חומרי הדברה בנחלים הופכים יותר ויותר לדאגה עולמית, אך יש מעט מידע על הריכוז הבטוח של מערכות אקולוגיות מימיות.בניסוי מזוקוסמי בן 30 יום, חסרי חוליות מימיים מקומיים נחשפו לקוטל החרקים הנפוץ פיפרוניל ולארבעה סוגים של תוצרי פירוק.תרכובת הפיפרוניל גרמה לשינויים בהופעה ובמפל הטרופי.פותח הריכוז היעיל (EC50) שבו פיפרוניל ותוצרי הפירוק הסולפידיים, הסולפינים והדסולפיניל שלו גורמים לתגובה של 50%.טקסאנים אינם רגישים לפיפרוניל.ריכוז המפגע של 5% מהמינים המושפעים מ-15 ערכי EC50 מזוקוסמיים משמש להמרת ריכוז התרכובת של פיפרוניל בדגימת השדה לסכום של יחידות רעילות (∑TUFipronils).ב-16% מהזרמים שנלקחו מחמישה מחקרים אזוריים, הממוצע של ∑TUFipronil עלה על 1 (מעיד על רעילות).אינדיקטורים חסרי חוליות של מינים בסיכון נמצאים בקורלציה שלילית עם TUTUipronil בארבעה מתוך חמשת אזורי הדגימה.הערכת סיכונים אקולוגית זו מראה שריכוזים נמוכים של תרכובות פיפרוניל יפחיתו את קהילות הנחלים בחלקים רבים של ארצות הברית.
למרות שהייצור של כימיקלים סינתטיים גדל מאוד בעשורים האחרונים, ההשפעה של כימיקלים אלה על מערכות אקולוגיות שאינן מטרה לא הובנה במלואה (1).במים עיליים שבהם אובדים 90% מהשטחים החקלאיים העולמיים, אין נתונים על חומרי הדברה חקלאיים, אך היכן שיש נתונים, זמן מעבר של חומרי ההדברה מהסף הרגולטורי הוא חצי (2).מטה-אנליזה של חומרי הדברה חקלאיים במים עיליים בארצות הברית מצאה כי ב-70% ממקומות הדגימה, לפחות חומר הדברה אחד עבר את הסף הרגולטורי (3).עם זאת, מטה-אנליזות אלו (2, 3) מתמקדות רק במים עיליים המושפעים משימוש בקרקע חקלאית, ומהוות סיכום של מחקרים נפרדים.חומרי הדברה, בעיקר חומרי הדברה, קיימים גם בריכוזים גבוהים בניקוז הנוף העירוני (4).נדיר לערוך הערכה מקיפה של חומרי הדברה במים עיליים המוזרמים מחקלאות ומנוף עירוני;לכן, לא ידוע אם חומרי הדברה מהווים איום בקנה מידה גדול על משאבי המים העיליים ושלמותם האקולוגית.
Benzopyrazoles ו-neonicotinoids היוו שליש משוק ההדברה העולמי בשנת 2010 (5).במים עיליים בארצות הברית, פיפרוניל ותוצרי הפירוק שלו (פנילפיראזולים) הם תרכובות ההדברה הנפוצות ביותר, וריכוזיהן בדרך כלל עולים על הסטנדרטים המימיים (6-8).למרות שהניאוניקוטינואידים משכו תשומת לב בשל השפעתם על דבורים וציפורים ושכיחותם (9), פיפרוניל רעיל יותר לדגים ולציפורים (10), בעוד שלתרכובות אחרות מסוג פנילפיראזולים יש השפעות קוטל עשבים (5).פיפרוניל הוא קוטל חרקים מערכתי המשמש להדברת מזיקים בסביבות עירוניות וחקלאות.מאז כניסתו של פיפרוניל לשוק העולמי ב-1993, גדל מאוד השימוש בפיפרון בארצות הברית, יפן ובריטניה (5).בארצות הברית, פיפרוניל משמש להדברת נמלים וטרמיטים, והוא משמש בגידולים הכוללים תירס (כולל טיפול בזרעים), תפוחי אדמה ומטעים (11, 12).השימוש החקלאי בפיפרוניל בארצות הברית הגיע לשיא ב-2002 (13).למרות שאין נתוני שימוש עירוני לאומיים זמינים, השימוש העירוני בקליפורניה הגיע לשיא בשנים 2006 ו-2015 (https://calpip.cdpr.ca) .gov/main .cfm, גישה ל-2 בדצמבר 2019.למרות שריכוזים גבוהים של פיפרוניל (6.41 מיקרוגרם/ליטר) נמצאים בנחלים באזורים חקלאיים מסוימים עם שיעורי יישום גבוהים (14), בהשוואה לנחלים חקלאיים, לנחלים עירוניים בארצות הברית יש בדרך כלל יותר זיהוי וריכוז גבוה יותר, חיובי עבור התרחשות של סערות קשורות לבדיקה (6, 7, 14-17).
פיפרוניל חודר למערכת האקולוגית המימית של נגר או חוטף מהאדמה אל הנחל (7, 14, 18).לפיפרוניל יש תנודתיות נמוכה (קבוע חוק הנרי 2.31×10-4 Pa m3 mol-1), מסיסות מים נמוכה עד בינונית (3.78 מ"ג/ליטר ב-20°C), והידרופוביות בינונית (לוג קאו היא 3.9 עד 4.1)), הניידות באדמה קטנה מאוד (לוג Koc הוא 2.6 עד 3.1) (12, 19), והיא מציגה התמדה נמוכה עד בינונית בסביבה (20).פינאזפריל מתפורר על ידי פוטוליזה, חמצון, הידרוליזה והפחתה תלויה ב-pH, ויוצרים ארבעה תוצרי פירוק עיקריים: dessulfoxyphenapril (ולא סולפוקסיד), phenaprenip sulfone (sulfone), Filofenamide (amide) ו-filofenib sulfide (סולפיד).תוצרי הפירוק של פיפרוניל נוטים להיות יציבים ועמידים יותר מהתרכובת האב (21, 22).
הרעילות של פיפרוניל ופירוקו למינים שאינם מטרה (כגון חסרי חוליות מימיים) תועדו היטב (14, 15).פיפרוניל הוא תרכובת נוירוטוקסית המפריעה למעבר יוני כלוריד דרך תעלת הכלוריד המווסתת על ידי חומצה גמא-אמינו-בוטירית בחרקים, וכתוצאה מכך ריכוז מספיק כדי לגרום להתרגשות מוגזמת ומוות (20).פיפרוניל הוא רעיל באופן סלקטיבי, ולכן יש לו זיקה גדולה יותר לקישור קולטן לחרקים מאשר ליונקים (23).פעילות קוטל החרקים של מוצרי פיפרוניל שונה.הרעילות של סולפון וסולפיד לחסרי חוליות מים מתוקים דומה או גבוהה מזו של תרכובת האם.לדסולפיניל יש רעילות בינונית אך רעיל פחות מהתרכובת האם.יחסית לא רעיל (23, 24).הרגישות של חסרי חוליות מימיים לפירוק פיפרוניל ופיפרוניל משתנה מאוד בתוך ובין טקסיות (15), ובמקרים מסוימים אף עולה על סדר גודל (25).לבסוף, יש עדויות לכך שפנילפיראזולים רעילים יותר למערכת האקולוגית ממה שחשבו בעבר (3).
מדדים ביולוגיים מימיים המבוססים על בדיקות רעילות במעבדה עלולים להמעיט בסיכון של אוכלוסיות שדה (26-28).סטנדרטים מימיים נקבעים בדרך כלל על ידי בדיקת רעילות מעבדתית של מין יחיד תוך שימוש במין אחד או כמה חסרי חוליות מימיים (לדוגמה, Diptera: Chironomidae: Chironomus ו-Crustacea: Daphnia magna ו-Hyalella azteca).אורגניזמים בדיקה אלו קלים יותר לטיפוח בדרך כלל מבעלי מקרו חסרי חוליות אחרים (לדוגמה, סוג phe::), ובמקרים מסוימים הם פחות רגישים למזהמים.לדוגמה, D. Magna רגיש פחות למתכות רבות מאשר חרקים מסוימים, בעוד A. zteca רגיש פחות לקוטל החרקים הפירעטרואידי bifenthrin מאשר הרגישות שלו לתולעים (29, 30).מגבלה נוספת של אמות מידה קיימות היא נקודות הקצה המשמשות בחישובים.מדדים חריפים מבוססים על תמותה (או קבועים עבור סרטנים), בעוד שאמות מידה כרוניות מבוססות בדרך כלל על נקודות קצה תת קטלניות (כגון גדילה ורבייה) (אם יש).עם זאת, ישנן השפעות תת קטלניות נרחבות, כגון צמיחה, הופעה, שיתוק ועיכוב התפתחותי, אשר עשויות להשפיע על הצלחת הטסים והדינמיקה הקהילתית.כתוצאה מכך, למרות שהמדד מספק רקע לחשיבות הביולוגית של ההשפעה, הרלוונטיות האקולוגית כסף לרעילות אינה ודאית.
