Is the prediction of toxicity of a tank mixture to non-target species through concentration addition model dependent on the test organism group?

Abstract

O uso de Produtos de Proteção de Plantas (PPPs) em campos agrícolas para proteger as lavouras contra ervas daninhas, pragas e doenças nas plantas tem sido uma parte essencial do manejo da lavoura ao longo dos anos. A ocorrência simultânea de uma grande variedade de organismos prejudiciais em um mesmo campo, tem levado os agricultores a adotarem novas formas de manejo da cultura, como a mistura de produtos fitossaniários em um tanque para aplicação, a fim de reduzir custos. As misturas em tanques consistem em misturar dois ou mais produtos químicos (e.g. pesticidas ou fertilizantes) no tanque de um equipamento pulverizador e aplicá-los simultaneamente no campo. A mistura pode ser composta de PPPs com um ou vários ingredientes ativos (a.i). A atual Avaliação de Risco Ambiental (ERA) na União Europeia, os dados ecotoxicológicos são necessários apenas para a.i puro e para PPPs individuais, com o risco combinado de vários pesticidas não sendo considerado no processo de pré-autorização. No entanto, a exposição de PPPs combinados, geralmente com mais de um a.i. na mistura, pode levar a efeitos adversos que podem desviar da toxicidade aditiva de pesticidas individuais (i.e. efeitos sinérgicos/antagônicos), podendo representar um risco para organismos não-alvo. Para prever o comportamento entre PPPs, modelos são utilizados, sendo o modelo de adição de concentração (CA) o mais utilizado para fins regulatórios. Este modelo assume que os componentes da mistura têm modo de ação semelhante, sendo cada componente da mistura um agente diluente do outro, agindo de forma aditiva. Organismos do solo responsáveis por papéis-chave no ecossistema, como minhocas, colêmbolos e plantas superiores não-alvo, estão constantemente expostos à aplicação de misturas de pesticidas com mais de um a.i na mistura. No entanto, esses organismos podem ter diferentes sensibilidades à exposição de uma mistura de PPPs, uma vez que representam diferentes vias de exposição. Este estudo foi desenvolvido com o objetivo de: 1) Avaliar o efeito de uma mistura em tanque composta por PPPs com diferentes modos de ação a organismos não-alvo de solo de diferentes grupos ecológicos, representativos de diferentes vias de exposição; 2) Avaliar se o modelo CA é adequado para prever a toxicidade da mistura, independentemente do grupo de organismos de teste. Com base nesses objetivos, foram consideradas duas hipóteses de trabalho: 1) A mistura do tanque selecionada para o estudo é tóxica para todas as espécies não-alvo utilizadas nos experimentos mesmo em concentrações inferiores às respectivas doses recomendadas de cada PPP que compõe a mistura do tanque e 2) O modelo de adição de concentração é adequado para prever a toxicidade da mistura de pesticidas para os organismos de teste e os desvios para o modelo de CA são independentes do grupo de organismos.Para isso, no Capítulo II foram avaliados os efeitos individuais e em mistura de três PPPs com diferentes modos de ação, usando o modelo CA, em espécies de solo não-alvo. Foram utilizados PPPs de pendimetalina como Podium® (herbicida), clorantraniliprol como Coragen® (inseticida) e mancozeb+metalaxil-M como Ridomil Gold Mz Pépite® (fungicida). Para isso, foram realizados testes laboratoriais padronizados em solo artificial e quatro espécies não-alvo representando diferentes vias de exposição aos PPPs: duas plantas (monocotiledônea Avena sativa e eudicotiledônea Brassica rapa) e dois invertebrados (Artrópode Folsomia candida e Oligochaete Eisenia andrei). A resposta fitotóxica na emergência e peso seco para as espécies de plantas e mortalidade e reprodução para invertebrados do solo foram escolhidos como endpoints para avaliar os efeitos únicos e combinados de PPPs. Nos testes individuais, o PPP de clorantraniliprol foi tóxico apenas para F. candida, enquanto o PPP de mancozeb + metalaxil-M foi mais tóxico para F. candida, mas também revelou toxicidade para E. andrei. O PPP de pendimetalina foi mais tóxico para A. sativa, seguido por E. andrei, F. candida e B. rapa. As doses tóxicas para cada PPP individualmente foram sempre superiores às doses máximas de campo dos respectivos produtos. A mistura dos três PPPs revelou aditividade quando testada em A. sativa e B. rapa. No entanto, desvios do modelo foram traduzidos em antagonismo quando testados em E. andrei e sinergismo em F. candida. As diferentes sensibilidades das espécies à mistura de PPPs sugerem que a reação à mistura teste depende da via de exposição do organismo testado.Este estudo reforça a necessidade de compreender melhor a toxicidade associada ao uso de PPPs combinados e seu risco para organismos não-alvo de diferentes grupos ecológicos, incluindo a adequação do modelo de CA para prever os efeitos tóxicos.

