[ES] La polinización mediada por insectos es un servicio ecosistémico esencial para la subsistencia de las comunidades vegetales silvestres y para la agricultura, resultando imprescindible para la alimentación humana. En las últimas décadas se ha observado un declive global en las poblaciones de insectos polinizadores que no solo afectan a la abeja de la miel (Apis mellifera), sino también a las comunidades de polinizadores silvestres. Se han identificado diversos factores como los causantes de este declive, siendo uno de ellos el aumento en la utilización de productos fitosanitarios en la agricultura, debido a que las abejas se ven expuestas a ellos cuando recolectan polen y néctar en los cultivos o sus alrededores. Dentro de la amplia variedad de productos fitosanitarios, se ha señalado a la familia de los insecticidas neonicotinoides como una de las principales causas implicadas en este declive. Distintos estudios ya habían demostrado sus efectos tóxicos letales y subletales sobre diferentes polinizadores. Por ello, en 2018 la Comisión Europea prohibió el uso al aire libre de tres de ellos, imidacloprid, tiametoxam y clotianidina, que afectó principalmente a los cultivos de maíz, girasol y colza europeos, que los utilizaban aplicados en la semilla. Tras esta prohibición, los agricultores buscaron alternativas a su uso con las que proteger sus cultivos. Una de las primeras opciones fue sustituirlos por otros insecticidas de la misma familia, como tiacloprid y acetamiprid. Otra opción es la utilización de piretroides, insecticidas de amplio uso disponibles en el mercado desde hace más tiempo que los neonicotinoides y cuyo uso está autorizado para gran variedad de cultivos. Asimismo, en el mercado hay disponibles nuevas materias activas prometedoras y supuestamente menos agresivas para los polinizadores, como el sulfoxaflor. Además de los productos aplicados directamente sobre los cultivos, los polinizadores se pueden ver expuestos a otras sustancias insecticidas, como la toxina insecticida Cry1Ab de Bacillus thuringiensis que expresa el maíz modificado genéticamente (maíz Bt). Estos antecedentes motivaron los dos objetivos principales de esta Tesis Doctoral: 1) determinar qué insectos conforman la comunidad de polinizadores de los cultivos de maíz y girasol, y que por tanto se pueden ver expuestos a los insecticidas, evaluando además el papel de los polinizadores en la producción de semillas de girasol; y 2) evaluar la toxicidad oral aguda de seis insecticidas (imidacloprid, tiacloprid, deltametrina, esfenvalerato, sulfoxaflor y B. thuringiensis) sobre obreras individualizadas del abejorro Bombus terrestris, así como los efectos subletales de los mismos insecticidas sobre microcolmenas con varios individuos tras una exposición oral crónica. La abundancia y dinámica de los insectos polinizadores presentes en maíz y girasol se estudió durante tres años (2016-2018) mediante la captura de ejemplares con trampas adhesivas amarillas y trampas de Moericke (platos de colores). Himenópteros (familia Halictidae), seguido de dípteros, fueron los polinizadores más abundantes, mientras que apenas se capturaron coleópteros y lepidópteros. Sus picos de abundancia fueron variables y poco relacionados con el periodo de floración, lo que indicaría que estos insectos no tienen gran dependencia de ninguno de los cultivos, a pesar de aprovechar sus recursos. El papel de los polinizadores en el rendimiento del girasol se evaluó mediante un experimento en el que algunos girasoles eran privados de la presencia polinizadores durante el periodo de polinización mediante mallas de exclusión, mientras que en el resto los insectos tuvieron libre acceso. Los resultados mostraron que los girasoles en los que los insectos intervinieron produjeron frutos de más peso y un mayor número de semillas que los de los girasoles que fueron cubiertos. Además, constatamos que las abejas de la familia Halictidae fueron las que más tiempo invirtieron dentro de los capítulos de girasol, mientras que los abejorros Bombus sp. fueron los que más número de flores visitaron en relación a la duración de la visita. La toxicidad oral aguda de los seis insecticidas se estudió mediante la exposición de obreras individualizadas de B. terrestris procedentes de colmenas comerciales a néctar tratado con concentraciones crecientes de cada uno de los insecticidas durante 48h. Los efectos subletales por exposición oral crónica de estas mismas materias activas se estudiaron utilizando microcolmenas de abejorro con cinco obreras recién emergidas, procedentes de la misma colmena comercial. Estas microcolmenas eran expuestas a una concentración de insecticida equivalente al residuo encontrado en néctar y polen de cultivos y flores silvestres, durante 10 semanas, y se evaluaron los efectos subletales en el