על מנת להבין טוב יותר את ההשפעות של תרכובות פיפרוניל על מערכות אקולוגיות מימיות (חסרי חוליות ואצות), קהילות בנטיות טבעיות הובאו למעבדה ונחשפו לדרגות ריכוז במהלך זרימת פיפרוניל של 30 יום או אחד מארבעת ניסויי הפירוק של פיפרוניל.מטרת המחקר היא לייצר ריכוז השפעה ספציפי של 50% למין (ערך EC50) עבור כל תרכובת פיפרוניל המייצגת טקסות רחבה של קהילת נהר, ולקבוע את השפעת המזהמים על מבנה הקהילה ותפקוד הקהילה [כלומר, ריכוז מפגע] 5 % ממינים מושפעים (HC5) והשפעות עקיפות כגון שינוי הופעה ודינמיקה טרופית].לאחר מכן הוחל הסף (ערך HC5 ספציפי לתרכובת) שהתקבל מהניסוי המזוסקופי על השדה שנאסף על ידי המכון הגיאולוגי של ארצות הברית (USGS) מחמישה אזורים של ארצות הברית (צפון מזרח, דרום מזרח, המערב התיכון, צפון מערב האוקיינוס ​​השקט ומרכז קליפורניה נתוני אזור החוף) כחלק מהערכת איכות הזרם האזורית של USGS (https://webapps.usgs.gov/rsqa/#!/).ככל הידוע לנו, זוהי הערכת הסיכון האקולוגית הראשונה.הוא חוקר באופן מקיף את ההשפעות של תרכובות פיפרוניל על אורגניזמים בנטיים בסביבה מזו-מבוקרת, ולאחר מכן מיישם את התוצאות הללו על הערכות שדות בקנה מידה יבשתי.
הניסוי המזוקוסמי בן 30 הימים נערך במעבדת המים של USGS (AXL) בפורט קולינס, קולורדו, ארה"ב מה-18 באוקטובר עד ה-17 בנובמבר 2017, למשך יום אחד של ביות ו-30 ימי ניסוי.השיטה תוארה בעבר (29, 31) ופורטה בחומר המשלים.הגדרת מרחב meso מכילה 36 זרימות מחזוריות בארבעת הזרימות האקטיביות (מיכלי מים במחזור).כל זרם חי מצויד בצידנית לשמירה על טמפרטורת המים ומואר במחזור אור-חושך של 16:8.הזרימה ברמת המזו היא נירוסטה, המתאימה להידרופוביות של פיפרוניל (log Kow = 4.0) ומתאימה לממיסים אורגניים לניקוי (איור S1).המים ששימשו לניסוי בקנה מידה מזו נאספו מנהר ה-Cache La Poudre (מקורות במעלה הזרם כולל הפארק הלאומי הרי הרוקי, היער הלאומי והחלוקה הקונטיננטלית) ואוחסנו בארבעת מכלי האחסון מפוליאתילן של AXL.הערכות קודמות של דגימות משקעים ומים שנאספו מהאתר לא מצאו חומרי הדברה (29).
עיצוב הניסוי בקנה מידה מזו מורכב מ-30 זרמי עיבוד ו-6 זרמי בקרה.זרם הטיפול מקבל מים מטופלים, שכל אחד מהם מכיל ריכוזים קבועים לא משוכפלים של תרכובות פיפרוניל: פיפרוניל (פיפרוניל (Sigma-Aldrich, CAS 120068-37-3), אמיד (Sigma-Aldrich, CAS 205650-69-7), קבוצת דה גופרית. [ספריית חומרי הדברה של הסוכנות להגנת הסביבה של ארה"ב (EPA), CAS 205650-65-3], סולפון (Sigma-Aldrich, CAS 120068-37-2) וסולפיד (Sigma-Aldrich, CAS 120067-83-6); כל טוהר ≥ 97.8%. לפי ערכי תגובה שפורסמו (7, 15, 16, 18, 21, 23, 25, 32, 33). על ידי המסת תרכובת פיפרוניל במתנול (רמת הסמכה של Thermo Fisher Scientific, American Chemical Society), ודילול עם מים מופחתים לנפח הנדרש להכנת תמיסה מרוכזת. מכיוון שכמות המתנול במינון שונה, יש צורך להוסיף מתנול לכל זרמי הטיפול לפי הצורך. בשלושת הבקרות, כדי להבטיח את אותו ריכוז מתנול ( 0.05 מ"ל/ליטר) בנחלים. התצוגה האמצעית של שלושת זרמי הבקרה האחרים קיבלה מי נהר ללא מתנול, אחרת הם טופלו כמו כל שאר הנחלים.
ביום ה-8, ה-16 וה-26 נמדדו בממברנת הזרימה הטמפרטורה, ערך ה-pH, מוליכות חשמלית והשפלה של פיפרוניל ופיפרוניל.על מנת לעקוב אחר הפירוק של תרכובת האם פיפרוניל במהלך בדיקת המדיה, פיפרוניל (הורים) שימש לטיפול ברירית המעי הנוזלית למשך שלושה ימים נוספים [ימים 5, 12 ו-21 (n=6)] עבור טמפרטורה, pH, דגימת מוליכות, פיפרוניל ופיפרוניל.דגימות ניתוח חומרי ההדברה נאספו על ידי סינון של 10 מ"ל מים זורמים לתוך בקבוקון זכוכית 20 מ"ל בצבע ענבר דרך מסנן מזרק GF/F Whatman 0.7-מיקרומטר המצויד במחט בקוטר גדול.הדגימות הוקפאו מיד ונשלחו למעבדת איכות המים הלאומית של USGS (NWQL) בלייקווד, קולורדו, ארה"ב לניתוח.באמצעות שיטה משופרת של השיטה שפורסמה בעבר, פיפרוניל ו-4 תוצרי פירוק בדגימות מים נקבעו על ידי הזרקה מימית ישירה (DAI) נוזל כרומטוגרפיה-טנדם ספקטרומטריית מסה (LC-MS / MS; Agilent 6495).רמת זיהוי המכשיר (IDL) מוערכת כתקן הכיול המינימלי העומד בתקן הזיהוי האיכותי;ה-IDL של פיפרוניל הוא 0.005 מיקרוגרם/ליטר, וה-IDL של ארבעת הפיפרוניל האחרים הוא 0.001 מיקרוגרם/ליטר.החומר המשלים מספק תיאור מלא של השיטות המשמשות למדידת תרכובות פיפרוניל, כולל נהלי בקרת איכות ואבטחת איכות (לדוגמה, שחזור דגימות, דוקרנים, בדיקות צד שלישי וחסר).
בסופו של הניסוי המזוקוסמי בן 30 הימים, הושלמו הספירה והזיהוי של חסרי חוליות בוגרים וזחלים (נקודת הסיום העיקרית לאיסוף הנתונים).המבוגרים המתעוררים נאספים מהרשת מדי יום ומוקפאים בשפופרת צנטריפוגה נקייה של 15 מ"ל פלקון.בסוף הניסוי (יום 30), תוכן הממברנה בכל זרם שופשף להסרת כל חסרי חוליות, ומסננת (250 מיקרומטר) ואוחסנה ב-80% אתנול.Timberline Aquatics (Fort Collins, CO) השלימה את הזיהוי הטקסונומי של זחלים וחסרי חוליות בוגרים לרמה הטקסונומית הנמוכה ביותר האפשרית, בדרך כלל מינים.בימים 9, 19 ו-29, כלורופיל a נמדד בשלושה עותקים בממברנה המזוסקופית של כל זרם.כל הנתונים הכימיים והביולוגיים כחלק מהניסוי המזוסקופי מסופקים במהדורת הנתונים המצורפת (35).
