Pesticiden in rivieren worden steeds meer een mondiaal probleem, maar er is weinig informatie over de veilige concentratie van aquatische ecosystemen.In een 30 dagen durend mesokosmisch experiment werden de inheemse benthische ongewervelde waterdieren blootgesteld aan het veel voorkomende insecticide fipronil en vier soorten afbraakproducten.De fipronilverbinding veroorzaakte veranderingen in de opkomst en trofische cascade.De effectieve concentratie (EC50) waarbij fipronil en zijn sulfide-, sulfon- en desulfinyl-afbraakproducten een respons van 50% veroorzaken, is ontwikkeld.Taxanen zijn niet gevoelig voor fipronil.De gevaarconcentratie van 5% van de getroffen soorten uit 15 mesokosmische EC50-waarden wordt gebruikt om de samengestelde concentratie van fipronil in het veldmonster om te zetten in de som van toxische eenheden (∑TUFipronils).In 16% van de stromen uit vijf regionale onderzoeken overschreed de gemiddelde ∑TUFipronil de 1 (wat wijst op toxiciteit).Indicatoren voor ongewervelde soorten van risicosoorten zijn negatief gecorreleerd met TUTUipronil in vier van de vijf bemonsteringsgebieden.Deze ecologische risicobeoordeling laat zien dat lage concentraties fipronilverbindingen de stroomgemeenschappen in veel delen van de Verenigde Staten zullen verminderen.
Hoewel de productie van synthetische chemicaliën de afgelopen decennia sterk is toegenomen, is de impact van deze chemicaliën op ecosystemen die niet tot de doelsoorten behoren, nog niet volledig begrepen (1).In oppervlaktewater waar 90% van de mondiale landbouwgrond verloren gaat, zijn er geen gegevens over landbouwpesticiden, maar waar er wel gegevens zijn, is de tijd die pesticiden nodig hebben om de wettelijke drempels te overschrijden de helft (2).Uit een meta-analyse van landbouwpesticiden in oppervlaktewateren in de Verenigde Staten is gebleken dat op 70% van de bemonsteringslocaties ten minste één pesticide de wettelijke drempel overschrijdt (3).Deze meta-analyses (2, 3) richten zich echter alleen op oppervlaktewater dat wordt beïnvloed door landbouwgrondgebruik, en zijn een samenvatting van afzonderlijke onderzoeken.Pesticiden, vooral insecticiden, komen ook in hoge concentraties voor in de drainage van stedelijke landschappen (4).Het komt zelden voor dat een alomvattende beoordeling wordt uitgevoerd van pesticiden in oppervlaktewater dat wordt geloosd door landbouw en stedelijke landschappen;Daarom is het niet bekend of pesticiden een grootschalige bedreiging vormen voor de oppervlaktewatervoorraden en hun ecologische integriteit.
Benzopyrazolen en neonicotinoïden waren in 2010 goed voor een derde van de mondiale pesticidenmarkt (5).In oppervlaktewateren in de Verenigde Staten zijn fipronil en zijn afbraakproducten (fenylpyrazolen) de meest voorkomende pesticideverbindingen, en hun concentraties overschrijden doorgaans de aquatische normen (6-8).Hoewel neonicotinoïden de aandacht hebben getrokken vanwege hun effecten op bijen en vogels en hun prevalentie (9), is fipronil giftiger voor vissen en vogels (10), terwijl andere verbindingen van de fenylpyrazolenklasse herbicide effecten hebben (5).Fipronil is een systemisch insecticide dat wordt gebruikt om ongedierte in stedelijke en agrarische omgevingen te bestrijden.Sinds fipronil in 1993 op de wereldmarkt kwam, is het gebruik van fipronil in de Verenigde Staten, Japan en het Verenigd Koninkrijk sterk toegenomen (5).In de Verenigde Staten wordt fipronil gebruikt om mieren en termieten te bestrijden, en wordt het gebruikt in gewassen zoals maïs (inclusief zaadbehandeling), aardappelen en boomgaarden (11, 12).Het landbouwgebruik van fipronil in de Verenigde Staten piekte in 2002 (13).Hoewel er geen nationale gegevens over stedelijk gebruik beschikbaar zijn, bereikte het stedelijk gebruik in Californië een piek in 2006 en 2015 (https://calpip.cdpr.ca) .gov/main .cfm, geraadpleegd op 2 december 2019).Hoewel hoge concentraties fipronil (6,41 μg/l) worden aangetroffen in stromen in sommige landbouwgebieden met hoge doseringen (14), worden stedelijke stromen in de Verenigde Staten vergeleken met landbouwstromen over het algemeen meer gedetecteerd en hogere concentraties, wat positief is voor de Het optreden van stormen houdt verband met de test (6, 7, 14-17).
Fipronil komt via de afvoer in het aquatische ecosysteem terecht of lekt uit de bodem in de beek (7, 14, 18).Fipronil heeft een lage vluchtigheid (constante van de wet van Henry 2,31×10-4 Pa m3 mol-1), een lage tot matige oplosbaarheid in water (3,78 mg/l bij 20°C) en een matige hydrofobiciteit (log Kow is 3,9 tot 4,1). de mobiliteit in de bodem is zeer klein (log Koc is 2,6 tot 3,1) (12, 19), en vertoont een lage tot gemiddelde persistentie in het milieu (20).Finazepril wordt afgebroken door fotolyse, oxidatie, pH-afhankelijke hydrolyse en reductie, waarbij vier belangrijke afbraakproducten worden gevormd: dessulfoxyfenapril (noch sulfoxide), fenaprenipsulfon (sulfon), filofenamide (amide) en filofenibsulfide (sulfide).De afbraakproducten van fipronil zijn doorgaans stabieler en duurzamer dan de moederverbinding (21, 22).
De toxiciteit van fipronil en de afbraak ervan in niet-doelsoorten (zoals ongewervelde waterdieren) zijn goed gedocumenteerd (14, 15).Fipronil is een neurotoxische verbinding die de doorgang van chloride-ionen door het chloridekanaal, gereguleerd door gamma-aminoboterzuur, bij insecten verstoort, wat resulteert in een voldoende concentratie om overmatige opwinding en de dood te veroorzaken (20).Fipronil is selectief giftig en heeft dus een grotere receptorbindingsaffiniteit voor insecten dan voor zoogdieren (23).De insecticide activiteit van de afbraakproducten van fipronil is anders.De toxiciteit van sulfon en sulfide voor ongewervelde zoetwaterdieren is vergelijkbaar of hoger dan die van de moederverbinding.Desulfinyl heeft een matige toxiciteit, maar is minder giftig dan de moederverbinding.Relatief niet-giftig (23, 24).De gevoeligheid van ongewervelde waterdieren voor fipronil en afbraak van fipronil varieert sterk binnen en tussen taxa (15), en overschrijdt in sommige gevallen zelfs een orde van grootte (25).Ten slotte zijn er aanwijzingen dat fenylpyrazolen giftiger zijn voor het ecosysteem dan eerder werd gedacht (3).
