Evolutionair-ecologische studie naar synergetische (bio)pesticidencocktails op de steekmug Culex quinquefasciatus en zijn competitor de watervlo Daphina magna.

Natuurlijke populaties worden in toenemende mate geconfronteerd met meerdere stressoren. Hun vermogen om met interacterende stressorcombinaties om te gaan zal cruciaal zijn voor hun lokale persistentie. Populaties van doelsoorten worden doorgaans blootgesteld aan pesticidemengsels en natuurlijke stressfactoren. Deze populaties ontwikkelen steeds meer resistentie tegen afzonderlijke pesticiden. Desalniettemin hebben we een slechte kennis of natuurlijke stressoren en de aanwezigheid van resistentie tegen pesticiden de toxiciteit van pesticidemengsels beïnvloeden. Om de efficiëntie van pesticidemengsels te beoordelen en de ecologische schade aan niet-doelsoorten te verminderen, is het belangrijk om het effect van pesticidemengsels te kwantificeren en ze te vergelijken met het effect van hun afzonderlijke pesticiden op doelsoorten, niet-doelsoorten en hun predator-prooi interacties. Natuurlijke stressfactoren die wijdverspreid zijn in zoetwatersystemen zijn onder andere predatierisico en opwarming. Beide stressoren kunnen de toxiciteit van afzonderlijke pesticiden vergroten. Dit laatste patroon is vastgelegd in het "Climate-induced toxicant sensitivity" (CITS) concept. Desalniettemin zijn afwijkingen van dit algemene patroon vastgesteld. Om inzichten te bevorderen, is het noodzakelijk om de onderliggende moleculaire stressmechanismen van de CITS-patronen te identificeren. Veel onderzoek naar het effect van klimaatsopwarming op de toxiciteit van pesticiden, bestudeert voornamelijk de effecten van een hogere gemiddelde temperatuur op de toxiciteit. Echter, de effecten van het realistische scenario van dagelijkse temperatuurvariatie (DTV, dat een essentieel onderdeel is van de opwarming van de aarde), zijn nog onvoldoende bestudeerd. In deze context zijn ontwikkelingsstadia en gevolgen voor biotische interacties zoals competitie ook grotendeels genegeerd.

In de Hoofdstukken 1-2 (Deel I) heb ik de enkelvoudige en gecombineerde effecten van het pesticide chloorpyrifos en het biopesticide Bacillus thuringiensis israelensis (Bti) getest op de overleving van een chloorpyrifos-resistente en niet-resistente lijn van de zuidelijke huismug Culex quinquefasciatus. In Hoofdstuk 1 heb ik onderzocht of deze effecten van chloorpyrifos en/of Bti werden versterkt door synthetische predatorgeurstoffen van Notonecta bootsmannetjes. Blootstelling aan Bti veroorzaakte sterfte in beide lijnen en blootstelling aan chloorpyrifos veroorzaakte alleen sterfte in de niet-resistente lijn, terwijl predatorgeurstoffen geen sterfte veroorzaakten. De chloorpyrifos-resistente lijn was gevoeliger voor Bti, wat wijst op een kostprijs van resistentie. De interactietypes tussen chloorpyrifos en Bti (additief), tussen chloorpyrifos en predatorgeurstoffen (additief) en tussen Bti en predatorgeurstoffen (additief) waren consistent in beide lijnen. In Hoofdstuk 2 testte ik de effecten van chloorpyrifos en/of Bti op de sterfte door predatie door het dwergbootsmannetje Plea minutissima (natuurlijke controle). Na blootstelling aan het pesticidemengsel was er een gelijke sterfte door predatie in beide muggenlijnen. Na blootstelling aan chloorpyrifos was er zoals verwacht een lagere sterfte door predatie in de chloorpyrifos-resistente muggenlijn in vergelijking met de niet-resistente lijn. Ten slotte, na blootstelling aan Bti werden er meer muggenlarven van de resistente lijn gedood door predatie in vergelijking met de niet-resistente lijn waarbij een predatiekost van resistentie zichtbaar was in aanwezigheid van Bti. Deel I benadrukt het geïntegreerde gebruik van Bti en natuurlijke bestrijding door predatoren als een veelbelovende strategie om de opbouw van resistentie tegen te gaan en de populaties van vectormuggen onder controle te houden.