סקרים אקולוגיים נערכו בנחלים קטנים (שכשוך) בחמישה אזורים עיקריים בארצות הברית, ונוטרו חומרי הדברה בתקופת המדד הקודמת.בקיצור, בהתבסס על שימוש בקרקע חקלאית ועירונית (36-40), נבחרו 77 עד 100 מקומות בכל אזור (444 מקומות בסך הכל).במהלך האביב והקיץ של שנה אחת (2013-2017), דגימות מים נאספות פעם בשבוע בכל אזור למשך 4 עד 12 שבועות.הזמן הספציפי תלוי באזור ובעוצמת הפיתוח.עם זאת, 11 התחנות באזור צפון מזרח נמצאות כמעט בקו פרשת המים.אין פיתוח, פרט לכך שנאספה רק דגימה אחת.מאחר שתקופות הניטור של חומרי הדברה במחקרים אזוריים שונות, לשם השוואה, רק ארבע הדגימות האחרונות שנאספו בכל אתר נחשבות כאן.ההנחה היא שמדגם בודד שנאסף באתר הצפון מזרחי הבלתי מפותח (n = 11) יכול לייצג את תקופת הדגימה של 4 שבועות.שיטה זו מובילה לאותו מספר תצפיות על חומרי הדברה (למעט 11 המקומות בצפון מזרח) ולאותו משך תצפית;מאמינים ש-4 שבועות הם מספיק זמן לחשיפה ארוכת טווח לביוטה, אבל קצר מספיק כדי שהקהילה האקולוגית לא צריכה להתאושש ממגעים אלה.
במקרה של זרימה מספקת, דגימת המים נאספת באמצעות מהירות קבועה וקצבי רוחב קבועים (41).כאשר הזרימה אינה מספיקה לשימוש בשיטה זו, ניתן לאסוף דגימות על ידי אינטגרציה עמוקה של דגימות או משיכה ממרכז הכובד של הזרימה.השתמשו במזרק בעל קדח גדול ובמסנן דיסק (0.7μm) כדי לאסוף 10 מ"ל של דגימה מסוננת (42).באמצעות DAI LC-MS/MS/MS/MS, נותחו דגימות מים ב-NWQL עבור 225 חומרי הדברה ומוצרי פירוק חומרי הדברה, כולל פיפרוניל ו-7 מוצרי פירוק (dessulfinyl fipronil, fipronil) סולפידים, fipronil sulfone, deschloropipronil, desthiol fipron, פיפרוניל ופיפרוניל).).רמות דיווח מינימליות אופייניות למחקרי שדה הן: פיפרוניל, דסמתילתיו פלואורבנזוניטריל, פיפרוניל גופרתי, פיפרוניל סולפון ודכלורופיפרוניל 0.004 מיקרוגרם/ליטר;dessulfinyl fluorfenamide וריכוז fipronil amide הוא 0.009 מיקרוגרם/ליטר;הריכוז של פיפרוניל סולפונט הוא 0.096 מיקרוגרם/ליטר.
קהילות חסרי החוליות נדגמות בסוף כל מחקר אזור (אביב/קיץ), בדרך כלל במקביל לאירוע הדגימה האחרון של חומרי הדברה.לאחר עונת הגידול והשימוש הרב בחומרי הדברה, זמן הדגימה צריך להיות עקבי עם תנאי הזרימה הנמוכים, ועליו להתאים לזמן בו מבשילה קהילת חסרי החוליות בנחל ונמצאת בעיקר בשלב החיים של הזחל.באמצעות דגימת Surber עם רשת של 500 מיקרומטר או רשת D-frame, הושלמה דגימת קהילת חסרי חוליות ב-437 מתוך 444 אתרים.שיטת הדגימה מתוארת בפירוט בחומר המשלים.ב-NWQL, כל חסרי החוליות מזוהים ומופיעים בדרך כלל ברמת הסוג או המין.ניתן למצוא את כל הנתונים הכימיים והביולוגיים שנאספו בתחום זה ונעשה בהם שימוש בכתב יד זה במהדורת הנתונים המצורפת (35).
עבור חמש תרכובות הפיפרוניל ששימשו בניסוי המזוסקופי, חושב ריכוז חסרי החוליות הזחלים שהופחת ב-20% או 50% ביחס לבקרה (כלומר EC20 ו-EC50).הנתונים [x = ריכוז פיפרוניל משוקלל בזמן (ראה חומר משלים לפרטים), y = ריבוי זחלים או מדדים אחרים] הותאמו לחבילה המורחבת R(43) באמצעות שיטת רגרסיה לוגריתמית תלת פרמטרית "drc".העקומה מתאימה לכל המינים (זחלים) עם שפע מספק ועונה על מדדים אחרים של עניין (לדוגמה, עושר טקסים, שפע זבוב מוחלט ושפע כולל) כדי להבין יותר את השפעת הקהילה.מקדם נאש-סאטקליף (45) משמש להערכת התאמה של המודל, כאשר התאמה לקויה של מודל יכולה לקבל אינסוף ערכים שליליים, והערך של התאמה מושלמת הוא 1.
כדי לחקור את ההשפעות של תרכובות פיפרוניל על הופעת חרקים בניסוי, הנתונים הוערכו בשתי דרכים.ראשית, על ידי הפחתת המראה הממוצע של מזו זרימת הבקרה מהופעת כל מזו של זרימת הטיפול, נורמלה המופע היומי המצטבר של חרקים מכל מזו זרימה (המספר הכולל של כל הפרטים) לבקרה.צייר ערכים אלה מול זמן כדי להבין את הסטייה של מתווך נוזל הטיפול ממתווך נוזל הבקרה בניסוי בן 30 הימים.שנית, חשב את אחוז ההתרחשות הכולל של כל מזופיל זרימה, המוגדר כיחס בין המספר הכולל של מזופילים בזרימה נתונה למספר הממוצע של זחלים ומבוגרים בקבוצת הביקורת, והוא מתאים לרגרסיה לוגריתמית של שלושה פרמטרים .כל חרקי הנביטה שנאספו היו משתי תת-משפחות ממשפחת ה-Chironomidae, ולכן בוצע ניתוח משולב.
שינויים במבנה הקהילה, כגון אובדן טקסות, עשויים להיות תלויים בסופו של דבר בהשפעות הישירות והעקיפות של חומרים רעילים, ועלולים להוביל לשינויים בתפקוד הקהילה (לדוגמה, מפל טרופי).כדי לבדוק את המפל הטרופי, הוערכה רשת סיבתית פשוטה באמצעות שיטת ניתוח נתיב (חבילת R "piecewiseSEM") (46).עבור ניסויים מזוסקופיים, ההנחה היא שפיפרוניל, דסולפיניל, סולפיד וסולפון (לא נבדק אמיד) במים להפחתת הביומסה של המגרד, מביאים בעקיפין לעלייה בביומסה של כלורופיל a (47).ריכוז התרכובת הוא המשתנה המנבא, והמגרד והכלורופיל א ביומסה הם משתני התגובה.נתון C של פישר משמש להערכת התאמה למודל, כך שערך P <0.05 מצביע על התאמה טובה של המודל (46).
על מנת לפתח סוכן הגנה על סף אקולוגי מבוסס סיכון, כל תרכובת השיגה 95% מהתפלגות רגישות המינים הכרונית (SSD) וריכוז סיכון של המינים המושפעים (HC5).נוצרו שלושה מערכי נתונים של SSD: (i) רק מערך נתונים של meso, (ii) מערך נתונים המכיל את כל נתוני ה-meso והנתונים שנאספו משאילתת מסד נתונים של EPA ECOTOX (https://cfpub.epa.gov/ecotox) /, הגישה אליו 14 במרץ 2019), משך המחקר הוא 4 ימים או יותר, וכן (iii) מערך נתונים המכיל את כל הנתונים המזוסקופיים ונתוני ECOTOX, שבהם נתוני ECOTOX (חשיפה חריפה) חלקי אקוטי ליחס של D. magna כרוני ( 19.39) כדי להסביר את ההבדל במשך החשיפה ולהעריך את הערך הכרוני EC50 (12).המטרה שלנו ליצור מספר דגמי SSD היא (i) לפתח ערכי HC5 להשוואה עם נתוני שטח (רק עבור SSDs למדיה), ו-(ii) להעריך שנתוני מדיה מקובלים יותר מאשר סוכנויות רגולטוריות להכללה בחקלאות ימית. חוסן של מדדי חיים וקביעת סטנדרטים של משאבי נתונים, ולפיכך יכולת השימוש במחקרים מזוסקופיים לתהליך ההתאמה.