Aquatisch biologische benchmarks gebaseerd op laboratoriumtoxiciteitstesten kunnen het risico van veldpopulaties onderschatten (26-28).Aquatische normen worden gewoonlijk vastgesteld door middel van laboratoriumtoxiciteitstests voor één soort, waarbij gebruik wordt gemaakt van een of meer ongewervelde watersoorten (bijvoorbeeld Diptera: Chironomidae: Chironomus en Crustacea: Daphnia magna en Hyalella azteca).Deze testorganismen zijn over het algemeen gemakkelijker te kweken dan andere benthische macro-invertebraten (bijvoorbeeld phe-geslacht::), en zijn in sommige gevallen minder gevoelig voor verontreinigende stoffen.D. Magna is bijvoorbeeld minder gevoelig voor veel metalen dan bepaalde insecten, terwijl A. zteca minder gevoelig is voor het pyrethroïde insecticide bifenthrin dan zijn gevoeligheid voor wormen (29, 30).Een andere beperking van bestaande benchmarks zijn de eindpunten die in de berekeningen worden gebruikt.Acute benchmarks zijn gebaseerd op sterfte (of vastgesteld voor schaaldieren), terwijl chronische benchmarks doorgaans gebaseerd zijn op subletale eindpunten (zoals groei en voortplanting) (indien aanwezig).Er zijn echter wijdverbreide subletale effecten, zoals groei, opkomst, verlamming en ontwikkelingsachterstand, die het succes van taxa en gemeenschapsdynamiek kunnen beïnvloeden.Als gevolg hiervan is, hoewel de benchmark een achtergrond biedt voor het biologische belang van het effect, de ecologische relevantie als drempel voor toxiciteit onzeker.
Om de effecten van fipronilverbindingen op benthische aquatische ecosystemen (ongewervelde dieren en algen) beter te begrijpen, werden natuurlijke benthische gemeenschappen naar het laboratorium gebracht en blootgesteld aan concentratiegradiënten tijdens de 30 dagen durende stroom Fipronil of een van de vier fipronil-afbraakexperimenten.Het onderzoeksdoel is om een ​​soortspecifieke effectconcentratie van 50% (EC50-waarde) te verkrijgen voor elke fipronilverbinding die een brede taxa van een riviergemeenschap vertegenwoordigt, en om de impact van verontreinigende stoffen op de gemeenschapsstructuur en -functie [dwz de gevarenconcentratie] te bepalen 5 % van de getroffen soorten (HC5) en indirecte effecten zoals gewijzigde opkomst en trofische dynamiek.Vervolgens werd de drempel (verbindingsspecifieke HC5-waarde) verkregen uit het mesoscopische experiment toegepast op het veld verzameld door de United States Geological Survey (USGS) uit vijf regio's van de Verenigde Staten (Noordoost, Zuidoost, Middenwest, Noordwest-Pacific en Centraal-Californië). Coastal Zone) Data) als onderdeel van de USGS regionale stroomkwaliteitsbeoordeling (https://webapps.usgs.gov/rsqa/#!/).Voor zover wij weten is dit de eerste ecologische risicobeoordeling.Het onderzoekt uitgebreid de effecten van fipronilverbindingen op benthische organismen in een gecontroleerde meso-omgeving, en past deze resultaten vervolgens toe op veldbeoordelingen op continentale schaal.
Het 30 dagen durende mesokosmische experiment werd uitgevoerd in het USGS Aquatic Laboratory (AXL) in Fort Collins, Colorado, VS, van 18 oktober tot 17 november 2017, gedurende 1 dag domesticatie en 30 dagen experimenteren.De methode is eerder beschreven (29, 31) en gedetailleerd in het aanvullende materiaal.De mesoruimte-instelling bevat 36 circulerende stromen in de vier actieve stromen (circulerende watertanks).Elke levende stroom is uitgerust met een koeler om de watertemperatuur op peil te houden en wordt verlicht met een 16:8 licht-donkercyclus.De meso-niveaustroom is van roestvrij staal, dat geschikt is voor de hydrofobiciteit van fipronil (log Kow = 4,0) en geschikt voor organische reinigingsmiddelen (Figuur S1).Het water dat voor het experiment op mesoschaal werd gebruikt, werd verzameld uit de Cache La Poudre-rivier (stroomopwaartse bronnen, waaronder Rocky Mountain National Park, National Forest en Continental Divide) en opgeslagen in de vier polyethyleen opslagtanks van AXL.Bij eerdere beoordelingen van sediment- en watermonsters die op de locatie waren verzameld, werden geen pesticiden aangetroffen (29).
Het experimentontwerp op mesoschaal bestaat uit 30 verwerkingsstromen en 6 controlestromen.De behandelingsstroom ontvangt behandeld water, dat elk niet-gerepliceerde constante concentraties fipronilverbindingen bevat: fipronil (fipronil (Sigma-Aldrich, CAS 120068-37-3), amide (Sigma-Aldrich, CAS 205650-69-7), ontzwavelingsgroep [US Environmental Protection Agency (EPA) Pesticide Library, CAS 205650-65-3], sulfon (Sigma-Aldrich, CAS 120068-37-2) en sulfide (Sigma-Aldrich, CAS 120067-83-6), alle zuiverheid ≥ 97,8% Volgens gepubliceerde responswaarden (7, 15, 16, 18, 21, 23, 25, 32, 33). Door de fipronilverbinding op te lossen in methanol (Thermo Fisher Scientific, certificeringsniveau van de American Chemical Society) en te verdunnen met gedeïoniseerd water tot het vereiste volume om een ​​geconcentreerde voorraadoplossing te bereiden. Omdat de hoeveelheid methanol in een dosis verschillend is, is het noodzakelijk om methanol aan alle behandelingsstromen toe te voegen in de drie controles, om dezelfde methanolconcentratie te garanderen. 0,05 ml/L) in de middelste weergave van de andere drie controlestromen ontvingen rivierwater zonder methanol, anders werden ze behandeld als alle andere stromen.
Op de 8e dag, de 16e dag en de 26e dag werden in het stromingsmembraan de temperatuur, pH-waarde, elektrische geleidbaarheid en de afbraak van fipronil en fipronil gemeten.Om de afbraak van de moederverbinding fipronil tijdens de mediatest te volgen, werd fipronil (ouders) gebruikt om het vloeibare darmslijmvlies nog drie dagen te behandelen [dagen 5, 12 en 21 (n = 6)] voor temperatuur, pH, Bemonstering van geleidbaarheid, fipronil en fipronilafbraak.De pesticide-analysemonsters werden verzameld door 10 ml stromend water in een amberkleurig glazen flesje van 20 ml te filteren door een Whatman 0,7-μm GF/F-spuitfilter uitgerust met een naald met grote diameter.De monsters werden onmiddellijk ingevroren en voor analyse naar het USGS National Water Quality Laboratory (NWQL) in Lakewood, Colorado, VS gestuurd.Met behulp van een verbeterde methode van de eerder gepubliceerde methode werden fipronil en 4 afbraakproducten in watermonsters bepaald door directe waterige injectie (DAI) vloeistofchromatografie-tandem massaspectrometrie (LC-MS/MS; Agilent 6495).Het instrumentdetectieniveau (IDL) wordt geschat op de minimale kalibratiestandaard die voldoet aan de kwalitatieve identificatiestandaard;de IDL van fipronil is 0,005 μg/l, en de IDL van de andere vier fipronil is 0,001 μg/l.Het aanvullende materiaal biedt een volledige beschrijving van de methoden die worden gebruikt om fipronilverbindingen te meten, inclusief kwaliteitscontrole- en borgingsprocedures (bijvoorbeeld monsterterugwinning, pieken, inspecties door derden en blanco's).
Aan het einde van het 30 dagen durende Mesocosmische experiment was de telling en identificatie van volwassen en larvale ongewervelde dieren voltooid (het belangrijkste eindpunt van de gegevensverzameling).De opkomende volwassen exemplaren worden dagelijks uit het net verzameld en ingevroren in een schone Falcon-centrifugebuis van 15 ml.Aan het einde van het experiment (dag 30) werd de inhoud van het membraan in elke stroom gewassen om eventuele ongewervelde dieren te verwijderen, en gezeefd (250 μm) en opgeslagen in 80% ethanol.Timberline Aquatics (Fort Collins, CO) heeft de taxonomische identificatie van larven en volwassen ongewervelde dieren voltooid tot het laagst mogelijke taxonomische niveau, meestal soorten.Op dagen 9, 19 en 29 werd chlorofyl a in drievoud gemeten in het mesoscopische membraan van elke stroom.Alle chemische en biologische gegevens als onderdeel van het mesoscopische experiment worden verstrekt in de begeleidende gegevensvrijgave (35).
