Avaliação da toxicidade individual e em mistura de clotianidina e nanoplásticos de poliestireno sobre organismos aquáticos e terrestres

Abstract

A clotianidina (CLO) é um inseticida neonicotinoide amplamente utilizado no tratamento químico de sementes agrícolas. No entanto, há um crescente número de evidências demonstrando que seus resíduos no solo e nos corpos d'água podem ser tóxicos para organismos não-alvo. Associado a isso, a presença generalizada de partículas de plástico de tamanho reduzido (micro e nanoplásticos) tornou-se um problema de preocupação internacional. Uma vez no meio ambiente, os plásticos podem ser ingeridos por organismos vivos e induzir alterações em sistemas biológicos, bem como interagir com outros poluentes (ex. agrotóxicos) e modificar seu comportamento e toxicidade nos compartimentos do solo e da água. Nesse contexto, o presente estudo tem como objetivo avaliar os efeitos tóxicos individuais, e em mistura, da CLO e de um nanoplástico de poliestireno (NPPS) sobre organismos terrestres e aquáticos. Para isso, foram realizadas quatro etapas experimentais. No experimento I, foram avaliados os efeitos tóxicos crônicos e o risco ecológico da CLO (via formulação comercial pura) sobre invertebrados não-alvo do solo (minhocas Eisenia andrei, enquitreídeos Enchytraeus crypticus e colêmbolos Folsomia candida, Proisotoma minuta e Sinella curviseta) sob condições padronizadas. No experimento II, foi investigado o efeito da CLO sobre o comportamento de fuga e de locomoção de colêmbolos F. candida. No experimento III, os efeitos tóxicos individuais da CLO e do NPPS sobre colêmbolos F. candida e enquitreideos E. crypticus foram comparados com os efeitos de ambos em mistura. No experimento IV, os efeitos tóxicos da CLO e do NPPS (isoladamente e em mistura) foram avaliados sobre quatro espécies não-alvo de ecossistemas aquáticos (microcrustáceos Daphnia magna, macrófitas Lemna minor, microalgas Chlamydomonas reinhardtii e cianobactérias Microcystis aeruginosa). Os resultados do experimento I demonstraram que os colêmbolos foram o grupo mais sensível à CLO, seguidos por minhocas e enquitreídeos. Além disso, a concentração ambiental prevista da CLO em solos agrícolas foi 33 vezes maior do que aquelas que poderiam ser consideradas protetivas para a maioria (95%) das espécies investigas, revelando um risco significativo para uso agrícola deste composto. Os resultados do experimento II revelaram que a CLO não causou fuga de colêmbolos; ao invés disso, uma preferência pelo lado contaminado foi constatada, o que reforça a exposição dos organismos a este contaminante. Além disso, os indivíduos expostos apresentaram uma capacidade de locomoção reduzida em comparação aos não expostos. No experimento III, verificou-se que a toxicidade do NPPS para ambas as espécies foi relativamente baixa. Além disso, as misturas de NPPS e CLO causaram efeito aditivo em todas a concentrações testadas. Os testes do experimento IV apontaram que os microcrustáceos D. magna e as cianobactérias M. aeruginosa apresentaram maior sensibilidade ao nanoplástico, seguido das microalgas C. reinhardtii, enquanto que as macrófitas L. minor foram a espécie menos sensível. Em relação à CLO, a toxicidade foi relativamente baixa para as macrófitas, microalgas e cianobactérias, e apenas nos testes crônicos e de natação com D. magna é que efeitos tóxicos foram observados em concentrações inferiores a 20 mg L-1. Os testes de mistura apontaram que a interação toxicológica entre NPPS e CLO é predominantemente antagônica para D. magna e C. reinhardtii, e antagônica/aditiva para M. aeruginosa e L. minor. Os testes multigeneracionais de recuperação com D. magna indicam que a exposição da geração parental não causa prejuízos significativos sobre os filhotes. Os resultados desta tese contribuirão para o avanço no conhecimento dos efeitos tóxicos e risco ambiental de misturas de contaminantes emergentes, indicando que no ambiente aquático a interação é predominantemente antagônica e o risco é baixo para as espécies testadas, enquanto que no solo, a clotianidina causa riscos significativos e pode ter efeitos ainda mais severos quando em combinação com o nanoplástico.

Abstract: Clothianidin (CLO) is a neonicotinoid insecticide widely used in the chemical treatment of agricultural seeds. However, there is a growing number of evidence showing that its residues in soil and water bodies could be toxic to non-target organisms. Associated with this, the ubiquitous presence of small-scale plastic particles (i.e., micro- and nanoplastics) has become an issue of international concern. Once in the environment, they can be ingested by living organisms and induce alterations on biological systems, as well as interact with other pollutants (e.g., pesticides) and modify its behavior and toxicity in soil and water compartments. In this context, this study aims to assess the single and combined effects of two contaminants of emerging concern, namely, CLO and polystyrene nanoplastic (NPPS) on soil and aquatic organisms. In the experiment I, the chronic toxic effects and the ecological risk of CLO (commercial formulation) toward non-target soil invertebrates (earthworms Eisenia andrei, enchytraeids Enchytraeus crypticus, and collembolans Folsomia candida, Proisotoma minuta and Sinella curviseta) were assessed under standard conditions. In the experiment II, the effect of CLO on the avoidance and locomotion behavior of collembolans F. candida was assessed. In the experiment III, the individual toxic effects of CLO and NPPS on collembolans F. candida and enchytraeids E. crypticus were compared with the effect of both in mixture. In the experiment IV, the toxic effects of CLO and NPPS (individually and in mixture) were assessed on four aquatic species (microcrustaceans Daphnia magna, macrophytes Lemna minor, microalgae Chlamydomonas reinhardtii and cyanobacteria Microcystis aeruginosa). The results of the experiment I showed that collembolans were the most sensitive group to CLO, followed by earthworms and enchytraeids. In addition, the predicted environmental concentration of CLO in agricultural soils was 33-times higher than the level considered protective for the majority (95%) of the soil species, revealing a significant risk of this compound for the soil environment. The results of the experiment II revealed that CLO didn?t cause collembolans? avoidance; instead, a preference for the contaminated side was observed. Additionally, the exposed individuals showed a reduced locomotion capacity compared to the non-exposed ones. The experiment III showed that the NPPS toxicity for both soil species is relatively low. Also, the NPPS and CLO mixtures caused additive effects at all concentrations tested. The tests of the experiment IV showed that the microcrustaceans D. magna and the cyanobacteria M. aeruginosa had a greater sensitivity to NPPS, followed by microalgae C. reinhardtii, whereas the macrophytes L. minor were the least sensitive organisms. For CLO, the toxicity was relatively lower for macrophytes, microalgae and cyanobacteria, and only in the chronic and swimming behavior assays with D. magna, the toxic effects were observed in concentrations below 20 mg L-1. The mixture toxicity tests showed that the toxicological interaction between NPPS and CLO is predominantly antagonistic for D. magna and C. reinhardtii, and antagonistic/additive for M. aeruginosa and L. minor. In addition, the multigenerational recovery tests with D. magna indicate that the exposure of the parental generation haven?t caused significant impacts on the neonates from the subsequent generations. The results of this thesis can contribute to advancing knowledge of the toxic effects and environmental risk of mixtures of emerging contaminants, indicating that in the aquatic environment the NPPS-CLO interaction is predominantly antagonistic and the risk is low for the tested species, whereas in the soil, CLO causes significant risks to the tested species and the effects can be even more severe in the presence of NPPS.