Insect Model for Toxicokinetics: Foundation for Species Selectivity

Abstract

The study presented here deals with the fate, toxicokinetics and bioaccumulation of incorporating structural motifs similar to agrochemicals on selected target and non-target insect species against the background of the currently observed global decline of most insect populations caused by habitat loss and chemical pollution. In standardised bioassays the biological responses of three test organisms to seven inactive test compounds and Coumarin as reference compound were investigated. The assays were specially designed and adapted to the requirements for the development of toxicokinetic (TK) models, the processes of uptake and excretion of that test substances were investigated. The insect species included in the experiments represent different ecological adaptation types in terms of their habitat selection, their type of food intake and different agricultural importance: Spodoptera littoralis (leaf chewing larval pest), Myzus persicae aphids (sap sucker pest) and Chironomus riparius mosquito larvae (aquatic non-target). The assays included an exposure phase with treated food or contaminated water, followed by an elimination phase with untreated food or water. Three of the compounds tested proved lethal at the dose tested, one of them against M. persicae, two even against C. riparius. No changes in behavior (movement, feeding and excretion) were monitored in treated compared to untreated S. littoralis. Aphids have an about threefold higher ratio of food uptake to body mass than S. littoralis larvae, but the total quantity of compounds absorbed in the aphid bodies remained lower. Hydrophilic compounds were detected at higher quantities in insect excretion products (feces and honeydew) than in respective insect bodies at the end of the exposure period. In contrast, the quantities of the more lipophilic compounds in the insect body increased. Two TK models were applied to the S. littoralis data, the first considering only the internal and external concentrations of the test compounds. As this was not sufficient to sufficiently describe the TK, the second TK model (applied to S. littoralis and C. riparius) additionally included the increase in body mass and the biotransformation products of these compounds by the tested individuals. S. littoralis has a faster uptake and elimination kinetics and a more pronounced biotransformation for the test chemicals, which may be of relevance for pest control. In contrast, the elimination kinetics of C. riparius were found to be slower, raising concerns about bioaccumulation and possible effects on the food web. Aphids had to be excluded from modelling due to their reproduction which makes proper mathematical calculations of compound quantities per body mass impossible. The combination of data from TK bioassay and modelling disclosed different metabolic profiles for the tested species: S. littoralis and C. riparius processed compounds via both oxidation and demethylation pathways, whereas M. persicae only utilized oxidation pathways. This thesis provides new insights, but also highlights limitations in the representation of species-specific differences in TK, which could become relevant for the development of selective insecticides. The differences observed in the uptake, biotransformation and excretion of the administered test substances underline the complexity of biological reactions of insects to them. The study also illustrates that our ecological knowledge is not yet sufficient to satisfactorily predict the selective effects compounds on individual insect species and their long-term effects on insect populations when additional stress factors resulting from climate change, occur. The differences in the biotransformation capacity between the species revealed by the study are discussed against the background of a possible release of environmental toxins in an environment that is changing due to climate change. In addition, possibilities and requirements for the application of toxicokinetic models to improve selectivity for the development of future insecticides for the protection and conservation of insect diversity are shown.

