This study investigated the direct and indirect toxic effects of microplastics and nanoplastics toward zebrafish (Danio rerio) larvae locomotor activity. Results showed that microplastics alone exhibited no significant effects except for the upregulated zfrho visual gene expression; whereas nanoplastics inhibited the larval locomotion by 22% during the last darkness period, and significantly reduced larvae body length by 6%, inhibited the acetylcholinesterase activity by 40%, and upregulated gfap, α1-tubulin, zfrho and zfblue gene expression significantly. When co-exposed with 2μg/L 17 α-ethynylestradiol (EE2), microplastics led to alleviation on EE2's inhibition effect on locomotion, which was probably due to the decreased freely dissolved EE2 concentration. However, though nanoplastics showed stronger adsorption ability for EE2, the hypoactivity phenomenon still existed in the nanoplastics co-exposure group. Moreover, when co-exposed with a higher concentration of EE2 (20μg/L), both plastics showed an enhanced effect on the hypoactivity. Principal component analysis was performed to reduce data dimensions and four principal components were reconstituted in terms of oxidative stress, body length, nervous and visual system related genes explaining 84% of total variance. Furthermore, oxidative damage and body length reduction were evaluated to be main reasons for the hypoactivity. Therefore, nanoplastics alone suppressed zebrafish larvae locomotor activity and both plastic particles can change the larvae swimming behavior when co-exposed with EE2. This study provides new insights into plastic particles' effects on zebrafish larvae, improving the understanding of their environmental risks to the aquatic environment.

Wastewater-based monitoring of the spread of the new SARS-CoV-2 virus, also referred to as wastewater-based epidemiology (WBE), has been suggested as a tool to support epidemiology. An extensive sampling campaign, including nine municipal wastewater treatment plants, has been conducted in different cities of the Federal State of North Rhine-Westphalia (Germany) on the same day in April 2020, close to the first peak of the corona crisis. Samples were processed and analysed for a set of SARS-CoV-2-specific genes, as well as pan-genotypic gene sequences also covering other coronavirus types, using reverse transcription-quantitative polymerase chain reaction (RT-qPCR). Additionally, a comprehensive set of chemical reference parameters and bioindicators was analysed to characterize the wastewater quality and composition. Results of the RT-qPCR based gene analysis indicate the presence of SARS-CoV-2 genetic traces in different raw wastewaters. Furthermore, selected samples have been sequenced using Sanger technology to confirm the specificity of the RT-qPCR and the origin of the coronavirus. A comparison of the particle-bound and the dissolved portion of SARS-CoV-2 virus genes shows that quantifications must not neglect the solid-phase reservoir. The infectivity of the raw wastewater has also been assessed by viral outgrowth assay with a potential SARS-CoV-2 host cell line in vitro, which were not infected when exposed to the samples. This first evidence suggests that wastewater might be no major route for transmission to humans. Our findings draw attention to the need for further methodological and molecular assay validation for enveloped viruses in wastewater.

Plastic particles have been proven to be abundant in the aquatic environment, raising concerns about their potential toxic effects. In the present study, we determined the bioaccumulation potential of bisphenol A (BPA) in adult zebrafish (Danio rerio) in the absence and presence of nano-sized plastic particles (nanoplastics, NPPs). Results show that BPA can accumulate in the viscera, gill, head and muscle of zebrafish with 85, 43, 20, and 3μg/g ww after 1d exposure. NPPs were also found to accumulate in different tissues of the fish. Relative equilibrium was reached after 1d exposure in different tissues with 39 to 636mg/kg ww. Co-exposure of NPPs and BPA led to a 2.2 and 2.6-fold significant increment of BPA uptake in the head and viscera, if compared with BPA alone treatment after 3d exposure. As such, we further investigated several neurotoxic biomarker alterations in the fish head. It was found that either BPA or NPPs can cause myelin basic protein (MBP)/gene up-regulation in the central nervous system (CNS); meanwhile, both contaminants exhibited significant inhibition of acetylcholinesterase (AChE) activity, which is a well-known representative biomarker for neurotoxicity. Moreover, for the co-exposure treatment, biomarkers of myeline and tubulin protein/gene expressions, dopamine content, and the mRNA expression of mesencephalic astrocyte derived neurotrophic factor (MANF) were all significantly up-regulated, suggesting that an enhanced neurotoxic effects in both CNS and dopaminergic system occurred. However, AChE activity was no more inhibited in the co-exposure treatment, which implies that solely AChE measurement may not be sufficient to identify neurotoxic effects in the cholinergic system. Overall, the present study demonstrates that the presence of NPPs can increase BPA bioavailability and cause neurotoxicity in adult zebrafish.

