Thuốc trừ sâu trong các dòng suối ngày càng trở thành mối lo ngại toàn cầu nhưng có rất ít thông tin về nồng độ an toàn của hệ sinh thái dưới nước.Trong một thí nghiệm vũ trụ trung mô kéo dài 30 ngày, các động vật không xương sống thủy sinh bản địa đã tiếp xúc với thuốc trừ sâu fipronil thông thường và bốn loại sản phẩm thoái hóa.Hợp chất fipronil gây ra những thay đổi trong quá trình hình thành và phân tầng dinh dưỡng.Nồng độ hiệu quả (EC50) mà tại đó fipronil và các sản phẩm phân hủy sulfide, sulfone và desulfinyl của nó gây ra phản ứng 50% đã được phát triển.Taxan không nhạy cảm với fipronil.Nồng độ nguy hiểm của 5% số loài bị ảnh hưởng từ 15 giá trị EC50 trung vũ trụ được sử dụng để chuyển đổi nồng độ hợp chất của fipronil trong mẫu hiện trường thành tổng đơn vị độc hại (∑TUFipronils).Trong 16% số luồng được rút ra từ năm nghiên cứu khu vực, ∑TUFipronil trung bình vượt quá 1 (cho thấy độc tính).Các chỉ số động vật không xương sống của các loài có nguy cơ có mối tương quan nghịch với TUTUipronil ở bốn trong số năm khu vực lấy mẫu.Đánh giá rủi ro sinh thái này cho thấy nồng độ hợp chất fipronil thấp sẽ làm suy giảm quần thể suối ở nhiều nơi trên nước Mỹ.
Mặc dù việc sản xuất hóa chất tổng hợp đã tăng lên rất nhiều trong những thập kỷ gần đây, nhưng tác động của những hóa chất này đối với các hệ sinh thái không phải mục tiêu vẫn chưa được hiểu đầy đủ (1).Ở vùng nước mặt nơi 90% đất nông nghiệp toàn cầu bị mất, không có dữ liệu về thuốc trừ sâu nông nghiệp, nhưng ở nơi có dữ liệu, thời gian thuốc trừ sâu vượt quá ngưỡng quy định là một nửa (2).Một phân tích tổng hợp về thuốc trừ sâu nông nghiệp trong vùng nước mặt ở Hoa Kỳ cho thấy tại 70% địa điểm lấy mẫu, ít nhất một loại thuốc trừ sâu đã vượt quá ngưỡng quy định (3).Tuy nhiên, những phân tích tổng hợp này (2, 3) chỉ tập trung vào nước mặt bị ảnh hưởng bởi việc sử dụng đất nông nghiệp và là bản tóm tắt của các nghiên cứu riêng biệt.Thuốc trừ sâu, đặc biệt là thuốc trừ sâu, cũng tồn tại với nồng độ cao trong hệ thống thoát nước cảnh quan đô thị (4).Hiếm khi tiến hành đánh giá toàn diện thuốc trừ sâu trong nước mặt thải ra từ cảnh quan nông nghiệp và đô thị;do đó, người ta không biết liệu thuốc trừ sâu có gây ra mối đe dọa quy mô lớn đối với tài nguyên nước mặt và tính toàn vẹn sinh thái của chúng hay không.
Benzopyrazoles và neonicotinoids chiếm 1/3 thị trường thuốc trừ sâu toàn cầu vào năm 2010 (5).Trong vùng nước mặt ở Hoa Kỳ, fipronil và các sản phẩm phân hủy của nó (phenylpyrazole) là những hợp chất thuốc trừ sâu phổ biến nhất và nồng độ của chúng thường vượt quá tiêu chuẩn thủy sản (6-8).Mặc dù neonicotinoids đã thu hút sự chú ý do tác dụng của chúng đối với ong và chim cũng như mức độ phổ biến của chúng (9), fipronil độc hơn đối với cá và chim (10), trong khi các hợp chất thuộc nhóm phenylpyrazole khác có tác dụng diệt cỏ (5).Fipronil là một loại thuốc trừ sâu có hệ thống được sử dụng để kiểm soát sâu bệnh trong môi trường đô thị và nông nghiệp.Kể từ khi fipronil gia nhập thị trường thế giới vào năm 1993, việc sử dụng fipronil ở Hoa Kỳ, Nhật Bản và Vương quốc Anh đã tăng lên rất nhiều (5).Tại Hoa Kỳ, fipronil được sử dụng để kiểm soát kiến ​​và mối, đồng thời được sử dụng trong các loại cây trồng bao gồm ngô (bao gồm cả xử lý hạt giống), khoai tây và vườn cây ăn quả (11, 12).Việc sử dụng fipronil trong nông nghiệp ở Hoa Kỳ đạt đỉnh điểm vào năm 2002 (13).Mặc dù không có sẵn dữ liệu quốc gia về sử dụng đô thị, nhưng việc sử dụng đô thị ở California đã đạt đỉnh điểm vào năm 2006 và 2015 (https://calpip.cdpr.ca).gov/main .cfm, truy cập ngày 2 tháng 12 năm 2019).Mặc dù nồng độ fipronil cao (6,41μg/L) được tìm thấy trong các dòng suối ở một số khu vực nông nghiệp với tỷ lệ ứng dụng cao (14), nhưng so với các dòng suối nông nghiệp, các dòng suối đô thị ở Hoa Kỳ nhìn chung có khả năng phát hiện nhiều hơn và nồng độ cao hơn, tích cực đối với sự xuất hiện của bão có liên quan đến thử nghiệm (6, 7, 14-17).
Fipronil xâm nhập vào hệ sinh thái thủy sinh theo dòng chảy mặt hoặc thấm từ đất vào dòng suối (7, 14, 18).Fipronil có độ bay hơi thấp (hằng số định luật Henry 2,31×10-4 Pa m3 mol-1), độ hòa tan trong nước thấp đến trung bình (3,78 mg/l ở 20°C) và tính kỵ nước vừa phải (log Kow là 3,9 đến 4,1)), khả năng di chuyển trong đất rất nhỏ (log Koc là 2,6 đến 3,1) (12, 19), và nó thể hiện sự tồn tại ở mức độ thấp đến trung bình trong môi trường (20).Finazepril bị phân hủy bởi quá trình quang phân, oxy hóa, thủy phân và khử phụ thuộc pH, tạo thành 4 sản phẩm thoái hóa chính: dessulfoxyphenapril (nor sulfoxide), phenaprenip sulfone (sulfone), Filofenamide (amide) và filofenib sulfide (sulfide).Các sản phẩm phân hủy Fipronil có xu hướng ổn định và bền hơn hợp chất gốc (21, 22).
Độc tính của fipronil và sự phân hủy của nó thành các loài không phải mục tiêu (chẳng hạn như động vật không xương sống dưới nước) đã được ghi nhận rõ ràng (14, 15).Fipronil là một hợp chất gây độc thần kinh, cản trở sự di chuyển của ion clorua qua kênh clorua được điều chỉnh bởi axit gamma-aminobutyric ở côn trùng, dẫn đến nồng độ đủ để gây hưng phấn quá mức và tử vong (20).Fipronil có tính độc chọn lọc nên nó có ái lực gắn kết với thụ thể đối với côn trùng lớn hơn so với động vật có vú (23).Hoạt tính diệt côn trùng của các sản phẩm phân hủy fipronil là khác nhau.Độc tính của sulfone và sulfide đối với động vật không xương sống nước ngọt tương tự hoặc cao hơn so với hợp chất gốc.Desulfinyl có độc tính vừa phải nhưng ít độc hơn hợp chất gốc.Tương đối không độc hại (23, 24).Tính nhạy cảm của động vật không xương sống dưới nước đối với sự phân hủy fipronil và fipronil rất khác nhau trong và giữa các đơn vị phân loại (15), và trong một số trường hợp thậm chí còn vượt quá mức độ lớn (25).Cuối cùng, có bằng chứng cho thấy phenylpyrazole độc ​​hại hơn đối với hệ sinh thái so với suy nghĩ trước đây (3).