Die vorliegende Studie befasst sich mit den selektiven Wirkungen von Insektiziden auf ausgewählte Insektenarten vor dem Hintergrund des derzeit zu beobachtenden weltweiten Rückgangs der meisten Insektenpopulationen, der durch Lebensraumverlust und chemische Verschmutzung verursacht wird. In standardisierten Biotests wurden die biologischen Reaktionen von drei Testorganismen auf sieben inaktive Strukturvarianten die ähnliche strukturelle Motive wie Agrochemikalien enthalten und Cumarin als Refernenzverbindung untersucht. In den speziell entwickelten und an die Anforderungen für die Entwicklung toxikokinetischer (TK) Modelle angepassten Biotests wurden die Prozesse der Aufnahme und Ausscheidung der Testsubstanzen untersucht. Die in die Versuche einbezogenen Insektenarten repräsentieren unterschiedliche ökologische Anpassungstypen in Bezug auf ihr natürliches Habitat, ihre Art der Nahrungsaufnahme und ihre unterschiedliche landwirtschaftliche Bedeutung: Mottenlarven der Art Spodoptera littoralis, Blattläuse der Art Myzus persicae und Zuckmückenlarven der Art Chironomus riparius. Die Tests umfassten eine Expositionsphase mit Testsubstanz behandelter Futter oder kontaminiertem Wasser, gefolgt von einer Eliminationsphase mit unbehandeltem Futter oder Wasser. Drei der getesteten Verbindungen erwiesen sich bei der getesteten Dosis als tödlich, eine davon bei M. persicae, sogar zwei bei C. riparius. Behandelte S. littoralis zeigten keine Veränderungen im Verhalten (Bewegung, Fressen und Ausscheidung) im Vergleich zu unbehandelten. Die Blattläuse wiesen ein etwa dreifach höheres Verhältnis von Nahrungsaufnahme zu Körpermasse auf als die Mottenlarven, aber die Gesamtmenge der in den Blattlauskörpern aufgenommenen Verbindungen blieb geringer. Hydrophilere Verbindungen wurden am Ende des Expositionszeitraums in höheren Mengen in den Ausscheidungsprodukten der Insekten (Kot und Honigtau) als in den jeweiligen Insektenkörpern selbst nachgewiesen. Die Mengen der lipophileren Verbindungen im Insektenkörper nahmen hingegen zu. Zwei aufeinander aufbauende TK-Modelle wurden auf die Expositionsdaten von S. littoralis angewandt, wobei das erste nur die internen und externen Konzentrationen der Testverbindungen berücksichtigte. Da dies nicht ausreichte um die TK zufriedenstellend zu beschreiben wurden in das zweite Modell (angewand an S. littoralis und C. riparius ) zusätzlich die Zunahme der Körpermasse und die Biotransformationsprodukte dieser Verbindungen durch die getesteten Individuen mit aufgenommen. S. littoralis hat eine schnellere Aufnahme- und Eliminationskinetik und eine ausgeprägtere Biotransformation für die Testchemikalien, was für die Schädlingsbekämpfung bedeutsam sein kann. Im Gegensatz dazu erwies sich die Eliminationskinetik von C. riparius als langsamer, was Bedenken hinsichtlich der Bioakkumulation und möglicher Auswirkungen auf das Nahrungsnetz weckt. Blattläuse mussten von der Modellierung ausgeschlossen werden, da sie sich im Laufe der Experimente vermehrten, was eine korrekte mathematische Berechnung der Verbindungsmengen pro Körpermasse unmöglich macht. Die Kombination der Daten aus dem TK- Biotests und der Modellierung ergab unterschiedliche Stoffwechselprofile für die getesteten Arten: S. littoralis und C. riparius verarbeiteten Verbindungen sowohl über Oxidations- als auch Demethylierungswege, während M. persicae nur Oxidationswege nutzte. Die Studie liefert neue Erkenntnisse, zeigt aber auch die Grenzen bei der Darstellung von artspezifischen Unterschieden in der TK-Modellierung auf, die für die Entwicklung selektiver Insektizide relevant werden könnten. Die beobachteten Unterschiede bei der Aufnahme, Biotransformation und Ausscheidung der verabreichten Testsubstanzen unterstreichen die Komplexität der biologischen Reaktionen von Insekten auf diese Substanzen. Die Studie zeigte auch, dass unser ökologisches Wissen noch nicht ausreicht, um die selektiven Wirkungen von Umweltgiften auf einzelne Insektenarten und ihre langfristigen Auswirkungen auf Insektenpopulationen bei zusätzlichen Stressfaktoren ausgelöst durch den Klimawandel zufriedenstellend vorherzusagen. Die durch die Studie verdeutlichen Unterschiede in der Biotransformationskapazität zwischen den Arten werden vor dem Hintergrund einer möglichen Freisetzung von Umweltgiften in einer sich durch den Klimawandel verändernden Umwelt diskutiert. Darüber hinaus werden Möglichkeiten und Anforderungen bei der Anwendung toxikokinetischer Modelle zur Verbesserung der Selektivität für die