Efecto de los insecticidas neonicotinoides y diamidas antranílicas sobre la metamorfosis de anfibios anuros

Abstract

Las familias de insecticidas de los neonicotinoides (NEO) y de las diamidas antranilicas (DIA) son altamente utilizadas en cultivos de importancia nacional en la Argentina como la soja y el maíz. En el país, mayormente son usados los insecticidas tiametoxam (TIA) e imidacloprid (IMI) en el caso de los NEO, y los insecticidas clorantraniliprol (CLO) y ciantraniliprol (CIAN) en el caso de las DIA. Como consecuencia del alto uso en campo y en relación con la persistencia en el medio ambiente y el alto potencial de lixiviación de las moléculas, la detección de estas clases de insecticidas en superficies acuáticas ha aumentado, particularmente en la región pampeana. Causando asi, un aumento de la contaminación y un posible riesgo en la fauna acuática. Información que se encuentra ampliamente descrita en el Capítulo 1. De acuerdo con esto, se plantea el desarrollo de la presente tesis que tiene como objetivo, evaluar el riesgo que representa la exposición de esta clase de insecticidas en renacuajos de anuros autóctonos de la región pampeana. De esta forma, se realizaron exposiciones agudas y subcronicas hasta la finalización de la metamorfosis en renacuajos del sapo común Rhinella arenarum, quien fue la especie modelo experimental. Con el fin de iniciar la caracterización toxicológica de los NEO en anuros, se desarrolló el capítulo 2, en el que se evaluó la toxicidad aguda de TIA e IMI en tres especies de anuros autóctonos de la región pampeana (R. arenarum, Rhinella fernandezea y Scinax granulatus), y, además, se evaluaron los efectos de las altas concentraciones (mg/L) de TIA en la exposición subcronica a 21 dias y hasta la finalización de la metamorfosis del sapo común Rhinella arenarum. A partir de los valores de toxicidad aguda obtenidos, se logró determinar que los renacuajos de R. arenarum en estadio 25 (E25) y estadio 27 (E27) y S. granulatus en E25 presentan mayor sensibilidad a la exposición con el NEO, IMI. Tambien se logró observar que la exposición a altas concentraciones de TIA durante 21 dias y hasta la finalización de la metamorfosis en renacuajos de R. arenarum en E27, ocasionó inicialmente una pérdida en la ganancia de peso en los renacuajos, asi como tambien, una inhibición en el porcentaje de individuos que lograron finalizar la metamorfosis, un peso significativamente menor en los organismos juveniles y una alteración morfológica en la que los organismos juveniles expuestos a las dos concentraciones mas bajas de TIA (9 y 18 mg/L), resultaron con el brazo izquierdo mas corto. Asimismo, se inició la caracterización toxicológica de las DIA en anuros. En el Capítulo 3 se evaluó la toxicidad aguda de CLO y CIAN en tres especies de anuros autóctonos de la región pampeana (R. arenarum, R. fernandezea y S. granulatus), y, además, se evaluaron los efectos de las altas concentraciones (mg/L) de CLO en la exposición subcronica a 21 dias y hasta la finalización de la metamorfosis del sapo común R. arenarum. A partir de los valores de toxicidad aguda obtenidos, se logró ver que en general CLO y CIAN, no mostraron altos valores de toxicidad en las especies expuestas y que, de acuerdo con el rango de valores registrados, los renacuajos de S. granulatus en E25 presentaron una mayor sensibilidad a la exposición con la DIA, CLO. Tambien se logró observar que la exposición a altas concentraciones de CLO durante 21 dias y hasta la finalización de la metamorfosis en renacuajos de R. arenarum en E27, ocasionó una respuesta no-lineal o no-monotonica en los valores correspondientes al tiempo de metamorfosis y proporción de individuos que lograron finalizar el desarrollo metamórfico desde el avance al estadio 42, lo que conllevo a que una menor proporción de individuos lograran finalizar la metamorfosis en las dos concentraciones mas bajas de CLO (20 y 40 mg/L). Por otra parte, los rasgos de peso y largo de los organismos juveniles no se vieron afectados por la exposicion al insecticida. El conocimiento inicial sobre el efecto de los insecticidas NEO en anuros conllevó a evaluar en el Capítulo 4, el efecto de la exposición a bajas