SSD פותח עבור כל מערך נתונים באמצעות חבילת R "ssdtools" (48).השתמש ב-bootstrap (n = 10,000) כדי להעריך את הממוצע של HC5 ורווח הסמך (CI) מה-SSD.ארבעים ותשע תגובות טקסונים (כל הטקסונים שזוהו כסוג או כמין) שפותחו באמצעות מחקר זה משולבות עם 32 תגובות טקסיות שנאספו משישה מחקרים שפורסמו במסד הנתונים של ECOTOX, ובסך הכל ניתן להשתמש ב-81 תגובות Taxon לפיתוח SSD .מאחר שלא נמצאו נתונים במסד הנתונים של האמידים ECOTOX, לא פותח SSD לאמידים והתקבלה רק תגובה אחת של EC50 מהמחקר הנוכחי.למרות שערך EC50 של קבוצת סולפיד אחת בלבד נמצא במסד הנתונים של ECOTOX, לסטודנט הנוכחי לתואר שני יש 12 ערכי EC50.לכן פותחו כונני SSD לקבוצות סולפיניל.
ערכי HC5 הספציפיים של תרכובות פיפרוניל שהתקבלו ממערך הנתונים SSD של Mesocosmos בלבד שולבו עם נתוני שדה כדי להעריך את החשיפה והרעילות הפוטנציאלית של תרכובות פיפרוניל ב-444 זרמים מחמישה אזורים בארצות הברית.בחלון הדגימה של 4 השבועות האחרונים, כל ריכוז של תרכובות פיפרוניל שזוהה (ריכוזים שלא זוהו הם אפס) מחולק ב-HC5 המתאים שלו, ויחס התרכובות של כל דגימה מסוכם כדי לקבל את יחידת הרעילות הכוללת של פיפרוניל (ΣTUFipronils), כאשר ΣTUFipronils> 1 פירושו רעילות.
על ידי השוואת ריכוז המפגע של 50% מהמינים המושפעים (HC50) עם ערך ה-EC50 של עושר טקסיות שנגזר מניסוי הממברנה הבינונית, ה-SSD שהתקבל מנתוני הממברנה הבינונית הוערך כדי לשקף את הרגישות של הקהילה האקולוגית הרחבה יותר לפיפרוניל תוֹאַר..באמצעות השוואה זו, ניתן להעריך את העקביות בין שיטת ה-SSD (כולל רק אלו טקסיות עם קשר מינון-תגובה) לבין שיטת EC50 (כולל כל הטקסיות הייחודיות שנצפו במרחב האמצעי) המשתמשת בשיטת EC50 למדידת עושר טקסיות.קשר תגובה למינון.
מדד סיכון מיני חומרי הדברה (SPEARpesticides) חושב כדי לחקור את הקשר בין המצב הבריאותי של קהילות חסרי חוליות לבין ΣTUFipronil ב-437 נחלים האוספים חסרי חוליות.מדד SPEARpesticides הופך את הרכב חסרי החוליות למדד שפע לטקסונומיה ביולוגית בעל מאפיינים פיזיולוגיים ואקולוגיים, ובכך מקנה רגישות לחומרי הדברה.אינדיקטור חומרי הדברה SPEAR אינו רגיש למשתנים טבעיים (49, 50), אם כי הביצועים שלו יושפעו מהידרדרות חמורה של בית הגידול (51).נתוני השפע שנאספים באתר עבור כל טקסון מתואמים עם ערך המפתח של הטקסון הקשור לתוכנת ASTERICS כדי להעריך את האיכות האקולוגית של הנהר (https://gewaesser-bewertung-berechnung.de/index.php/home .html).לאחר מכן ייבא את הנתונים לתוכנת Indicate (http://systemecology.eu/indicate/) (גרסה 18.05).בתוכנה זו נעשה שימוש במאגר התכונות האירופאי ובבסיס הנתונים בעל הרגישות הפיזיולוגית לחומרי הדברה להמרת הנתונים של כל אתר למחוון SPEARpesticides.כל אחד מחמשת המחקרים האזוריים השתמש במודל התוסף הכללי (GAM) [חבילת "mgcv" ב-R(52)) כדי לחקור את הקשר בין המדד SPEARpesticides לבין ΣTUFipronils [log10(X + 1) המרה] משויך.למידע מפורט יותר על מדדי חומרי הדברה SPEAR ולניתוח נתונים, עיין בחומרים המשלימים.
מדד איכות המים עקבי בכל תקופת הניסוי המזוסקופית בכל זרימה.הטמפרטורה הממוצעת, ה-pH והמוליכות היו 13.1°C (±0.27°C), 7.8 (±0.12) ו-54.1 (±2.1) μS/cm (35), בהתאמה.הפחמן האורגני המומס הנמדד במי נהר נקיים הוא 3.1 מ"ג/ליטר.ב-meso-view של הנהר שבו נפרס מקליט ה-MiniDOT, החמצן המומס קרוב לרוויה (ממוצע> 8.0 מ"ג/ליטר), מה שמצביע על כך שהנחל במחזור מלא.
נתוני בקרת איכות ואבטחת איכות על פיפרוניל מסופקים במהדורת הנתונים המצורפת (35).בקצרה, שיעורי ההחלמה של דוקרני מטריצת מעבדה ודגימות מזוסקופיות הם בדרך כלל בטווחים מקובלים (התאוששות של 70% עד 130%), תקני IDL מאשרים את השיטה הכמותית, וחסרי מעבדה ומכשירים הם בדרך כלל נקיים. ישנם מעט מאוד יוצאי דופן מלבד ההכללות הללו הנדונות בחומר המשלים..
בשל תכנון המערכת, הריכוז הנמדד של פיפרוניל בדרך כלל נמוך מערך היעד (איור S2) (מכיוון שלוקח 4 עד 10 ימים להגיע למצב יציב בתנאים אידיאליים) (30).בהשוואה לתרכובות פיפרוניל אחרות, ריכוז הדסולפיניל והאמיד משתנה מעט עם הזמן, ושונות הריכוז בתוך הטיפול קטנה מההבדל בין הטיפולים למעט הטיפול בריכוז נמוך של סולפון וסולפיד.טווח הריכוז הממוצע המשוקלל של כל קבוצת טיפול הוא כדלקמן: פיפרוניל, IDL עד 9.07 מיקרוגרם/ליטר;Desulfinyl, IDL עד 2.15μg/L;אמיד, IDL עד 4.17 מיקרוגרם/ליטר;סולפיד, IDL עד 0.57 מיקרוגרם/ליטר;וסולפון, IDL הוא 1.13 מיקרוגרם/ליטר (35).בחלק מהזרמים התגלו תרכובות של פיפרוניל שאינן מטרה, כלומר תרכובות שלא הוזרמו לטיפול ספציפי, אך היו ידועות כתוצרי פירוק של תרכובת הטיפול.לממברנות המזוסקופיות שטופלו בתרכובת האם פיפרוניל יש את המספר הגבוה ביותר של תוצרי פירוק שאינם מטרה (כאשר אינם משמשים כתרכובת עיבוד, הם סולפיניל, אמיד, סולפיד וסולפון);אלה עשויים לנבוע מתהליך הייצור של זיהומים מורכבים ו/או תהליכי פירוק המתרחשים במהלך אחסון תמיסת המניות ו(או) בניסוי המזוסקופי ולא כתוצאה של זיהום צולב.לא נצפתה מגמה של ריכוז פיפרוניל בטיפול בפיפרוניל.תרכובות פירוק ללא מטרה מתגלות לרוב בגוף עם ריכוז הטיפול הגבוה ביותר, אך הריכוז נמוך מהריכוז של תרכובות אלו שאינן מטרה (ראה את הריכוז בסעיף הבא).לכן, מכיוון שלרוב תרכובות לא-מטרה אינן מתגלות בטיפול הפיפרוניל הנמוך ביותר, ומכיוון שהריכוז שזוהה נמוך מריכוז ההשפעה בטיפול הגבוה ביותר, המסקנה היא שלתרכובות שאינן מטרה אלו יש השפעה מינימלית על הניתוח.