Các tiêu chuẩn sinh học thủy sinh dựa trên thử nghiệm độc tính trong phòng thí nghiệm có thể đánh giá thấp nguy cơ của quần thể thực địa (26-28).Các tiêu chuẩn thủy sản thường được thiết lập bằng thử nghiệm độc tính trong phòng thí nghiệm đối với từng loài sử dụng một hoặc một số loài động vật không xương sống thủy sinh (ví dụ: Diptera: Chironomidae: Chironomus và Crustacea: Daphnia magna và Hyalella azteca).Các sinh vật thử nghiệm này nhìn chung dễ nuôi hơn các loài động vật không xương sống cỡ lớn khác (ví dụ: chi phe::) và trong một số trường hợp ít nhạy cảm hơn với các chất ô nhiễm.Ví dụ, D. Magna ít nhạy cảm với nhiều kim loại hơn một số loài côn trùng nhất định, trong khi A. zteca ít nhạy cảm với thuốc trừ sâu pyrethroid bifenthrin hơn độ nhạy cảm với giun (29, 30).Một hạn chế khác của điểm chuẩn hiện có là điểm cuối được sử dụng trong tính toán.Các tiêu chuẩn cấp tính dựa trên tỷ lệ tử vong (hoặc cố định đối với động vật giáp xác), trong khi các tiêu chuẩn mãn tính thường dựa trên các điểm cuối dưới mức gây tử vong (chẳng hạn như sự tăng trưởng và sinh sản) (nếu có).Tuy nhiên, có những tác động dưới mức gây chết lan rộng, chẳng hạn như tăng trưởng, xuất hiện, tê liệt và chậm phát triển, có thể ảnh hưởng đến sự thành công của các loài phân loại và động lực cộng đồng.Kết quả là, mặc dù điểm chuẩn cung cấp nền tảng cho tầm quan trọng sinh học của hiệu ứng, nhưng mối liên quan về mặt sinh thái như ngưỡng độc tính là không chắc chắn.
Để hiểu rõ hơn về tác dụng của các hợp chất fipronil đối với hệ sinh thái thủy sinh ở đáy (động vật không xương sống và tảo), các cộng đồng sinh vật đáy tự nhiên đã được đưa vào phòng thí nghiệm và tiếp xúc với gradient nồng độ trong dòng chảy Fipronil kéo dài 30 ngày hoặc một trong bốn thí nghiệm phân hủy fipronil.Mục tiêu nghiên cứu là tạo ra nồng độ tác động 50% dành riêng cho loài (giá trị EC50) cho mỗi hợp chất fipronil đại diện cho một phân loại rộng của cộng đồng sông và để xác định tác động của các chất ô nhiễm lên cấu trúc và chức năng của cộng đồng [tức là nồng độ nguy hiểm] 5 % của các loài bị ảnh hưởng (HC5) và các tác động gián tiếp như thay đổi sự xuất hiện và động lực học dinh dưỡng].Sau đó, ngưỡng (giá trị HC5 dành riêng cho hợp chất) thu được từ thí nghiệm siêu âm được áp dụng cho trường do Cơ quan Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ (USGS) thu thập từ năm khu vực của Hoa Kỳ (Đông Bắc, Đông Nam, Trung Tây, Tây Bắc Thái Bình Dương và Trung tâm California). Coastal Zone) Data) như một phần của đánh giá chất lượng luồng khu vực của USGS (https://webapps.usgs.gov/rsqa/#!/).Theo những gì chúng tôi biết, đây là lần đánh giá rủi ro sinh thái đầu tiên.Nó nghiên cứu toàn diện tác động của các hợp chất fipronil lên sinh vật đáy trong môi trường trung bình được kiểm soát, sau đó áp dụng những kết quả này vào các đánh giá thực địa ở quy mô lục địa.
Thí nghiệm mesocosmic kéo dài 30 ngày được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Thủy sinh USGS (AXL) ở Fort Collins, Colorado, Hoa Kỳ từ ngày 18 tháng 10 đến ngày 17 tháng 11 năm 2017, trong 1 ngày thuần hóa và 30 ngày thử nghiệm.Phương pháp này đã được mô tả trước đây (29, 31) và được trình bày chi tiết trong tài liệu bổ sung.Cài đặt không gian trung bình chứa 36 dòng tuần hoàn trong bốn dòng hoạt động (bể nước tuần hoàn).Mỗi dòng sống đều được trang bị một bộ làm mát để giữ nhiệt độ nước và được chiếu sáng với chu kỳ sáng tối 16:8.Dòng chảy cấp trung là thép không gỉ, phù hợp với tính kỵ nước của fipronil (log Kow = 4.0) và thích hợp với dung môi làm sạch hữu cơ (Hình S1).Nước được sử dụng cho thí nghiệm quy mô trung bình được thu thập từ Sông Cache La Poudre (các nguồn thượng nguồn bao gồm Công viên Quốc gia Núi Rocky, Rừng Quốc gia và Phân chia Lục địa) và được lưu trữ trong bốn bể chứa polyetylen của AXL.Các đánh giá trước đây về mẫu trầm tích và nước được thu thập từ khu vực này không tìm thấy bất kỳ loại thuốc trừ sâu nào (29).
Thiết kế thử nghiệm quy mô trung bình bao gồm 30 luồng xử lý và 6 luồng điều khiển.Dòng xử lý nhận nước đã xử lý, mỗi dòng chứa nồng độ không đổi của các hợp chất fipronil: fipronil (fipronil (Sigma-Aldrich, CAS 120068-37-3), amide (Sigma-Aldrich, CAS 205650-69-7), nhóm khử lưu huỳnh [Thư viện thuốc trừ sâu của Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA), CAS 205650-65-3], sulfone (Sigma-Aldrich, CAS 120068-37-2) và sulfide (Sigma-Aldrich, CAS 120067-83-6); tất cả độ tinh khiết ≥ 97,8%.Theo các giá trị phản hồi được công bố (7, 15, 16, 18, 21, 23, 25, 32, 33). Bằng cách hòa tan hợp chất fipronil trong metanol (Cấp chứng nhận của Thermo Fisher Scientific, Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ) và pha loãng với nước khử ion đến thể tích cần thiết để chuẩn bị dung dịch gốc đậm đặc. Do lượng metanol trong một liều lượng khác nhau nên cần thêm metanol vào tất cả các dòng xử lý nếu cần. Trong ba điều khiển, để đảm bảo cùng nồng độ metanol ( 0,05 ml/L) trong các dòng suối. Hình ảnh ở giữa của ba dòng đối chứng còn lại nhận được nước sông không có metanol, nếu không chúng sẽ được xử lý như tất cả các dòng khác.
Vào ngày thứ 8, ngày thứ 16 và ngày thứ 26, nhiệt độ, giá trị pH, độ dẫn điện và sự phân hủy của fipronil và fipronil được đo trong màng dòng chảy.Để theo dõi sự phân hủy của hợp chất gốc fipronil trong quá trình thử nghiệm môi trường, fipronil (bố mẹ) đã được sử dụng để điều trị chất lỏng niêm mạc ruột trong ba ngày nữa [ngày 5, 12 và 21 (n = 6)] về nhiệt độ, pH, Lấy mẫu độ dẫn điện, fipronil và phân hủy fipronil.Các mẫu phân tích thuốc trừ sâu được thu thập bằng cách lọc 10 ml nước chảy vào lọ thủy tinh màu hổ phách 20 ml thông qua bộ lọc ống tiêm Whatman 0,7-μm GF/F được trang bị kim có đường kính lớn.Các mẫu ngay lập tức được đông lạnh và gửi đến Phòng thí nghiệm Chất lượng Nước Quốc gia USGS (NWQL) ở Lakewood, Colorado, Hoa Kỳ để phân tích.Sử dụng phương pháp cải tiến của phương pháp đã được công bố trước đó, Fipronil và 4 sản phẩm phân hủy trong mẫu nước được xác định bằng phương pháp sắc ký lỏng-khối phổ song song phun trực tiếp (DAI) (LC-MS / MS; Agilent 6495).Mức phát hiện thiết bị (IDL) được ước tính là tiêu chuẩn hiệu chuẩn tối thiểu đáp ứng tiêu chuẩn nhận dạng định tính;IDL của fipronil là 0,005 μg/L, và IDL của bốn fipronil còn lại là 0,001 μg/L.Tài liệu bổ sung cung cấp mô tả đầy đủ về các phương pháp được sử dụng để đo các hợp chất fipronil, bao gồm các quy trình đảm bảo và kiểm soát chất lượng (ví dụ: thu hồi mẫu, tăng đột biến, kiểm tra của bên thứ ba và mẫu trắng).
Vào cuối thí nghiệm Mesocosmic kéo dài 30 ngày, việc liệt kê và xác định động vật không xương sống trưởng thành và ấu trùng đã được hoàn thành (điểm cuối thu thập dữ liệu chính).Những con trưởng thành mới nổi được thu thập từ lưới mỗi ngày và đông lạnh trong ống ly tâm Falcon 15 ml sạch.Vào cuối thí nghiệm (ngày 30), thành phần màng trong mỗi dòng được lọc để loại bỏ bất kỳ động vật không xương sống nào và sàng (250 μm) và bảo quản trong ethanol 80%.Timberline Aquatics (Fort Collins, CO) đã hoàn thành việc xác định phân loại ấu trùng và động vật không xương sống trưởng thành ở mức phân loại thấp nhất có thể, thường là các loài.Vào các ngày 9, 19 và 29, diệp lục a được đo ba lần trong màng siêu âm của mỗi dòng.Tất cả dữ liệu hóa học và sinh học như một phần của thí nghiệm siêu âm được cung cấp trong bản phát hành dữ liệu đi kèm (35).
