vergelijking van Diazinontoxiciteit met gematigde en tropische zoetwater Daphnia-soorten
Abstract
de aanwezigheid van pesticiden in waterlichamen vormt unieke uitdagingen voor het ecosysteem en alle levensvormen. Biologische methoden zijn op grote schaal gebruikt om de toxische effecten van verschillende toxische stoffen, waaronder pesticiden, te onderzoeken. Deze studie heeft tot doel de nadelige effecten van diazinon, een niet-systematisch organofosfaat insecticide, te bepalen op twee cladoceraanse soorten, waaronder de gematigde Daphnia magna (D. magna) en de tropische Daphnia lumholtzi (D. lumholtzi). De 48 h LC50-waarden toonden een hogere toxiciteit aan van diazinon voor D. lumholtzi bij een concentratie van 3,41 µg·L−1 in vergelijking met D. magna bij een concentratie van 4,63 µg·L−1. Na 14 dagen blootstelling aan diazinon nam de overlevingscapaciteit en het voortplantingspotentieel van de twee cladoceraanse soorten duidelijk af en nam hun populatieverhoging (RPi) af bij concentraties >0,1 µg·L−1. De huidige studie wees uit dat de tropische cladoceraan (D. lumholtzi) gevoeliger was dan de gematigde D. magna. Daarom kan het worden gebruikt als indicator voor de beoordeling van de toxiciteit in tropische omgevingen. De aanwezigheid van diazinon in waterlichamen kan in verband worden gebracht met een significant risico voor in het water levende organismen.
1. Inleiding
In de afgelopen decennia zijn de meeste ontwikkelde landen overgegaan op een chemische vrije landbouw, ook wel “biologische” landbouw of landbouw genoemd, of met andere woorden, het verminderen van het gebruik van pesticiden . Dit heeft geleid tot aanzienlijke verbeteringen in de agronomische praktijken geleid door strenge wetgeving en in de kwaliteit van natuurlijke waterlichamen, dat wil zeggen minder risico voor het waterleven . De meeste ontwikkelingslanden in de tropische regio ‘ s gebruiken steeds meer pesticiden en kunstmest naarmate ze rijker worden . Als gevolg daarvan is de concentratie van pesticiden in tropische omgevingen voortdurend toegenomen, waardoor de soortendiversiteit afneemt. Hoewel pesticiden bepaalde gunstige effecten hebben voor landbouwgewassen, kan het gebruik ervan een breed scala van toxische effecten op verschillende niet-doelorganismen veroorzaken .
Diazinon (O, O-diethyl-o-fosforothioaat) is een niet-systemisch organofosfaat-insecticide. Het werd vaak gebruikt voor insert controle in landbouwgewassen . De toxiciteit van diazinon is het gevolg van het remmen van het enzym acetylcholinesterase (AChE), wat leidt tot de accumulatie van neurotransmitters en veranderde signaaloverdracht in chemische synapsen . Op de binnenlandse en internationale markt zijn er meer dan 500 geregistreerde producten die diazinon als werkzame stof bevatten . Door zijn wijdverspreide gebruik komt diazinon vaak voor in zoetwaterecosystemen . In een recente studie, Montuori et al. gemeld dat diazinon voorkomt in aquatische systemen in heel Europa, met de hoogste geregistreerde concentratie 785 ng·L−1 in de Ebro, Spanje. Bovendien zijn hoge concentraties diazinon tot 1,5 µg·L−1 gevonden in stedelijke waterwegen in Californië . In de afgelopen decennia is diazinon veel gebruikt in tropische gebieden . De wetgeving en regelgeving inzake pesticiden zijn in deze regio ‘ s echter niet adequaat ten uitvoer gelegd, ondanks de zware toepassingen ervan. De toxische effecten van diazinon zijn beschikbaar in de literatuur voor het gematigde cladoceraan D. magna. De toxische effecten van diazinon op tropische zoöplanktons zijn echter niet goed gedocumenteerd en bestudeerd in de literatuur.