concentraciones (µg/L) incluidas las reportadas en la naturaleza de TIA e IMI en el desarrollo metamórfico del sapo común R. arenarum. Entre los resultados mas relevantes, se pudó determinar que la exposición de todos los tratamientos con TIA ocasionaron un retraso significativo en el tiempo que requirieron los individuos para finalizar la metamorfosis, efecto que no repercutió en la proporción de individuos que finalizaron el desarrollo, ni en los rasgos de peso y largo evaluados en los organismos juveniles. Por otra parte, la exposición con IMI no registró mayores efectos, al inicio del desarrollo los individuos expuestos se encontraron en un estado de aceleración, es decir, el requerimiento de menos días para avanzar en la metamorfosis, sin embargo, el efecto no se mantuvo en los siguientes estadios evaluados y finalmente solo ocurrió una disminución significativa en el número de individuos que lograron finalizar la metamorfosis en la concentración de exposición mas alta (3400 µg/L). Asimimo, los rasgos de peso y largo evualuados en los organismos juveniles, no se vieron afectados por la exposición al insecticida. De igual forma, el conocimiento inicial sobre el efecto de los insecticidas de las DIA en anuros conllevó a evaluar en el Capítulo 5, el efecto de la exposición a bajas concentraciones (µg/L) incluidas las reportadas en la naturaleza de CLO y CIAN en el desarrollo metamórfico del sapo común R. arenarum. Los resultados permitieron determinar que los dos insecticidas actuaron de manera similar, de tal manera, que ocasionaron una disminución significativa en la proporción de individuos que lograron finalizar la metamorfosis en la mayoría de los tratamientos de exposición, ademas de registrar una respuesta no-lineal o no-monotonica en la variable correspondiente al tiempo de metamorfosis, y en general, los rasgos de peso y largo evaluados en los organismos juveniles no se vieron afectados por la exposición a los insecticidas. Finalmente, el conocimiento de los efectos individuales de los insecticidas estudiados en la especie modelo R. arenarum, permitió desarrollar en el Capítulo 6, un primer acercamiento a una exposición realista a campo de los insecticidas, de esta manera, se evaluó el efecto de la exposición de las mezclas binarias de los insecticidas TIA, IMI y CLO en el desarrollo metamórfico del sapo común R. arenarum. En general, se pudó determinar que la exposición de los insecticias en la mezcla (TIA-IMI; CLO-TIA; CLO-IMI), disminuye el efecto individual de los insecticidas en la metamorfosis de R. arenarum. En cuanto a los rasgos aptitudinales evaluados en los organismos juveniles, se observó que, la exposición en mezcla con los NEO, TIA-IMI ocasionó que los individuos tuvieran un peso significativamente menor, y que, en los individuos expuestos con TIA y CLO, y a las mezclas con TIA-IMI y CLO-IMI disminuyera significativamente la capacidad de salto. En general, a lo largo de las exposiciones realizadas durante la metamorfosis de R. arenarum, se evidenció que la mayoría de los efectos descritos con los insecticidas NEO y DIA sucedieron durante la transición de estadio 39 al estadio E42, esto, permitió discutir a lo largo de los capítulos, el efecto o acción que puede tener estas dos clases de insecticidas en la función tiroidea de R. arenarum y de ser esta, la posible via por la cual se ve alterado el desarrollo metamórfico en los individuos expuestos. En conclusión, los resultados obtenidos en esta tesis doctoral indican que, aunque los valores de toxicidad aguda de los insecticidas NEO, TIA e IMI y las DIA, CLO y CIAN en renacuajos de anuros de la región pampeana, no evidenciaron una alta toxicidad, las exposiciones de los insecticidas a lo largo de la metamorfosis de R. arenarum ocasionaron alteraciones relevantes en el desarrollo, efectos que se observaron tanto en las exposiciones individuales como en mezclas binarias y en concentraciones que han sido reportadas en la naturaleza, lo que puede significar un riesgo en las poblaciones naturales. Es por esto, que se recomienda tener en cuenta estos resultados y esta clase de estudios en las evaluaciones de riesgo de los insecticidas NEO y DIA en especies no objetivo.