Các cuộc khảo sát sinh thái được tiến hành tại các dòng suối nhỏ (có nước lội) ở năm khu vực chính của Hoa Kỳ và thuốc trừ sâu đã được theo dõi trong giai đoạn chỉ số trước đó.Nói tóm lại, dựa trên việc sử dụng đất nông nghiệp và đô thị (36-40), 77 đến 100 địa điểm đã được chọn ở mỗi vùng (tổng cộng 444 địa điểm).Trong mùa xuân và mùa hè một năm (2013-2017), mẫu nước được thu thập mỗi tuần một lần ở mỗi vùng trong 4 đến 12 tuần.Thời gian cụ thể tùy thuộc vào khu vực và cường độ phát triển.Tuy nhiên, 11 trạm ở khu vực Đông Bắc gần như nằm trong lưu vực.Không có sự phát triển nào, ngoại trừ việc chỉ có một mẫu được thu thập.Do giai đoạn giám sát thuốc trừ sâu trong các nghiên cứu khu vực là khác nhau nên để so sánh, chỉ có bốn mẫu cuối cùng được thu thập tại mỗi địa điểm được xem xét ở đây.Giả định rằng một mẫu duy nhất được thu thập tại địa điểm Đông Bắc chưa phát triển (n = 11) có thể đại diện cho khoảng thời gian lấy mẫu 4 tuần.Phương pháp này cho kết quả số lần quan sát thuốc trừ sâu như nhau (trừ 11 địa điểm ở vùng Đông Bắc) và thời gian quan sát như nhau;Người ta tin rằng 4 tuần là đủ dài để tiếp xúc lâu dài với quần thể sinh vật, nhưng cũng đủ ngắn để cộng đồng sinh thái không nên hồi phục sau những tiếp xúc này.
Trong trường hợp lưu lượng đủ, mẫu nước được thu thập bằng vận tốc không đổi và độ rộng tăng dần không đổi (41).Khi dòng chảy không đủ để sử dụng phương pháp này, bạn có thể thu thập mẫu bằng cách tích hợp sâu các mẫu hoặc lấy từ trọng tâm của dòng chảy.Sử dụng ống tiêm có lỗ khoan lớn và bộ lọc đĩa (0,7μm) để thu thập 10 ml mẫu đã lọc (42).Thông qua DAI LC-MS/MS/MS/MS, các mẫu nước được phân tích tại NWQL để tìm 225 loại thuốc trừ sâu và sản phẩm phân hủy thuốc trừ sâu, bao gồm fipronil và 7 sản phẩm phân hủy (dessulfinyl fipronil, fipronil) Sulfide, fipronil sulfone, deschlorofipronil, desthiol fipronil, amide, fipronil và fipronil).).Mức báo cáo tối thiểu điển hình cho các nghiên cứu thực địa là: fipronil, desmethylthio fluorobenzonitrile, fipronil sulfide, fipronil sulfone và deschlorofipronil 0,004 μg/L;dessulfinyl fluorfenamide và nồng độ fipronil amide là 0,009 μg/lít;nồng độ fipronil sulfonate là 0,096 μg/lít.
Các cộng đồng động vật không xương sống được lấy mẫu vào cuối mỗi nghiên cứu khu vực (mùa xuân/hè), thường cùng thời điểm với lần lấy mẫu thuốc trừ sâu cuối cùng.Sau mùa sinh trưởng và sử dụng nhiều thuốc trừ sâu, thời gian lấy mẫu phải phù hợp với điều kiện dòng chảy thấp và phải trùng với thời điểm quần thể động vật không xương sống trên sông trưởng thành và chủ yếu ở giai đoạn sống của ấu trùng.Sử dụng dụng cụ lấy mẫu Surber với lưới 500μm hoặc lưới khung chữ D, việc lấy mẫu cộng đồng động vật không xương sống đã được hoàn thành ở 437 trên 444 địa điểm.Phương pháp lấy mẫu được mô tả chi tiết trong tài liệu bổ sung.Trên NWQL, tất cả các loài động vật không xương sống thường được xác định và liệt kê ở cấp độ chi hoặc loài.Tất cả dữ liệu hóa học và sinh học được thu thập trong lĩnh vực này và được sử dụng trong bản thảo này có thể được tìm thấy trong bản phát hành dữ liệu đi kèm (35).
Đối với năm hợp chất fipronil được sử dụng trong thí nghiệm siêu âm, nồng độ của động vật không xương sống ấu trùng giảm 20% hoặc 50% được tính toán tương đối so với đối chứng (tức là EC20 và EC50).Dữ liệu [x = nồng độ fipronil theo trọng số thời gian (xem tài liệu bổ sung để biết chi tiết), y = độ phong phú của ấu trùng hoặc các số liệu khác] được gắn vào gói mở rộng R (43) bằng phương pháp hồi quy logarit ba tham số” drc”.Đường cong phù hợp với tất cả các loài (ấu trùng) có đủ độ phong phú và đáp ứng các số liệu quan tâm khác (ví dụ: mức độ phong phú của phân loại, tổng độ phong phú của loài phù du và tổng độ phong phú) để hiểu rõ hơn về hiệu ứng cộng đồng.Hệ số Nash-Sutcliff (45) được sử dụng để đánh giá mức độ phù hợp của mô hình, trong đó mô hình kém phù hợp có thể nhận được các giá trị âm vô hạn và giá trị của mức độ phù hợp hoàn hảo là 1.
Để khám phá tác động của hợp chất fipronil đối với sự xuất hiện của côn trùng trong thí nghiệm, dữ liệu được đánh giá theo hai cách.Đầu tiên, bằng cách trừ đi sự xuất hiện trung bình của meso luồng điều khiển khỏi sự xuất hiện của mỗi meso luồng xử lý, sự xuất hiện tích lũy hàng ngày của côn trùng từ mỗi meso luồng điều khiển (tổng số cá thể) đã được chuẩn hóa thành đối chứng.Vẽ đồ thị các giá trị này theo thời gian để hiểu được độ lệch của chất trung gian chất lỏng xử lý so với chất trung gian chất lỏng kiểm soát trong thử nghiệm 30 ngày.Thứ hai, tính tổng tỷ lệ phần trăm xuất hiện của mỗi loại trung mô dòng chảy, được định nghĩa là tỷ lệ giữa tổng số lượng trung bình trong một dòng nhất định với số lượng ấu trùng và con trưởng thành trung bình trong nhóm đối chứng, và phù hợp cho hồi quy logarit ba tham số .Tất cả côn trùng nảy mầm được thu thập đều thuộc hai phân họ thuộc họ Chironomidae, do đó một phân tích tổng hợp đã được thực hiện.
Những thay đổi trong cấu trúc quần xã, chẳng hạn như mất đi các đơn vị phân loại, cuối cùng có thể phụ thuộc vào tác động trực tiếp và gián tiếp của các chất độc hại và có thể dẫn đến những thay đổi trong chức năng cộng đồng (ví dụ, bậc dinh dưỡng).Để kiểm tra tầng chiến tích, một mạng nhân quả đơn giản đã được đánh giá bằng phương pháp phân tích đường dẫn (gói R “ PiecewiseSEM”) (46).Đối với các thí nghiệm siêu âm, người ta cho rằng fipronil, desulfinyl, sulfide và sulfone (không được thử nghiệm amit) trong nước làm giảm sinh khối của chất cạo, gián tiếp dẫn đến sự gia tăng sinh khối của diệp lục a (47).Nồng độ hợp chất là biến dự đoán, còn sinh khối và chất diệp lục là các biến phản ứng.Thống kê Fisher's C được sử dụng để đánh giá mức độ phù hợp của mô hình, do đó giá trị P <0,05 cho thấy mức độ phù hợp của mô hình tốt (46).
Để phát triển tác nhân bảo vệ ngưỡng cộng đồng sinh thái dựa trên rủi ro, mỗi hợp chất đã thu được 95% phân bố nhạy cảm loài mãn tính (HC5) và bảo vệ nồng độ mối nguy hiểm (SSD).Ba bộ dữ liệu SSD đã được tạo: (i) chỉ bộ dữ liệu meso, (ii) bộ dữ liệu chứa tất cả dữ liệu meso và dữ liệu được thu thập từ truy vấn cơ sở dữ liệu EPA ECOTOX (https://cfpub.epa.gov/ecotox) /, được truy cập trên 14 tháng 3 năm 2019), thời gian nghiên cứu là 4 ngày hoặc lâu hơn và (iii) một bộ dữ liệu chứa tất cả dữ liệu siêu âm và dữ liệu ECOTOX, trong đó dữ liệu ECOTOX (phơi nhiễm cấp tính) chia cho cấp tính và tỷ lệ D. magna mãn tính ( 19.39) để giải thích sự khác biệt về thời gian phơi nhiễm và xấp xỉ giá trị EC50 mãn tính (12).Mục đích của chúng tôi khi tạo nhiều mô hình SSD là (i) phát triển các giá trị HC5 để so sánh với dữ liệu thực địa (chỉ dành cho SSD dành cho phương tiện truyền thông) và (ii) đánh giá rằng dữ liệu truyền thông được chấp nhận rộng rãi hơn so với các cơ quan quản lý để đưa vào nuôi trồng thủy sản. độ chắc chắn của các tiêu chuẩn cuộc sống và thiết lập tiêu chuẩn của nguồn dữ liệu, và do đó tính khả thi của việc sử dụng các nghiên cứu siêu âm cho quá trình điều chỉnh.