Diazinon genereert een hoge acute toxiciteit voor een grote verscheidenheid aan aquatische organismen, wat leidt tot een breed scala aan subletale biochemische effecten, schade aan specifieke doelorganen en-weefsels en schadelijke ecologische effecten. De toxiciteit van diazinon is uitgebreid bestudeerd bij vissen en schaaldieren , en er is gemeld dat het matig giftig is voor vroege levensstadia van zebravis . De 96 h LC50-waarden, variërend van 0,32 tot 1,53 mg * L – 1 voor larven en van 2,2 tot 10,3 mg·L−1 voor volwassen vissen, zijn reeds geregistreerd . Yen et al. gemeld dat diazinon de zwemmende activiteit van larven verlaagt en de AChE-activiteit bij zebravis remt, evenals een toename van het HSP70-gehalte. In cladocerans veroorzaakte diazinon in de concentratie van 0,18 tot 0,30 µg·L−1 nadelige effecten op de overleving van D. magna . Van deze diazinonconcentraties is gemeld dat ze een afname veroorzaken in het gemiddelde totale aantal jongen per vrouw, De gemiddelde grootte van het broedsel, de snelheid van populatieverhoging (RPi) en de ontwikkeling van D. magna. Alleen de concentratie boven 0,25 µg * L-1 veroorzaakte een vertraging in de tijd tot de eerste reproductie . Toxicokinetische en toxicodynamische modellen van diazinon en zijn bijproduct 2-isopropyl-6-methyl-4-pyrimidinol bij schaaldieren werden onderzocht door Kretschmann et al. . De resultaten suggereerden dat de oxidatieve dearylatie van diazinon aan pyrimidinol een cruciale cellulaire ontgiftingsstap is die door het enzym P450 wordt gekatalyseerd . De meeste ecotoxicologische studies gebruiken echter het gematigde cladoceraan D. magna als ecotoxicologisch model; de toxiciteit van insecticide op tropische zoöplanktonsoorten is niet in dezelfde mate onderzocht .
In dit onderzoek werden een acute 48-H-test en een chronische 14-daagse test uitgevoerd om de effecten van diazinon op twee cladoceraanse species te bestuderen. De toxiciteit van diazinon voor vroege levensstadia van de gematigde soort D. magna werd getest, en de toxiciteit op D. magna werd vergeleken met die op de tropische soort D. lumholtzi. De resultaten zullen basisinformatie opleveren voor de vaststelling van de benchmark voor insecticiden op basis van organofosfaat in tropische wateren.
2. Materialen en methoden
2.1. Chemische stoffen
Diazinon (O, O-diethyl-o-fosforothioaat) werd gekocht van Sigma-Aldrich. Stamoplossingen van 1 mM werden vóór het experiment bereid door verdunning in dimethylsulfoxide (DMSO) en bewaard bij 4°C.
2.2. Testorganismen
in dit onderzoek werden twee cladocerans-soorten gebruikt: D. lumholtzi werd geïsoleerd uit een visvijver in het noorden van Vietnam. D. magna werd verkregen van MicroBioTest Inc. (België). Beide daphniden werden gekweekt in bekerglazen van 1 L gevuld met COMBOMEDIUM en op een temperatuur van 25 ± 1°C gehouden onder een licht: donker cyclus van 12 uur: 12 uur. de dieren werden gevoed met microgreen alg (Chlorella sp.) en een 1 : 1: 1 mengsel van gist, cerrophyl, en forel chow digestion (YTC). Het voedsel-en cultuurmedium werden om de twee dagen vernieuwd.
