänge verringerte sich bei diesen Daphniden signifikant (als Diazinonkonzentration bis zu 0,2 µg · L−1 oder höher) innerhalb des 14-tägigen Testzeitraums von 4,1 auf 3,1 mm und von 2,4 auf 1,9 mm in D. magna und D. lumholtzi.
Die Ergebnisse der Life-Response-Geschichte von D. magna und D. lumholtzi Arten. Die Exposition gegenüber subletalen Konzentrationen von Diazinon unter Laborbedingungen zeigte, dass Diazinon die Anzahl der pro Weibchen produzierten Nachkommen signifikant reduzierte und das Alter bei der ersten Brut verzögerte. Die erhaltenen Ergebnisse stimmen mit früheren Beobachtungen überein, die eine Abnahme der mittleren Nachkommensproduktion und eine Unterdrückung des Wachstums bei D. magna oder Ceriodaphnia dubia nach Exposition gegenüber Diazinon zeigten .
Die Ergebnisse des chronischen Assays zeigten, dass D. lumholtzi eine gegenüber Diazinon empfindliche Spezies war. Sánchez et al. vorgeschlagen, dass Krebstiere eng mit Insekten verwandt sind, mehr als andere Wirbellose. Daher reagieren sie empfindlicher auf Pestizide als andere wirbellose Tiere. In: Modra et al. angegeben, dass die Toxizität von Diazinon durch viele Faktoren wie die Biotransformationsfähigkeit des Organismus selbst, die Wassertemperatur, das Vorhandensein anderer Schadstoffe und andere nicht identifizierte Umweltvariablen beeinflusst wird. Auf der anderen Seite, durch die Verwendung eines toxischen kinetischen und dynamischen Modells zur Untersuchung der Diazinontoxizität, Kretschmann et al. vorgeschlagen, dass die Empfindlichkeit der Testspezies gegenüber Diazinon von der Entgiftungsfähigkeit von Diazinon und Diazoxon (einem toxischen Metaboliten von Diazoxon) abhängen kann. Diese Autoren zeigten, dass der Amphipodenkrustentier Gammarus pulex im Vergleich zu D. magna weniger empfindlich auf Diazinon reagiert, da die Entgiftung von Diazinon und Diazoxon sechsmal schneller ist, was wiederum weniger schädliche Auswirkungen hat. Die Autoren schlugen auch vor, dass mechanistische Effektmodelle verwendet werden sollten, um die tatsächlichen Ursachen, Wirkungen und geringfügigen Unterschiede zwischen verschiedenen wirbellosen Wassertieren zu erklären .
3.3. Auswirkungen von Diazinon auf die Bevölkerungswachstumsrate
Die Auswirkungen von Diazinon auf den RPI sind in Abbildung 2 dargestellt. Diazinonkonzentrationen gleich und / oder größer als 0, 1 µg · L−1 reduzierten den RPI beider Daphniden während des 14-tägigen chronischen Tests signifikant (). Es kann beobachtet werden, dass beide Diazinon-exponierten Daphniden während des 14-tägigen chronischen Tests einen nahezu ähnlichen Trend zeigten. Es ist bekannt, dass Diazinon in natürlichen Umgebungen bereits bei niedrigen Konzentrationen (von 5,3 bis 26,3 nM) nachteilige Auswirkungen auf viele Zooplanktonarten einschließlich Daphnien hat . Der RPI der Daphnienpopulation ist ein wichtiger Indikator für die Vorhersage von Bevölkerungstrends. Die Überlebensrate, die Anzahl der Nachkommen pro Weibchen und das Alter der Fruchtbarkeit sind entscheidend für die Vorhersage . Eine Verringerung des RPI zeigte chronischen toxischen Stress von Pestiziden auf Daphnien .
Unsere Ergebnisse zeigten, dass beide Testspezies gegenüber Diazinon empfindlich waren und zur Vorhersage des Risikos von Insektiziden eingesetzt werden konnten. Die vorliegenden Ergebnisse legen eindeutig nahe, dass die Wachstumsraten von D. magna und D. lumholtzi in den Kontrollbehandlungen innerhalb des in der Literatur angegebenen Bereichs lagen . In tropischen Ländern ist es notwendig, den Maßstab für Organophosphat-Insektizide festzulegen. Um das mit Pestiziden verbundene Umweltrisiko in tropischen Ökosystemen zu minimieren, empfehlen wir dringend weitere Studien zu kurz- und langfristigen toxischen Wirkungen von Organophosphat-Insektiziden auf verschiedene tropische Organismengruppen.
4. Schlussfolgerungen
Die vorliegende Studie bestätigte, dass Diazinon ein signifikantes Risiko für Wasserorganismen darstellt, insbesondere für nicht zielgerichtete Daphnienarten. Das Bevölkerungswachstum von D. magna und D. Lumholtzi wurde durch Diazinon nach einer chronischen Expositionsperiode negativ beeinflusst. Im Vergleich zu D. magna zeigte D. lumholtzi im akuten Test eine noch höhere Empfindlichkeit gegenüber Diazinon. Die Ergebnisse dieser Studie sind wichtig für die Vorhersage von toxischen Wirkungen und Umweltrisiken im Zusammenhang mit Insektiziden. Weitere Studien mit zusätzlichen Organophosphat-Insektiziden, verschiedenen tropischen Testarten und Testbedingungen sind erforderlich, um das mögliche Umweltrisiko im Zusammenhang mit Pestiziden in tropischen aquatischen Ökosystemen zu bewerten.