SSD được phát triển cho từng tập dữ liệu bằng gói R “ssdtools” (48).Sử dụng bootstrap (n = 10.000) để ước tính mức trung bình HC5 và khoảng tin cậy (CI) từ SSD.Bốn mươi chín phản hồi về đơn vị phân loại (tất cả các đơn vị phân loại đã được xác định là chi hoặc loài) được phát triển thông qua nghiên cứu này được kết hợp với 32 phản hồi về đơn vị phân loại được tổng hợp từ sáu nghiên cứu được công bố trong cơ sở dữ liệu ECOTOX, tổng cộng có 81 phản hồi của Taxon có thể được sử dụng để phát triển SSD .Vì không tìm thấy dữ liệu nào trong cơ sở dữ liệu ECOTOX về amit nên không có ổ SSD nào được phát triển cho amit và chỉ thu được một phản hồi EC50 từ nghiên cứu hiện tại.Mặc dù giá trị EC50 của chỉ một nhóm sulfua được tìm thấy trong cơ sở dữ liệu ECOTOX, sinh viên tốt nghiệp hiện tại có 12 giá trị EC50.Vì vậy, SSD dành cho nhóm sulfinyl đã được phát triển.
Các giá trị HC5 cụ thể của các hợp chất fipronil thu được từ bộ dữ liệu SSD của Mesocosmos chỉ được kết hợp với dữ liệu thực địa để đánh giá mức độ phơi nhiễm và độc tính tiềm tàng của các hợp chất fipronil trong 444 luồng từ năm vùng ở Hoa Kỳ.Trong khoảng thời gian lấy mẫu 4 tuần gần nhất, mỗi nồng độ hợp chất fipronil được phát hiện (nồng độ không phát hiện bằng 0) được chia cho HC5 tương ứng của nó và tỷ lệ hợp chất của mỗi mẫu được tính tổng để thu được Tổng đơn vị độc tính của fipronil (ΣTUFipronils), trong đó ΣTUFipronils> 1 nghĩa là độc tính.
Bằng cách so sánh nồng độ nguy hiểm của 50% số loài bị ảnh hưởng (HC50) với giá trị EC50 của mức độ phong phú về phân loại thu được từ thí nghiệm màng trung bình, SSD thu được từ dữ liệu màng trung bình được đánh giá để phản ánh mức độ nhạy cảm của cộng đồng sinh thái rộng hơn với fipronil. bằng cấp..Thông qua so sánh này, có thể đánh giá tính nhất quán giữa phương pháp SSD (chỉ bao gồm những đơn vị phân loại có mối quan hệ liều lượng đáp ứng) và phương pháp EC50 (bao gồm tất cả các đơn vị phân loại duy nhất được quan sát ở không gian giữa) sử dụng phương pháp EC50 để đo mức độ phong phú của đơn vị phân loại.Mối quan hệ đáp ứng liều lượng
Chỉ số về loài có nguy cơ dùng thuốc trừ sâu (SPEARpesticides) đã được tính toán để nghiên cứu mối quan hệ giữa tình trạng sức khỏe của các quần thể động vật không xương sống và ΣTUFipronil trong 437 dòng suối thu thập động vật không xương sống.Chỉ số Thuốc trừ sâu SPEAR chuyển đổi thành phần của động vật không xương sống thành chỉ số phong phú để phân loại sinh học với các đặc điểm sinh lý và sinh thái, từ đó truyền đạt độ nhạy cảm với thuốc trừ sâu.Chỉ báo thuốc trừ sâu SPEAR không nhạy cảm với các đồng biến tự nhiên (49, 50), mặc dù hiệu suất của nó sẽ bị ảnh hưởng do suy thoái môi trường sống nghiêm trọng (51).Dữ liệu về độ phong phú được thu thập tại chỗ cho từng taxon được phối hợp với giá trị chính của taxon liên quan đến phần mềm ASTERICS để đánh giá chất lượng sinh thái của dòng sông (https://gewaesser-bewertung-berechnung.de/index.php/home .html).Sau đó nhập dữ liệu vào phần mềm Indicate (http://systemecology.eu/indicate/) (phiên bản 18.05).Trong phần mềm này, cơ sở dữ liệu đặc điểm của Châu Âu và cơ sở dữ liệu về độ nhạy sinh lý đối với thuốc trừ sâu được sử dụng để chuyển đổi dữ liệu của từng địa điểm thành chỉ báo thuốc trừ sâu SPEAR.Mỗi nghiên cứu trong số năm nghiên cứu khu vực đều sử dụng Mô hình cộng gộp chung (GAM) [gói "mgcv" trong R(52)) để khám phá mối quan hệ giữa số liệu SPEARpesticides và ΣTUFipronils [chuyển đổi log10(X + 1)] được liên kết.Để biết thêm thông tin chi tiết về số liệu thuốc trừ sâu SPEAR và phân tích dữ liệu, vui lòng xem Tài liệu bổ sung.
Chỉ số chất lượng nước nhất quán trong từng dòng chảy siêu âm và trong toàn bộ thời gian thử nghiệm siêu âm.Nhiệt độ trung bình, độ pH và độ dẫn điện lần lượt là 13,1°C (±0,27°C), 7,8 (±0,12) và 54,1 (±2,1) μS/cm (35).Lượng carbon hữu cơ hòa tan đo được trong nước sông sạch là 3,1 mg/L.Trong chế độ xem trung bình của dòng sông nơi máy ghi MiniDOT được triển khai, lượng oxy hòa tan gần đạt mức bão hòa (trung bình > 8,0 mg/L), cho thấy dòng suối đã được lưu thông hoàn toàn.
Dữ liệu kiểm soát chất lượng và đảm bảo chất lượng về fipronil được cung cấp trong bản phát hành dữ liệu kèm theo (35).Nói tóm lại, tốc độ thu hồi của các mẫu ma trận trong phòng thí nghiệm và mẫu siêu âm thường nằm trong phạm vi chấp nhận được (độ thu hồi từ 70% đến 130%), tiêu chuẩn IDL xác nhận phương pháp định lượng, và các mẫu trắng trong phòng thí nghiệm và dụng cụ thường sạch. Có rất ít trường hợp ngoại lệ ngoài những khái quát này được thảo luận trong tài liệu bổ sung..
Do thiết kế hệ thống, nồng độ fipronil đo được thường thấp hơn giá trị mục tiêu (Hình S2) (vì phải mất 4 đến 10 ngày để đạt trạng thái ổn định trong điều kiện lý tưởng) (30).So với các hợp chất fipronil khác, nồng độ desulfinyl và amide thay đổi ít theo thời gian và sự biến đổi nồng độ trong quá trình xử lý nhỏ hơn sự khác biệt giữa các phương pháp điều trị ngoại trừ việc xử lý sulfone và sulfide ở nồng độ thấp.Khoảng nồng độ trung bình đo được theo thời gian cho mỗi nhóm điều trị như sau: Fipronil, IDL đến 9,07μg/L;Desulfinyl, IDL đến 2,15μg/L;Amit, IDL đến 4,17μg/L;Sunfua, IDL Đến 0,57μg/lít;và sulfone, IDL là 1,13μg/lít (35).Trong một số dòng, các hợp chất fipronil không phải mục tiêu đã được phát hiện, tức là các hợp chất không được thêm vào một phương pháp xử lý cụ thể nhưng được biết đến là sản phẩm thoái hóa của hợp chất xử lý.Các màng siêu âm được xử lý bằng hợp chất gốc fipronil có số lượng sản phẩm phân hủy không phải mục tiêu cao nhất được phát hiện (khi không được sử dụng làm hợp chất xử lý, chúng là sulfinyl, amide, sulfide và sulfone);những điều này có thể là do quá trình sản xuất tạp chất hợp chất và/hoặc quá trình phân hủy xảy ra trong quá trình bảo quản dung dịch gốc và (hoặc) trong thí nghiệm siêu âm chứ không phải là kết quả của nhiễm chéo.Không có xu hướng tập trung phân hủy được quan sát thấy trong điều trị bằng fipronil.Các hợp chất thoái hóa không phải mục tiêu thường được phát hiện nhiều nhất trong cơ thể với nồng độ điều trị cao nhất, nhưng nồng độ thấp hơn nồng độ của các hợp chất không phải mục tiêu này (xem phần tiếp theo để biết nồng độ).Do đó, do các hợp chất phân hủy không phải mục tiêu thường không được phát hiện trong xử lý fipronil thấp nhất và do nồng độ được phát hiện thấp hơn nồng độ tác dụng trong xử lý cao nhất nên kết luận rằng các hợp chất không phải mục tiêu này có tác động tối thiểu đến quá trình phân tích.