2.3. Acute Toxiciteitstest
de acute immobilisatietest werd uitgevoerd volgens Protocol 202 van de organisatie voor Economische Samenwerking en ontwikkeling . Deze test werd uitgevoerd om de gevoeligheid van de species te evalueren en om het bereik van concentraties vast te stellen dat in chronische tests moet worden gebruikt. Kort, Daphnia pasgeborenen (<24 uur oud) werden gehouden in bekerglazen van 50 mL met 30 mL COMBO medium verrijkt met diazinon in een concentratiebereik van 0, 0.5, 1, 2, 5, en 10 µg * L-1. In elke blootstellingsconcentratie werden 15 pasgeborenen blootgesteld per concentratie diazinon en blanco controle. Alle testblootstellingen werden in drievoud opgesteld. De testcontainers werden op een gecontroleerde temperatuur van 25 ± 1°C geplaatst onder een licht-donkercyclus van 14 uur: 10 uur gedurende 48 uur incubatie. De beoordeelde respons voor deze test was de immobiliteit of dood van de cladoceranen. Het criterium voor acceptatie van de test was een overlevingskans van 90% of meer in de controlegroep. Ten slotte werden de sterftegegevens die aan het einde van de toxiciteitstests (48 uur) werden geregistreerd, gebruikt om de mediane letale concentratie (48 uur LC50) te bepalen.
2.4. Chronische Toxiciteitstest
op basis van de acute toxiciteitsresultaten en voor het milieu relevante diazinonconcentraties in eerdere studies werden daphniden gedurende 14 dagen blootgesteld aan de volgende subletale diazinonconcentraties: 0 (controle), 0.05, 0.1, 0.2, 0.5, en 1,0 µg * L-1. De reproductietest werd uitgevoerd volgens het standaardprotocol beschreven in APHA met kleine wijzigingen. Kort samengevat werden pasgeborenen van minder dan 24 uur individueel geïncubeerd in bekerglazen van 50 mL met 20 mL controlemedium of blootgesteld aan diazinonconcentraties. Diazinon concentraties en voedsel (een mengsel van groene algen Chlorella sp., met een dichtheid van 5 × 106 cellen·mL−1, en YTC) werden om de twee dagen vernieuwd. De overleving, voortplanting (vruchtbaarheid), de tijd voor de eerste voortplanting, het totale aantal neonaten per vrouwtje, het aantal broedsels en de broedgrootte werden dagelijks geregistreerd. Aan het einde van het experiment werd de lichaamslengte van de moeder daphniden gemeten.
2.5. Statistische analyse
de 48 uur mediane letale concentraties (48 uur LC50) werden voorspeld door probitanalyse zoals eerder gemeld door Stephan . De snelheid van bevolkingsgroei (RPi) werd berekend volgens de door Euler–Lotka voorgestelde methode : ∑e-rxlxmx = 1, waarbij lx = de verhouding van overleving tot leeftijd x, mx = leeftijdsspecifieke vruchtbaarheid, en x = tijd in dagen. Alle berekeningen waren gebaseerd op 14-daagse experimenten . De verschillen tussen de behandelingsgroepen en de controlegroepen werden bepaald door middel van eenrichtingsanalyse van variantie (ANOVA). Significante verschillen () werden onderscheiden met behulp van de testmethode van Dunnet. Alle gegevens worden weergegeven als mediaan ± SD.
3. Resultaten en discussie
3.1. Acute toxiciteit
tijdens de proeftijd van de acute test deed zich in de controlegroep geen mortaliteit voor. De hoogste testconcentratie diazinon resulteerde in 100% sterfte van beide daphniden. Diazinon vertoonde echter een hogere toxiciteit voor D. lumholtzi. De 48 h LC50-waarden van diazinon voor D. magna en D. lumholtzi onder de geteste experimentele omstandigheden, bij een 95% – betrouwbaarheidsinterval, waren 4,63 en 3.41 µg·L−1, respectievelijk.