The effect of pesticides on insects is often discussed in terms of acute and chronic toxicity, but an important and often overlooked aspect is the impact of sublethal doses on insect physiology and behavior. Pesticides can influence various physiological parameters of insects, including the innate immune system, development, and reproduction, through a combination of direct effects on specific exposed tissues and the modification of behaviors that contribute to health and reproductive success. Such behaviors include mobility, feeding, oviposition, navigation, and the ability to detect pheromones. Pesticides also have a profound effect on insect learning and memory. The precise effects depend on many different factors, including the insect species, age, sex, caste, physiological condition, as well as the type and concentration of the active ingredients and the exposure route. More studies are needed to assess the effects of different active ingredients (and combinations thereof) on a wider range of species to understand how sublethal doses of pesticides can contribute to insect decline. This review reflects our current knowledge about sublethal effects of pesticides on insects and advancements in the development of innovative methods to detect them.

Abstract Despite efforts from scientists and regulators, biodiversity is declining at an alarming rate. Unless we find transformative solutions to preserve biodiversity, future generations may not be able to enjoy nature’s services. We have developed a conceptual framework that establishes the links between biodiversity dynamics and abiotic change through time and space using artificial intelligence. Here, we apply this framework to a freshwater ecosystem with a known history of human impact and study 100 years of community-level biodiversity, climate change and chemical pollution trends. We apply explainable network models with multimodal learning to community-level functional biodiversity measured with multilocus metabarcoding, to establish correlations with biocides and climate change records. We observed that the freshwater community assemblage and functionality changed over time without returning to its original state, even if the lake partially recovered in recent times. Insecticides and fungicides, combined with extreme temperature events and precipitation, explained up to 90% of the functional biodiversity changes. The community-level biodiversity approach used here reliably explained freshwater ecosystem shifts. These shifts were not observed when using traditional quality indices (e.g. Trophic Diatom Index). Our study advocates the use of high throughput systemic approaches on long-term trends over species-focused ecological surveys to identify the environmental factors that cause loss of biodiversity and disrupt ecosystem functions.

Native and invasive species often occupy similar ecological niches and environments where they face comparable risks from chemical exposure. Sometimes, invasive species are phylogenetically related to native species, e.g. they may come from the same family and have potentially similar sensitivities to environmental stressors due to phylogenetic conservatism and ecological similarity. However, empirical studies that aim to understand the nuanced impacts of chemicals on the full range of closely related species are rare, yet they would help to comprehend patterns of current biodiversity loss and species turnover. Behavioral sublethal endpoints are of increasing ecotoxicological interest. Therefore, we investigated behavioral responses (i.e., change in movement behavior) of the four dominant amphipod species in the Rhine-Main area (central Germany) when exposed to the neonicotinoid thiacloprid. Moreover, beyond species-specific behavioral responses, ecological interactions (e.g. parasitation with Acanthocephala) play a crucial role in shaping behavior, and we have considered these infections in our analysis. Our findings revealed distinct baseline behaviors and species-specific responses to thiacloprid exposure. Notably, Gammarus fossarum exhibited biphasic behavioral changes with hyperactivity at low concentrations that decreased at higher concentrations. Whereas Gammarus pulex, Gammarus roeselii and the invasive species Dikerogammarus villosus, showed no or weaker behavioral responses. This may partly explain why G. fossarum disappears in chemically polluted regions while the other species persist there to a certain degree. But it also shows that potential pre-exposure in the habitat may influence behavioral responses of the other amphipod species, because habituation occurs, and potential hyperactivity would be harmful to individuals in the habitat. The observed responses were further influenced by acanthocephalan parasites, which altered baseline behavior in G. roeselii and enhanced the behavioral response to thiacloprid exposure. Our results underscore the intricate and diverse nature of responses among closely related amphipod species, highlighting their unique vulnerabilities in anthropogenically impacted freshwater ecosystems.

