dc.contributor.advisor | Tollefsen, Knut Erik | |
dc.contributor.advisor | Thomas, Kevin V. | |
dc.contributor.advisor | Langford, Katherine | |
dc.contributor.author | Almeida, Ana Catarina Godinho de | |
dc.date.accessioned | 2017-07-12T08:58:45Z | |
dc.date.available | 2017-07-12T08:58:45Z | |
dc.date.issued | 2017-07-12 | |
dc.identifier.isbn | 978-82-575-1307-8 | |
dc.identifier.issn | 1894-6402 | |
dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/11250/2448505 | |
dc.description.abstract | Aquatic organisms are exposed to several organic compounds including biocides. These
compounds are widely used, for instance as disinfectants, in antifouling paints, or as
material preservatives. Biocides can originate from different sources such as agricultural,
urban and industrial runoff. Their presence in the aquatic environment is cause of
concern, as they can be highly toxic, not only to target, but also to non-target organisms.
Each type of biocide has specific effects according to its mode of action (MoA).
Additionally, they may exist in complex mixtures and affect organisms through combined
toxicity. This study intended to characterise the single and combined effects of five
environmentally relevant biocides, aclonifen, bifenox, dichlofluanid, metribuzin and
triclosan on the unicellular algae Chlamydomonas reinhardtii.
Biocide toxicity was examined by analysing their effects in the freshwater microalgae
through three different toxic endpoints: inhibition of growth, Photosystem II (PSII)
efficiency and formation of Reactive Oxygen Species (ROS). The combined toxicity
assessment was conducted using the concentration (CA) and independent action (IA)
prediction models to analyse if the compounds in a mixture caused toxicity by similar or
dissimilar MoA, respectively. For the compounds/mixtures which MoA and adverse
outcomes were understood, preliminary Adverse Outcome Pathways (AOPs) were
developed to collect, organize and evaluate all the relevant information. The results were
also used to assess the potential environmental risk of the biocides to algae when present
as single chemicals and in mixtures, by using a Risk Quotients (RQs) and Toxic Units
(TUs) approach.
The growth inhibition test allowed verifying the general toxicity of each biocide and of
the mixture with all the compounds. The order of toxic potency was: bifenox>
metribuzin> dichlofluanid> aclonifen> triclosan. The IA model best predicted the
mixture involving all the biocides at 48 h and 72 h, thus suggesting that the compounds
had different MoA. A potential antagonism was observed particularly at 24 h for low to
median effect levels, possible due to the fact that the different compounds required longer
time to propagate the effects to the apical level (growth). In this study, metribuzin,
dichlofluanid, bifenox and triclosan showed a potential risk to algae, although the risk by
dichlofluanid might be overestimated due to lack of adequate exposure information. The
mixture with all the compounds presented a potential environmental risk for algae.
From the 5 tested compounds (aclonifen, bifenox, dichlofluanid, metribuzin and
triclosan), only aclonifen and metribuzin showed effects on the PSII efficiency, with the
first being the most toxic. This effect was correlated with the inhibition of growth,
showing that the inhibition of PSII was the main toxic MoA for these compounds. The
effects of the binary mixture were best described by the IA model, consistent with these
herbicides displaying additive effects by dissimilar MoA. For the growth, IA best fitted
the data in the beginning of exposure, whereas the data was best predicted by CA at
longer exposures. A concentration-dependent deviation from additivity, interpreted as
synergy, was observed for medium to high concentrations of this mixture. While the
single compounds did not present a risk at environmentally relevant concentrations, the
effects of the binary mixture were higher than expected and a potential environmental
risk was identified.
The formation of ROS was a potential MoA for aclonifen and metribuzin; therefore, a
high-throughput assay for ROS detection was used to analyse the 5 compounds
(aclonifen, bifenox, dichlofluanid, metribuzin and triclosan). Among these, only
aclonifen, metribuzin and bifenox induced ROS in a significant and concentrationdependent
manner. The combined effects of the three herbicides were also studied in
binary and ternary mixtures. The best predictions were achieved by the CA model when
testing the ternary mixture and the binary mixture of aclonifen and bifenox at low to
median effect levels, whereas synergism was observed at higher effects levels. The binary
mixture of aclonifen and metribuzin was best predicted by the IA model, while the binary
mixture of bifenox and metribuzin was equally well predicted by the two models. The
combination of ROS formation and inhibition of photosynthesis was proposed to explain
the observed combined effects. The present work demonstrated that C. reinhardtii is a suitable model organism to
evaluate the toxicity of biocides and their mixtures. The applied methods were able to
determine both sublethal and lethal effects of the studied compounds and provided a
better understanding on their MoA. The CA and IA models provided good predictions for
the observed effects of the mixtures of biocides with similar and dissimilar MoA. The
cumulative risk assessment using TUs and RQs based approaches were shown to be an
applicable way for predicting the risk of the biocides mixtures to algae.