The neonicotinoid (NEO) and anthranilic diamide (AD) families of insecticides are heavily used on crops of national importance in argentina such as soybean and maize. In the country, the insecticides thiamethoxam (THIA) and imidacloprid (IMI) are mostly used in the case of NEO, and the insecticides chlorantraniliprole (CHLO) and cyantraniliprole (CYAN) in the case of AD. As a consequence of the high field use and in relation to the persistence in the environment and the high lixiviation potential of the molecules, the detection of these classes of insecticides on aquatic surfaces has increased, particularly in the Pampas region. Thus causing an increase in pollution and a possible risk to aquatic fauna. Information is described in detail in Chapter 1. Accordingly, the aim of this thesis is to evaluate the risk posed by exposure to this class of insecticides in tadpoles of anurans native to the Pampean region. In this manner, acute and sub-chronic exposures were performed until the completion of metamorphosis in tadpoles of the common toad Rhinella arenarum, which was the experimental model species. In order to initiate the toxicological characterisation of NEO in anurans, Chapter 2 evaluated the acute toxicity of THIA and IMI in three species of anurans native to the Pampean region (R. arenarum, Rhinella fernandezea and Scinax granulatus), and the effects of high concentrations (mg/L) of THIA on sub-chronic exposure at 21 days and until the end of metamorphosis of the common toad R. arenarum were also evaluated. According to the acute toxicity values obtained, it was determined that the tadpoles of R. arenarum at stage 25 (S25) and stage 27 (S27) and S. granulatus at S25 are more sensitive to exposure with NEO, IMI. It was also observed that exposure to high concentrations of THIA for 21 days until the completion of metamorphosis in tadpoles of R. arenarum in E27, initially caused a loss in weight gain in tadpoles, as well as an inhibition in the percentage of individuals that reached the end of metamorphosis, a significantly lower weight in juvenile organisms and a morphological alteration in which juvenile organisms exposed to the two lowest concentrations of THIA (9 and 18 mg/L), had shorter left arms. The toxicological characterisation of AD in anurans was also initiated. In Chapter 3, the acute toxicity of CHLO and CYAN was evaluated in three anuran species native to the Pampas region (R. arenarum, R. fernandezea and S. granulatus), and the effects of high concentrations (mg/L) of CHLO on sub-chronic exposure at 21 days and until the end of metamorphosis of the common toad R. arenarum were also evaluated. According to the acute toxicity values obtained, it was observed that in general CHLO and CYAN did not show high toxicity values in the exposed species and that, according to the range of values recorded, the tadpoles of S. granulatus at S25 showed a greater sensitivity to exposure with AD, CHLO. It was also observed that exposure to high concentrations of CHLO for 21 days until the completion of metamorphosis in R. arenarum tadpoles at S27, caused a non-monotonic response in the values corresponding to the metamorphosis time and proportion of individuals that reached the end of metamorphic development from the advance to stage 42, causing that, a lower proportion of individuals completed metamorphosis at the two lowest CLO concentrations (20 and 40 mg/L). In addition, weight and length traits of juvenile organisms were not affected by insecticide exposure. Initial knowledge on the effect of NEO insecticides on anurans allowed to evaluate in Chapter 4, the effect of exposure to low concentrations (µg/L) including those reported in nature of THIA and IMI on the metamorphic development of the common toad R. arenarum. Among the most relevant results, it was determined that exposure to all THIA treatments caused a significant delay in the time required for individuals to complete metamorphosis, an effect that did not affect the proportion of individuals that completed development, nor the weight and length traits assessed in juvenile organisms. While exposure to IMI showed no major effects, at the beginning of development exposed individuals were in an accelerated state, meaning they required fewer days to progress through metamorphosis, however, the effect was not maintained in the following stages evaluated and eventually there was only a significant decrease in the number of individuals reached the metamorphosis at the highest exposure concentration (3400 µg/L). Also, weight and length traits, as assessed in juvenile organisms, were not affected by insecticide exposure. Similarly, initial knowledge of the effect of AD insecticides on anurans allowed to assessment in Chapter 5 of the effect of exposure to low concentrations (µg/L) including the reported in nature of CHLO and CYAN on the metamorphic development of the common toad R. arenarum. The results showed that the two insecticides acted in a similar manner, causing a significant decrease in the proportion of individuals that reached the end of metamorphosis in most of the exposure treatments, as well as a nonmonotonic response in the variable corresponding to metamorphosis time, and in general, the weight and length traits evaluated in the juveniles were not affected by exposure to the insecticides. Finally, the knowledge of the individual effects of the studied insecticides on the model species R. arenarum, allowed to develop in Chapter 6, a first approach to a realistic field exposure of the insecticides, thus, the effect of the exposure of binary mixtures of the insecticides THIA, IMI and CHLO on the metamorphic development of the common toad R. arenarum was evaluated. In general, it could be determined that exposure of the insecticides in the mixture (THIA-IMI; CHLO-THIA; CHLO-IMI), decreases the individual effect of the insecticides on the metamorphosis of R. arenarum. Regarding the fitness traits evaluated in juvenile organisms, it was observed that exposure in mixture with NEO, THIA-IMI caused individuals to have a significantly lower weight, and that, in individuals exposed to THIA and CHLO, and to mixtures with THIA-IMI and CHLOIMI, jumping ability decreased significantly. In general, throughout the exposures realized during the metamorphosis of R. arenarum, it was evidenced that most of the effects described with the insecticides NEO and AD occurred during the transition from stage 39 to stage E42, this allowed to discuss throughout the chapters, the effect or action that these two classes of insecticides can have on the thyroid function of R. arenarum and if this is the possible route of alteration in the metamorphic development in the exposed individuals. In conclusion, the results obtained in this doctoral thesis indicate that, although the acute toxicity values of the insecticides NEO, THIA and IMI and the AD, CHLO and CYAN in tadpoles of anurans from the Pampean region did not show high toxicity, the exposures of the insecticides throughout the metamorphosis of R. arenarum caused relevant alterations in development, effects that were observed both in individual exposures and in binary mixtures and in concentrations that have been reported in nature, which can represent a risk in natural populations. Therefore, it is recommended to take these results and these classe of studies into account in risk assessments of NEO and DIA insecticides in non-target species.