In de Hoofdstukken 3-5 (Deel II) heb ik getest of dagelijkse temperatuurvariatie (DTV) de toxiciteit van chloorpyrifos verhoogd in de noordelijke huismug Culex pipiens. In Hoofdstuk 3 heb ik ook onderzocht of DTV de toxiciteit van Bti alleen en/of de gecombineerde toxiciteit van Bti met chloorpyrifos verhoogd. DTV op zich was niet dodelijk en verhoogde de toxiciteit van de afzonderlijke pesticiden niet. Een belangrijke nieuwe bevinding was dat de hoge DTV de mortaliteit van het pesticidemengsel verhoogde waarbij de interactie tussen beide pesticiden van additief naar synergetisch veranderde. In Hoofdstuk 4 heb ik getest of het effect van DTV en de interactie met chloorpyrifos afhankelijk was van het ontwikkelingsstadium. DTV had geen directe negatieve effecten en veranderde de toxiciteit van het pesticide niet. Blootstelling aan chloorpyrifos bij een constante temperatuur veroorzaakte sterfte en verminderde de hittetolerantie bij zowel larven als volwassen mannetjes, maar niet bij volwassen vrouwtjes. Deze pesticide-geïnduceerde vermindering in hittetolerantie is in lijn met het TICS-concept ("toxicant-induced climate change sensitivity"). Deze resultaten tonen aan dat de aanwezigheid van het TICS concept kan afhangen van de sekse. Vervolgens interacteerde DTV synergetisch met chloorpyrifos voor de hittetolerantie van de larven en volwassen vrouwtjes. Daardoor verhoogde DTV de door chloorpyrifos geïnduceerde afname van hittetolerantie, wat een onderbouwing gaf voor de wederzijdse effecten tussen DTV en pesticiden. Hierbij is er dus een koppeling van de TICS- en CITS-concepten. Deze TICS-CITS koppeling was afhankelijk van het ontwikkelingsstadium aangezien het interactie type tussen DTV en chloorpyrifos additief was voor volwassen mannetjes. In Hoofdstuk 5 bestudeerde ik ook het effect van competitie met de watervlo Daphnia magna op de interactie-effecten tussen DTV en chloorpyrifos op de muggenlarven. In dit experiment veroorzaakte blootstelling aan een pesticide geen sterfte in de aanwezigheid van DTV als gevolg van een versnelde afbraak van het pesticide in de aanwezigheid van DTV. Dit is niet in lijn met het algemene patroon van het CITS-concept. Er was ook geen significant effect van interspecifieke competitie op sterfte, noch had interspecifieke competitie invloed op de interactie tussen het pesticide en DTV. Samen benadrukken deze hoofdstukken het belang om bij de risicobeoordeling van pesticiden rekening te houden met de effecten van DTV op de toxiciteit van pesticiden en op de blootstelling aan pesticiden.

In de Hoofdstukken 6-7 (Deel III) heb ik larven van de noordelijke huismug Culex pipiens blootgesteld aan drie concentraties van het pesticide chloorpyrifos (afwezigheid, laag effect en hoog effect) bij afwezigheid en aanwezigheid van 4 °C opwarming. In Hoofdstuk 6 liet ik zien dat zowel de concentraties chloorpyrifos met een laag effect als met een hoog effect dodelijk waren en verschillende negatieve subletale effecten veroorzaakten: de activiteit van acetylcholinesterase (AChE) en het totale vetgehalte namen af, de oxidatieve schade aan lipiden nam toe, maar daarnaast nam ook de groeisnelheid toe. Opwarming was in beperkte mate dodelijk, maar had toch positieve subletale effecten: groeisnelheid, totaal vetgehalte en de metabolische activiteit namen toe en de oxidatieve schade aan lipiden nam af. Voor vier van de zeven responsvariabelen identificeerde het independent action (IA) model de verwachte synergetische interactie tussen chloorpyrifos en opwarming. Voor drie variabelen (overleving, AChE en vetgehalte) was dit echter sterk afhankelijk van concentratie de chloorpyrifos en voor twee daarvan (AChE en vetgehalte) was dit niet geassocieerd met een significante interactie in de general(ised) lineaire modellen. In Hoofdstuk 7 heb ik de effecten van chloorpyrifos onder opwarming getest op het niveau van genexpressie. Door het IA model op RNA-seq-data toe te passen, bevestigde ik mijn hypothese dat synergetische interacties tussen beide stressoren op fenotypisch niveau worden ondersteund door een hogere frequentie of sterkte van antagonistische opwaartse regulaties (minder opwaarts gereguleerd dan verwacht op basis van reacties op de afzonderlijke stressoren) en synergetische neerwaartse regulaties (meer neerwaarts gereguleerd dan verwacht) van algemene stressverdedigingsreactiegenen (bescherming van macromoleculen, antioxidantprocessen, detoxificatie en energiemetabolisme/-transport).

Deze resultaten zijn relevant voor het verbeteren van strategieën voor de bestrijding van vectormuggen, voor het resistentiebeheer en voor de ecologische risicoanalyse van pesticiden. Een nieuwe kost van resistentie tegen een chemisch bestrijdingsmiddel werd geïdentificeerd in termen van verhoogde kwetsbaarheid voor een biopesticide en predatie na blootstelling aan het biopesticide. Bovendien vereist de vondst van een hogere toxiciteit van het pesticidemengsel bij hoge DTV in vergelijking met de doorgaans gebruikte constante testtemperaturen in het laboratorium voorzichtigheid bij het evalueren van de milieu-impact van pesticidemengsels. Niet alleen de effecten van DTV op de toxiciteit van pesticiden, maar ook op de degradatie en dus de blootstelling aan pesticiden moeten in ecotox-testen worden overwogen. Ik heb verschillende factoren geïdentificeerd die de detectie van het CITS-concept kunnen beïnvloeden: afhankelijkheid van concentratie, resistente lijnen, ontwikkelingsstadium, sekse en geschikte nulmodeltesten. Deze factoren zijn belangrijk om in rekening te brengen bij het bestuderen van de toxiciteit van pesticiden onder klimaatsopwarming. Ten slotte ontwikkelde ik richtlijnen om het interactietype voor genexpressiedata formeel te testen. Op basis van deze methode, kon ik aantonen dat een kwantitatieve analyse van de frequentie en sterkte van de interactietypen van algemene stressverdedigingsreactiegenen, specifiek gericht op antagonistische opwaartse reguleringen en synergistische neerwaartse reguleringen, de mechanistische inzichten kan bevorderen van hoe stressoren de toxiciteit van pesticiden wijzigen.