בניסויים במדיה, בעלי מקרו חסרי חוליות בנטיים היו רגישים לפיפרוניל, דסולפיניל, סולפון וסולפיד [טבלה S1;נתוני השפע המקוריים מסופקים בגרסת הנתונים הנלווית (35)].פיפרוניל אמיד מיועד רק לזבוב Rhithrogena sp.רעיל (קטלני), ה-EC50 שלו הוא 2.05 מיקרוגרם/ליטר [±10.8(SE)].נוצרו עקומות מינון-תגובה של 15 טקסונים ייחודיים.טקסונים אלה הראו תמותה בטווח הריכוז הנבדק (טבלה S1), וטקסונים מקובצים ממוקדים (כגון זבובים) (איור S3) וטסים עשירים (איור 1) נוצרה עקומת תגובה למינון.הריכוז (EC50) של פיפרוניל, דסולפיניל, סולפון וסולפיד על הטקסיות הייחודיות של הטקסיות הרגישות ביותר נע בין 0.005-0.364, 0.002-0.252, 0.002-0.061 ו-0.005-0.043 מיקרוגרם/ליטר, בהתאמה.Rhithrogena sp.ו-Sweltsa sp.;איור S4) נמוכים יותר מהטקסונים הנסבלים יותר (כגון Micropsectra / Tanytarsus ו- Lepidostoma sp.) (טבלה S1).על פי הממוצע EC50 של כל תרכובת בטבלה S1, סולפונים וסולפידים הם התרכובות היעילות ביותר, בעוד שחסרי חוליות הם בדרך כלל הרגישים פחות ל-desulfinyl (למעט אמידים).מדדים של המצב האקולוגי הכולל, כגון עושר טקסיות, שפע כולל, סך פנטפלואיד וזבוב אבן כולל, כולל טקסות ושכיחות של כמה טקסות, אלו נדירים מאוד במסו ואינם ניתנים לחישוב שרטו עקומת תגובה נפרדת של מינון.לכן, אינדיקטורים אקולוגיים אלה כוללים תגובות טקסונים שאינן כלולות ב-SSD.
עושר טקסס (זחל) עם פונקציה לוגיסטית תלת-מפלסית של (A) פיפרוניל, (B) דה-סולפיניל, (C) סולפון ו- (D) ריכוז גופרתי.כל נקודת נתונים מייצגת זחלים מזרם בודד בסוף ניסוי המזו בן 30 הימים.עושר טקסונים הוא ספירת הטקסונים הייחודיים בכל זרם.ערך הריכוז הוא הממוצע המשוקלל בזמן של הריכוז הנצפה של כל נחל שנמדד בסוף הניסוי בן 30 הימים.לפיפרוניל אמיד (לא מוצג) אין קשר עם טקסונים עשירים.שימו לב שציר ה-X הוא בקנה מידה לוגריתמי.EC20 ו-EC50 עם SE מדווחים בטבלה S1.
בריכוז הגבוה ביותר של כל חמש תרכובות הפיפרוניל, שיעור ההופעה של Uetridae ירד.אחוז הנביטה (EC50) של sulfide, sulfone, fipronil, amide ו-desulfinyl נצפה לרדת ב-50% בריכוזים של 0.03, 0.06, 0.11, 0.78 ו-0.97μg/L בהתאמה (איור 2 ואיור S5).ברוב הניסויים שנמשכו 30 יום, כל הטיפולים של פיפרוניל, דסולפיניל, סולפון וסולפיד עוכבו, למעט כמה טיפולים בריכוז נמוך (איור 2), והמראה שלהם היה מעוכב.בטיפול באמיד, הקולחים שהצטברו במהלך כל הניסוי היו גבוהים מזו של הביקורת, בריכוז של 0.286 מיקרוגרם/ליטר.הריכוז הגבוה ביותר (4.164 מיקרוגרם/ליטר) במהלך כל הניסוי עיכב את הקולחים, ושיעור הקולחים של טיפול הביניים היה דומה לזה של קבוצת הביקורת.(איור 2).
הופעה מצטברת היא ההופעה היומית הממוצעת של כל טיפול מינוס (A) פיפרוניל, (B) דה-סולפיניל, (C) סולפון, (D) סולפיד ו-(E) אמיד בזרם הבקרה ההופעה היומית הממוצעת של הממברנה.פרט לבקרה (n = 6), n = 1. ערך הריכוז הוא הממוצע המשוקלל בזמן של הריכוז הנצפה בכל זרימה.
עקומת המינון-תגובה מראה כי בנוסף להפסדים טקסונומיים, שינויים מבניים ברמת הקהילה.באופן ספציפי, בטווח ריכוזי הבדיקה, השפע של מאי (איור S3) ושפע טקסות (איור 1) הראו קשרי מינון-תגובה משמעותיים עם פיפרוניל, דסולפיניל, סולפון וסולפיד.לכן, חקרנו כיצד שינויים מבניים אלה מובילים לשינויים בתפקוד הקהילה על ידי בדיקת המפל התזונתי.לחשיפה של חסרי חוליות מימיים לפיפרוניל, דסולפיניל, סולפיד וסולפון יש השפעה שלילית ישירה על הביומסה של המגרד (איור 3).על מנת לשלוט בהשפעה השלילית של פיפרוניל על הביומסה של המגרד, המגרד השפיע לרעה גם על ביומסה של הכלורופיל a (איור 3).התוצאה של מקדמי נתיב שליליים אלו היא עלייה נטו בכלורופיל a ככל שריכוז הפיפרוניל והחומרים המפורקים עולה.מודלים אלה של מסלולים בתיווך מלא מצביעים על כך שפירוק מוגבר של פיפרוניל או פיפרוניל מוביל לעלייה בשיעור הכלורופיל a (איור 3).ההנחה היא מראש שההשפעה הישירה בין פיפרוניל או ריכוז פירוק לביומסה של כלורופיל א היא אפס, מכיוון שתרכובות פיפרוניל הן חומרי הדברה ובעלות רעילות ישירה נמוכה לאצות (לדוגמה, ריכוז הצמח החריף הלא-וסקולרי של EPA הוא 100 מיקרוגרם/ליטר פיפרוניל, קבוצת דיסולפוקסיד, סולפון וסולפיד; https://epa.gov/pesticide-science-and-assessing-pesticide-risks/aquatic-life-benchmarks-and-ecological-risk), כל התוצאות (מודלים תקפים) תומכות בכך הַשׁעָרָה.
פיפרוניל יכול להפחית משמעותית את הביומסה (השפעה ישירה) של המרעה (קבוצת המגרדים היא זחלים), אך אין לו השפעה ישירה על הביומסה של כלורופיל א.עם זאת, ההשפעה העקיפה החזקה של פיפרוניל היא הגדלת הביומסה של כלורופיל a בתגובה לפחות מרעה.החץ מציין את מקדם הנתיב המתוקנן, וסימן המינוס (-) מציין את כיוון השיוך.* מציין את מידת החשיבות.
שלושת ה-SSD (שכבה אמצעית בלבד, שכבה אמצעית בתוספת נתוני ECOTOX, ונתוני שכבה אמצעית בתוספת ECOTOX שתוקנו עבור הבדלים במשך החשיפה) יצרו ערכי HC5 שונים נומינלית (טבלה S3), אך התוצאות היו בטווח SE.בהמשך מחקר זה, נתמקד ב-SDD הנתונים עם היקום meso בלבד והערך הקשור ל-HC5.לתיאור מלא יותר של שלוש הערכות SSD אלה, עיין בחומרים המשלימים (טבלאות S2 עד S5 ואיורים S6 ו-S7).התפלגות הנתונים המתאימה ביותר (ציון התקן הנמוך ביותר של מידע Akaike) של ארבעת תרכובות הפיפרוניל (איור 4) המשמשות רק במפת ה-SSD המסו-סולידית היא ה-log-gumbel של פיפרוניל וסולפון, וה-weibull של גופרית ו- γ ( טבלה S3).ערכי HC5 שהושגו עבור כל תרכובת מדווחים באיור 4 עבור יקום meso בלבד, ובטבלה S3 מדווחים ערכי HC5 מכל שלושת מערכי הנתונים של SSD.ערכי HC50 של קבוצות פיפרוניל, סולפיד, סולפון ודסולפיניל [22.1±8.78 ng/L (95% CI, 11.4 עד 46.2), 16.9±3.38 ng/L (95% CI, 11.2 עד 24.0±), 8 80 2.66 ng/L (95% CI, 5.44 עד 15.8) ו-83.4±32.9 ng/L (95% CI, 36.4 עד 163)] תרכובות אלו נמוכות משמעותית מעושר טקסיות EC50 (מספר כולל של טקסות ייחודיות) (טבלה S1 ; ההערות בטבלת החומרים המשלימים הן מיקרוגרם לליטר).