Trong các thí nghiệm trên môi trường, động vật không xương sống vĩ mô ở đáy rất nhạy cảm với fipronil, desulfinyl, sulfone và sulfide [Bảng S1;dữ liệu phong phú ban đầu được cung cấp trong phiên bản dữ liệu đi kèm (35)].Fipronil amide chỉ dành cho ruồi Rhithrogena sp.Độc (gây tử vong), EC50 của nó là 2,05μg/L [±10,8(SE)].Đường cong phản ứng liều của 15 đơn vị phân loại duy nhất đã được tạo ra.Các phân loại này cho thấy tỷ lệ tử vong trong phạm vi nồng độ được thử nghiệm (Bảng S1) và các phân loại phân nhóm được nhắm mục tiêu (chẳng hạn như ruồi) (Hình S3) và các phân loại phong phú (Hình 1) Một đường cong phản ứng liều đã được tạo ra.Nồng độ (EC50) của fipronil, desulfinyl, sulfone và sulfide trên các đơn vị phân loại duy nhất của các đơn vị phân loại nhạy cảm nhất lần lượt nằm trong khoảng từ 0,005-0,364, 0,002-0,252, 0,002-0,061 và 0,005-0,043μg/L.Rhithrogena sp.Và Sweltsa sp.;Hình S4) thấp hơn các phân loại có khả năng dung nạp cao hơn (chẳng hạn như Micropsectra / Tanytarsus và Lepidostoma sp.) (Bảng S1).Theo EC50 trung bình của từng hợp chất trong Bảng S1, sulfone và sulfua là những hợp chất hiệu quả nhất, trong khi động vật không xương sống nói chung ít nhạy cảm nhất với desulfinyl (không bao gồm amit).Các số liệu về tình trạng sinh thái tổng thể, chẳng hạn như độ phong phú của các đơn vị phân loại, tổng độ phong phú, tổng số năm bội thể và tổng số ruồi đá, bao gồm các đơn vị phân loại và độ phong phú của một số đơn vị phân loại, những đơn vị này rất hiếm ở meso và không thể tính toán được. Vẽ một đường cong phản ứng liều lượng riêng biệt.Do đó, các chỉ số sinh thái này bao gồm các phản ứng phân loại không có trong SSD.
Độ giàu taxa (ấu trùng) có chức năng hậu cần ba cấp độ là (A) fipronil, (B) desulfinyl, (C) sulfone và (D) nồng độ sulfide.Mỗi điểm dữ liệu đại diện cho ấu trùng từ một luồng duy nhất vào cuối thử nghiệm meso 30 ngày.Mức độ phong phú của đơn vị phân loại là số lượng đơn vị phân loại duy nhất trong mỗi dòng.Giá trị nồng độ là giá trị trung bình theo thời gian của nồng độ quan sát được của từng dòng được đo vào cuối thử nghiệm 30 ngày.Fipronil amide (không hiển thị) không có mối quan hệ với các nhóm phân loại giàu.Xin lưu ý rằng trục x nằm trên thang logarit.EC20 và EC50 với SE được báo cáo trong Bảng S1.
Ở nồng độ cao nhất của cả năm hợp chất fipronil, tốc độ xuất hiện của Uetridae đều giảm.Tỷ lệ nảy mầm (EC50) của sulfide, sulfone, fipronil, amide và desulfinyl được quan sát thấy giảm 50% ở các nồng độ lần lượt là 0,03, 0,06, 0,11, 0,78 và 0,97μg/L (Hình 2 và Hình S5).Trong hầu hết các thử nghiệm kéo dài 30 ngày, tất cả các phương pháp xử lý fipronil, desulfinyl, sulfone và sulfide đều bị trì hoãn, ngoại trừ một số phương pháp xử lý nồng độ thấp (Hình 2) và sự xuất hiện của chúng bị ức chế.Trong xử lý amit, nước thải tích lũy trong toàn bộ thí nghiệm cao hơn so với đối chứng, với nồng độ 0,286μg/lít.Nồng độ cao nhất (4,164μg/lít) trong toàn bộ thí nghiệm đã ức chế nước thải và tốc độ nước thải của xử lý trung gian tương tự như nhóm đối chứng.(Hình 2).
Sự xuất hiện tích lũy là sự xuất hiện trung bình hàng ngày của mỗi phương pháp xử lý trừ (A) fipronil, (B) desulfinyl, (C) sulfone, (D) sulfide và (E) amide trong dòng đối chứng. Sự xuất hiện trung bình hàng ngày của màng.Ngoại trừ đối chứng (n = 6), n = 1. Giá trị nồng độ là giá trị trung bình theo trọng số thời gian của nồng độ quan sát được trong mỗi dòng.
Đường cong phản ứng liều lượng cho thấy, ngoài những tổn thất về mặt phân loại, còn có những thay đổi về cấu trúc ở cấp độ cộng đồng.Cụ thể, trong phạm vi nồng độ thử nghiệm, mức độ phong phú của may (Hình S3) và mức độ phong phú của taxa (Hình 1) cho thấy mối quan hệ đáng kể giữa liều lượng và phản ứng với fipronil, desulfinyl, sulfone và sulfide.Do đó, chúng tôi đã khám phá những thay đổi về cấu trúc này dẫn đến những thay đổi trong chức năng cộng đồng như thế nào bằng cách thử nghiệm dòng dinh dưỡng.Sự tiếp xúc của động vật không xương sống dưới nước với fipronil, desulfinyl, sulfide và sulfone có tác động tiêu cực trực tiếp đến sinh khối của máy cạo (Hình 3).Để kiểm soát tác động tiêu cực của fipronil lên sinh khối của máy cạo, máy cạo cũng ảnh hưởng tiêu cực đến sinh khối diệp lục a (Hình 3).Kết quả của các hệ số đường dẫn âm này là sự gia tăng thực chất của diệp lục a khi nồng độ fipronil và các chất phân hủy tăng lên.Các mô hình con đường qua trung gian hoàn toàn này chỉ ra rằng sự phân hủy fipronil hoặc fipronil tăng lên dẫn đến sự gia tăng tỷ lệ diệp lục a (Hình 3).Người ta giả định trước rằng tác động trực tiếp giữa fipronil hoặc nồng độ phân hủy và chất diệp lục trong sinh khối là bằng 0, bởi vì các hợp chất fipronil là thuốc trừ sâu và có độc tính trực tiếp thấp đối với tảo (ví dụ, nồng độ cơ bản thực vật không có mạch cấp tính của EPA là 100μg / L fipronil, nhóm disulfoxide, sulfone và sulfide; https://epa.gov/pesticide-science-and-assessing-pesticide-risks/aquatic-life-benchmarks-and-ecological-risk), Tất cả kết quả (mô hình hợp lệ) đều ủng hộ điều này giả thuyết.
Fipronil có thể làm giảm đáng kể sinh khối (tác động trực tiếp) của chăn thả (nhóm cào là ấu trùng), nhưng không có tác dụng trực tiếp lên sinh khối diệp lục a.Tuy nhiên, tác dụng gián tiếp mạnh mẽ của fipronil là làm tăng sinh khối diệp lục a để đáp ứng với việc chăn thả ít hơn.Mũi tên biểu thị hệ số đường dẫn được tiêu chuẩn hóa và dấu trừ (-) biểu thị hướng liên kết.* Cho biết mức độ quan trọng.
Ba ổ SSD (chỉ lớp giữa, lớp giữa cộng với dữ liệu ECOTOX và lớp giữa cộng với dữ liệu ECOTOX đã được hiệu chỉnh về sự khác biệt về thời lượng phơi nhiễm) tạo ra các giá trị HC5 khác nhau trên danh nghĩa (Bảng S3), nhưng kết quả nằm trong phạm vi SE.Trong phần còn lại của nghiên cứu này, chúng tôi sẽ tập trung vào ổ SSD dữ liệu chỉ có vũ trụ trung bình và giá trị HC5 liên quan.Để có mô tả đầy đủ hơn về ba đánh giá SSD này, vui lòng tham khảo các tài liệu bổ sung (Bảng S2 đến S5 và Hình S6 và S7).Phân phối dữ liệu phù hợp nhất (điểm tiêu chuẩn thông tin Akaike thấp nhất) của bốn hợp chất fipronil (Hình 4) chỉ được sử dụng trong bản đồ SSD trung bình là log-gumbel của fipronil và sulfone, và weibull của sulfide và khử lưu huỳnh γ ( Bảng S3).Các giá trị HC5 thu được cho mỗi hợp chất chỉ được báo cáo trong Hình 4 cho vũ trụ trung bình và trong Bảng S3, các giá trị HC5 từ cả ba bộ dữ liệu SSD đều được báo cáo.Giá trị HC50 của các nhóm fipronil, sulfide, sulfone và desulfinyl [22,1±8,78 ng/L (95% CI, 11,4 đến 46,2), 16,9±3,38 ng/L (95% CI, 11,2 đến 24,0), 8 80± 2,66 ng/L (95% CI, 5,44 đến 15,8) và 83,4±32,9 ng/L (95% CI, 36,4 đến 163)] Các hợp chất này thấp hơn đáng kể so với mức độ phong phú của đơn vị phân loại EC50 (tổng số đơn vị phân loại duy nhất) (Bảng S1 ; ghi chú trong bảng tài liệu bổ sung là microgam trên lít).
