Štúdia priniesla prekvapujúce zistenia o účinkoch neonikotinoidových insekticídov na tepelnú toleranciu včiel.
Úvod a význam štúdie
Včela medonosná (Apis mellifera) predstavuje jediný najhodnotnejší opeľovač na svete. V samotných Spojených štátoch poskytujú medonosné včely opeľovacie služby v hodnote najmenej 15 miliárd dolárov ročne a generujú 300 až 500 miliónov dolárov z medu a iných produktov. Zdravie včelstiev a ich prežívanie je však ohrozené množstvom stresových faktorov vrátane straty biotopov, parazitov, chorôb, pesticídov a nedostatočnej výživy.
Klimatická zmena predstavuje nový, významný stresový faktor, ktorý mení globálne teploty, zrážky a vzory vetra. Očakávajú sa častejšie a intenzívnejšie extrémne poveternostné udalosti, ktoré pravdepodobne zostrujú účinky už existujúcich stresorov na včely. Hoci niekoľko štúdií dokazuje, že kombinované účinky stresorov sú pre včely škodlivejšie než jednotlivé stresory, fyziologické a behaviorálne odpovede medonosných včiel na zvýšené teploty pri súčasnom vplyve jedného alebo viacerých stresorov zostávajú do veľkej miery neznáme.
Cieľ a hypotéza výskumu
Táto štúdia si kladie za cieľ posúdiť účinok akútnych, subletálnych dávek dvoch neonikotinoidových insekticídov – imidaklopridu a acetamipridu – na tepelnú toleranciu medonosných včiel. Vedci použili dávky 1/5, 1/20 a 1/100 z LD50 (letálna dávka pre 50 % populácie) a merali tepelnú toleranciu včiel 4 hodiny po kŕmení pomocou dynamických aj statických protokolov.
Výskumníci si zvolili tieto dva systémové neonikotinoidové insekticídy, pretože sú široko používané v poľnohospodárstve na kontrolu škodcov a bolo zdokumentované, že spôsobujú škodlivé účinky na medonosné včely. Hoci je imidakloprid toxickejší pre včely než acetamiprid, subletálne dávky oboch insekticídov podobne ovplyvňujú ich fyziológiu a správanie, vrátane učenia, pamäti, navigácie domov, kŕmenia, imunokompetencii a náchylnosti na parazity.
Vzhľadom na synergické účinky neonikotinoidov s inými stresormi hypotéza predpokladala, že včely exponované akútnym subletálnym dávkam insekticídov budú vykazovať nižšie kritické tepelné maximum (CTMax) a zníženú mieru prežitia v porovnaní s jedincami neexponovanými insekticídom.
Metodológia
Výskumníci použili lietavky z včelína na Univerzite v Kansase. Navonok boli včely trénované kŕmiť sa pri kŕmidlach obsahujúcich 1,5 M roztok sacharózy ochutený levanduľou alebo mätou. Včely boli odchytené do sklenených skúmaviek, imobilizované v chladničke a umiestnené do 2 ml plastových skúmaviek, kde ich kŕmili do sýtosti. Všetky včely boli držané cez noc pri izbovej teplote pred experimentom.
Dynamický protokol: Meralo sa kritické tepelné maximum (CTMax) – teplota, pri ktorej organizmus stráca motorickú kontrolu. Včely boli umiestnené jednotlivo v zapečatených sklenených skúmavkách a ponorené vo vodnom kúpeli. Začínalo sa pri teplote 26 °C a teplota sa zvyšovala o 1 °C každé 2,5 minúty. CTMax bol definovaný ako teplota, pri ktorej včela stratila svalovú kontrolu, spontánne sa prevráti na chrbát a začína kŕčovito sa pohybovať.
Statický protokol: Včely boli exponované konštantnej teplote 43 °C v inkubátore a ich prežívanie bolo monitorované každú hodinu počas 5 hodín. Tento experiment hodnotil schopnosť včiel tolerovať udalosť tepelného stresu.
Hlavné zistenia – prekvapujúce výsledky
Entóne k očakávaniam výskumníkov, akútna expozícia subletálnym dávkam oboch insekticídov mala pozitívny účinok na tepelnú toleranciu včiel a ich prežívanie po udalosti tepelného stresu.
