Ecological effects of pesticides in freshwater model ecosystems

Abstract

In this thesis I have investigated the effects of pesticide exposure on the ecosystem level using various types of experimental ecosystems, i.e. microcosms. The direct effect of exposure to cyperemthrin, a pyretroid insecticide, was a rapid decrease of crustancean zooplankton in enclosures in a lake. In the exposed enclosures the biomass of algae, heterotrophic nanoflagellates, ciliates and bacteria increased, likely due to indirect effects of the exposure to cypermethrin. The effects of a sulfonylurea herbicide, metsulfuron-methyl, were investigated in two studies. The experiments showed that the macrophytes were negatively affected following exposure to concentrations of metsulfuron-methyl at which no negative effects were observed on the algal communities. Instead the algae proliferated in the exposed microcosms. The alterations of the primary producing community propagated to the zooplankton, and the species composition of the zooplankton community was altered, which thus was an indirect effect of exposure to metsulfuron-methyl. Hence, these studies show that both insecticides (i.e. cypermethrin) and herbicides (i.e. metsulfuron-methyl), through different mechanisms, can induce a competitive advantage for the algal communities in relation to the macrophytes. This suggests that exposure to pesticides may shift an aquatic ecosystem over to an algal dominated turbid state, i.e. cause alterations similar to changes induced by eutrophication. Furthermore, a study of the effects of a pesticide mixture on aquatic model ecosystems of different trophic status, indicated that the structure and trophic status of aquatic ecosystems is important for the final outcome of pesticide exposure. The effects of the pesticide treatment on the macrophytes and their associated algal community was different in the mesotrophic compared to the eutrophic model ecosystems and the effects were observed at lower concentrations in the mesothrophic microcosms.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Bekämpningsmedel och algblomningar - finns det någon koppling?



Inom det konventionella jordbruket används idag regelmässigt stora mängder bekämpnings-medel, bara i sverige spreds under år 2001 mer än 1700 ton kemiska bekämpnings-medel på åkrarna. Ett stort problem med användandet av dessa ämnen är risken att de sprids och förorenar den intilliggande naturen. De kan driva med vinden när bonden sprutar sina fält, eller följa med vattnet från åkrarna efter regn, och på så sätt hamna i sjöar och vattendrag. I vatten-prover som är tagna från olika sjöar och vattendrag i Sverige mellan åren 1985 och 2001 så hittade man till exempel rester av bekämpnings-medel i mer än 40 % av proverna (Törnquist et al. 2002). Tyvärr så är bekämpnings-medlen ofta giftiga även för andra organismer än de skadedjur och ogräs som de egentligen är avsedda för. Om bekämpnings-medlen hamnar i en sjö så kan därför djur och växter som lever i sjön skadas. Olika typer av bekämpnings-medel slår mot olika grupper av organismer. Växt-bekämpnings-medel skadar främst vattenväxter och alger (alltså de små mikroskopiska växterna som antingen lever fritt i vatten-massan eller växer på ytor t.ex. på blad), medan insekts-bekämpnings-medel särskilt påverkar vatten-levande insekter, som till exempel vattengråsuggor och sländelarver, och även vissa grupper av zooplankton (mikroskopiska vattenlevande djur). Ett sätt att undersöka hur en sjö påverkas om den utsätts för gifter är att använda konstgjorda dammar. Dammarna kan liknas vid jättestora akvarier där man försöker skapa ett system som liknar en sjö genom att ta in djur och växter från naturliga ekosystem. Under mitt arbete så har jag undersökt effekterna både av insekts- och växtbekämpningsmedel i olika typer av konstgjorda dammar. Den effekt som vi först såg i de konst-gjorda ekosystem som vi utsattes för insekts-bekämpnings-medel (cyper-methrin) var att zoo-planktonen, alltså de små vattenlevande djuren, försvann eller minskade kraftigt. Den här direkta effekten av giftet fortplantade sig sedan till andra delar av ekosystemet. Antalet alger blev fler i de konstgjorda dammar som exponerats för insekts-bekämpnings-medlet. Det berodde antagligen på att det inte längre fanns lika många djur, dvs. några zoo-plankton, som betade på algerna där (se figur 1 i avhandlingen). Vi har även undersökt hur ett växt-bekämpnings-medel (metsulfuron-mehyl) kan tänkas påverka en sjö. Växtbekämpnings-medlen är tillverkade för att utrota ogräsväxter och följaktligen var den första direkta effekten vi såg en kraftigt minskad tillväxt av vatten-växterna. Denna minskade tillväxt av vatten-växterna gjorde att vatten-växterna tog upp mindre näring och att det därför blev mer näring kvar i vattnet i de förorenade systemen. Denna extra näring utnyttjades av algerna, och mängden alger ökade således i de system där vi hade tillsatt växt-bekämpnings-medel (se figur 2 och 3 i av-handlingen). Detta kan tyckas vara konstigt eftersom även alger är växter och därför borde skadas av växt-bekämpnings-medlet. Varför algerna inte påverkades vet vi inte riktigt. En förklaring kan vara, att alger, även om de är nära släkt med kärlväxter, ändå har någon egenskap som gör att de inte skadas av just detta växt-bekämpnings-medel (metsulfuron-methyl). Detta gäller inte generellt för växt-bekämpnings-medel, utan det finns även ämnen som påverkar alger. Algblomningar och andra förändringar av sjöar som följer av över-gödning är idag ett stort problem i många länder, inte bara i Sverige. Hittills har man skyllt de här fenomenen framförallt på en ökad näringstillförsel, orsakad av utsläpp av närings-ämnen från t.ex. jordbruk och reningsverk. Våra och även tidigare studier tyder dock på att algblomningar också skulle kunna orsakas av att balansen i ett ekosystems störs genom att de förorenas med bekämpnings-medel, och således att bekämpnings-medels användningen kan bidra till de övergödnings förändringarna som vi ser i sjöar i jordbruks-områden.