בניסוי בקנה מידה מזו, כאשר נחשף ל-(A) fipronil, (B) dessulfinyl fipronil, (C) fipronil sulfone, (D) fipronil sulfide למשך 30 יום, מתוארת רגישות המין. זהו ערך EC50 של טקסון.הקו המקווקו הכחול מייצג 95% CI.הקו המקווקו האופקי מייצג את HC5.ערך HC5 (ng/L) של כל תרכובת הוא כדלקמן: Fipronil, 4.56 ng/L (95% CI, 2.59 עד 10.2);סולפיד, 3.52 ננוגרם/ליטר (1.36 עד 9.20);סולפון, 2.86 ננוגרם/ליטר (1.93 עד 5.29);וסולפיניל, 3.55 ננוגרם לליטר (0.35 עד 28.4).שימו לב שציר ה-X הוא בקנה מידה לוגריתמי.
בחמשת המחקרים האזוריים, פיפרוניל (הורים) זוהה ב-22% מ-444 נקודות הדגימה בשטח (טבלה 1).תדירות הגילוי של פלורפניב, סולפון ואמיד דומה (18% עד 22% מהדגימה), תדירות הגילוי של סולפיד ודסולפיניל נמוכה יותר (11% עד 13%), בעוד ששאר תוצרי הפירוק גבוהים מאוד.מעטים (1% או פחות) או מעולם לא זוהו (טבלה 1)..פיפרוניל מתגלה בתדירות הגבוהה ביותר בדרום מזרח (52% מהאתרים) והכי פחות בצפון מערב (9% מהאתרים), מה שמדגיש את השונות בשימוש בבנזופראזול ופגיעות פוטנציאלית לנחלים ברחבי הארץ.מדרדרים מראים בדרך כלל דפוסים אזוריים דומים, עם תדירות הגילוי הגבוהה ביותר בדרום מזרח והנמוכה ביותר בצפון מערב קליפורניה או בחופי קליפורניה.הריכוז הנמדד של פיפרוניל היה הגבוה ביותר, ואחריו תרכובת האב פיפרוניל (90% אחוז של 10.8 ו-6.3 ננוגרם/ליטר, בהתאמה) (טבלה 1) (35).הריכוז הגבוה ביותר של פיפרוניל (61.4 ng/L), דיסולפיניל (10.6 ng/L) וסולפיד (8.0 ng/L) נקבע בדרום מזרח (בארבעת השבועות האחרונים של הדגימה).הריכוז הגבוה ביותר של סולפון נקבע במערב.(15.7 ננוגרם/ליטר), אמיד (42.7 ננוגרם/ליטר), דסולפיניל פלופירנמיד (14 ננוגרם/ליטר) ופיפרוניל סולפונט (8.1 ננוגרם/ליטר) (35).פלורפניד סולפון הייתה התרכובת היחידה שנראתה עולה על HC5 (טבלה 1).ממוצע ה-ΣTUFipronils בין האזורים השונים משתנים מאוד (טבלה 1).הממוצע הארצי של ΣTUFipronils הוא 0.62 (בכל המיקומים, בכל האזורים), וב-71 אתרים (16%) יש ΣTUFipronils> 1, מה שמצביע על כך שהוא עשוי להיות רעיל לבעלי מקרו חסרי חוליות בנתיים.בארבעה מתוך חמשת האזורים שנחקרו (למעט המערב התיכון), קיים קשר מובהק בין חומרי הדברה SPEAR ו-ΣTUFipronil, כאשר R2 מותאם נע בין 0.07 לאורך חופי קליפורניה ל-0.34 בדרום מזרח (איור 5).
*תרכובות המשמשות בניסויים מזוסקופיים.†ΣTUFipronils, החציון של סכום יחידות הרעלן [ריכוז שדה נצפה של ארבע תרכובות פיפרוניל/ריכוז סכנה של כל תרכובת מהאחוזון החמישי של המינים הנגועים ב-SSD (איור 4)] עבור הדגימות השבועיות של פיפרוניל, 4 האחרונות חושבו שבועות של דגימות חומרי הדברה שנאספו בכל אתר.‡מספר המקומות שבהם מודדים חומרי הדברה.§האחוזון ה-90 מבוסס על הריכוז המרבי שנצפה באתר במהלך 4 השבועות האחרונים של דגימת חומרי הדברה.עם אחוז הדגימות שנבדקו.¶ השתמש ב-95% CI של ערך HC5 (איור 4 וטבלה S3, רק meso) כדי לחשב את ה-CI.דכלורופלופיניב נותחה בכל האזורים ומעולם לא נמצאה.ND, לא זוהה.
היחידה הרעלית של פיפרוניל היא ריכוז הפיפרוניל הנמדד חלקי ערך HC5 הספציפי לתרכובת, אשר נקבע על ידי ה-SSD המתקבל מניסוי המדיה (ראה איור 4).קו שחור, מודל תוסף כללי (GAM).לקו המקווקו האדום יש CI של 95% עבור GAM.ΣTUFipronils מומר ל-log10 (ΣTUFipronils+1).
ההשפעות השליליות של פיפרוניל על מינים מימיים שאינם מטרה תועדו היטב (15, 21, 24, 25, 32, 33), אך זהו המחקר הראשון בו הוא רגיש בסביבת מעבדה מבוקרת.קהילות הטקסונים נחשפו לתרכובות פיפרוניל, והתוצאות הוחזקו בקנה מידה יבשתי.תוצאות הניסוי המזוקוסמי בן 30 הימים יכולות לייצר 15 קבוצות חרקים מימיות נפרדות (טבלה S1) עם ריכוז לא מדווח בספרות, ביניהן החרקים המימיים במאגר הרעילות אינם מיוצגים (53, 54).עקומות מינון-תגובה ספציפיות למס (כגון EC50) באות לידי ביטוי בשינויים ברמת הקהילה (כגון עושר טקסיות ועלול לעוף אובדן שפע) ושינויים תפקודיים (כגון אשדים תזונתיים ושינויים במראה).ההשפעה של היקום המזוסקופי הועברה לשדה.בארבעה מתוך חמשת תחומי המחקר בארצות הברית, ריכוז הפיפרוניל שנמדד בשטח נמצא בקורלציה עם הירידה של המערכת האקולוגית המימית במים הניתנים לזרימה.