The present work has contributed to advance the field of ecotoxicology by providing a
better understanding of the MoA of commonly used biocides, deciphering the combined
toxicity of simple mixtures of these and identifying whether these biocides and their
mixtures represent a risk to algae under ecological relevant exposure scenarios. Given the
limited data available on the studied biocides, the knowledge gathered in the present
work contributed to the characterization of their MoA and ecotoxicological effects in C.
reinhardtii. This information can be integrated to further develop risk assessment tools
for a better understanding and protection of the aquatic environment. | nb_NO |
dc.description.abstract | Vannlevende organismer er utsatt for en rekke organiske forbindelser, inkludert biocider.
Disse forbindelsene er mye brukt blant annet som desinfeksjonsmidler, i bunnstoff, eller
som konserveringsmidler. Biocider kan stamme fra ulike kilder som landbruk, urban og
industriell avrenning. Deres tilstedeværelse i det akvatiske miljøet er bekymringsverdig
da de kan være svært giftige til målorganismer, men også arter de ikke er utviklet for å
påvirke. Hver type biocid har spesifikke effekter i henhold til sin virkningsmekanisme
(MoA). I tillegg eksisterer disse stoffene i komplekse blandinger og påvirke organismer
gjennom kombinasjonsgiftighet. Dette studiet hadde til hensikt å karakterisere effekten av
enkeltstoffer og blandinger av de fem miljørelevante biocidene aclonifen, bifenox,
diklofluanid, metribuzin og triklosan på den encellede algen Chlamydomonas reinhardtii.
Giftigheten av biocidene ble undersøkt ved å analysere deres effekter på ferskvannsalgen
gjennom tre forskjellige giftighetsmekanismer: hemming av vekst, hemming av
fotosystem II (PSII) effektivitet og dannelse av reaktive oksygenarter (ROS).
Vurderingen av kombinasjonseffekter ble utført ved bruk av prediksjonsmodeller basert
på konsentrasjonaddisjon (CA) og uavhengig samvirkeinteraksjon (IA) for å analysere
om forbindelsene i en blanding skyldes effekten av samme eller ulik
virkningsmekanisme. For forbindelsene/blandinger der MoA og skadeeffekter ble
kartlagt, ble såkalte Adverse Outcome Pathways (AOP) utviklet for å samle, organisere
og vurdere relevant informasjon. Resultatene ble også brukt til å vurdere den potensielle
risikoen av biocidene på alger når tilstede som enkeltstoffer og i blandinger ved hjelp av
beregning av risikokvotienter (RQ) og toksiske enheter (TU).
Testen for veksthemming i alger verifiserte den generelle toksisitet av hvert biocid og
blanding av disse. Giftighetspotensialet til de ulike stoffene var: bifenox> metribuzin>
diklofluanid> aclonifen> triklosan. Modellen for uavhengig samvirkeinteraksjon
predikerte effekten av alle biocidene ved 48 og 72 timer, og antydet at forbindelsene
hadde ulike MoA. En potensiell antagonisme ble observert etter 24 timer eksponering for
lave til intermediære effektnivåer, trolig på grunn av at forbindelsene hadde ulik evne til å gi effekter på organismenivå (vekst hemming). I dette studiet ble det påvist at
metribuzin, diklofluanid, bifenox og triklosan hadde en potensiell risiko i forhold til
alger, selv om risikoen av diklofluanid muligens var overestimert pga. mangel på
tilstrekkelig eksponerings-informasjon. Blandingen med alle forbindelser viste seg å
representere en potensiell miljørisiko for alger.