Trong thí nghiệm quy mô trung bình, khi tiếp xúc với (A) fipronil, (B) dessulfinyl fipronil, (C) fipronil sulfone, (D) fipronil sulfide trong 30 ngày, độ nhạy của loài được mô tả là giá trị EC50 của taxon.Đường đứt nét màu xanh biểu thị 95% CI.Đường đứt nét ngang biểu thị HC5.Giá trị HC5 (ng/L) của mỗi hợp chất như sau: Fipronil, 4,56 ng/L (KTC 95%, 2,59 đến 10,2);Sunfua, 3,52 ng/L (1,36 đến 9,20);Sulfone, 2,86 ng/ Lít (1,93 đến 5,29);và sulfinyl, 3,55 ng/lít (0,35 đến 28,4).Xin lưu ý rằng trục x nằm trên thang logarit.
Trong năm nghiên cứu khu vực, Fipronil (cha mẹ) được phát hiện ở 22% trong số 444 điểm lấy mẫu tại hiện trường (Bảng 1).Tần số phát hiện của florfenib, sulfone và amide tương tự nhau (18% đến 22% mẫu), tần số phát hiện của sulfide và desulfinyl thấp hơn (11% đến 13%), trong khi các sản phẩm phân hủy còn lại rất cao.Rất ít (1% hoặc ít hơn) hoặc không bao giờ được phát hiện (Bảng 1)..Fipronil được phát hiện thường xuyên nhất ở phía đông nam (52% số địa điểm) và ít thường xuyên nhất ở phía tây bắc (9% số địa điểm), điều này nêu bật sự thay đổi của việc sử dụng benzopyrazole và khả năng dễ bị tổn thương của dòng chảy trên toàn quốc.Chất phân hủy thường thể hiện các mô hình khu vực tương tự, với tần suất phát hiện cao nhất ở phía đông nam và thấp nhất ở phía tây bắc hoặc ven biển California.Nồng độ fipronil đo được là cao nhất, tiếp theo là hợp chất gốc fipronil (90% phần trăm tương ứng là 10,8 và 6,3 ng/L) (Bảng 1) (35).Nồng độ fipronil (61,4 ng/L), disulfinyl (10,6 ng/L) và sulfide (8,0 ng/L) cao nhất được xác định ở phía đông nam (trong 4 tuần cuối của mẫu).Nồng độ sulfone cao nhất được xác định ở phía tây.(15,7 ng/L), amide (42,7 ng/L), dessulfinyl flupirnamide (14 ng/L) và fipronil sulfonate (8,1 ng/L) (35).Florfenide sulfone là hợp chất duy nhất được quan sát thấy vượt quá HC5 (Bảng 1).ΣTUFipronils trung bình giữa các vùng khác nhau rất khác nhau (Bảng 1).Giá trị trung bình quốc gia ΣTUFipronils là 0,62 (tất cả các địa điểm, tất cả các vùng) và 71 địa điểm (16%) có ΣTUFipronils> 1, cho thấy nó có thể gây độc cho động vật không xương sống ở đáy.Tại bốn trong số năm khu vực được nghiên cứu (ngoại trừ vùng Trung Tây), có mối quan hệ đáng kể giữa SPEARpesticide và ΣTUFipronil, với R2 được điều chỉnh dao động từ 0,07 dọc theo bờ biển California đến 0,34 ở phía đông nam (Hình 5).
*Các hợp chất dùng trong thí nghiệm siêu âm.†ΣTUFipronils, giá trị trung bình của tổng đơn vị độc tố [nồng độ quan sát được tại hiện trường của bốn hợp chất fipronil/nồng độ nguy hiểm của mỗi hợp chất từ ​​phân vị thứ năm của các loài bị nhiễm SSD (Hình 4)] Đối với các mẫu fipronil hàng tuần, 4 mẫu cuối cùng số tuần mẫu thuốc trừ sâu được thu thập tại mỗi địa điểm đã được tính toán.‡Số lượng địa điểm đo thuốc trừ sâu.§Phân vị thứ 90 dựa trên nồng độ tối đa quan sát được tại chỗ trong 4 tuần lấy mẫu thuốc trừ sâu vừa qua.với tỷ lệ phần trăm mẫu được kiểm tra.¶ Sử dụng CI 95% của giá trị HC5 (Hình 4 và Bảng S3, chỉ ở mức trung bình) để tính CI.Dechloroflupinib đã được phân tích ở tất cả các vùng và chưa bao giờ được tìm thấy.ND, không được phát hiện.
Đơn vị độc hại Fipronil là nồng độ fipronil đo được chia cho giá trị HC5 đặc trưng của hợp chất, được xác định bởi SSD thu được từ thí nghiệm truyền thông (xem Hình 4).Đường màu đen, mô hình phụ gia tổng quát (GAM).Đường đứt nét màu đỏ có CI là 95% cho GAM.ΣTUFipronils được chuyển đổi thành log10 (ΣTUFipronils+1).
Tác dụng phụ của fipronil đối với các loài thủy sản không phải mục tiêu đã được ghi nhận rõ ràng (15, 21, 24, 25, 32, 33), nhưng đây là nghiên cứu đầu tiên cho thấy nó nhạy cảm trong môi trường phòng thí nghiệm được kiểm soát.Các cộng đồng phân loại đã được tiếp xúc với các hợp chất fipronil và kết quả được ngoại suy ở quy mô lục địa.Kết quả của thí nghiệm vũ trụ trung mô kéo dài 30 ngày có thể tạo ra 15 nhóm côn trùng thủy sinh riêng biệt (Bảng S1) với nồng độ không được báo cáo trong tài liệu, trong đó côn trùng thủy sinh trong cơ sở dữ liệu độc tính được trình bày ít (53, 54).Đường cong phản ứng với liều lượng cụ thể của từng loài (chẳng hạn như EC50) được phản ánh trong những thay đổi ở cấp độ cộng đồng (chẳng hạn như mức độ phong phú của loài và có thể mất đi sự phong phú) và những thay đổi về chức năng (chẳng hạn như dòng dinh dưỡng và thay đổi về ngoại hình).Hiệu ứng của vũ trụ siêu âm được ngoại suy sang trường.Tại bốn trong số năm khu vực nghiên cứu ở Hoa Kỳ, nồng độ fipronil đo được tại hiện trường có tương quan với sự suy giảm của hệ sinh thái thủy sinh trong dòng nước chảy được.
