Exposure of honeybees (Apis mellifera L.) and other hymenoptera pollinators to different Bacillus thuringiensis based biopesticides in laboratory controlled trials

Apoidea play a fundamental and strategic role in the regulation of reproductive processes of many plants, including those of agricultural interest, due to their pollination activities. In Italy, Apoidea important for agriculture include: Apis mellifera Linnaeus 1758, known eusocial species with organization into castes Osmia cornuta, Latreille 1805 and O. rufa Linnaeus 1758, two species of solitary bees that nest in gregarious form, profitable and easy to use on different crops in semi-field and open field. However, populations of many species of Apoidea are in decline, and this phenomenon seems to be also related to the increase of the use of chemicals in agricultural practices. Biopesticides are a class of natural products used in agriculture to limit the damage caused by harmful organisms and include commercial formulations. They should be less harmful for the environment compared to traditional chemical pesticides, because they are effective at very low concentrations and have a rapid inactivation; furthermore, these products have a lower risk of non-specificity, acting mainly on the larval stages of some species of pests. Bacillus thuringiensis-based biopesticides are often used in IPM and they are dispersed in the environment. Bacillus thuringiensis (Bt) B. is one of the most common microorganisms which toxicity is due to the production of parasporal crystals exhibiting a highly specific insecticidal activity during sporulation of the bacterium. These toxic crystals (Cry), consist of different protein families (insecticidal crystal proteins or ICPs) not closely related, that are released into the environment and, once arrived in the gut of the organism by via trophic, act specifically on the epithelium of the midgut. Since insects epithelial cells of midgut are involved in multiple processes such as digestion, absorption, formation of peritrophic membrane, the alteration caused by the toxins of Bt would involve a functional impairment that could end with the death of the insect, according to the mechanisms of action. However, the natural compounds are not necessarily safer than synthetic ones because their biological properties and activity are in function of the structure rather than the origin, the applied dose in certain situations, and in relation to the safety of the product utilization. Bt-based products are considered harmless for species of Apoidea so far investigated, but it is believed that they could lead to sublethal effects, thus reducing pollinator populations in the field. Despite the importance of information on this issue, investigations, are still limited. Given the crucial role played by both honeybees and solitary bees, not only for an ecological standpoint, but also for an agro-economic aspect, I thought it was interesting to undertake investigations leading to evaluation the toxic effects associated with the administration of various concentrations of three Bt-based formulations. For this purpose, I have focused my research on the effects of products at different levels: assessing the mortality of O. cornuta, O. rufa and A. mellifera, and, for the latter species, it was observed a possible behavior modification related to histological and ultrastructural impairment of the midgut epithelium of workers. Moreover, any biochemical alteration and gene expression was assessed in midgut of workers after ingestion of one of biopesticides tested. Overall, results confirm such low toxicity of the tested Bt-based biopesticides on workers of A. mellifera and O. cornuta and O.rufa, at the concentrations presumably found in field-environment conditions, confirming that the biopesticides represent a category of commercial products certainly more convenient for the environment and the human health than the other agrochemicals, although any possible long-term and chronic effects should be taking into account.

Gli Apoidei giocano un ruolo fondamentale e strategico nella regolazione dei processi riproduttivi di molte piante, comprese quelle di interesse agrario, grazie alla loro attività di impollinazione. Tra gli Apoidei, presenti in Italia, importanti dal punto di vista agro-economico troviamo: Apis mellifera, Linnaeus 1758, nota specie eusociale con organizzazione in caste, Osmia cornuta, Latreille 1805 e O. rufa, Linnaeus 1758, due specie di api solitarie che nidificano in forma gregaria di proficuo e agevole impiego su diverse colture in pieno campo e in ambiente confinato. Tuttavia, si sta assistendo alla riduzione delle popolazioni di molte specie di Apoidei, e tale fenomeno sembra essere in relazione all’incremento dell’utilizzazione di prodotti chimici nelle pratiche agricole. I biopesticidi rappresentano una classe di prodotti di origine naturale utilizzati in agricoltura per limitare i danni provocati dagli organismi dannosi e comprendono diverse formulazioni commerciali. Rispetto ai tradizionali pesticidi chimici, i biopesticidi dovrebbero risultare meno dannosi dal punto di vista ambientale (efficacia a concentrazioni molto basse, rapidità di inattivazione e minor rischio di aspecificità). Uno tra i più comuni microrganismi utilizzati a tal proposito è Bacillus thuringiensis (Bt) B., presente in alcuni prodotti che vengono dispersi nell’ambiente e utilizzati nell IPM. L’azione tossica del batterio è dovuta alla produzione di cristalli parasporali ad azione insetticida che avviene durante la fase di sporulazione del batterio. Questi cristalli tossici (Cry) vengono rilasciati nell’ambiente e che, una volta giunti nell’intestino dell‘organismo che li ha assunti per via trofica, agiscono specificatamente sull’epitelio dell’intestino medio e le alterazioni provocate dalle tossine di Bt comporterebbero un danno funzionale che potrebbe concludersi con la morte dell’individuo, secondo meccanismi di azione già noti. Tuttavia, i composti naturali non sono necessariamente più sicuri di quelli sintetici poiché le loro proprietà biologiche e l’attività sono funzione della struttura piuttosto che dell’origine, della dose applicata in determinate circostanze, e in relazione alla sicurezza del modo in cui il prodotto viene usato. Infatti, si ritiene che prodotti a base di Bt, considerati innocui nelle specie di Apoidei sinora indagate, possano comportare effetti sub letali, così riducendo l’entità delle popolazioni di impollinatori nel campo. Nonostante l’importanza che rivestono le informazioni su questa problematica, le indagini in tal senso, risultano, tuttavia, ancora limitate. Considerato il ruolo fondamentale svolto sia dalle api mellifere sia dalle api solitarie, non solo da un punto di vista prettamente ecologico, ma anche per un aspetto agro-economico, mi è sembrato interessante intraprendere indagini mirate alla valutazione degli effetti tossici connessi alla somministrazione di varie concentrazioni di tre formulati a base di Bt. A tal fine, ho focalizzato la mia ricerca sugli effetti dei formulati a più livelli: valutando la mortalità di O. cornuta, O. rufa e A. mellifera, e, per quest’ultima specie, è stata osservata una possibile modificazione del comportamento connessa ad eventuali alterazioni biochimiche e di espressione genica, istologiche ed ultrastrutturali a livello dell’intestino medio delle operaie a seguito dell’ingestione di uno dei biopesticidi testati. I risultati confermano una bassa tossicità dei biopesticidi a base di Bt testati sulle operaie di A. mellifera e su O. cornuta e O.rufa, alle concentrazioni di utilizzo in campo e che si trovano presumibilmente nell’ambiente, confermando che i biopesticidi rappresentano una categoria di prodotti commerciali sicuramente più conveniente per l'ambiente e la salute umana rispetto agli altri prodotti di origine chimica, anche se ogni possibile effetto a lungo termine e cronici dovrebbe essere preso in considerazione.