Characterization of pesticide hazard and risk to freshwater algae under ecologically relevant exposure conditions in Norway

Abstract

Balansen i det akvatiske økosystemet er under konstant press fra menneskelig påvirkning, og store mengder forurensende stoffer slippes ut i vannforekomster i hele verden. Blant disse er pesticider en stor kilde til utslipp, og dette skyldes i stor grad avrenning fra jordbruk og skogbruk. Et pesticid er ethvert stoff eller blandinger av stoffer produsert med det formål å forhindre, ødelegge eller begrense en skade eller sykdom på levende organismer. I Norge er bruken av sprøytemidler hovedsakelig nedadgående, bortsett fra når det gjelder herbicider, som har hatt en svak økning de siste årene. Herbicider utgjør den største andelen av sprøytemiddelbruk i Norge, og utgjorde 69,5% av bruken i 2014. Individuell risikovurdering er gjort for stoffene som er godkjent for bruk i Norge, men det er en økende bekymring omkring blandinger av disse stoffene og de mulige negative effektene disse blandingene kan ha på det akvatiske miljøet rundt spesielt jordbruksområdene. I løpet av sommeren 2015 (juni-august) ble det tatt vannprøver fra Heiabekken, Råde kommune, i forbindelse med overvåkningsprogrammet JOVA. I et samarbeid mellom Norsk institutt for vannforskning (NIVA) og NIBIO, ble det gjennomført ekstraksjon og kjemiske analyser av disse vannprøvene for blant annet å undersøke tilstedeværelsen av pesticider. Ved hjelp av en kumulativ toksisitetsvurdering basert på innsamlet litteratur, ble de største bidragsyterne for toksisitet i blandingen identifisert. Det ble gjennomført toksisitetstesting (72-timers veksthemming og 5-timers PSII-aktivitet) av en miljørelevant syntetisk pesticidblanding og de to viktigste herbicidene i blandingen, metribuzin og metamitron, på ferskvannsalgen Chlamydomonas reinhardtii. Eksperimentene viste at den syntetiske blandingen måtte oppkonsentreres ~100 ganger i forhold til de målte miljøkonsentrasjonene for å gi en 50% veksthemming, men at både blandingen og enkeltstoffene hadde en tydelig redusert dose-responskurve ved økende konsentrasjoner. PSII-aktiviteten ble også tydelig påvirket, spesielt av metribuzin som er regnet som den mest potente risikodriveren for alger i blandingen. Den kumulative toksisitetsvurderingen basert på CA-prediksjonsmodellen ble sammenliknet med de eksperimentelle toksisitetsstudiene gjort på C. reinhardtii. Giftigheten av blandingen ble relativt godt estimert, innenfor en faktor på 2, i forhold til de eksperimentelle studiene.

The aquatic ecosystem balance is under constant pressure from human influence, and substantial amounts of pollutants are released to water bodies all over the world. Among these, pesticides are an important group, mainly due to runoff from agriculture and forestry. A pesticide is any compound or combinations of compounds produced with the aim to prevent, destroy or mitigate a pest. In Norway, the use of pesticides is in general decrease, except for herbicide use, which has had a weak increase in recent years. Herbicides make up the largest proportion of pesticide use in Norway, constituting 69.5% of the use in 2014. Individual risk assessment is performed for the compounds approved for use in Norway, but there is an increasing concern regarding mixtures of these compounds and the possible adverse effects these mixtures may have on the aquatic environment around agricultural areas. During the summer 2015 (June- August) water samples were collected from Heiabekken, Råde municipality, in conjunction with the monitoring programme JOVA. In a collaboration between NIVA and NIBIO, extractions and chemical analyses of these water samples were performed to investigate the presence of pesticides. By a cumulative toxicity assessment based on collected literature, the main contributors to toxicity in the mixture was identified. Toxicological testing (72 h growth inhibition and 5 h PSII-efficiency) was conducted on an environmentally relevant synthetic mixture of pesticides, and the two main herbicides in the mixture, metribuzin and metamitron, to the freshwater alga Chlamydomonas reinhardtii. The experiments showed that the synthetic mixture had to be concentrated up to a factor of ~100 compared to the measured environmental concentrations, before a 50% growth inhibition could be seen. Still, both the synthetic mixture and the single compounds had a clear dose-response reduction with increasing concentrations. PSII-efficiency was also clearly affected, especially by metribuzin, which is regarded as the most potent risk driver for algae in the mixture. The cumulative toxicity assessment with the CA prediction model was compared to the experimental toxicity studies conducted on C. reinhardtii. The toxicity of the mixture was well estimated, within a factor of 2, compared to the experimental studies.