Er zijn ecologische onderzoeken uitgevoerd in kleine (waad)stroompjes in vijf grote gebieden van de Verenigde Staten, en tijdens de voorgaande indexperiode zijn pesticiden gemonitord.Kortom, op basis van agrarisch en stedelijk landgebruik (36-40) zijn per regio 77 tot 100 locaties geselecteerd (totaal 444 locaties).Gedurende het voorjaar en de zomer van één jaar (2013-2017) worden in elke regio één keer per week watermonsters genomen gedurende 4 tot 12 weken.Het specifieke tijdstip is afhankelijk van de regio en de ontwikkelingsintensiteit.De elf stations in de noordoostelijke regio bevinden zich echter bijna in het stroomgebied.Geen ontwikkeling, behalve dat er slechts één monster werd verzameld.Omdat de monitoringperioden voor pesticiden in regionale onderzoeken verschillend zijn, worden hier ter vergelijking alleen de laatste vier monsters genomen die op elke locatie zijn verzameld.Er wordt aangenomen dat een enkel monster verzameld op de onontwikkelde noordoostelijke locatie (n = 11) de bemonsteringsperiode van vier weken kan vertegenwoordigen.Deze methode leidt tot hetzelfde aantal waarnemingen op pesticiden (behalve de 11 locaties in het Noordoosten) en dezelfde waarnemingsduur;Aangenomen wordt dat vier weken lang genoeg is voor langdurige blootstelling aan de biota, maar kort genoeg dat de ecologische gemeenschap niet van deze contacten zou moeten herstellen.
Bij voldoende stroming wordt het watermonster verzameld door middel van constante snelheids- en constante breedtestappen (41).Wanneer de stroom niet voldoende is om deze methode te gebruiken, kunt u monsters verzamelen door monsters diep te integreren of vanuit het zwaartepunt van de stroom te grijpen.Gebruik een spuit met grote diameter en een schijffilter (0,7 μm) om 10 ml gefilterd monster op te vangen (42).Via DAI LC-MS/MS/MS/MS werden bij NWQL watermonsters geanalyseerd op 225 pesticiden en afbraakproducten van pesticiden, waaronder fipronil en 7 afbraakproducten (dessulfinylfipronil, fipronil). Sulfiden, fipronilsulfon, deschloorfipronil, desthiolfipronil, amide, fipronil en fipronil).).Typische minimale rapportageniveaus voor veldonderzoek zijn: fipronil, desmethylthiofluorbenzonitril, fipronilsulfide, fipronilsulfon en deschloorfipronil 0,004 μg/l;dessulfinylfluorfenamide en De concentratie fipronilamide is 0,009 μg/liter;de concentratie fipronilsulfonaat bedraagt ​​0,096 μg/liter.
De gemeenschappen van ongewervelde dieren worden aan het einde van elke gebiedsstudie (lente/zomer) bemonsterd, meestal op hetzelfde tijdstip als de laatste bemonstering van pesticiden.Na het groeiseizoen en het intensieve gebruik van pesticiden moet het bemonsteringstijdstip consistent zijn met de omstandigheden van laag debiet, en moet het samenvallen met het tijdstip waarop de gemeenschap van ongewervelde rivierdieren volwassen wordt en zich voornamelijk in de levensfase van de larven bevindt.Met behulp van een Surber-monsternemer met een maaswijdte van 500 μm of een D-frame-net werd de bemonstering van de ongewervelde gemeenschap voltooid op 437 van de 444 locaties.De bemonsteringsmethode wordt gedetailleerd beschreven in het aanvullende materiaal.Op NWQL worden gewoonlijk alle ongewervelde dieren geïdentificeerd en vermeld op geslachts- of soortniveau.Alle chemische en biologische gegevens die op dit gebied zijn verzameld en in dit manuscript zijn gebruikt, zijn te vinden in de begeleidende gegevensversie (35).
Voor de vijf fipronilverbindingen die in het mesoscopische experiment werden gebruikt, werd de concentratie van de ongewervelde larven berekend die met 20% of 50% was verminderd ten opzichte van de controle (dwz EC20 en EC50).De gegevens [x = tijdgewogen fipronilconcentratie (zie aanvullend materiaal voor details), y = larvenabundantie of andere statistieken] werden aangepast aan het uitgebreide R(43)-pakket met behulp van een logaritmische regressiemethode met drie parameters "drc".De curve past bij alle soorten (larven) met voldoende overvloed en voldoet aan andere interessante maatstaven (bijvoorbeeld taxarijkdom, totale eendagsvlieg-abundantie en totale overvloed) om het gemeenschapseffect verder te begrijpen.De Nash-Sutcliff-coëfficiënt (45) wordt gebruikt om de modelfit te evalueren, waarbij een slechte modelfit oneindige negatieve waarden kan krijgen, en de waarde van een perfecte fit 1 is.
Om de effecten van fipronilverbindingen op de opkomst van insecten in het experiment te onderzoeken, werden de gegevens op twee manieren geëvalueerd.Ten eerste werd, door het gemiddelde uiterlijk van de controlestroommeso af te trekken van het uiterlijk van elke behandelingsstroommeso, het cumulatieve dagelijkse voorkomen van insecten in elke stroommeso (het totale aantal van alle individuen) genormaliseerd naar de controle.Zet deze waarden uit tegen de tijd om de afwijking van de behandelingsvloeistofmediator van de controlevloeistofmediator in het 30 dagen durende experiment te begrijpen.Bereken vervolgens het totale voorkomenpercentage van elk mesofyl van de stroom, dat wordt gedefinieerd als de verhouding van het totale aantal mesofylen in een bepaalde stroom tot het gemiddelde aantal larven en volwassenen in de controlegroep, en is geschikt voor logaritmische regressie met drie parameters .Alle verzamelde kieminsecten kwamen uit twee subfamilies van de familie Chironomidae, dus werd een gecombineerde analyse uitgevoerd.
Veranderingen in de gemeenschapsstructuur, zoals het verlies van taxa, kunnen uiteindelijk afhankelijk zijn van de directe en indirecte effecten van toxische stoffen, en kunnen leiden tot veranderingen in het functioneren van de gemeenschap (bijvoorbeeld trofische cascade).Om de trofische cascade te testen, werd een eenvoudig causaal netwerk geëvalueerd met behulp van de padanalysemethode (R-pakket "piecewiseSEM") (46).Voor mesoscopische experimenten wordt aangenomen dat fipronil, desulfinyl, sulfide en sulfon (niet getest amide) in het water om de biomassa van de schraper te verminderen, indirect leiden tot een toename van de biomassa van chlorofyl a (47).De concentratie van de verbinding is de voorspellende variabele, en de schraper en chlorofyl in een biomassa zijn de responsvariabelen.Fisher's C-statistiek wordt gebruikt om de modelfit te evalueren, zodat een P-waarde <0,05 een goede modelfit aangeeft (46).
Om een ​​op risico gebaseerd beschermingsmiddel voor ecogemeenschappen te ontwikkelen, heeft elke verbinding 95% van de getroffen soorten (HC5), chronische soortgevoeligheidsverdeling (SSD) en bescherming tegen gevarenconcentraties verkregen.Er werden drie SSD-datasets gegenereerd: (i) alleen meso-dataset, (ii) een dataset met alle meso-gegevens en gegevens verzameld uit de EPA ECOTOX-databasequery (https://cfpub.epa.gov/ecotox) /, toegankelijk op 14 maart 2019), de onderzoeksduur is 4 dagen of langer, en (iii) een dataset met alle mesoscopische gegevens en ECOTOX-gegevens, waarin ECOTOX-gegevens (acute blootstelling) gedeeld door acuut tot De verhouding van chronische D. magna ( 19.39) om het verschil in blootstellingsduur te verklaren en de chronische EC50-waarde te benaderen (12).Ons doel van het genereren van meerdere SSD-modellen is om (i) HC5-waarden te ontwikkelen voor vergelijking met veldgegevens (alleen voor SSD’s voor media), en (ii) te beoordelen dat mediagegevens breder worden geaccepteerd dan regelgevende instanties voor opname in de aquacultuur. robuustheid van levensbenchmarks en standaardbepaling van gegevensbronnen, en daarmee de haalbaarheid van het gebruik van mesoscopische studies voor het aanpassingsproces.