de toxische effecten van pesticiden op in het water levende organismen worden vaak onderzocht met behulp van het gematigde D. magna onder laboratoriumomstandigheden. Er is echter nog steeds weinig inzicht in de acute en chronische effecten van diazinon op schaaldieren, vooral op soorten die afkomstig zijn uit tropische gebieden. De 48 h LC50-waarden van diazinon die in dit onderzoek werden gerapporteerd, lagen in het bereik van de 48 h LC50-waarden die werden gerapporteerd voor nauplius van copepod Eodiaptomus (48 h LC50 = 2,8 µg.L-1), Mesocyclops (48 h LC50 = 2,9 µg·L−1), en Thermocyclops (48 h LC50 = 4.1 µg * L-1). De waarden waren echter lager dan de 48 h LC50−waarden voor volwassenen van Eodiaptomus (48 h LC50 = 46,8 µg·L−1), Mesocyclops (48 h LC50 = 30,6 µg·L−1) en Thermocyclops (48 h LC50 = 40,2 µg·L−1), of hoger dan 48 h LC50-waarden voor andere cladocerans zoals Ceriodaphnia dubia (48 h LC50 = 0,21 µg·L-1) . De resultaten van acute analyses documenteerden hogere gevoeligheid van tropische D. lumholtzi neonaten voor diazinon in vergelijking met gematigde D. magna. Vanuit praktisch toepassingsperspectief toonden deze resultaten duidelijk aan dat de D. lumholtzi kan dienen als een geschikte surrogaat voor de gematigde soort D. magna, dat wil zeggen, als een toxiciteit indicator soort, onder tropische omstandigheden.
3.2. Chronische toxiciteit
de effecten van subletale diazinonconcentraties op de overleving en reproductie van D. magna en D. lumholtzi gedurende 14 dagen incubatie zijn weergegeven in Tabel 1 en Figuur 1. De overleving van beide daphniden nam af bij toenemende diazinonconcentraties tijdens de 14-daagse test. Significante afnames in de respons in de levensgeschiedenis werden waargenomen voor D. magna en D. lumholtzi bij blootstelling aan diazinon. Beide daphniden groeiden goed in de controle-incubatie (de lengte van D. magna en D. lumholtzi nam toe tot respectievelijk 4,1 en 2,4 mm aan het einde van het experiment). Alle dieren in de controlegroep overleefden gedurende de gehele experimentele periode (14 dagen) en produceerden talrijke nakomelingen (27,4 ± 3,6 juvenielen per D. magna en 18,2 ± 2,1 per D. lumholtzi).
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Opmerking. .
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
(een)
b)
(a)
b)
Diazinon veroorzaakte significante effecten en dosisafhankelijke toenames van de voortplanting (aantal broedsels per vrouwtje) van beide daphniden (Tabel 1). Voor D. magna resulteerde diazinon in een concentratie tot 0,1 µg·L−1 of hoger in een significante afname van de voortplanting (aantal broedsels per vrouwtje), terwijl voor D. lumholtzi een significante afname van de reproductie werd geregistreerd ten opzichte van de laagste geteste concentratie (0,05 µg·L−1). De voortplanting van beide daphniden was significant vertraagd (), van 6,5 dagen voor de controle tot 9,6 dagen voor D. magna (als diazinonconcentratie tot 0,1 µg·L−1 of hoger) en van 3,5 dagen in de controlegroep tot 5,4 dagen voor D. lumholtzi (als diazinonconcentratie tot 0,05 µg·L−1 of hoger) (Tabel 1). Uit de resultaten van beide geteste species bleek dat het aantal geboren pasgeborenen per vrouwtje significant daalde bij de diazinonconcentratie van 0,1 µg·L−1 of hoger (Tabel 1). De gemiddelde lichaamslengte nam bij die daphniden significant af (als diazinonconcentratie tot 0,2 µg·L−1 of hoger) binnen de testperiode van 14 dagen, van 4,1 tot 3,1 mm en van 2,4 tot 1,9 mm in D. magna en D. lumholtzi, respectievelijk.
the results of the life-response history of both D. magna and D. lumholtzi species. Blootstelling aan subletale concentraties van diazinon onder laboratoriumomstandigheden toonde aan dat diazinon het aantal nakomelingen per vrouwtje significant verminderde en de leeftijd bij het eerste broedsel vertraagde. De verkregen resultaten zijn in overeenstemming met eerdere waarnemingen die een daling van de gemiddelde productie van nakomelingen en onderdrukking van de groei van D. magna of Ceriodaphnia dubia na blootstelling aan diazinon lieten zien .