Giá trị HC5 của 95% các loài trong thí nghiệm màng trung bình có tác dụng bảo vệ, cho thấy rằng các quần xã động vật không xương sống dưới nước nói chung nhạy cảm hơn với các hợp chất fipronil hơn những gì đã hiểu trước đây.Giá trị HC5 thu được (florfenib, 4,56 ng/lít; desulfoxirane, 3,55 ng/lít; sulfone, 2,86 ng/lít; sulfide, 3,52 ng/lít) gấp vài lần (florfenib) đến gấp ba lần. ) dưới mức chuẩn hiện tại của động vật không xương sống mãn tính của EPA [fipronil, 11 ng/lít;desulfinyl, 10.310 ng/lít;sulfon, 37 ng/lít;và sunfua, ở mức 110 ng/lít (8)].Các thí nghiệm siêu âm đã xác định nhiều nhóm nhạy cảm với fipronil thay vì các nhóm được chỉ định bởi tiêu chuẩn động vật không xương sống mãn tính của EPA (4 nhóm nhạy cảm hơn với fipronil, 13 cặp desulfinyl, 11 cặp sulfone và 13 cặp) độ nhạy sunfua) (Hình 4 và bảng) S1).Điều này cho thấy các tiêu chuẩn không thể bảo vệ một số loài cũng được quan sát thấy ở thế giới trung lưu, những loài cũng phổ biến trong hệ sinh thái dưới nước.Sự khác biệt giữa kết quả của chúng tôi và điểm chuẩn hiện tại chủ yếu là do thiếu dữ liệu thử nghiệm độc tính của fipronil áp dụng cho nhiều loại côn trùng thủy sinh, đặc biệt là khi thời gian phơi nhiễm vượt quá 4 ngày và fipronil bị phân hủy.Trong thí nghiệm vũ trụ trung mô kéo dài 30 ngày, hầu hết các loài côn trùng trong cộng đồng động vật không xương sống đều nhạy cảm với fipronil hơn sinh vật thử nghiệm thông thường là Aztec (giáp xác), ngay cả sau khi sửa lỗi Aztec. EC50 của Teike vẫn khiến nó trở nên giống nhau sau khi biến đổi cấp tính.(Thường là 96 giờ) đến thời gian phơi nhiễm mãn tính (Hình S7).Đã đạt được sự đồng thuận tốt hơn giữa thí nghiệm màng trung bình và nghiên cứu được báo cáo trong ECOTOX sử dụng sinh vật thử nghiệm tiêu chuẩn Chironomus dilutus (một loài côn trùng).Không có gì đáng ngạc nhiên khi côn trùng sống dưới nước đặc biệt nhạy cảm với thuốc trừ sâu.Không điều chỉnh thời gian phơi nhiễm, thử nghiệm quy mô trung bình và dữ liệu toàn diện của cơ sở dữ liệu ECOTOX cho thấy nhiều loài được quan sát là nhạy cảm hơn với các hợp chất fipronil so với Clostridium pha loãng (Hình S6).Tuy nhiên, bằng cách điều chỉnh thời gian tiếp xúc, Pha loãng Clostridium là sinh vật nhạy cảm nhất với fipronil (mẹ) và sulfide, mặc dù nó không nhạy cảm với sulfone (Hình S7).Những kết quả này minh họa tầm quan trọng của việc đưa vào nhiều loại sinh vật thủy sinh (bao gồm nhiều loại côn trùng) để tạo ra nồng độ thuốc trừ sâu thực tế có thể bảo vệ các sinh vật dưới nước.
Phương pháp SSD có thể bảo vệ các loài taxi hiếm hoặc không nhạy cảm mà EC50 không thể xác định được, chẳng hạn như Cinygmula sp., Isoperla Fulva và Brachycentrus Americanus.Các giá trị EC50 về độ phong phú của các taxon và độ phong phú có thể bay phản ánh những thay đổi trong thành phần cộng đồng phù hợp với các giá trị HC50 của SSD của fipronil, sulfone và sulfide.Giao thức hỗ trợ ý tưởng sau: Phương pháp SSD được sử dụng để lấy ngưỡng có thể bảo vệ toàn bộ cộng đồng, bao gồm cả các loài phân loại quý hiếm hoặc không nhạy cảm trong cộng đồng.Ngưỡng của các sinh vật dưới nước được xác định từ SSD chỉ dựa trên một số đơn vị phân loại hoặc đơn vị phân loại không nhạy cảm có thể không đủ để bảo vệ hệ sinh thái dưới nước.Đây là trường hợp của desulfinyl (Hình S6B).Do thiếu dữ liệu trong cơ sở dữ liệu ECOTOX, nồng độ cơ bản của động vật không xương sống mãn tính của EPA là 10.310 ng/L, cao hơn bốn bậc so với 3,55 ng/L của HC5.Kết quả của các bộ phản ứng taxon khác nhau được tạo ra trong các thí nghiệm siêu âm.Việc thiếu dữ liệu về độc tính đặc biệt là vấn đề đối với các hợp chất có thể phân hủy (Hình S6), điều này có thể giải thích tại sao các tiêu chuẩn sinh học thủy sinh hiện tại đối với sulfone và sulfide lại kém nhạy hơn khoảng 15 đến 30 lần so với giá trị SSD HC5 dựa trên China Universe.Ưu điểm của phương pháp màng trung bình là có thể xác định nhiều giá trị EC50 trong một thử nghiệm duy nhất, đủ để tạo thành một ổ SSD hoàn chỉnh (ví dụ: desulfinyl; Hình 4B và Hình S6B và S7B), đồng thời có tác động đáng kể về các đơn vị phân loại tự nhiên của hệ sinh thái được bảo vệ Nhiều phản hồi.
Các thí nghiệm siêu âm cho thấy fipronil và các sản phẩm thoái hóa của nó có thể có tác dụng phụ gián tiếp và dưới mức gây chết rõ ràng đối với chức năng cộng đồng.Trong thí nghiệm siêu âm, tất cả năm hợp chất fipronil dường như đều ảnh hưởng đến sự xuất hiện của côn trùng.Kết quả so sánh giữa nồng độ cao nhất và thấp nhất (ức chế và kích thích sự xuất hiện của từng cá thể hoặc thay đổi thời gian xuất hiện) phù hợp với kết quả được báo cáo trước đây của các thí nghiệm meso sử dụng thuốc trừ sâu bifenthrin (29).Sự xuất hiện của người trưởng thành mang lại những chức năng sinh thái quan trọng và có thể bị thay đổi bởi các chất ô nhiễm như fipronil (55, 56).Sự xuất hiện đồng thời không chỉ quan trọng đối với sự sinh sản của côn trùng và sự tồn tại của quần thể mà còn đối với việc cung cấp côn trùng trưởng thành, có thể dùng làm thức ăn cho động vật dưới nước và trên cạn (56).Ngăn chặn sự xuất hiện của cây con có thể ảnh hưởng xấu đến quá trình trao đổi thức ăn giữa hệ sinh thái dưới nước và hệ sinh thái ven sông, đồng thời lan truyền tác động của các chất ô nhiễm dưới nước vào hệ sinh thái trên cạn (55, 56).Sự giảm số lượng côn trùng ăn tảo (côn trùng ăn tảo) được quan sát thấy trong thí nghiệm ở quy mô trung bình đã dẫn đến việc giảm mức tiêu thụ tảo, dẫn đến sự gia tăng chất diệp lục a (Hình 3).Dòng dinh dưỡng này làm thay đổi dòng cacbon và nitơ trong mạng lưới thức ăn lỏng, tương tự như một nghiên cứu đánh giá tác động của pyrethroid bifenthrin đối với các cộng đồng sinh vật đáy (29).Do đó, phenylpyrazole, chẳng hạn như fipronil và các sản phẩm phân hủy của nó, pyrethroid và có lẽ cả các loại thuốc trừ sâu khác, có thể gián tiếp thúc đẩy sự gia tăng sinh khối tảo và sự xáo trộn cacbon và nitơ trong các dòng nhỏ.Các tác động khác có thể mở rộng đến sự phá hủy chu trình cacbon và nitơ giữa các hệ sinh thái dưới nước và trên cạn.
Thông tin thu được từ thử nghiệm màng trung bình cho phép chúng tôi đánh giá mức độ phù hợp về mặt sinh thái của nồng độ hợp chất fipronil được đo trong các nghiên cứu thực địa quy mô lớn được thực hiện ở năm vùng của Hoa Kỳ.Trong 444 dòng nhỏ, 17% nồng độ trung bình của một hoặc nhiều hợp chất fipronil (trung bình trong 4 tuần) vượt quá giá trị HC5 thu được từ thử nghiệm môi trường.Sử dụng SSD từ thí nghiệm quy mô trung bình để chuyển đổi nồng độ hợp chất fipronil đo được thành chỉ số liên quan đến độc tính, tức là tổng các đơn vị độc tính (ΣTUFipronils).Giá trị 1 biểu thị độc tính hoặc mức phơi nhiễm tích lũy của hợp chất fipronil vượt quá mức bảo vệ đã biết. Loài có giá trị 95%.Mối quan hệ đáng kể giữa ΣTUFipronil ở bốn trong năm khu vực và chỉ số Thuốc trừ sâu SPEAR đối với sức khỏe cộng đồng động vật không xương sống cho thấy rằng fipronil có thể ảnh hưởng xấu đến cộng đồng động vật không xương sống đáy ở các con sông ở nhiều vùng của Hoa Kỳ.Những kết quả này ủng hộ giả thuyết của Wolfram et al.(3) Nguy cơ của thuốc trừ sâu phenpyrazole đối với vùng nước mặt ở Hoa Kỳ vẫn chưa được hiểu đầy đủ vì tác động lên côn trùng thủy sinh xảy ra dưới ngưỡng quy định hiện hành.