Voor elke dataset is SSD ontwikkeld met behulp van het R-pakket “ssdtools” (48).Gebruik de bootstrap (n = 10.000) om het HC5-gemiddelde en het betrouwbaarheidsinterval (CI) van de SSD te schatten.Negenenveertig taxa-reacties (alle taxa die zijn geïdentificeerd als geslacht of soort) die door dit onderzoek zijn ontwikkeld, worden gecombineerd met 32 ​​taxa-reacties samengesteld uit zes gepubliceerde onderzoeken in de ECOTOX-database, voor een totaal van 81 Taxon-reacties die kunnen worden gebruikt voor SSD-ontwikkeling .Omdat er geen gegevens werden gevonden in de ECOTOX-database van amiden, werd er geen SSD ontwikkeld voor amiden en werd er slechts één EC50-respons verkregen uit het huidige onderzoek.Hoewel de EC50-waarde van slechts één sulfidegroep in de ECOTOX-database werd gevonden, heeft de huidige afgestudeerde student 12 EC50-waarden.Daarom zijn SSD's voor sulfinylgroepen ontwikkeld.
De specifieke HC5-waarden van fipronilverbindingen verkregen uit de SSD-dataset van Mesocosmos werden gecombineerd met veldgegevens om de blootstelling en potentiële toxiciteit van fipronilverbindingen in 444 stromen uit vijf regio's in de Verenigde Staten te beoordelen.In de afgelopen vier weken wordt elke gedetecteerde concentratie van fipronilverbindingen (niet-gedetecteerde concentraties zijn nul) gedeeld door de respectievelijke HC5, en wordt de verbindingsverhouding van elk monster opgeteld om de totale toxiciteitseenheid van fipronil (ΣTUFipronils) te verkrijgen, waarbij ΣTUFipronils> 1 betekent toxiciteit.
Door de gevaarconcentratie van 50% van de getroffen soort (HC50) te vergelijken met de EC50-waarde van de taxarijkdom afgeleid van het mediummembraanexperiment, werd de SSD verkregen uit de mediummembraangegevens geëvalueerd om de gevoeligheid van de bredere ecologische gemeenschap voor fipronil weer te geven. rang..Door deze vergelijking kan de consistentie tussen de SSD-methode (inclusief alleen die taxa met een dosis-responsrelatie) en de EC50-methode (inclusief alle unieke taxa waargenomen in de middelste ruimte) met behulp van de EC50-methode voor het meten van taxarijkdom worden geëvalueerd.Dosis-responsrelatie.
Er werd een indicator voor pesticidenrisicosoorten (SPEARpesticides) berekend om de relatie tussen de gezondheidsstatus van gemeenschappen van ongewervelde dieren en ΣTUFipronil in 437 stromen van ongewervelde dieren te onderzoeken.De SPEAR-pesticides-metriek zet de samenstelling van ongewervelde dieren om in een overvloedsmetriek voor biologische taxonomie met fysiologische en ecologische kenmerken, waardoor gevoeligheid voor pesticiden wordt verleend.De SPEAR-pesticidenindicator is niet gevoelig voor natuurlijke covariaten (49, 50), hoewel de prestaties ervan zullen worden beïnvloed door ernstige aantasting van de habitat (51).De overvloedsgegevens die ter plaatse voor elk taxon worden verzameld, worden gecoördineerd met de sleutelwaarde van het taxon gerelateerd aan de ASTERICS-software om de ecologische kwaliteit van de rivier te beoordelen (https://gewaesser-bewertung-berechnung.de/index.php/home .html).Importeer vervolgens de gegevens in de Indicate (http://systemecology.eu/indicate/) software (versie 18.05).In deze software worden de Europese eigenschappendatabase en de database met fysiologische gevoeligheid voor pesticiden gebruikt om de gegevens van elke locatie om te zetten in een SPEAR-pesticidenindicator.Elk van de vijf regionale onderzoeken maakte gebruik van het General Additive Model (GAM) ["mgcv"-pakket in R(52)) om de relatie te onderzoeken tussen de SPEAR-pesticiden-metriek en ΣTUFipronils [log10(X + 1)-conversie] geassocieerd.Voor meer gedetailleerde informatie over SPEAR-pesticidenstatistieken en voor data-analyse, zie de aanvullende materialen.
De waterkwaliteitsindex is consistent in elke mesoscopische stroom en gedurende de gehele mesoscopische experimentperiode.De gemiddelde temperatuur, pH en geleidbaarheid waren respectievelijk 13,1°C (±0,27°C), 7,8 (±0,12) en 54,1 (±2,1) μS/cm (35).De gemeten opgeloste organische koolstof in schoon rivierwater is 3,1 mg/L.In het mesobeeld van de rivier waar de MiniDOT-recorder wordt ingezet, is de opgeloste zuurstof bijna verzadigd (gemiddeld> 8,0 mg/L), wat aangeeft dat de stroom volledig circuleert.
Kwaliteitscontrole- en kwaliteitsborgingsgegevens over fipronil worden verstrekt in de begeleidende gegevenspublicatie (35).Kortom, de terugwinningspercentages van laboratoriummatrixpieken en mesoscopische monsters liggen gewoonlijk binnen aanvaardbare grenzen (terugwinningen van 70% tot 130%), IDL-normen bevestigen de kwantitatieve methode en laboratorium- en instrumentblanco's zijn gewoonlijk schoon. Er zijn zeer weinig uitzonderingen behalve deze generalisaties worden besproken in het aanvullende materiaal..
Door het systeemontwerp is de gemeten concentratie fipronil doorgaans lager dan de streefwaarde (Figuur S2) (omdat het onder ideale omstandigheden 4 tot 10 dagen duurt om een ​​steady state te bereiken) (30).Vergeleken met andere fipronilverbindingen verandert de concentratie van desulfinyl en amide weinig in de loop van de tijd, en de variabiliteit van de concentratie binnen de behandeling is kleiner dan het verschil tussen behandelingen, behalve bij de behandeling met lage concentratie van sulfon en sulfide.Het tijdgewogen gemiddelde gemeten concentratiebereik voor elke behandelingsgroep is als volgt: Fipronil, IDL tot 9,07 μg/l;Desulfinyl, IDL tot 2,15 μg/l;Amide, IDL tot 4,17 μg/l;Sulfide, IDL tot 0,57 μg/liter;en sulfon, IDL is 1,13 μg/liter (35).In sommige stromen werden niet-doelwitfipronilverbindingen gedetecteerd, dat wil zeggen verbindingen die niet aan een specifieke behandeling waren toegevoegd, maar waarvan bekend was dat ze afbraakproducten van de behandelingsverbinding waren.De mesoscopische membranen behandeld met de moederverbinding fipronil hebben het hoogste aantal gedetecteerde niet-doelwitafbraakproducten (wanneer ze niet als verwerkingsmiddel worden gebruikt, zijn dit sulfinyl, amide, sulfide en sulfon);deze kunnen eerder te wijten zijn aan het productieproces van samengestelde onzuiverheden en/of afbraakprocessen die optreden tijdens de opslag van de stockoplossing en (of) in het mesoscopische experiment dan aan het resultaat van kruisbesmetting.Bij de behandeling met fipronil werd geen trend in de afbraakconcentratie waargenomen.Niet-doelwitafbraakverbindingen worden het meest aangetroffen in het lichaam met de hoogste behandelingsconcentratie, maar de concentratie is lager dan de concentratie van deze niet-doelwitstoffen (zie de volgende sectie voor de concentratie).Omdat niet-doelwitafbraakverbindingen gewoonlijk niet worden gedetecteerd bij de laagste fipronilbehandeling, en omdat de gedetecteerde concentratie lager is dan de effectconcentratie bij de hoogste behandeling, wordt daarom geconcludeerd dat deze niet-doelwitverbindingen een minimale impact hebben op de analyse.