de resultaten van de chronische test toonden aan dat D. lumholtzi een gevoelige soort was voor diazinon. Sánchez et al. gesuggereerd dat kreeftachtigen nauw verwant zijn aan insecten, meer dan andere ongewervelde dieren. Daarom zijn ze gevoeliger voor pesticiden dan andere ongewervelde dieren. Modra et al. aangegeven dat de toxiciteit van diazinon wordt beïnvloed door vele factoren zoals de biotransformatie capaciteit van het organisme zelf, watertemperatuur, aanwezigheid van andere verontreinigende stoffen, en andere niet-geïdentificeerde omgevingsvariabelen. Aan de andere kant, door het gebruik van een toxische kinetische en dynamische model voor het bestuderen van diazinon toxiciteit, Kretschmann et al. suggereerde dat de gevoeligheid van de testspecies voor diazinon kan afhangen van het ontgiftingsvermogen van diazinon en diazoxon (een toxische metaboliet van diazoxon). Deze auteurs onthulden dat, in vergelijking met D. magna, de amfipode gammarus pulex minder gevoelig is voor diazinon omdat de ontgifting van diazinon en diazoxon zes keer sneller is, wat op zijn beurt minder schadelijke effecten veroorzaakt. De auteurs stelden ook voor dat mechanistische effectmodellen zouden moeten worden gebruikt om de werkelijke oorzaken, effecten en de kleine verschillen tussen de verschillende aquatische ongewervelde dieren te verklaren .
3.3. Effecten van Diazinon op de snelheid van Bevolkingsgroei
de effecten van diazinon op de RPI zijn weergegeven in Figuur 2. Diazinonconcentraties gelijk aan en / of groter dan 0,1 µg·L−1 verminderden de RPI van beide daphniden tijdens de 14-daagse chronische test (). Er kan worden vastgesteld dat beide daphniden die aan diazinon werden blootgesteld, tijdens de 14-daagse chronische test een vrijwel vergelijkbare trend vertoonden. In natuurlijke omgevingen is bekend dat diazinon schadelijke effecten heeft op vele zoöplanktonsoorten, waaronder Daphnia, zelfs bij lage concentraties (van 5,3 tot 26,3 nM) . De RPI van de Daphnia-populatie is een belangrijke indicator voor voorspellende populatietrends. Het overlevingspercentage, het aantal nakomelingen per vrouw en de leeftijd van vruchtbaarheid zijn allemaal cruciaal voor de voorspelling . Een vermindering van de RPI wees op chronische toxische stress van pesticiden op Daphnia .
uit onze resultaten bleek dat beide testsoorten gevoelig waren voor diazinon en konden worden gebruikt om het risico van insecticiden te voorspellen. De huidige resultaten wijzen er duidelijk op dat de groeisnelheden van D. magna en D. lumholtzi in de controlebehandelingen binnen de in de literatuur vermelde waarden lagen . In tropische landen moet de benchmark voor insecticiden op basis van organofosfaat worden vastgesteld. Om de milieurisico ‘ s van pesticiden in tropische ecosystemen tot een minimum te beperken, raden we verdere studies aan naar de korte en lange termijn toxische effecten van organofosfaat insecticiden op verschillende tropische groepen organismen.
4. Conclusies
deze studie bevestigde dat diazinon een significant risico vormt voor in het water levende organismen, namelijk Daphnia-soorten die geen doel hebben. De bevolkingsgroei van D. magna en D. lumholtzi werd negatief beïnvloed door diazinon na een chronische blootstellingsperiode. Vergeleken met D. magna, toonde D. lumholtzi zelfs hogere gevoeligheid voor diazinon in de scherpe test. De resultaten van deze studie zijn belangrijk voor het voorspellen van toxische effecten en milieurisico ‘ s in verband met insecticiden. Verder onderzoek met aanvullende insecticiden op basis van organofosfaat, verschillende tropische testsoorten en testomstandigheden is nodig om het mogelijke milieurisico van pesticiden in tropische aquatische ecosystemen te beoordelen.