Environmental Risk Assessment Of Pesticides In The River Madre De Dios, Costa Rica Using PERPEST, SSD, And msPAF Models

Abstract

This study assesses the ecological risks (ERA) of pesticides to aquatic organisms in the River Madre de Dios (RMD), which receives surface runoff water from banana, pineapple, and rice plantations on the Caribbean coast of Costa Rica. Water samples collected over 2 years at five sites in the RMD revealed a total of 26 pesticides. Their toxicity risk to aquatic organisms was assessed using three recent ERA models. (1) The PERPEST model showed a high probability (>50 %) of clear toxic effects of pesticide mixtures on algae, macrophytes, zooplankton, macroinvertebrates, and community metabolism and a low probability (<50 %) of clear effects on fish. (2) Species sensitivity distributions (SSD) showed a moderate to high risk of three herbicides: ametryn, bromacil, diuron and four insecticides: carbaryl, diazinon, ethoprophos, terbufos. (3) The multi-substance potentially affected fraction (msPAF) model showed results consistent with PERPEST: high risk to algae (maximum msPAF: 73 %), aquatic plants (61 %), and arthropods (25 %) and low risk to fish (0.2 %) from pesticide mixtures. The pesticides posing the highest risks according to msPAF and that should be substituted with less toxic substances were the herbicides ametryn, diuron, the insecticides carbaryl, chlorpyrifos, diazinon, ethoprophos, and the fungicide difenoconazole. Ecological risks were highest near the plantations and decreased progressively further downstream. The risk to fish was found to be relatively low in these models, but water samples were not collected during fish kill events and some highly toxic pesticides known to be used were not analyzed for in this study. Further sampling and analysis of water samples is needed to determine toxicity risks to fish during peaks of pesticide mixture concentrations. The msPAF model, which estimates the ecological risks of mixtures based on their toxic modes of action, was found to be the most suitable model to assess toxicity risks to aquatic organisms in the RMD. The PERPEST model was found to be a strong tool for screening risk assessments. The SSD approach is useful in deriving water quality criteria for specific pesticides. This study, through the application of three ERA models, clearly shows that pesticides used in plantations within the RMD watershed are expected to have severe adverse effects on most groups of aquatic organisms and that actions are urgently needed to reduce pesticide pollution in this high biodiversity ecosystem.Este estudio evalúa los riesgos ecológicos (ERA) de los pesticidas a los organismos acuáticos en el río Madre de Dios (RMD), que recibe agua de escorrentía superficial de plantaciones de banano, piña y arroz en la costa caribeña de Costa Rica. Las muestras de agua recolectadas durante 2 años en cinco sitios en el RMD revelaron un total de 26 pesticidas. Su riesgo de toxicidad a los organismos acuáticos se evaluó utilizando tres modelos ERA recientes. (1) El modelo PERPEST mostró una alta probabilidad (>50 %) de efectos tóxicos claros de mezclas de pesticidas en algas, macrófitos, zooplancton, macroinvertebrados y metabolismo de la comunidad y una baja probabilidad (<50 %) de efectos claros en peces. (2) Las distribuciones de sensibilidad de las especies (SSD) mostraron un riesgo moderado a alto de tres herbicidas: ametrina, bromacilo, diurón y cuatro insecticidas: carbaril, diazinón, etoprofos, terbufos. (3) El modelo de fracción potencialmente afectada por múltiples sustancias (msPAF) mostró resultados consistentes con PERPEST: alto riesgo para algas (msPAF máxima: 73 %), plantas acuáticas (61 %) y artrópodos (25 %) y bajo riesgo para peces (0,2 %) de mezclas de pesticidas. Los pesticidas que presentan los riesgos más altos según msPAF y que deberían sustituirse por sustancias menos tóxicas fueron los herbicidas ametrina, diurón, los insecticidas carbaril, clorpirifos, diazinón, etoprofos y el fungicida difenoconazol. Los riesgos ecológicos fueron más altos cerca de las plantaciones y disminuyeron progresivamente río abajo. Se encontró que el riesgo para los peces era relativamente bajo en estos modelos, pero no se recolectaron muestras de agua durante los eventos de muerte de peces y algunos pesticidas altamente tóxicos que se sabe que se utilizan no se analizaron en este estudio. Se necesita un muestreo y análisis adicional de muestras de agua para determinar los riesgos de toxicidad para los peces durante los picos de concentraciones de la mezcla de pesticidas. El modelo msPAF, que estima los riesgos ecológicos de las mezclas según sus mecanismos de acción tóxicos, resultó ser el modelo más adecuado para evaluar los riesgos de toxicidad para los organismos acuáticos en la cuenca del río RMD. El modelo PERPEST resultó ser una herramienta eficaz para el análisis de riesgos. El enfoque SSD resulta útil para derivar criterios de calidad del agua para plaguicidas específicos. Este estudio, mediante la aplicación de tres modelos ERA, demuestra claramente que se prevé que los plaguicidas utilizados en las plantaciones de la cuenca del río RMD tengan graves efectos adversos en la mayoría de los grupos de organismos acuáticos y que se necesitan medidas urgentes para reducir la contaminación por plaguicidas en este ecosistema de alta biodiversidad.