Av de 5 testede forbindelsene (aclonifen, bifenox, diklofluanid, metribuzin og triklosan)
var det bare aclonifen og metribuzin som ga effekter på PSII effektivitet, der aclonifen
var den mest giftige. Denne effekten viste godt samsvar med veksthemming, som viser at
inhiberingen av PSII var den viktigste MoA for disse forbindelsene. Virkningene av den
binære blandingen ble best beskrevet av IA, noe som var i samsvar med at disse
herbicidene ga additive effekter og hadde ulik MoA. For veksthemming ga IA best
tilpasning til de eksperimentelle data i begynnelsen av eksponeringen, mens CA ga best
tilpasning til effektdataene ved lengre eksponering. Et konsentrasjonsavhengig avvik fra
additivitet, tolket som synergi, ble observert for middels til høye konsentrasjoner av
denne blandingen. Mens de enkelte forbindelser ikke utgjorde en risiko for alger ved
miljørelevante konsentrasjoner, var effekten av den binære blanding høyere enn forventet
og representerte en potensiell miljørisiko for algene.
Dannelsen av ROS er en potensiell MoA for aclonifen og metribuzin og medførte at et
høy-kapasitetsassay for deteksjon av ROS ble brukt for å analysere effekten av de 5
forbindelsene (aclonifen, bifenox, diklofluanid, metribuzin og triklosan). Av disse
biocidene var det bare aclonifen, bifenox og metribuzin som indusert ROS på en
signifikant og konsentrasjonsavhengig måte. Samvirkeeffekten av de tre herbicidene ble
også undersøkt i binære og ternære blandinger. De beste prediksjonene ble oppnådd ved
bruk av CA modellen for den ternære (alle tre stoffene) og binære blandingen av
aclonifen og bifenox med lav til intermediære effektnivåer, mens synergisme ble
observert ved høyere effekternivåer. Den binære blanding av aclonifen og metribuzin ble
beste predikert av IA-modellen, mens den binære blanding av bifenox og metribuzin var
predikert like godt av de to modellene. Ble foreslått at en kombinasjon av ROS dannelse
og inhibering av fotosyntesen kunne forklare de observerte blandingseffektene. Dette arbeidet viste at C. reinhardtii er en velegnet modellorganisme for å vurdere
giftigheten av biocider og deres blandinger. De anvendte metodene var i stand til å
bestemme både subletale og letale effekter av forbindelsene testet og ga en bedre
forståelse av deres MoA. CA og IA-modellene ga gode prediksjoner av de observerte
blendingseffektene med lik og ulik MoA. Den kumulative risikovurdering ved bruk av
TUs og RQs baserte tilnærminger viste seg å være en relevant måte å forutsi
miljørisikovurdering av biocidblandinger.
Dette arbeidet har bidratt til å utvikle økotoksikologisk forskning ved å gi en bedre
innsikt i MoA til vanlig anvendte biocider, avdekke sammenhengen om
kombinasjonseffekter av enkle blandinger av disse, og identifisere hvorvidt disse
biocidene og deres blandinger utgjør en risiko for alger under økologisk relevante
eksponeringssituasjoner. Gitt den begrensede datatilgjengeligheten for disse biocidene
har kunnskap samlet i dette arbeidet bidratt til karakterisere deres MoA og undersøke
økotoksikologiske effekter i C. reinhardtii. Denne informasjonen kan samlet benyttes til
å videreutvikle risikovurderingsverktøy og dermed bedre både kunnskapen om risiko og
vern av organismer i det akvatiske miljøet. | nb_NO |
dc.language.iso | eng | nb_NO |
dc.publisher | Norwegian University of Life Sciences, Ås | |
dc.relation.ispartofseries | PhD Thesis;2015:69 | |
dc.title | Toxicity of single biocides and their mixtures in the algae Chlamydomonas reinhardtii | nb_NO |
dc.title.alternative | Giftighet av biocider og blandinger av disse for algen Chlamydomonas reinhardtii | nb_NO |
dc.type | Doctoral thesis | nb_NO |
dc.source.pagenumber | 1 b. (flere pag.) | nb_NO |
dc.relation.project | EDA-EMERGE project, supported by the EU Seventh Framework Programme (FP7-PEOPLE-2011-ITN):290100 ; Norges forskningsråd | nb_NO |