Kritické tepelné maximum (CTMax)
Kritické tepelné maximum lietaviek sa líšilo medzi ošetreniami pri expozícii obom insekticídom. Pre imidakloprid sa zistili rozdiely v CTMax medzi kontrolnou skupinou a všetkými ošetrenými včelami. CTMax včiel bol podobný medzi ošetreniami imidakloridom, okrem najvyššej dávky (1/5 LD50), a v priemere bol o 3,3 °C až 5,1 °C vyšší než v kontrolnej skupine.
Pre acetamiprid bol zistený podobný vzor, okrem toho, že CTMax včiel kŕmených najnižšou dávkou bol podobný kontrolnej skupine. Včely kŕmené dvomi najvyššími dávkami (1/20 a 1/5 LD50) vykazovali vyššie CTMax v priemere o 2,2 °C až 2,7 °C oproti kontrolnej skupine a včelám kŕmeným najnižšou dávkou.
Prežívanie počas tepelného stresu
Prežívanie včiel sa tiež líšilo medzi ošetreniami pre oba insekticídy. Vo všeobecnosti prežívanie rýchlo klesalo v čase u včiel kontrolnej skupiny aj tých kŕmených najnižšou dávkou (1/100 LD50). Včely kŕmené vyššími subletálnymi dávkami však vykazovali vyššie miery prežitia.
V porovnaní s kontrolnou skupinou ukazovali hazard ratios (HR), že úmrtnosť bola redukovaná od 67 % (HR: 0,33) u včiel kŕmených 1/20 LD50 acetamipridu, až po 87 % (HR: 0,13) u včiel kŕmených 1/5 LD50 imidaklopridu. Pre imidakloprid sa zistili rozdiely v prežívaní včiel medzi všetkými ošetreniami. Pre acetamiprid bolo prežívanie včiel podobné medzi dvomi vyššími dávkami, pričom každé bolo vyššie než pri najnižšej dávke a kontrole.
Interpretácia výsledkov
Hoci tieto výsledky pôsobia protiintuitívne, sú konzistentné so štúdiami na iných druhoch hmyzu. Napríklad výskum na zavíjači kapustnom (Plutella xylostella) ukázal, že kmeň necitlivý na pesticíd je viac termotolerantný než rezistentný kmeň. Väčšia náchylnosť na vyššie teploty u rezistentného kmeňa pravdepodobne súvisí so slabším aktivovaním proteínov tepelného šoku (HSP).
Hypotéza o proteínoch tepelného šoku
Výskumníci ako posthypotézu navrhujú, že subletálne dávky insekticídov indukujú expresiu proteínov tepelného šoku (HSP), čo poskytuje ďalšiu odolnosť voči vysokým teplotám. Proteíny tepelného šoku sú chaperony, ktoré zabraňujú denaturácii iných proteínov pri tepelnom strese, ako aj pri iných formách stresu, ako je chlad, hladovanie, bakteriálne infekcie a expozícia chemikáliám vrátane pesticídov.
Indukovateľné proteíny tepelného šoku z rodiny génov HSP70 sú variabilné vo svojej expresii v rámci druhov. U medonosných včiel expresia proteínov tepelného šoku sa líši podľa typu stresora, čo naznačuje, že pesticídy môžu indukovať špecifické odpovede na rôzne chemické expozície. Toto je pravdepodobný mechanizmus za pozorovaným zvýšením tepelnej tolerancie.
Dôležité poznámky a obmedzenia
Žiadny prínos pre včely
Zvýšenie CTMax a vyššie prežívanie medonosných včiel po expozícii subletálnym dávkam neonikotinoidov neznamenajú žiadne potenciálne prínosy pre ich tepelnú toleranciu ani odolnosť voči globálnemu otepľovaniu. Namiesto toho výsledky demonštrujú krátkodobú odolnosť včiel voči vysokým teplotám, keď sú prítomné iné stresory.
Nepriaznivé účinky na správanie a fyziológiu lietaviek v dôsledku neonikotinoidových insekticídov sú nepochybné, vrátane insekticídov s nízkou toxicitou, ako je acetamiprid, ktorý bol propagovaný ako “včelám priateľský” pesticíd. Napríklad:
- Akútne aj chronické subletálne dávky imidaklopridu nepriaznivo ovplyvňujú averzívne učenie
- Znižujú celkovú dennú aktivitu, počet zberných letov a celkovú dĺžku života lietaviek
- Acetamiprid ovplyvňuje lokomóciu, citlivosť na sacharózu a pamäť včiel
Hoci lietavky exponované akútnymi subletálnymi dávkami insekticídov môžu prežiť vysoké teploty, sú behaviorálne a fyziologicky narušené, čo dlhodobo zmení vývoj a produktivitu včelstva.