Hầu hết các dòng suối có hàm lượng fipronil trên mức độc hại đều nằm ở khu vực phía đông nam tương đối đô thị hóa (https://webapps.usgs.gov/rsqa/#!/khu vực/SESQA).Đánh giá trước đây về khu vực này không chỉ kết luận rằng fipronil là tác nhân gây căng thẳng chính ảnh hưởng đến cấu trúc quần thể động vật không xương sống trong lạch mà còn cho thấy lượng oxy hòa tan thấp, chất dinh dưỡng tăng lên, dòng chảy thay đổi, suy thoái môi trường sống và các loại thuốc trừ sâu khác và loại chất gây ô nhiễm là một yếu tố quan trọng. nguồn gây căng thẳng (57).Sự kết hợp của các yếu tố gây căng thẳng này phù hợp với “hội chứng sông đô thị”, là sự suy thoái của hệ sinh thái sông thường được quan sát thấy liên quan đến việc sử dụng đất đô thị (58, 59).Dấu hiệu sử dụng đất đô thị ở khu vực Đông Nam Bộ đang ngày càng tăng và dự kiến ​​sẽ tăng lên khi dân số trong khu vực tăng lên.Tác động của việc phát triển đô thị và thuốc trừ sâu trong tương lai đối với dòng chảy đô thị dự kiến ​​sẽ tăng lên (4).Nếu quá trình đô thị hóa và việc sử dụng fipronil tiếp tục phát triển, việc sử dụng loại thuốc trừ sâu này ở các thành phố có thể ngày càng ảnh hưởng đến cộng đồng suối.Mặc dù phân tích tổng hợp kết luận rằng việc sử dụng thuốc trừ sâu nông nghiệp đe dọa hệ sinh thái dòng chảy toàn cầu (2, 60), chúng tôi cho rằng những đánh giá này đánh giá thấp tác động tổng thể toàn cầu của thuốc trừ sâu bằng cách loại trừ việc sử dụng ở đô thị.
Các yếu tố căng thẳng khác nhau, bao gồm cả thuốc trừ sâu, có thể ảnh hưởng đến cộng đồng động vật không xương sống ở các lưu vực sông phát triển (sử dụng đất đô thị, nông nghiệp và hỗn hợp) và có thể liên quan đến việc sử dụng đất (58, 59, 61).Mặc dù nghiên cứu này sử dụng chỉ báo Thuốc trừ sâu SPEAR và các đặc điểm độc tính của fipronil dành riêng cho sinh vật thủy sinh để giảm thiểu tác động của các yếu tố gây nhiễu, nhưng hiệu suất của chỉ báo Thuốc trừ sâu SPEAR có thể bị ảnh hưởng bởi sự suy thoái môi trường sống và fipronil có thể được so sánh với các loại thuốc trừ sâu khác liên quan đến (4, 17, 51, 57).Tuy nhiên, một mô hình đa tác nhân gây căng thẳng được phát triển bằng cách sử dụng các phép đo thực địa từ hai nghiên cứu khu vực đầu tiên (Trung Tây và Đông Nam) cho thấy thuốc trừ sâu là tác nhân gây căng thẳng quan trọng ở thượng nguồn đối với các điều kiện của cộng đồng động vật có xương sống ở các con sông lội nước.Trong các mô hình này, các biến giải thích quan trọng bao gồm thuốc trừ sâu (đặc biệt là bifenthrin), chất dinh dưỡng và đặc điểm môi trường sống ở hầu hết các dòng nông nghiệp ở Trung Tây và thuốc trừ sâu (đặc biệt là fipronil) ở hầu hết các thành phố ở phía đông nam.Những thay đổi về oxy, chất dinh dưỡng và dòng chảy (61, 62).Do đó, mặc dù các nghiên cứu trong khu vực cố gắng giải quyết tác động của các yếu tố gây căng thẳng không phải thuốc trừ sâu đối với các chỉ số phản ứng và điều chỉnh các chỉ số dự đoán để mô tả tác động của fipronil, kết quả thực địa của cuộc khảo sát này ủng hộ quan điểm của fipronil.) Nên được coi là một trong những nguồn gây áp lực ảnh hưởng lớn nhất đến các dòng sông ở Mỹ, đặc biệt là ở vùng Đông Nam nước Mỹ.
Sự suy thoái thuốc trừ sâu trong môi trường hiếm khi được ghi nhận, nhưng mối đe dọa đối với sinh vật dưới nước có thể gây hại nhiều hơn cơ thể bố mẹ.Trong trường hợp của fipronil, các nghiên cứu thực địa và thí nghiệm ở quy mô trung bình đã chỉ ra rằng các sản phẩm thoái hóa cũng phổ biến như thể gốc trong các dòng được lấy mẫu và có độc tính tương tự hoặc cao hơn (Bảng 1).Trong thí nghiệm màng trung bình, fluorobenzonitrile sulfone là chất độc nhất trong số các sản phẩm phân hủy thuốc trừ sâu được nghiên cứu và nó độc hơn hợp chất gốc và cũng được phát hiện ở tần số tương tự như tần số của hợp chất gốc.Nếu chỉ đo lượng thuốc trừ sâu gốc thì các sự kiện độc tính tiềm ẩn có thể không được nhận thấy và việc thiếu thông tin về độc tính trong quá trình phân hủy thuốc trừ sâu có nghĩa là sự xuất hiện và hậu quả của chúng có thể bị bỏ qua.Ví dụ, do thiếu thông tin về độc tính của các sản phẩm phân hủy, một đánh giá toàn diện về thuốc trừ sâu ở các dòng suối ở Thụy Sĩ đã được thực hiện, bao gồm 134 sản phẩm phân hủy thuốc trừ sâu và chỉ hợp chất gốc được coi là hợp chất gốc trong đánh giá rủi ro độc tính sinh thái.
Kết quả đánh giá rủi ro sinh thái này chỉ ra rằng các hợp chất fipronil có tác động bất lợi đến sức khỏe dòng sông, do đó có thể suy luận một cách hợp lý rằng tác động bất lợi có thể được quan sát thấy ở bất cứ nơi nào mà hợp chất fipronil vượt quá mức HC5.Kết quả của các thí nghiệm siêu âm không phụ thuộc vào vị trí, cho thấy nồng độ fipronil và các sản phẩm phân hủy của nó trong nhiều loài phân loại dòng thấp hơn nhiều so với ghi nhận trước đây.Chúng tôi tin rằng phát hiện này có thể sẽ được mở rộng tới các sinh vật nguyên sinh ở các dòng suối nguyên sơ ở bất cứ đâu.Kết quả của thí nghiệm quy mô trung bình đã được áp dụng cho các nghiên cứu thực địa quy mô lớn (444 dòng suối nhỏ bao gồm các mục đích sử dụng hỗn hợp đô thị, nông nghiệp và đất đai trên năm khu vực chính ở Hoa Kỳ) và người ta nhận thấy rằng sự tập trung của nhiều dòng suối nơi phát hiện fipronil được dự kiến ​​là. Độc tính thu được cho thấy những kết quả này có thể mở rộng sang các quốc gia khác nơi sử dụng fipronil.Theo báo cáo, số người sử dụng Fipronil ngày càng tăng ở Nhật Bản, Anh và Mỹ (7).Fipronil có mặt ở hầu hết các châu lục, bao gồm Úc, Nam Mỹ và Châu Phi (https://coherentmarketinsights.com/market-insight/fipronil-market-2208).Kết quả của các nghiên cứu từ trung bình đến hiện trường được trình bày ở đây chỉ ra rằng việc sử dụng fipronil có thể có ý nghĩa sinh thái trên quy mô toàn cầu.
Để biết tài liệu bổ sung cho bài viết này, vui lòng xem http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/43/eabc1299/DC1
Đây là một bài viết truy cập mở được phân phối theo các điều khoản của Giấy phép Creative Commons Ghi công-Phi thương mại, cho phép sử dụng, phân phối và sao chép dưới bất kỳ phương tiện nào, miễn là việc sử dụng cuối cùng không phải vì lợi ích thương mại và tiền đề là tác phẩm gốc là chính xác.Thẩm quyền giải quyết.
Lưu ý: Chúng tôi chỉ yêu cầu bạn cung cấp địa chỉ email của mình để người được bạn giới thiệu vào trang biết rằng bạn muốn họ xem email và đó không phải là thư rác.Chúng tôi sẽ không nắm bắt bất kỳ địa chỉ email nào.
Câu hỏi này được sử dụng để kiểm tra xem bạn có phải là khách truy cập hay không và ngăn chặn việc gửi thư rác tự động.
Janet L. Miller, Travis S. Schmidt, Peter C. Van Meter, Barbara Mahler ( Barbara J. Mahler, Mark W. Sandstrom, Lisa H. Nowell, Daren M. Carlisle, Patrick W. Moran
Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng các loại thuốc trừ sâu thông thường thường được phát hiện ở các dòng suối ở Mỹ độc hại hơn người ta nghĩ trước đây.
Janet L. Miller, Travis S. Schmidt, Peter C. Van Meter, Barbara Mahler ( Barbara J. Mahler, Mark W. Sandstrom, Lisa H. Nowell, Daren M. Carlisle, Patrick W. Moran
Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng các loại thuốc trừ sâu thông thường thường được phát hiện ở các dòng suối ở Mỹ độc hại hơn người ta nghĩ trước đây.
©2021 Hiệp hội vì sự tiến bộ của khoa học Hoa Kỳ.Đã đăng ký Bản quyền.AAAS là đối tác của HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef và COUNTER.Khoa học nâng cao ISSN 2375-2548.