Hvordan påvirkes jordbunnsdyrene av plantevernmidler med et klima i endring?
Effektene av klimaendringer, miljøforurensning og tap av biologisk mangfold er blant dagens største miljømessige utfordringer. Forståelsen av hvordan disse utfordringene samvirker, er fremdeles i stor grad uutforsket. I prosjektet «MULTICLIM - Effects of climate change in a multiple stress multispecies perspective» har vi studert kombinasjonen av klimaendringer og miljøforurensning, og hvordan disse miljøutfordringene samlet påvirker organismer både på individ- og populasjonsnivå. Vi har undersøkt hvordan temperatur, nedbør og tørke påvirker dyrenes respons på et plantevernmiddel- neonikotinoidet imidakloprid- som brukes i stort volum i internasjonal matproduksjon.
Vi har forsket på spretthaler, Collembola, jordbunnsfauna som er essensielle for økosystemprosesser som nedbrytning og opprettholdelse av jordsamfunn. Vi har kombinert laboratorieeksperimenter, feltstudier og populasjonsmodellering for å forstå populasjoner og arters følsomhet for klimaendringer og miljøgifter. Vi har studert to arter som er tilpasset ulike habitater, og dermed ulike miljøpåkjenninger. Innad i artene har vi studer flere populasjoner tilpasset klimasonene temperert og polar (Arktis).
Gjennom systematisk observasjoner i tidligere studier og i MULTICLIM har vi oppnådd bred økologisk basisinformasjon om begge artene våre med kunnskap om overlevelse, vekst og reproduksjon, samt hvordan dette påvirkes av temperatur og plantevernmidler. Vi har gjennomført eksperimenter med begge artene hver for seg, med eksponering av imidakloprid fra jord eller mat, og har undersøkt forskjeller i følsomhet for giften mellom voksne og unge dyr.
Vi har utviklet en metode hvor dyrene eksponeres via mating på bark, istedenfor via jord, en metode som tillater at dyrene er synlige på en fast overflate. Metoden muliggjør det å observere dyrene jevnlig og registrere vekst og reproduksjon.
Begge artene vi har jobbet med er mer følsomme for eksponering av imidakloprid enn tidligere studier av andre spretthaler, slik at sterke negative effekter forekommer ved lavere konsentrasjoner. Dette viser viktigheten av å inkludere økologisk relevante arter i risikovurdering av plantevernmidler og andre kjemikalier.
Giftigheten av plantevernmidlet økte ved klimastress, men avhenger av art og populasjon. Konsentrasjoner av imidakloprid som ikke var dødelige/hadde negative effekter ved optimal temperatur, ble dødelige/skadelige ved økt temperatur eller tørke. Dette var en generell trend, og gjelder i større grad for tempererte populasjoner, og mest i den overflatelevende arten. At de arktiske populasjonene var mer robuste enn de tempererte populasjonene motstrider våre hypoteser, og skyldes nok lokale tilpasninger som bør undersøkes nærmere.
Vi fant at selv lave sub-letale konsentrasjoner av imidakloprid kan begrense rekrutteringen kraftig, selv om ikke alle rekrutteringsmål eller dødelighet ble negativt påvirket. Ved bruk av modeller basert på eksperimentene med individuelle dyr, så vi at effektene på individnivå ved økt konsentrasjon av plantevernmiddelet og temperatur kraftig reduserte populasjonsveksten. Dette betyr at feltrealistisk eksponering for plantevernmidler og økt temperatur kan gi reduserte populasjoner av spretthaler, og videre en endring i jordbunnsamfunnets sammensetning, materialnedbrytning og opprettholdelse.
Vårt tre-måneders feltforsøk viste at feltrealistiske nivåer av imidakloprid ved starten av vekstsesongen (mai) påvirker jordbunnsfaunaen på en konsentrasjonsavhengig måte, både i overflaten, men også dypere i jorden over tid ettersom plantevernmidlet lekker ned til de underliggende jordlagene. Forekomsten av spretthaler ble mest redusert, mens forekomsten av midd var nærmest uendret.
Vi har undersøkt hvordan spretthalene tåler tørke under ulik temperatur etter først å ha blitt eksponert for plantevernmiddel i en periode. Slik sekvensiell eksponering illustrerer bedre den virkelige situasjonen av samvirkende stressorer, men er sjeldent studert og lite forstått. Dødeligheten av imidakloprid i begge arter og alle populasjoner ble forsterket når temperaturen økte og/eller tørkestress inntraff, med sterkest økning i tempererte populasjoner i den overflatelevende arten.