Gaseous and semi-volatile organic compounds emitted by the transport sector contribute to air pollution and have adverse effects on human health. To reduce harmful effects to the environment as well as to humans, renewable and sustainable bio-hybrid fuels are explored and investigated in the cluster of excellence “The Fuel Science Center” at RWTH Aachen University. However, data on the effects of bio-hybrid fuels on human health is scarce, leaving a data gap regarding their hazard potential. To help close this data gap, this study investigates potential toxic effects of a Ketone-Ester-Alcohol-Alkane (KEAA) fuel blend on A549 human lung cells. Experiments were performed using a commercially available air-liquid interface exposure system which was optimized beforehand. Then, cells were exposed at the air-liquid interface to 50–2000 ppm C 3.7 of gaseous KEAA for 1 h. After a 24 h recovery period in the incubator, cells treated with 500 ppm C 3.7 KEAA showed significant lower metabolic activity and cells treated with 50, 250, 500 and 1000 ppm C 3.7 KEAA showed significant higher cytotoxicity compared to controls. Our data support the international occupational exposure limits of the single KEAA constituents. This finding applies only to the exposure scenario tested in this study and is difficult to extrapolate to the complex in vivo situation.

Pesticide mixtures are frequently utilized in agriculture, yet their cumulative effects on aquatic organisms remain poorly understood. Aquatic animals can be effective bioindicators and invasive bivalves, owing to their widespread distribution, provide an opportunity to assess these impacts. Glyphosate and imidacloprid, among the most prevalent pesticides globally, are frequently detected in freshwater systems in South America. This study aims to understand the cumulative effects of pesticide mixtures on aquatic organisms, using invasive Corbicula largillierti clams from a natural stream in northwestern Argentina. We conducted 48-hour exposure experiments using two concentrations of imidacloprid (20 and 200 μg L−1 a.i), two concentrations of glyphosate (0.3 and 3 mg L−1 a.i), and two combinations of these pesticides (both at low and high concentrations, respectively), simulating the direct contamination of both pesticides based on their agronomic recipe and observed values in Argentine aquatic environments. Clam metabolism was assessed through the examination of multiple oxidative stress parameters and measuring oxygen consumption rate as a proxy for standard metabolic rate (SMR). Our findings revealed that imidacloprid has a more pronounced effect compared to glyphosate. Imidacloprid significantly decreased clam SMR and cellular levels of reduced glutathione (GSH) However, when both pesticides were present, also cellular glycogen and thiobarbituric acid-reactive substances (TBARS) were affected. Proteins and glutathione S-Transferase (GST) activity were unaffected by either pesticide or their mixture at the assayed concentrations, highlighting the need to test several stress parameters to detect toxicological impacts. Our results indicated additive effects of imidacloprid and glyphosate across all measured parameters. The combination of multiple physiological and cytological biomarkers in invasive bivalves offers significant potential to enhance biomonitoring sensitivity and obtain insights into the origins and cellular mechanisms of chemical impacts. These studies can improve pollution regulatory policies and pesticide management.