In media-experimenten waren benthische macro-invertebraten gevoelig voor fipronil, desulfinyl, sulfon en sulfide [Tabel S1;oorspronkelijke overvloedsgegevens worden verstrekt in de begeleidende gegevensversie (35)].Fipronilamide is alleen bedoeld voor de vlieg Rhithrogena sp.Giftig (dodelijk), de EC50 bedraagt ​​2,05 μg/l [±10,8(SE)].Er werden dosis-responscurven van 15 unieke taxa gegenereerd.Deze taxa vertoonden sterfte binnen het geteste concentratiebereik (Tabel S1), en gerichte geclusterde taxa (zoals vliegen) (Figuur S3) en rijke taxa (Figuur 1). Er werd een dosis-responscurve gegenereerd.De concentratie (EC50) van fipronil, desulfinyl, sulfon en sulfide op de unieke taxa van de meest gevoelige taxa varieert respectievelijk van 0,005-0,364, 0,002-0,252, 0,002-0,061 en 0,005-0,043μg/l.Rhithrogena sp.En Sweltsa sp.;Figuur S4) zijn lager dan de meer getolereerde taxa (zoals Micropsectra / Tanytarsus en Lepidostoma sp.) (Tabel S1).Volgens de gemiddelde EC50 van elke verbinding in Tabel S1 zijn sulfonen en sulfiden de meest effectieve verbindingen, terwijl ongewervelde dieren over het algemeen het minst gevoelig zijn voor desulfinyl (met uitzondering van amiden).Metrieken van de algemene ecologische toestand, zoals taxarijkdom, totale overvloed, totale pentaploïde en totale steenvlieg, inclusief taxa en de overvloed van sommige taxa, deze zijn zeer zeldzaam in meso en kunnen niet worden berekend. Teken een aparte dosis-responscurve.Daarom omvatten deze ecologische indicatoren taxonreacties die niet zijn opgenomen in de SSD.
Taxa-rijkdom (larve) met een logistieke functie op drie niveaus van (A) fipronil, (B) desulfinyl, (C) sulfon en (D) sulfideconcentratie.Elk datapunt vertegenwoordigt larven uit een enkele stroom aan het einde van het 30 dagen durende meso-experiment.De taxonrijkdom is het aantal unieke taxa in elke stroom.De concentratiewaarde is het tijdgewogen gemiddelde van de waargenomen concentratie van elke stroom, gemeten aan het einde van het 30 dagen durende experiment.Fipronilamide (niet getoond) heeft geen relatie met rijke taxa.Houd er rekening mee dat de x-as zich op een logaritmische schaal bevindt.EC20 en EC50 met SE worden gerapporteerd in Tabel S1.
Bij de hoogste concentratie van alle vijf fipronilverbindingen daalde de opkomstsnelheid van Uetridae.Er werd waargenomen dat het kiempercentage (EC50) van sulfide, sulfon, fipronil, amide en desulfinyl met 50% afnam bij de concentraties van respectievelijk 0,03, 0,06, 0,11, 0,78 en 0,97 μg/l (Figuur 2 en Figuur S5).In de meeste van de 30 dagen durende experimenten werden alle behandelingen met fipronil, desulfinyl, sulfon en sulfide uitgesteld, behalve enkele behandelingen met een lage concentratie (Figuur 2), en werd hun verschijning geremd.Bij de amidebehandeling was het verzamelde effluent gedurende het gehele experiment hoger dan dat van de controle, met een concentratie van 0,286 μg/liter.De hoogste concentratie (4,164μg/liter) gedurende het gehele experiment remde het effluent, en de effluentsnelheid van de tussenbehandeling was vergelijkbaar met die van de controlegroep.(Figuur 2).
De cumulatieve opkomst is de gemiddelde dagelijkse gemiddelde opkomst van elke behandeling minus (A) fipronil, (B) desulfinyl, (C) sulfon, (D) sulfide en (E) amide in de controlestroom. De gemiddelde dagelijkse gemiddelde opkomst van het membraan.Behalve voor de controle (n = 6), n = 1. De concentratiewaarde is het tijdgewogen gemiddelde van de waargenomen concentratie in elke stroom.
De dosis-responscurve laat zien dat er naast taxonomische verliezen ook structurele veranderingen op gemeenschapsniveau plaatsvinden.Specifiek vertoonden de overvloed aan mei (Figuur S3) en de taxa-abundantie (Figuur 1) binnen het testconcentratiebereik significante dosis-responsrelaties met fipronil, desulfinyl, sulfon en sulfide.Daarom hebben we onderzocht hoe deze structurele veranderingen leiden tot veranderingen in het functioneren van de gemeenschap door de voedingscascade te testen.Blootstelling van ongewervelde waterdieren aan fipronil, desulfinyl, sulfide en sulfon heeft een directe negatieve impact op de biomassa van de schraper (Figuur 3).Om de negatieve impact van fipronil op de biomassa van de schraper te beheersen, had de schraper ook een negatieve invloed op de chlorofyl-a-biomassa (Figuur 3).Het resultaat van deze negatieve padcoëfficiënten is een netto toename van chlorofyl a naarmate de concentratie van fipronil en afbraakproducten toeneemt.Deze volledig gemedieerde routemodellen geven aan dat een verhoogde afbraak van fipronil of fipronil leidt tot een toename van het aandeel chlorofyl a (Figuur 3).Op voorhand wordt aangenomen dat het directe effect tussen fipronil- of afbraakconcentratie en chlorofyl in een biomassa nul is, omdat fipronilverbindingen pesticiden zijn en een lage directe toxiciteit voor algen hebben (de basislijnconcentratie van EPA voor acute niet-vasculaire planten is 100 μg / l fipronil, disulfoxidegroep, sulfon en sulfide; https://epa.gov/pesticide-science-and-assessing-pesticide-risks/aquatic-life-benchmarks-and-ecological-risk), Alle resultaten (geldige modellen) ondersteunen dit hypothese.
Fipronil kan de biomassa (direct effect) van begrazing aanzienlijk verminderen (schrapergroep is larven), maar heeft geen direct effect op de biomassa van chlorofyl a.Het sterke indirecte effect van fipronil is echter dat de biomassa van chlorofyl a toeneemt als reactie op minder begrazing.De pijl geeft de gestandaardiseerde padcoëfficiënt aan en het minteken (-) geeft de associatierichting aan.* Geeft de mate van belangrijkheid aan.
De drie SSD's (alleen middelste laag, middelste laag plus ECOTOX-gegevens, en middelste laag plus ECOTOX-gegevens gecorrigeerd voor verschillen in blootstellingsduur) produceerden nominaal verschillende HC5-waarden (Tabel S3), maar de resultaten lagen binnen het SE-bereik.In de rest van deze studie zullen we ons concentreren op de data-SSD met alleen het meso-universum en de bijbehorende HC5-waarde.Voor een volledigere beschrijving van deze drie SSD-evaluaties verwijzen wij u naar het aanvullende materiaal (tabellen S2 tot en met S5 en figuren S6 en S7).De best passende gegevensverdeling (laagste Akaike-informatiestandaardscore) van de vier fipronilverbindingen (Figuur 4) die alleen in de meso-solide SSD-kaart worden gebruikt, is de log-gumbel van fipronil en sulfon, en de weibull van sulfide en ontzwaveld γ ( Tabel S3).De voor elke verbinding verkregen HC5-waarden worden in Figuur 4 alleen voor het meso-universum gerapporteerd, en in Tabel S3 worden de HC5-waarden van alle drie de SSD-datasets gerapporteerd.De HC50-waarden van fipronil-, sulfide-, sulfon- en desulfinylgroepen [22,1±8,78 ng/L (95% BI, 11,4 tot 46,2), 16,9±3,38 ng/L (95% BI, 11,2 tot 24,0), 8 80± 2,66 ng/l (95% BI, 5,44 tot 15,8) en 83,4±32,9 ng/l (95% BI, 36,4 tot 163)] Deze verbindingen zijn aanzienlijk lager dan de EC50-taxarijkdom (totaal aantal unieke taxa) (Tabel S1 (aantekeningen in de aanvullende materiaaltabel zijn microgrammen per liter).
