For a predictive assessment of the aquatic toxicity of chemical mixtures, two competing concepts are available: concentration addition and independent action. Concentration addition is generally regarded as a reasonable expectation for the joint toxicity of similarly acting substances. In the opposite case of dissimilarly acting toxicants the choice of the most appropriate concept is a controversial issue. In tests with freshwater algae we therefore studied the extreme situation of multiple exposure to chemicals with strictly different specific mechanisms of action. Concentration response analyses were performed for 16 different biocides, and for mixtures containing all 16 substances in two different concentration ratios. Observed mixture toxicity was compared with predictions, calculated from the concentration response functions of individual toxicants by alternatively applying both concepts. The assumption of independent action yielded accurate predictions, irrespective of the mixture ratio or the effect level under consideration. Moreover, results even demonstrate that dissimilarly acting chemicals can show significant joint effects, predictable by independent action, when combined in concentrations below individual NOEC values, statistically estimated to elicit insignificant individual effects of only 1%. The alternative hypothesis of concentration addition resulted in overestimation of mixture toxicity, but differences between observed and predicted effect concentrations did not exceed a factor of 3.2. This finding complies with previous studies, which indicated near concentration-additive action of mixtures of dissimilarly acting substances. Nevertheless, with the scientific objective to predict multi-component mixture toxicity with the highest possible accuracy, concentration addition obviously is no universal solution. Independent action proves to be superior where components are well known to interact specifically with different molecular target sites, and provided that reliable statistical estimates of low toxic effects of individual mixture constituents can be given. With a regulatory perspective, however, fulfilment of both conditions may be regarded as an extraordinary situation, and hence concentration addition may be defendable as a pragmatic and precautionary default assumption.

Herbicidal s-triazines are widespread contaminants of surface waters. They are highly toxic to algae and other primary producers in aquatic systems. This results from their specific interference with photosynthetic electron transport. Risk assessment for aquatic biota has to consider situations of simultaneous exposure to various of these toxicants. In tests with freshwater algae we predicted and determined the toxicity of multiple mixtures of 18 different s-triazines. The toxicity parameter was the inhibition of reproduction of Scenedesmus vacuolatus. Concentration–response analyses were performed for single toxicants and for mixtures containing all 18 s-triazines in two different concentration ratios. Experiments were designed to allow a valid statistical description of the entire concentration–response relationships, including the low concentration range down to EC1. Observed effects and effect concentrations of mixtures were compared to predictions of mixture toxicity. Predictions were calculated from the concentration–response functions of individual s-triazines by applying the concepts of concentration addition and independent action (response addition) alternatively. Predictions based on independent action tend to underestimate the overall toxicity of s-triazine mixtures. In contrast, the concept of concentration addition provides highly accurate predictions of s-triazine mixture toxicity, irrespective of the effect level under consideration and the concentration ratio of the mixture components. This also holds true when the mixture components are present in concentrations below their individual NOEC values. Concentrations statistically estimated to elicit non-significant effects of only 1% still contribute to the overall toxicity. When present in a multi-component mixture they can co-operate to give a severe joint effect. Applicability of the findings obtained with s-triazines to mixtures of other contaminants in aquatic systems and consequences for risk assessment procedures are discussed.

Abstract Pesticides have been identified worldwide as a threat for aquatic biodiversity due to their widespread use in agriculture and their capacity to reach freshwater ecosystems. Very little is known about the consequences of pesticide mixtures targeting different organism groups on community dynamics. Especially, how horizontal changes within one trophic level are propagated vertically across the food web has been rarely investigated. To get insight on the effects of pesticide mixtures on community dynamics, we performed a mesocosm experiment manipulating three common agricultural stressors: chlorpyrifos (an insecticide), diuron (an herbicide) and nutrients. The results of this study show that all stressors had significant effects on community composition, species richness and abundance. However, recovery trajectories and ecosystem functioning effects largely depended on the type of stressor as well as on post-disturbance trophic and non-trophic interactions. Effects of pesticides were generally recovered by the end of the experimental period when considering abundance, whereas community composition further departed from control systems. High nutrient loads led to a shift in community composition characterized by high taxa dominance and lower species richness, which in turn contributed to increased total organism abundance and reduced recovery times to pesticide exposure. We found interactions between the tested stressors to be significant only few times at the community level, while interactions were more common at the population level. Our findings indicate that management of freshwater ecosystems should consider pre-disturbance community composition and long-term changes in interactions across different organism groups to set effective protection measures.