Vplyv na termoreguláciu včelstva
Akútne subletálne dávky pesticídov tiež menia aktivitu hrudných svalov včiel, čo im umožňuje zahriať sa chvením svalov (termogenéza) a pohybovať krídlami počas letu a ofukovania plodu. Akútna orálna expozícia neonikotinoidu tiametoxamu narušuje termogenézu u afrických medonosných včiel od jednej hodiny po expozícii a najmenej jeden deň, čo môže ovplyvniť nielen ich zberné aktivity, ale aj iné úlohy v rámci včelstva, ako je termoregulácia hniezda.
Podobné narušenia termogenickej kapacity včiel po akútnych a chronických expozíciách imidaklopridu aj acetamipridu boli zdokumentované u čmeliakov a solitárnych včiel. Keďže tieto správanie vyžadujú použitie hrudných svalov, lietavky pod vplyvom pesticídov môžu byť neschopné úspešne vykonať tieto úlohy, čo ovplyvní homeostázu včelstva.
Praktické implikácie a budúci výskum
Komplexnosť pesticídnej expozície
Lietavky sú exponované pesticídom prostredníctvom orálnej a kontaktnej expozície cez kontaminovaný nektár, peľ a/alebo vodu. Kvôli perzistencii pesticídov v prostredí sú včely exponované dlhé obdobia nielen jednému, ale rôznorodému spektru pesticídov, ako aj iným agrochemikáliám vrátane fungicídov a herbicídov.
Nedávne štúdie demonštrujú, že expozícia viacerým zlúčeninám má za následok synergické účinky, ktoré často zvyšujú toxicitu jednotlivých pesticídov. Napríklad:
- Acetamiprid sa stáva toxickejším v kombinácii s triazolovými fungicídmi, pretože tie môžu inhibovať detoxifikáciu sprostredkovanú P450
- Medzi 98 binárnych až oktonárnych zmesí acetamipridu s inými pesticídmi vykazovalo 45 % z nich synergické účinky na medonosné včely
- Deltametrín indukuje hypotermiu u včiel v kombinácii s azolovým fungicídom prochlorazom, ale nie pri samostatnom použití
Potreba ďalšieho výskumu
Keďže táto štúdia použila akútne subletálne dávky jednotlivých pesticídov v laboratórnych podmienkach, nie je známe, či by včely vykazovali podobné odpovede na kombináciu pesticídov a chronické expozície. Je pravdepodobné, že kumulatívna toxicita v dôsledku chronickej expozície, ako aj zvýšenie toxicity kombináciou pesticídov, by mohli inhibovať odpoveď stresových proteínov, čo by viedlo k nižšej tepelnej tolerancii.
Budúce štúdie by mali riešiť:
- Kombináciu agrochemikálií a chronické expozície – na získanie realistickejšieho pohľadu na účinky pesticídov na tepelnú biológiu včiel
- Synergické účinky viacerých stresorov – kombináciu pesticídov s nutričným stresom alebo parazitmi
- Expresiu proteínov tepelného šoku – identifikáciu expresného profilu v korelácii s pesticídmi použitými v tejto štúdii
- Vekové rozdiely – vplyv veku na tepelnú toleranciu a odpoveď na pesticídy
Záver
Táto štúdia poskytuje prvú dokumentáciu účinkov subletálnych dávok pesticídov na tepelnú toleranciu akéhokoľvek druhu včiel. Hoci sa výsledky môžu zdať protiintuitívne, sú konzistentné s výsledkami experimentov na iných druhoch hmyzu riešiacich podobné otázky.
Stimulačné odpovede na nízke dávky pesticídov boli zdokumentované u niektorých článkonožcov, najmä u škodlivých druhov, ale tieto účinky často zostávajú nepovšimnuté alebo nedocenené. Výsledky demonštrujú krátkodobú odolnosť medonosných včiel voči vysokým teplotám, keď sú prítomné iné stresory, ale neznamenajú žiadne dlhodobé výhody.
Napriek zásadnej úlohe teploty a vlhkosti vo vývoji, prežívaní a zdraví včelstiev, ako aj obavám o dopad klimatickej zmeny na opeľovače a opeľovanie, je prekvapujúce, že účinky environmentálnych stresorov na tepelnú biológiu včiel boli do veľkej miery prehliadané. Táto štúdia otvára nové otázky a zdôrazňuje potrebu komplexnejšieho pochopenia interakcií medzi klimatickou zmenou, pesticídmi a zdravím včiel.