In het experiment op mesoschaal wordt, bij blootstelling aan (A) fipronil, (B) dessulfinylfipronil, (C) fipronilsulfon, (D) fipronilsulfide gedurende 30 dagen, de soortgevoeligheid beschreven. Dit is de EC50-waarde van taxon.De blauwe stippellijn vertegenwoordigt 95% BI.De horizontale stippellijn vertegenwoordigt HC5.De HC5-waarde (ng/l) van elke verbinding is als volgt: Fipronil, 4,56 ng/l (95% BI, 2,59 tot 10,2);Sulfide, 3,52 ng/l (1,36 tot 9,20);Sulfon, 2,86 ng/liter (1,93 tot 5,29);en sulfinyl, 3,55 ng/liter (0,35 tot 28,4).Houd er rekening mee dat de x-as zich op een logaritmische schaal bevindt.
In de vijf regionale onderzoeken werd fipronil (ouderdieren) aangetroffen in 22% van de 444 veldbemonsteringspunten (Tabel 1).De detectiefrequentie van florfenib, sulfon en amide is vergelijkbaar (18% tot 22% van het monster), de detectiefrequentie van sulfide en desulfinyl is lager (11% tot 13%), terwijl de resterende afbraakproducten zeer hoog zijn.Weinig (1% of minder) of nooit gedetecteerd (Tabel 1)..Fipronil wordt het vaakst aangetroffen in het zuidoosten (52% van de locaties) en het minst vaak in het noordwesten (9% van de locaties), wat de variabiliteit van het gebruik van benzopyrazol en de potentiële kwetsbaarheid van de stroom in het hele land benadrukt.Afbraakproducten vertonen doorgaans vergelijkbare regionale patronen, met de hoogste detectiefrequentie in het zuidoosten en de laagste in het noordwesten of aan de kust van Californië.De gemeten concentratie fipronil was het hoogst, gevolgd door de moederverbinding fipronil (90% percentage van respectievelijk 10,8 en 6,3 ng/l) (Tabel 1) (35).De hoogste concentratie fipronil (61,4 ng/L), disulfinyl (10,6 ng/L) en sulfide (8,0 ng/L) werd bepaald in het zuidoosten (in de laatste vier weken van het monster).De hoogste concentratie sulfon werd in het westen bepaald.(15,7 ng/l), amide (42,7 ng/l), dessulfinylflupirnamide (14 ng/l) en fipronilsulfonaat (8,1 ng/l) (35).Florfenidesulfon was de enige verbinding waarvan werd waargenomen dat deze de HC5 overschreed (Tabel 1).De gemiddelde ΣTUFipronils tussen de verschillende regio's variëren sterk (Tabel 1).Het nationale gemiddelde ΣTUFipronils is 0,62 (alle locaties, alle regio's) en 71 locaties (16%) hebben ΣTUFipronils> 1, wat erop wijst dat het giftig kan zijn voor bentische macro-invertebraten.In vier van de vijf onderzochte regio's (behalve het Midwesten) is er een significante relatie tussen SPEAR-pesticiden en ΣTUFipronil, waarbij de aangepaste R2 varieert van 0,07 langs de kust van Californië tot 0,34 in het zuidoosten (Figuur 5).
*Verbindingen gebruikt in mesoscopische experimenten.†ΣTUFipronils, de mediaan van de som van toxine-eenheden [waargenomen veldconcentratie van vier fipronilverbindingen/gevarenconcentratie van elke verbinding uit het vijfde percentiel van de met SSD geïnfecteerde soorten (Figuur 4)] Voor de wekelijkse monsters van fipronil waren de laatste 4 weken aan pesticidemonsters verzameld op elke locatie werden berekend.‡Het aantal locaties waar pesticiden worden gemeten.§Het 90e percentiel is gebaseerd op de maximale concentratie die ter plaatse werd waargenomen tijdens de laatste vier weken van de bemonstering van pesticiden.met het percentage geteste monsters.¶ Gebruik het 95% BI van de HC5-waarde (Figuur 4 en Tabel S3, alleen meso) om het BI te berekenen.Dechloroflupinib is in alle regio's geanalyseerd en nooit gevonden.ND, niet gedetecteerd.
De toxische eenheid van fipronil is de gemeten fipronilconcentratie gedeeld door de verbindingsspecifieke HC5-waarde, die wordt bepaald door de SSD verkregen uit het media-experiment (zie Figuur 4).Zwarte lijn, gegeneraliseerd additief model (GAM).De rode stippellijn heeft een BI van 95% voor GAM.ΣTUFipronils wordt omgezet naar log10 (ΣTUFipronils+1).
De schadelijke effecten van fipronil op niet-doelsoorten in het water zijn goed gedocumenteerd (15, 21, 24, 25, 32, 33), maar dit is het eerste onderzoek waarin het gevoelig is in een gecontroleerde laboratoriumomgeving.De gemeenschappen van de taxa werden blootgesteld aan fipronilverbindingen en de resultaten werden geëxtrapoleerd naar continentale schaal.De resultaten van het 30 dagen durende mesokosmische experiment kunnen 15 afzonderlijke groepen waterinsecten opleveren (Tabel S1) met niet-gerapporteerde concentraties in de literatuur, waaronder de waterinsecten in de toxiciteitsdatabase ondervertegenwoordigd zijn (53, 54).Taxa-specifieke dosis-responscurves (zoals EC50) worden weerspiegeld in veranderingen op gemeenschapsniveau (zoals taxarijkdom en mogelijk verlies aan vliegovervloed) en functionele veranderingen (zoals voedingscascades en veranderingen in uiterlijk).Het effect van het mesoscopische universum werd geëxtrapoleerd naar het veld.In vier van de vijf onderzoeksgebieden in de Verenigde Staten was de in het veld gemeten fipronilconcentratie gecorreleerd met de achteruitgang van het aquatische ecosysteem in het vloeibare water.