The presence of tyre and road wear particles (TRWP) in the environment is an underestimated threat due to their potential impact on ecosystems and human health. However, their mode of action and potential impacts on aquatic ecosystems remain largely unknown. In the present study, we adopted a sediment exposure scenario to investigate the influence of sediment coming from an urban runoff sedimentation basin on the life cycle of Chironomus riparius. Targeted broad-spectrum chemical analysis helped to characterise the urban sediments and confirmed the significant contribution of contaminants from traffic (e.g. tyre wear contribution, Polycyclic Aromatic Hydrocarbons [PAHs], metals, tyre rubber additives). First-stage chironomid larvae were subjected to increasing concentrations of urban whole sediment. The results showed that exposure to this urban sediment influenced all measured endpoints. In vivo quantification of ROS showed that larvae exposed to the lowest concentration of contaminated sediment exhibited increased fluorescence. The contaminated sediment conditions increased mortality by almost 30 %, but this effect was surprisingly not concentration-dependent. Fertility decreased significantly and concentration-dependently. The results of the Mean Emergence Time (EmT50) and larval size showed an optimality curve. Furthermore, as a consequence of the effects on fitness, the Population Growth Rate (PGR) exhibited a significant decrease, which was concentration-dependent. Therefore, after a single generation, PGR calculation can be adopted as a sensitive tool to monitor pollution caused by complex matrices, i.e. composed of several contaminants. Our research highlights the importance of effective management of road runoff and underlines the need for further investigation to better understand the toxicity of TRWPs.

Abstract Background Schistosomiasis is a neglected tropical disease caused by trematodes of the genus Schistosoma . The pathogen is transmitted via freshwater snails. These snails indirectly benefit from agricultural pesticides which affect their enemy species. Pesticide exposure of surface waters may thus increase the risk of schistosomiasis transmission unless it also affects the pathogen. Methodology We tested the tolerance of the free-swimming infective life stages (miracidia and cercariae) of Schistosoma mansoni to the commonly applied insecticides diazinon and imidacloprid. Additionally, we investigated whether these pesticides decrease the ability of miracidia to infect and further develop as sporocysts within the host snail Biomphalaria pfeifferi . Principal findings Exposure to imidacloprid for 6 and 12 hours immobilized 50% of miracidia at 150 and 16 μg/L, respectively (nominal EC50); 50% of cercariae were immobilized at 403 and 284 μg/L. Diazinon immobilized 50% of miracidia at 51 and 21 μg/L after 6 and 12 hours; 50% of cercariae were immobilized at 25 and 13 μg/L. This insecticide tolerance is lower than those of the host snail B. pfeifferi but comparable to those of other commonly tested freshwater invertebrates. Exposure for up to 6 hours decreased the infectivity of miracidia at high sublethal concentrations (48.8 μg imidacloprid/L and 10.5 μg diazinon/L, i.e. 20 - 33 % of EC50) but not at lower concentrations commonly observed in the field (4.88 μg imidacloprid/L and 1.05 μg diazinon/L). The development of sporocysts within the snail host was not affected at any of these test concentrations. Conclusions Insecticides did not affect the performance of S. mansoni at environmentally relevant concentrations. Accordingly, pesticide exposure is likely to increase the risk of schistosomiasis transmission by increasing host snail abundance without affecting the pathogen. Our results illustrate how the ecological side effects of pesticides are linked to human health, emphasizing the need for appropriate mitigation measures. Author summary Schistosomiasis is a major public health problem in 51 countries worldwide. Transmission requires human contact with freshwater snails that act as intermediate hosts, releasing free-swimming life stages of the trematodes. The host snails are highly tolerant to agricultural pesticides used in plant protection products. Pesticides enter freshwaters via drift and runoff, and indirectly foster the spread of host snails via adverse effects on more sensitive competitor and predator species in the water. Increasing the abundance of intermediate hosts raises potential contact with the human definitive host while transmission of the pathogen is not affected. Here we show that pesticides do not affect the ability of the trematode Schistosoma mansoni to infect and develop within its host snail Biomphalaria pfeifferi at environmentally relevant concentrations. Consequently, risk of schistosomiasis increases when pesticide pollution favours the proliferation of snail hosts whilst not negatively affecting the free-living parasites nor their development in their snail hosts. Measures to mitigate pesticide pollution of freshwaters should be a concern in public health programs to sustainably roll back schistosomiasis. Intersectional collaborations are required to bridge the gap between the agricultural and the public health sector in search of sustainable and safe methods of crop production.