לערך HC5 של 95% מהמינים בניסוי הממברנה הבינונית יש אפקט מגן, המעיד על כך שקהילות חסרי חוליות מימיות רגישות יותר לתרכובות פיפרוניל ממה שהובן קודם לכן.ערך ה-HC5 שהתקבל (פלורפניב, 4.56 ננוגרם/ליטר; דסולפוקסירן, 3.55 ננוגרם/ליטר; סולפון, 2.86 ננוגרם/ליטר; גופרית, 3.52 ננוגרם/ליטר) הוא פי כמה (פלורפניב) עד פי שלושה יותר מסדר גודל (דסולפיניל) ) מתחת למבחן ה-EPA הנוכחי של חסרי חוליות כרוניים [פיפרוניל, 11 ננוגרם לליטר;דסולפיניל, 10,310 ננוגרם לליטר;סולפון, 37 ננוגרם לליטר;וסולפיד, עבור 110 ננוגרם לליטר (8)].ניסויים מזוסקופיים זיהו קבוצות רבות הרגישות לפיפרוניל במקום אלו שצוינו על ידי מדד חסרי החוליות הכרוניים של EPA (4 קבוצות הרגישות יותר לפיפרוניל, 13 זוגות של דסולפיניל, 11 זוגות של סולפון ו-13 זוגות) רגישות לגופרית4) ו(איור טבלה) S1).זה מראה שמדדים לא יכולים להגן על כמה מינים הנצפים גם בעולם האמצעי, הנפוצים גם במערכות אקולוגיות מימיות.ההבדל בין התוצאות שלנו לבין המדד הנוכחי נובע בעיקר מהיעדר נתוני בדיקות רעילות של פיפרוניל החלים על מגוון של טקסי חרקים מימיים, במיוחד כאשר זמן החשיפה עולה על 4 ימים ופיפרוניל מתכלה.במהלך הניסוי המזוקוסמי שנמשך 30 יום, רוב החרקים בקהילת חסרי החוליות היו רגישים יותר לפיפרוניל מאשר אורגניזם הניסוי הנפוץ אצטקי (סרטנים), גם לאחר תיקון האצטקי. ה-EC50 של טייקה הופך אותו לזה לאחר טרנספורמציה חריפה.(בדרך כלל 96 שעות) לזמן חשיפה כרוני (איור S7).הושגה הסכמה טובה יותר בין ניסוי הממברנה הבינונית לבין המחקר שדווח ב-ECOTOX באמצעות אורגניזם הבדיקה הסטנדרטי Chironomus dilutus (חרק).אין זה מפתיע שחרקים מימיים רגישים במיוחד לחומרי הדברה.מבלי להתאים את זמן החשיפה, הניסוי בקנה מידה מזו והנתונים המקיפים של מסד הנתונים של ECOTOX הראו כי טסים רבים נצפו כרגישים יותר לתרכובות פיפרוניל מאשר קלוסטרידיום מדולל (איור S6).עם זאת, על ידי התאמת זמן החשיפה, Dilution Clostridium הוא האורגניזם הרגיש ביותר לפיפרוניל (אב) ולסולפיד, למרות שהוא אינו רגיש לסולפון (איור S7).תוצאות אלו ממחישות את החשיבות של הכללת מספר סוגים של אורגניזמים מימיים (כולל חרקים מרובים) כדי לייצר ריכוזי הדברה בפועל שיכולים להגן על אורגניזמים מימיים.
שיטת ה-SSD יכולה להגן על טקסונים נדירים או לא רגישים שלא ניתן לקבוע את EC50 שלהם, כגון Cinygmula sp., Isoperla fulva ו- Brachycentrus americanus.ערכי EC50 של שפע טקסים ועשויים לעוף בשפע המשקפים שינויים בהרכב הקהילה תואמים את ערכי HC50 של ה-SSD של פיפרוניל, סולפון וסולפיד.הפרוטוקול תומך ברעיון הבא: שיטת ה-SSD המשמשת להפקת ערכי סף יכולה להגן על הקהילה כולה, כולל טקסונים נדירים או לא רגישים בקהילה.הסף של אורגניזמים מימיים שנקבע מכונני SSD המבוססים רק על כמה טקסים או טקסים לא רגישים עשוי להיות לא מספיק בהגנה על מערכות אקולוגיות מימיות.זה המקרה עבור desulfinyl (איור S6B).בשל המחסור בנתונים במסד הנתונים של ECOTOX, ריכוז הבסיס של חסרי חוליות כרוניים של EPA הוא 10,310 ננוגרם/ליטר, שהם ארבעה סדרי גודל הגבוהים מ-3.55 ננוגרם/ליטר של HC5.התוצאות של ערכות תגובה טקסונים שונים שהופקו בניסויים מזוסקופיים.היעדר נתוני רעילות בעייתי במיוחד עבור תרכובות מתכלות (איור S6), מה שעשוי להסביר מדוע המדדים הביולוגיים המימיים הקיימים עבור סולפון וסולפיד פחות רגישים בערך פי 15 עד פי 30 מערך SSD HC5 המבוסס על יקום סין.היתרון של שיטת הממברנה הבינונית הוא שניתן לקבוע ערכי EC50 מרובים בניסוי בודד, המספיק ליצירת SSD שלם (לדוגמה, desulfinyl; איור 4B ואיורים S6B ו-S7B), ויש להם השפעה משמעותית על הטקסות הטבעית של המערכת האקולוגית המוגנת תגובות רבות.
ניסויים מזוסקופיים מראים שלפיפרוניל ותוצרי הפירוק שלו עשויים להיות השפעות שליליות תת-קטלות ברורות ועקיפות על תפקוד הקהילה.בניסוי המזוסקופי נראה שכל חמש תרכובות הפיפרוניל משפיעות על הופעת חרקים.תוצאות ההשוואה בין הריכוז הגבוה והנמוך ביותר (עיכוב וגירוי של הופעה אינדיבידואלית או שינויים בזמן הופעה) תואמות את התוצאות שדווחו בעבר של ניסויי meso באמצעות קוטל החרקים bifenthrin (29).הופעת מבוגרים מספקת פונקציות אקולוגיות חשובות ויכולה להשתנות על ידי מזהמים כגון פיפרוניל (55, 56).הופעה בו-זמנית היא לא רק קריטית להתרבות חרקים ולהתמדה באוכלוסייה, אלא גם לאספקת חרקים בוגרים, שיכולים לשמש מזון לבעלי חיים ימיים ויבשתיים (56).מניעת הופעת שתילים עלולה להשפיע לרעה על חילופי המזון בין מערכות אקולוגיות מימיות ומערכות אקולוגיות גדות, ולהפיץ את ההשפעות של מזהמים מימיים למערכות אקולוגיות יבשתיות (55, 56).הירידה בשפע המגרדים (חרקים אוכלי אצות) שנצפתה בניסוי בקנה מידה מזו הביאה לירידה בצריכת האצות, שהביאה לעלייה בכלורופיל a (איור 3).מפל טרופי זה משנה את שטפי הפחמן והחנקן ברשת המזון הנוזלי, בדומה למחקר שהעריך את ההשפעות של ביפנתרין פירטרואיד על קהילות בנתיות (29).לכן, פנילפיראזולים, כמו פיפרוניל ותוצרי הפירוק שלו, פירטרואידים ואולי סוגים אחרים של קוטלי חרקים, עשויים לקדם בעקיפין את העלייה בביומסה של אצות ואת הפרעה של פחמן וחנקן בזרמים קטנים.השפעות אחרות עשויות להגיע להרס של מחזורי פחמן וחנקן בין מערכות אקולוגיות מימיות ויבשתיות.
המידע שהתקבל מבדיקת הממברנה הבינונית אפשרה לנו להעריך את הרלוונטיות האקולוגית של ריכוזי תרכובת פיפרוניל שנמדדו במחקרי שטח רחבי היקף שנערכו בחמישה אזורים בארצות הברית.ב-444 נחלים קטנים, 17% מהריכוז הממוצע של תרכובת פיפרוניל אחת או יותר (בממוצע לאורך 4 שבועות) עלה על ערך HC5 שהתקבל מבדיקת המדיה.השתמש ב-SSD מהניסוי בקנה מידה מזו כדי להמיר את ריכוז תרכובת הפיפרוניל הנמדד לאינדקס הקשור לרעילות, כלומר סכום יחידות הרעילות (ΣTUFipronils).הערך של 1 מצביע על רעילות או שהחשיפה המצטברת של תרכובת פיפרוניל עולה על ההגנה הידועה מינים בשווי 95%.הקשר המשמעותי בין ΣTUFipronil בארבעה מתוך חמשת האזורים לבין אינדיקטור חומרי ההדברה SPEAR לבריאות קהילת חסרי חוליות מצביע על כך שפיפרון עלול להשפיע לרעה על קהילות חסרי חוליות בנתיים בנהרות באזורים מרובים של ארצות הברית.תוצאות אלו תומכות בהשערה של Wolfram et al.(3) הסיכון של קוטלי חרקים phenpyrazole למים עיליים בארצות הברית אינו מובן במלואו מכיוון שההשפעה על חרקים מימיים מתרחשת מתחת לסף הרגולטורי הנוכחי.