The use of Plant Protection Products (PPPs) in agricultural fields to protect crops against weeds, pests and diseases in plants, have been an essential part of crop management over the years. The simultaneous occurrence of a large variety of harmful organisms in the same field has led farmers to adopt new ways of crop management such as mixing pesticides in a tank for application in order to reduce costs. Tank mixtures consist in mixing two or more chemicals (e.g. pesticides or fertilizers) in the tank of a sprayer equipment and applying them simultaneously in the fields. The mixture can be composed of PPPs with single or multiple active ingredients (a.i). Current Environmental Risk Assessment (ERA) at the European Union, ecotoxicological data are only required for pure a.i and for individual PPPs, with the combined risk of multiple pesticides being not considered in the pre-authorization process. However, the exposure of combined PPPs, usually with more than one a.i. in the mixture, can lead to adverse effects than can deviate from the additive toxicity of single pesticides (i.e. synergistic/antagonistic effects) which may pose a risk to non-target organisms. To predict the behavior between chemicals, models have been used, being the Concentration Addition model (CA) the most used for regulatory purposes. This model assumes that the components of the mixture have similar mode of action, with each component of the mixture being a diluent agent of the other(s), acting in an additive manner. Soil organisms responsible for key roles in the ecosystem, such as earthworms, collembolans and non-target higher plants, are constantly exposed to the application of pesticides mixtures with more than one a.i in the mixture. However, these organisms may have different sensibilities to the exposure of a pesticide mixture, since they represent different routes of exposure. This study was developed with the aim of: 1) Assess the effect of a tank mixture composed of PPPs with different modes of action to non-target soil organisms from different ecological groups, representative of different routes of exposure and 2) Evaluate if the CA model is adequate to predict the mixture’s toxicity independently of the test organism group. Based on these objectives, two working hypotheses were considered: 1) The tank mixture selected for the study is toxic for all non-target species used in the experiments even at concentrations lower than the respective recommended doses of each PPP that composes the tank mixture and 2) The Concentration Addition model is adequate to predict the toxicity of the pesticide mixture to the test organisms and the deviations to the CA model is independent on the organisms group. To attain these purposes, in Chapter II it was assessed the single and combined effects of three PPPs with different modes of action, using the CA model, on non-target soil species. PPPs of pendimethalin as Podium® (herbicide), chlorantraniliprole as Coragen® (insecticide) and mancozeb+metalaxyl-M as Ridomil Gold Mz Pépite® (fungicide) were used. For this purpose, standardized laboratory tests were conducted using artificial soil and four non-target species representing different routes of exposure to PPPs: two plants (monocotyledon Avena sativa and eudicotyledon Brassica rapa) and two invertebrates (Arthropod Folsomia candida and Oligochaete Eisenia andrei). Phytotoxic response in emergence and dry weight to the plant species and mortality and reproduction to soil invertebrates were chosen as endpoints to assess the single and combined effects of PPPs. In individual tests, the PPP of chlorantraniliprole was toxic only to F. candida, while the PPP of mancozeb+metalaxyl-M was more toxic to F. candida, but also revealed toxicity to E. andrei. The PPP of pendimethalin was more toxic to A. sativa, followed by E. andrei, F. candida and B. rapa. The toxic doses for each PPP individually were always higher than the highest field doses of the respective products. The mixture of the three PPPs revealed additivity when tested in A. sativa and B. rapa. However, deviations from the conceptual model were translated into antagonism when tested in the E. andrei species and synergism to F. candida species. The different sensitivities of the species to the PPP mixture suggest that the reaction to the test mixture depends on the route of exposure of the test organism.This study reinforces the need to better understand the toxicity associated with the use of combined PPPs and its risk to non-target organisms of different ecological groups, including the adequacy of the CA model to predict the toxic effects.