De HC5-waarde van 95% van de soorten in het mediummembraanexperiment heeft een beschermend effect, wat erop wijst dat de totale gemeenschap van ongewervelde waterdieren gevoeliger is voor fipronilverbindingen dan eerder werd aangenomen.De verkregen HC5-waarde (florfenib, 4,56 ng/liter; desulfoxiraan, 3,55 ng/liter; sulfon, 2,86 ng/liter; sulfide, 3,52 ng/liter) is meerdere keren (florfenib) tot drie keer meer dan een orde van grootte (desulfinyl ) onder de huidige EPA-benchmark voor chronische ongewervelde dieren [fipronil, 11 ng/liter;desulfinyl, 10.310 ng/liter;sulfon, 37 ng/liter;en sulfide, voor 110 ng/liter (8)].Mesoscopische experimenten identificeerden veel groepen die gevoelig zijn voor fipronil in plaats van die aangegeven door de EPA-benchmark voor chronische ongewervelde dieren (4 groepen die gevoeliger zijn voor fipronil, 13 paar desulfinyl, 11 paar sulfon en 13 paar). Sulfidegevoeligheid) (Figuur 4 en tabel) S1).Dit toont aan dat benchmarks verschillende soorten niet kunnen beschermen die ook in de middenwereld worden waargenomen en die ook wijdverbreid zijn in aquatische ecosystemen.Het verschil tussen onze resultaten en de huidige benchmark is voornamelijk te wijten aan het gebrek aan testgegevens over de toxiciteit van fipronil die toepasbaar zijn op een reeks taxa van waterinsecten, vooral wanneer de blootstellingstijd langer is dan 4 dagen en fipronil afbreekt.Tijdens het 30 dagen durende mesokosmische experiment waren de meeste insecten in de gemeenschap van ongewervelde dieren gevoeliger voor fipronil dan het gewone testorganisme Aztec (schaaldier), zelfs na correctie van de Azteken. De EC50 van Teike maakt hetzelfde na acute transformatie.(Meestal 96 uur) tot chronische blootstellingstijd (Figuur S7).Er werd een betere consensus bereikt tussen het mediummembraanexperiment en het onderzoek gerapporteerd in ECOTOX met behulp van het standaardtestorganisme Chironomus dilutus (een insect).Het is niet verrassend dat waterinsecten bijzonder gevoelig zijn voor pesticiden.Zonder de blootstellingstijd aan te passen, lieten het experiment op mesoschaal en de uitgebreide gegevens van de ECOTOX-database zien dat veel taxa gevoeliger waren voor fipronilverbindingen dan verdund Clostridium (Figuur S6).Door de blootstellingstijd aan te passen, is verdunning Clostridium echter het meest gevoelige organisme voor fipronil (ouder) en sulfide, hoewel het niet gevoelig is voor sulfon (Figuur S7).Deze resultaten illustreren het belang van het betrekken van meerdere soorten waterorganismen (waaronder meerdere insecten) om daadwerkelijke concentraties van pesticiden te produceren die waterorganismen kunnen beschermen.
De SSD-methode kan zeldzame of ongevoelige taxa beschermen waarvan de EC50 niet kan worden bepaald, zoals Cinygmula sp., Isoperla fulva en Brachycentrus americanus.De EC50-waarden van de overvloed aan taxa en de overvloed aan vliegen, die veranderingen in de samenstelling van de gemeenschap weerspiegelen, zijn consistent met de HC50-waarden van de SSD van fipronil, sulfon en sulfide.Het protocol ondersteunt het volgende idee: de SSD-methode die wordt gebruikt om drempels af te leiden, kan de hele gemeenschap beschermen, inclusief zeldzame of ongevoelige taxa in de gemeenschap.De drempelwaarde voor in het water levende organismen, bepaald op basis van SSD's op basis van slechts enkele taxa of ongevoelige taxa, kan in hoge mate onvoldoende zijn voor de bescherming van aquatische ecosystemen.Dit is het geval voor desulfinyl (Figuur S6B).Vanwege het gebrek aan gegevens in de ECOTOX-database bedraagt ​​de basislijnconcentratie van EPA voor chronische ongewervelde dieren 10.310 ng/l, wat vier ordes van grootte hoger is dan de 3,55 ng/l van HC5.De resultaten van verschillende taxonresponssets geproduceerd in mesoscopische experimenten.Het gebrek aan toxiciteitsgegevens is vooral problematisch voor afbreekbare verbindingen (Figuur S6), wat zou kunnen verklaren waarom de bestaande aquatische biologische benchmarks voor sulfon en sulfide ongeveer 15 tot 30 keer minder gevoelig zijn dan de SSD HC5-waarde gebaseerd op China Universe.Het voordeel van de mediummembraanmethode is dat er in één experiment meerdere EC50-waarden kunnen worden bepaald, wat voldoende is om een ​​volledige SSD te vormen (bijvoorbeeld desulfinyl; Figuur 4B en Figuren S6B en S7B), en een aanzienlijke impact hebben over de natuurlijke taxa van het beschermde ecosysteem Veel reacties.
Mesoscopische experimenten tonen aan dat fipronil en zijn afbraakproducten duidelijke subletale en indirecte nadelige effecten kunnen hebben op het functioneren van de gemeenschap.In het mesoscopische experiment leken alle vijf de fipronilverbindingen de opkomst van insecten te beïnvloeden.De resultaten van de vergelijking tussen de hoogste en laagste concentraties (remming en stimulatie van individuele opkomst of veranderingen in opkomsttijd) komen overeen met de eerder gerapporteerde resultaten van meso-experimenten met het insecticide bifenthrin (29).De opkomst van volwassenen zorgt voor belangrijke ecologische functies en kan worden veranderd door verontreinigende stoffen zoals fipronil (55, 56).Gelijktijdige opkomst is niet alleen van cruciaal belang voor de voortplanting van insecten en de persistentie van de populatie, maar ook voor de aanvoer van volwassen insecten, die kunnen worden gebruikt als voedsel voor water- en landdieren (56).Het voorkomen van de opkomst van zaailingen kan een negatieve invloed hebben op de voedseluitwisseling tussen aquatische ecosystemen en oeverecosystemen, en de effecten van waterverontreinigende stoffen verspreiden naar terrestrische ecosystemen (55, 56).De afname van de overvloed aan schrapers (algenetende insecten) die werd waargenomen in het experiment op mesoschaal resulteerde in een afname van de algenconsumptie, wat resulteerde in een toename van chlorofyl a (Figuur 3).Deze trofische cascade verandert de koolstof- en stikstofstromen in het vloeibare voedselweb, vergelijkbaar met een onderzoek waarin de effecten van pyrethroïde bifenthrin op benthische gemeenschappen werden geëvalueerd (29).Daarom kunnen fenylpyrazolen, zoals fipronil en zijn afbraakproducten, pyrethroïden en misschien andere soorten insecticiden, indirect de toename van de algenbiomassa en de verstoring van koolstof en stikstof in kleine stromen bevorderen.Andere gevolgen kunnen zich uitstrekken tot de vernietiging van koolstof- en stikstofcycli tussen aquatische en terrestrische ecosystemen.
De informatie verkregen uit de mediummembraantest stelde ons in staat de ecologische relevantie van de concentraties van fipronilverbindingen te evalueren, gemeten in grootschalige veldstudies uitgevoerd in vijf regio's van de Verenigde Staten.In 444 kleine stroompjes overschreed 17% van de gemiddelde concentratie van één of meer fipronilverbindingen (gemiddeld over 4 weken) de HC5-waarde verkregen uit de mediatest.Gebruik de SSD uit het experiment op mesoschaal om de gemeten concentratie van de fipronilverbinding om te zetten in een toxiciteitsgerelateerde index, dat wil zeggen de som van de toxiciteitseenheden (ΣTUFipronils).De waarde 1 duidt op toxiciteit of de cumulatieve blootstelling aan de fipronilverbinding overschrijdt de bekende beschermingsgraad van 95%.De significante relatie tussen ΣTUFipronil in vier van de vijf regio's en de SPEAR-pesticidenindicator voor de gezondheid van ongewervelde gemeenschappen geeft aan dat fipronil een negatieve invloed kan hebben op de benthische ongewervelde gemeenschappen in rivieren in meerdere regio's van de Verenigde Staten.Deze resultaten ondersteunen de hypothese van Wolfram et al.(3) Het risico van fenpyrazoolinsecticiden voor oppervlaktewateren in de Verenigde Staten wordt niet volledig begrepen, omdat de impact op waterinsecten zich onder de huidige wettelijke drempel voordoet.