• author: Wendt-Rasch, Lina
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Dr Brook, Theo C.M.
• organization: Department of Biology
• publishing date: 2003
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Ecology
• keywords: marine biology, aquatic ecology, limnology, Marinbiologi, Hydrobiology, community, zooplankton, algae, herbicide, insecticide, pesticide mixture, macrophytes, cypermethrin, metsulfuron-methyl, risk assessment, pesticides, microcosms, limnologi, akvatisk ekologi
• pages: 140 pages
• defense location: Ecology building, Blå hallen
• defense date: 2003-02-28 10:15:00
• external identifiers: other:ISRN: SE-LUNDBDS/NBKE-03/1030+140PP
• ISBN: 91-7105-186-4
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: I.U.Friberg-Jensen,L.Wendt-Rasch,P.Woin and K.Christoffersen.Effects of the pyrethroid insecticide cypermethrin on a freshwater communitystudied under field conditions.I.Direct and indirect effects on abundancemeasures of organisms at different trophic levels.Aquatic Toxicology (in press).II.L.Wendt-Rasch,U.Friberg-Jensen,P.Woin,and K.Christoffersen.Effects of the pyrethroid insecticide cypermethrin on a freshwater community studiedunder field conditions.II.Direct and indirect effects on the species composition.Aquatic Toxicology (in press).III.L.Wendt-Rasch and K.Gustafsson.Effects of a sulfonylurea herbicide on macrophyte dominated experimental ecosystems.I.Biomass distributionat different trophic levels.(Manuscript ).IV.K.Gustafsson,L.Wendt-Rasch and P.Woin.Effects of a sulfonylurea herbicide on macrophyte dominated experimental ecosystems.II.Effects on communitycomposition and growth of Elodea canadensis.(Manuscript).V.L.Wendt-Rasch,P.Woin and P.Pirzadeh.Effects of metsulfuron-methyl and cypermethrin exposure on freshwater model ecosystems.Aquatic Toxicology (in press).VI.L.Wendt-Rasch,P.Van den Brink,S.J.H.Crum and P.Woin.The effects of a pesticide mixture on aquatic ecosystems differing in trophic status:responses ofthe macrophyte Myriophyllum spicatum and the periphytic algal community.(Submitted Manuscript). The information about affiliations in this record was updated in December 2015. The record was previously connected to the following departments: Chemical Ecology/Ecotoxicology (Closed 2011) (011006020)
• id: f9ad322f-8b59-4f62-a227-49eed951da0b (old id 465463)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:09:46
• date last changed: 2018-11-21 21:03:03