רוב הנחלים עם תכולת פיפרוניל מעל הרמה הרעילה ממוקמים באזור הדרום-מזרח העירוני יחסית (https://webapps.usgs.gov/rsqa/#!/region/SESQA).ההערכה הקודמת של האזור לא רק הגיעה למסקנה שפיפרוניל הוא גורם הלחץ העיקרי המשפיע על מבנה קהילת חסרי החוליות בנחל, אלא גם שחמצן מומס נמוך, עלייה בחומרי הזנה, שינויים בזרימה, הרס בית גידול וחומרי הדברה אחרים. מקור למתח (57).תערובת זו של גורמי לחץ עולה בקנה אחד עם "תסמונת הנהר העירוני", שהיא השפלה של מערכות אקולוגיות של נהרות הנצפות בדרך כלל ביחס לשימוש בקרקע עירונית (58, 59).שלטי שימוש בקרקע עירונית באזור דרום מזרח הולכים וגדלים וצפויים לגדול ככל שאוכלוסיית האזור גדלה.ההשפעה של פיתוח עירוני עתידי וחומרי הדברה על הנגר העירוני צפויה לגדול (4).אם העיור והשימוש בפיפרוניל ימשיכו לגדול, השימוש בחומרי הדברה זה בערים עשוי להשפיע יותר ויותר על קהילות הנחלים.למרות שהמטא-אנליזה מגיעה למסקנה שהשימוש בחומרי הדברה חקלאיים מאיים על מערכות אקולוגיות של זרמים גלובליים (2, 60), אנו מניחים שהערכות אלו ממעיטות בהשפעה הגלובלית הכוללת של חומרי הדברה על ידי אי הכללה של שימושים עירוניים.
גורמי לחץ שונים, לרבות חומרי הדברה, יכולים להשפיע על קהילות מאקרו חסרי חוליות בפערי מים מפותחים (עירוני, חקלאי ושימושי קרקע מעורבים) ועשויים להיות קשורים לשימוש בקרקע (58, 59, 61).למרות שמחקר זה השתמש במדד SPEAR חומרי הדברה ובמאפייני רעילות לפיפרוניל ספציפיים לאורגניזמים מימיים כדי למזער את ההשפעה של גורמים מבלבלים, הביצועים של אינדיקטור חומרי ההדברה SPEAR עשויים להיות מושפעים מהשפלה של בית הגידול, וניתן להשוות את פיפרוניל עם חומרי הדברה אחרים (4, 17, 51, 57).עם זאת, מודל של גורמי לחץ מרובים שפותח באמצעות מדידות שדה משני המחקרים האזוריים הראשונים (המערב התיכון והדרום-מזרחי) הראה כי חומרי הדברה הם גורם לחץ חשוב במעלה הזרם לתנאי קהילת מקרו-חסרי חוליות בנהרות שכשוך.במודלים אלו משתני הסבר חשובים כוללים חומרי הדברה (בעיקר ביפנטרין), רכיבי תזונה ומאפיינים של בתי גידול ברוב הנחלים החקלאיים במערב התיכון וחומרי הדברה (בעיקר פיפרוניל) ברוב הערים בדרום מזרח.שינויים בחמצן, חומרים מזינים וזרימה (61, 62).לכן, למרות שמחקרים אזוריים מנסים להתייחס להשפעה של גורמי לחץ שאינם חומרי הדברה על מדדי תגובה ולהתאים את האינדיקטורים הניבויים כדי לתאר את ההשפעה של פיפרוניל, תוצאות השטח של סקר זה תומכות בתפיסה של פיפרוניל.) צריך להיחשב לאחד ממקורות הלחץ המשפיעים ביותר בנהרות אמריקאים, במיוחד בדרום מזרח ארצות הברית.
התרחשות של פירוק חומרי הדברה בסביבה נדירה מתועדת, אך האיום על אורגניזמים מימיים עלול להיות מזיק יותר מגוף האם.במקרה של פיפרוניל, מחקרי שדה וניסויים בקנה מידה מזו הראו כי תוצרי הפירוק שכיחים כמו גוף האם בזרמים שנדגמו ויש להם רעילות זהה או גבוהה יותר (טבלה 1).בניסוי הממברנה הבינונית, fluorobenzonitrile sulfone היה הרעיל ביותר מבין תוצרי הפירוק של חומרי ההדברה שנחקרו, והוא היה רעיל יותר מהתרכובת האב, וגם זוהה בתדירות דומה לזו של תרכובת האם.אם מודדים רק את חומרי ההדברה האב, ייתכן שלא ניתן להבחין באירועי רעילות פוטנציאליים, והמחסור היחסי במידע על רעילות במהלך פירוק חומרי הדברה גורם לכך שניתן להתעלם מהתרחשותם ומהשלכותיהם.כך למשל, בשל היעדר מידע על רעילות תוצרי פירוק, בוצעה הערכה מקיפה של חומרי הדברה בנחלי שוויץ, הכוללת 134 תוצרי פירוק חומרי הדברה, ורק תרכובת האם נחשבה כתרכובת האם בהערכת הסיכון האקוטוקסיקולוגית שלה.
התוצאות של הערכת סיכונים אקולוגית זו מצביעות על כך שלתרכובות פיפרוניל יש השפעות שליליות על בריאות הנהר, כך שניתן להסיק באופן סביר שניתן להבחין בהשפעות שליליות בכל מקום שבו תרכובות פיפרוניל עולות את רמת HC5.התוצאות של ניסויים מזוסקופיים אינן תלויות במיקום, מה שמצביע על כך שריכוז הפיפרוניל ותוצרי הפירוק שלו בטקסיות זרמים רבות נמוך בהרבה ממה שנרשם בעבר.אנו מאמינים שתגלית זו צפויה להתרחב לפרוטוביוטה בזרמים בתוליים בכל מקום.תוצאות הניסוי בקנה מידה מזו יושמו במחקרי שטח בקנה מידה גדול (444 נחלים קטנים המורכבים משימושים עירוניים, חקלאיים וקרקעיים בחמישה אזורים מרכזיים בארצות הברית), ונמצא כי ריכוזם של נחלים רבים הרעילות המתקבלת מצביעה על כך שתוצאות אלו עשויות להתרחב למדינות אחרות בהן נעשה שימוש בפיפרוניל.על פי דיווחים, מספר האנשים המשתמשים בפיפרוניל גדל ביפן, בריטניה וארה"ב (7).פיפרוניל קיים כמעט בכל יבשת, כולל אוסטרליה, דרום אמריקה ואפריקה (https://coherentmarketinsights.com/market-insight/fipronil-market-2208).תוצאות מחקרי ה-meso-to-field שהוצגו כאן מצביעות על כך שלשימוש בפיפרוניל עשויה להיות משמעות אקולוגית בקנה מידה עולמי.
לחומרים משלימים למאמר זה, ראה http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/43/eabc1299/DC1
זהו מאמר בגישה פתוחה המופץ על פי תנאי הרישיון Creative Commons Attribution-Non-Commercial, המאפשר שימוש, הפצה ושכפול בכל מדיום, כל עוד השימוש הסופי אינו למטרת רווח מסחרי והנחת היסוד היא כי העבודה המקורית נכונה.התייחסות.
הערה: אנו מבקשים ממך לספק את כתובת המייל שלך רק כדי שהאדם עליו אתה ממליץ לעמוד ידע שאתה רוצה שהוא יראה את המייל ושלא מדובר בספאם.לא נלכד אף כתובת אימייל.
שאלה זו משמשת כדי לבדוק אם אתה מבקר ולמנוע שליחת דואר זבל אוטומטית.
ג'נט ל. מילר, טראוויס ס. שמידט, פיטר סי ואן מטר, ברברה מאהלר (ברברה ג'יי מאהלר, מארק וו. סנדסטרום, ליסה ה. נואל, דארן מ. קרלייל, פטריק וו. מורן
מחקרים הראו כי חומרי הדברה נפוצים המתגלים לעתים קרובות בנחלים אמריקאים הם רעילים יותר ממה שחשבו בעבר.
ג'נט ל. מילר, טראוויס ס. שמידט, פיטר סי ואן מטר, ברברה מאהלר (ברברה ג'יי מאהלר, מארק וו. סנדסטרום, ליסה ה. נואל, דארן מ. קרלייל, פטריק וו. מורן
מחקרים הראו כי חומרי הדברה נפוצים המתגלים לעתים קרובות בנחלים אמריקאים הם רעילים יותר ממה שחשבו בעבר.
©2021 האגודה האמריקאית לקידום המדע.כל הזכויות שמורות.AAAS הוא שותף של HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef ו-COUNTER.ScienceAdvances ISSN 2375-2548.