Home About Browse Search

Firpo, Sofia, 2011. Mixture and single-compound toxicity using Daphnia magna : comparisons with estimates of concentration addition and independent action. Second cycle, A1E. Uppsala: SLU, Dept. of Aquatic Sciences and Assessment



Aquatic organisms are usually not exposed to single substances but rather to mixtures of toxicants in streams located in agricultural areas. The transport of pesticides used in the agricultural area in Sweden is monitored with continuous environmental supervision every year. During 2002-2008 an average of 10 pesticides were found in each sample and 40% of the samples contained substances with concentrations higher than the Water Quality Standards. Chemical risk management is normally based on single-test evaluations. A problem when assessing mixture toxicities is that the constituents and concentrations of pollutants in the environment vary greatly. Therefore experimental testing of all possible combinations of constituents in a mixture in the environment is not possible. Models such as concentration addition and independent action have been developed that allow an estimation of the toxicity of mixtures on the basis of the toxicity of the single compounds. In most cases, these models give quite accurate estimations of the toxicity of mixtures. This study was aimed at testing three insecticides (pirimicarb, fenitrothion and esfenvalerate) neurotoxic to Daphnia magna in order to evaluate if synergistic, antagonistic or strictly additive effects occur when added together in a mixture. The study also aimed at investigating if the mixed exposure toxicity can be predicted with any of the concentration addition and independent action models. The selected insecticides have been used frequently in Swedish agriculture and have been found above the Water Quality Standards in Swedish surface waters for several years during environmental monitoring. The highest concentration found in surface waters for esfenvalerate exceeded the NOEC and therefore negative effects on Daphnias can be expected. The highest concentration found in surface waters for all three insecticides were higher than the Water Quality Standards values. Therefore all three insecticides have the potential to be toxic to aquatic life with the concentrations found in agricultural streams during surveys. EC50 values obtained from the mixed exposure tests were lower than the EC50 values obtained from the single exposure tests for all three insecticides. Esfenvalerate showed the highest increase in toxicity, 80% in EC50 value, pirimicarb 50% and fenitrothion 45%. Independent action predicted the toxicity accurately at EC50 but the concentration addition model is the preferable model to work with as it generally predicts a higher toxicity than independent action, and therefore gives a “worse case scenario”. There is a need for further studies in order to see how these three insecticides interact with each other to see if the combination shows synergism, antagonism or additivity. Studies have found that concentrations that cause biological changes in Daphnia and other cladocerans are significantly lower than lethal concentrations. Therefore there is a risk that concentrations found in the environment can lead to changes in the entire ecosystem.


Vattenlevande organismer i bäckar i jordbruksområden utsätts oftast inte för en substans utan snarare en kombination av kemikalier. Transporten av pesticider som används inom jordbruket i Sverige övervakas varje år. Under 2002-2008 hittades i genomsnitt 10 pesticider i varje prov och 40% av proverna innehöll kemikalier med koncentrationer högre än sitt riktvärde. Kemiska riskanalyser baseras vanligtvis på utvärderingar från enkeltester. Ett problem vid fastställningen av en blandnings toxicitet är att komponenterna och koncentrationerna av föroreningar i naturen varierar kraftigt. Därför är det praktiskt omöljigt att utföra experimentella tester av alla tänkbara kombinationer av kemikalier i naturen. Modeller som koncentrationsaddition och oberoende effekter har utvecklats för att beräkna toxiciteten av kombinationer av kemikalier, med enskilda ämnens toxicitet som grund. I de flesta fall uppskattar dessa modeller toxiciteten av en blandning på ett tillförlitligt sätt. Syftet med denna studie var att testa tre insekticider (pirimikarb, fenitrotion och esfenvalerat) som är giftiga för Daphnia magna för att se om de tillsammans ger synergistiska, antagonistiska eller additiva effekter i en blandning. Syftet var även att undersöka om blandningens toxicitet kan beräknas enligt någon av modellerna koncentrationsaddition och oberoende effekter. De utvalda insekticiderna har varit vanligt förekommande inom svenskt jordbruk och har även påträffats i högre koncentrationer än sina riktvärden under flera år under miljöövervakningen. Den högsta koncentrationen som påträffats av esfenvalerat i ytvatten överskred NOEC och kan därför förväntas ha negativa effekter på Daphnia. Den högsta koncentrationen som hittats i ytvatten för alla tre insekticider var högre än riktvärderna. Alltså har alla tre insekticider potential att ha negativ effekt på vattenlevande organimser med de koncentrationer som har uppmätts under miljöövervakningen. EC50 värden från kombinationsförsöken var lägre än EC50 värden från enkelförsöken för alla tre insekticider. Esfenvalerat ökade mest i toxicitet med 80% i EC50 värde, pirimiarb 50% och fenitrotion 45%. Oberoende effekter beräknade toxiciteten bra men föredrar koncentrationsaddition då modellen ger ett “worse case scenario”. Det behövs fler studier för att avgöra hur dessa tre insekticider interagerar med varandra för att avgöra om det sker synergistiska, antagonistiska eller additiva effekter i blandningen. Studier har visat att koncentrationer som orsakar biologiska förändringar hos Daphnia och andra cladocerer är signifikant lägre än dödliga koncentrationer. Det finns därför en risk att de koncentrationer som uppmätts i ytvatten kan leda till förändringar i hela ekosystemet.

Main title:Mixture and single-compound toxicity using Daphnia magna
Subtitle:comparisons with estimates of concentration addition and independent action
Authors:Firpo, Sofia
Supervisor:Goedkoop, Willem and Rydh Stenström, Jenny
Examiner:Johnson, Richard
Volume/Sequential designation:UNSPECIFIED
Year of Publication:2011
Level and depth descriptor:Second cycle, A1E
Student's programme affiliation:None
Supervising department:(NL, NJ) > Dept. of Aquatic Sciences and Assessment
Keywords:mixed exposure, concentration addition, independent action, Daphnia magna, pirimicarb, fenitrothion, esfenvalerate, insecticide, pesticide, Swedish pesticide monitoring, risk assessment
Permanent URL:
Subject. Use of subject categories until 2023-04-30.:Water resources and management
Soil chemistry and physics
Deposited On:13 Jun 2011 12:03
Metadata Last Modified:20 Apr 2012 14:20

Repository Staff Only: item control page