Prosjektet MULTICLIM har resultert i kunnskap om biologiske virkninger av flere stressorer av betydning for forvaltning av biodiversitet og matproduksjon. Kort oppsummert blir plantevernmidlet imidakloprid mer giftig ved økt klimastress. Tradisjonelt har effekten av miljøstress blitt vurdert ved endring i populasjoners antall og sammensetning. Vårt hovedfokus har vært økt kunnskap om de underliggende prosessene, som effekter på livshistorietrekkene somatisk vekst, kjønnsmodning og aldersspesifikk reproduksjon i tillegg til dødelighet. Dette ga viktig innsikt med stort potensiale for videre forskning for å forstå av den samlede effekten av klimaendringer og miljøgifter.
Kunnskap om biologiske virkninger av flere stressorer på naturmiljøet, spesielt samvirkende effekter av plantevernmidler og klimaendringer, er av stor betydning for forvaltning av biodiversitet og matproduksjon. Det foreligger fremdeles få systematiske studier med jordbunnsfauna og klimaavhengig giftighet av plantevernmidler.
Vi har bidratt til økt bevissthet rundt begrensningene standard økotoksikologiske risikovurderinger har ved ekstrapolering til naturlige scenarioer
• mer økologisk relevante arter er mer følsomme for toksisk stress enn modellarter
• sekvensiell eksponering der klimastress etterfølger plantevernmiddel gir økt dødelighet
• tilsynelatende små ikke-dødelige effekter som redusert vekst og reproduksjon er viktig å forstå i tillegg til dødelighet, da de kan føre til sterk negativ populasjonsutvikling.
Vi har utdannet kunnskapspersonell, 5 mastere i toksikologi, biovitenskap i løpet av prosjektperioden. En av disse er basert i Portugal, en annen i UK, og vi bidrar dermed både til den nasjonale og internasjonale styrkingen av vitenskapelig kunnskap.
Vi har videreutviklet forskningskapasiteten:
• en PhD-stipendiat har fullført sitt doktorgradsarbeid, som straks er klart for innsending og vurdering, og
• en postdoktor har fullført og øket kvalifikasjonene ved vitenskapelig arbeid og publisering, kontakt med sluttbrukere og veiledning av masterstudent, samt arbeid med datalagring og datalagringsplan. Han har deretter jobbet ved Vitenskapelig Komite for Mat og miljø-trygghet (VKM) i ett år, og er nå i fast stilling ved Nord Universitet.
Vi har bidratt til økt oppmerksomhet og kulturendring ved å trene prosjektdeltakere i FAIR datahåndtering, datahåndteringsplan, og kontakt med sluttbrukere.
Vi har hatt jevn og nyttig kontakt med brukerne, med dialogmøter for å lære av hverandre, og øke informasjonsutveksling om kunnskap og kunnskapsbehov. Deltakere har vært fra Klima og miljødirektoratet, Mattilsynet, VKM, og Norsk Institutt for Bioøkonomi. Våre funn av negative effekter selv ved lave konsentrasjoner som er relevante for de målte verdiene i Europeisk jord er urovekkende. Brukerne la spesielt vekt på viktigheten av hvordan det nordiske klimaet påvirker virkningen av plantevernmidler i jordbunnsfauna som er relevante for vår natur, og at dette skiller seg fra de europeiske vurderingene basert på studier av kontinentale sørlige arter og populasjoner.
Prosjektresultatene er nyttige for FNs bærekraftsmål, spesielt Mål15 Livet på land, og et jordbruk under endret klima med utilsiktede konsekvenser av plantevernmidler for biodiversitet og viktige økosystemtjenster.
Prosjektresultater er kunnskapsgrunnlag for videre forskning nasjonalt og internasjonalt ved videre prosjektsøknader og internasjonale arbeider som siterer våre publikasjoner. Det har resultert i forskningsopphold ved UC Berkeley, og støtte fra Peder Sæther Grant Program ved UC Berkeley for å forskermobilitet og felles workshop.
Climate change, environmental pollution and loss of biodiversity are three major environmental issues of current concern, but understanding their combined impacts is still a largely unexplored problem. With the project MULTICLIM we will study how the combined changes in multiple stressors - climate change (increasing temperature and drought) and anthropogenic toxicants (neonicotinoid pesticides commonly used in food production) - simultaneously affect key individual- and population-level responses. This project is centered on important soil community animals; springtails (Collembola). Using an integrative approach combining methods from different disciplines, we will investigate the joint impacts of the multiple stressors on the two different ecologically relevant springtail species Hypogastrura viatica and Folsomia quadrioculata. Our main approaches are i) controlled laboratory experiments to analyse species sensitivity through individual- and population-level responses of differently adapted populations of each species (temperate vs Arctic populations), ii) targeted field experiments to ensure field realistic findings including the soil community, iii) quantify how temperature and drought affects toxicant exposure and responses in springtails, and iv) construct demographic models to investigate population level responses, including fitness. The international cross-disciplinary project MULTICLIM includes a unique combination of expertise from different research disciplines, and represents all stages of the scientific career; from Master, PhD, and post doc, to researcher, mid-career professors and close-to-retirement professor. The project will result in urgently needed knowledge of biological impacts of multiple stressors of importance to biodiversity management and food production in society.