De meeste stromen met een fipronilgehalte boven het toxische niveau bevinden zich in de relatief verstedelijkte zuidoostelijke regio (https://webapps.usgs.gov/rsqa/#!/region/SESQA).De eerdere beoordeling van het gebied concludeerde niet alleen dat fipronil de belangrijkste stressfactor is die de gemeenschapsstructuur van ongewervelde dieren in de kreek aantast, maar ook dat lage opgeloste zuurstof, verhoogde nutriënten, stroomveranderingen, aantasting van habitats en andere pesticiden. bron van stress (57).Deze combinatie van stressfactoren komt overeen met het ‘stedelijke riviersyndroom’, de degradatie van rivierecosystemen die vaak wordt waargenomen in relatie tot stedelijk landgebruik (58, 59).De tekenen van stedelijk landgebruik in de regio Zuidoost groeien en zullen naar verwachting toenemen naarmate de bevolking van de regio groeit.De impact van toekomstige stedelijke ontwikkeling en pesticiden op de stedelijke afvoer zal naar verwachting toenemen (4).Als de verstedelijking en het gebruik van fipronil blijven groeien, kan het gebruik van dit pesticide in steden steeds meer invloed hebben op stroomgemeenschappen.Hoewel de meta-analyse concludeert dat het gebruik van landbouwpesticiden de mondiale ecosystemen bedreigt (2, 60), gaan we ervan uit dat deze beoordelingen de algehele mondiale impact van pesticiden onderschatten door stedelijk gebruik uit te sluiten.
Verschillende stressoren, waaronder pesticiden, kunnen gemeenschappen van macro-invertebraten in ontwikkelde stroomgebieden (stedelijk, agrarisch en gemengd landgebruik) beïnvloeden en kunnen verband houden met landgebruik (58, 59, 61).Hoewel in dit onderzoek gebruik werd gemaakt van de SPEAR-pesticidenindicator en in het water levende organismen-specifieke toxiciteitskenmerken van fipronil om de impact van verstorende factoren te minimaliseren, kunnen de prestaties van de SPEAR-pesticidenindicator worden beïnvloed door aantasting van de habitat, en kan fipronil worden vergeleken met andere pesticidengerelateerde (4, 17, 51, 57).Een meervoudig stressormodel, ontwikkeld met behulp van veldmetingen uit de eerste twee regionale onderzoeken (Midwesten en Zuidoost), toonde echter aan dat pesticiden een belangrijke stroomopwaartse stressor zijn voor de omstandigheden van de macro-invertebratengemeenschap in waadrivieren.In deze modellen omvatten belangrijke verklarende variabelen pesticiden (vooral bifenthrin), voedingsstoffen en habitatkenmerken in de meeste landbouwstromen in het Middenwesten, en pesticiden (vooral fipronil) in de meeste steden in het zuidoosten.Veranderingen in zuurstof, voedingsstoffen en stroom (61, 62).Hoewel regionale studies proberen de impact van niet-pesticidenstressoren op responsindicatoren aan te pakken en de voorspellende indicatoren aan te passen om de impact van fipronil te beschrijven, ondersteunen de veldresultaten van dit onderzoek de visie van fipronil.) Moet worden beschouwd als een van de meest invloedrijke bronnen van druk in Amerikaanse rivieren, vooral in het zuidoosten van de Verenigde Staten.
Het voorkomen van afbraak van pesticiden in het milieu is zelden gedocumenteerd, maar de bedreiging voor in het water levende organismen kan schadelijker zijn dan die van het moederlichaam.In het geval van fipronil hebben veldstudies en experimenten op mesoschaal aangetoond dat afbraakproducten net zo vaak voorkomen als het moederlichaam in de bemonsterde stromen en dezelfde of hogere toxiciteit hebben (Tabel 1).In het mediummembraanexperiment was fluorbenzonitrilsulfon het meest giftige van de onderzochte afbraakproducten van pesticiden, en het was giftiger dan de moederverbinding, en werd ook gedetecteerd met een frequentie die vergelijkbaar was met die van de moederverbinding.Als alleen de oorspronkelijke pesticiden worden gemeten, worden potentiële toxiciteitsgebeurtenissen mogelijk niet opgemerkt, en het relatieve gebrek aan toxiciteitsinformatie tijdens de afbraak van pesticiden betekent dat het voorkomen en de gevolgen ervan kunnen worden genegeerd.Vanwege een gebrek aan informatie over de toxiciteit van afbraakproducten werd er bijvoorbeeld een alomvattende beoordeling van pesticiden in Zwitserse stromen uitgevoerd, waarbij 134 afbraakproducten van pesticiden werden opgenomen, en werd alleen de moederverbinding als de moederverbinding beschouwd in de ecotoxicologische risicobeoordeling.
De resultaten van deze ecologische risicobeoordeling geven aan dat fipronilverbindingen nadelige effecten hebben op de riviergezondheid. Er kan dus redelijkerwijs worden afgeleid dat nadelige effecten overal kunnen worden waargenomen waar fipronilverbindingen het HC5-niveau overschrijden.De resultaten van mesoscopische experimenten zijn locatieonafhankelijk, wat aangeeft dat de concentratie van fipronil en de afbraakproducten ervan in veel stroomtaxa veel lager is dan eerder gemeten.Wij geloven dat deze ontdekking waarschijnlijk zal worden uitgebreid naar de protobiota in ongerepte beken waar dan ook.De resultaten van het experiment op mesoschaal werden toegepast op grootschalige veldstudies (444 kleine stromen bestaande uit stedelijk, agrarisch en landgemengd gebruik in vijf grote regio's in de Verenigde Staten), en er werd vastgesteld dat de concentratie van veel stromen waar fipronil werd gedetecteerd zal naar verwachting plaatsvinden. De resulterende toxiciteit suggereert dat deze resultaten zich kunnen uitstrekken tot andere landen waar fipronil wordt gebruikt.Volgens rapporten neemt het aantal mensen dat fipronil gebruikt toe in Japan, het Verenigd Koninkrijk en de VS (7).Fipronil is aanwezig op vrijwel elk continent, inclusief Australië, Zuid-Amerika en Afrika (https://coherentmarketinsights.com/market-insight/fipronil-market-2208).De resultaten van de hier gepresenteerde meso-naar-veldstudies geven aan dat het gebruik van fipronil ecologische betekenis kan hebben op mondiale schaal.
Voor aanvullende materialen bij dit artikel, zie http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/43/eabc1299/DC1
Dit is een open access-artikel dat wordt verspreid onder de voorwaarden van de Creative Commons Attribution-Non-Commercial License, die het gebruik, de distributie en de reproductie op elk medium toestaat, zolang het uiteindelijke gebruik niet voor commercieel gewin is en het uitgangspunt is dat de origineel werk is correct.Referentie.
Opmerking: we vragen u alleen om uw e-mailadres op te geven, zodat de persoon die u aanbeveelt op de pagina weet dat u wilt dat hij of zij de e-mail ziet en dat deze geen spam is.Wij zullen geen e-mailadressen vastleggen.
Deze vraag wordt gebruikt om te testen of u een bezoeker bent en om automatische spamverzending te voorkomen.
Janet L. Miller, Travis S. Schmidt, Peter C. Van Metre, Barbara Mahler (Barbara J. Mahler, Mark W. Sandstrom, Lisa H. Nowell, Daren M. Carlisle, Patrick W. Moran
Studies hebben aangetoond dat veel voorkomende pesticiden die vaak in Amerikaanse stromen worden aangetroffen, giftiger zijn dan eerder werd gedacht.
Janet L. Miller, Travis S. Schmidt, Peter C. Van Metre, Barbara Mahler (Barbara J. Mahler, Mark W. Sandstrom, Lisa H. Nowell, Daren M. Carlisle, Patrick W. Moran
Studies hebben aangetoond dat veel voorkomende pesticiden die vaak in Amerikaanse stromen worden aangetroffen, giftiger zijn dan eerder werd gedacht.
©2021 Amerikaanse Vereniging voor de Bevordering van de Wetenschap.alle rechten voorbehouden.AAAS is partner van HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef en COUNTER.Wetenschapsvooruitgang ISSN 2375-2548.