desarrollo del nido, la capacidad reproductora de las falsas reinas y en la descendencia. Además, se evaluó si el B. thuringiensis podía ser un factor de estrés adicional, exponiendo a las abejas de forma simultánea a esta materia activa junto con deltametrina. Los resultados mostraron que estos insecticidas presentan una toxicidad muy diferente para los abejorros. Los valores de CL50 y DL50 obtenidos mostraron una toxicidad aguda que seguía la siguiente secuencia: imidacloprid > sulfoxaflor > deltametrina > esfenvalerato > tiacloprid > B. thuringiensis. Además de causar la mortalidad más alta a las obreras de B. terrestris, el insecticida prohibido imidacloprid provocó efectos subletales que afectaron a la reproducción, a la descendencia y al desarrollo del nido tras una exposición prolongada. El tiacloprid, también actualmente prohibido en la UE, provocó una toxicidad mucho menor y no mostró efectos subletales en el desarrollo de las microcolmenas. Los piretroides mostraron una toxicidad aguda intermedia entre ambos neonicotinoides y tampoco provocaron efectos subletales significativos. El sulfoxaflor, con pocos años en el mercado y supuestamente más seguro para las abejas que los neonicotinoides, resultó ser el segundo insecticida más tóxico tras una exposición corta, si bien no mostró efectos subletales en los nidos de B. terrestris tras ser expuestos durante diez semanas. Por último, el insecticida microbiano B. thuringiensis solo provocó mortalidad en las abejas expuestas a la concentración más alta. Además, tampoco aumentó los efectos subletales provocados por la deltametrina sobre las colmenas de abejorro tras una exposición combinada, por lo que la coincidencia en el tiempo y en el espacio de estos polinizadores con la toxina Cry1Ab expresada en el polen del maíz Bt no debería suponer un riesgo para las poblaciones de este insecto.

[EN] Insect pollination is an essential ecosystem service for the subsistence of wild plants and for agriculture, and it is essential for human food security. In recent decades, a global decline in insect pollinator populations has been observed, affecting not only the honey bee (Apis mellifera), but also wild pollinator communities. Several factors have been identified as the cause of this decline, one of them being the increased use of plant protection products in agriculture, as bees are exposed to them when they are collecting pollen and nectar in and around crops. Within the wide variety of plant protection products, the neonicotinoid insecticides have been identified as one of the main causes implicated in this decline. Different studies had already demonstrated their lethal and sublethal toxic effects on different pollinators. Therefore, in 2018, the European Commission banned the outdoor use of three of them, imidacloprid, thiamethoxam and clothianidin. This ban mainly affected European maize, sunflower and oilseed rape crops, which used them in coated seeds. Following this ban, farmers sought alternatives to their use to protect their crops. One of the first options was to replace them with other insecticides of the same family, such as thiacloprid and acetamiprid. Another option is the use of pyrethroids, widely used insecticides that have been available on the market for longer than neonicotinoids and are approved for use on a wide variety of crops. Furthermore, promising new active ingredients, such as sulfoxaflor, are also available on the market, which are supposedly less aggressive to pollinators. In addition to products applied directly to crops, pollinators may be exposed to other insecticidal substances, such as the insecticidal toxin Cry1Ab from Bacillus thuringiensis expressed in genetically modified maize (Bt maize). This background motivated the two main objectives of this PhD Thesis: 1) to identify which insects make up the pollinator community of maize and sunflower crops, and therefore may be exposed to insecticides, further evaluating the role of pollinators in sunflower seed production; and 2) to evaluate the toxicity of six insecticides (imidacloprid, thiacloprid, deltamethrin, esfenvalerate, sulfoxaflor, and B. thuringiensis) on the bumblebee Bombus terrestris, studying both acute oral toxicity in individual workers, as well as the sublethal effects on micro-hives with several individuals after chronic oral exposure. The abundance and dynamics of pollinating insects present in maize and sunflower were studied during three years (2016-2018) by capturing specimens with yellow sticky traps and Moericke traps (colored plates). Hymenoptera (family Halictidae), followed by Diptera, were the most abundant pollinators, while Coleoptera and Lepidoptera were hardly captured. Their abundance peaks were variable and uncorrelated to the flowering period, which would indicate that these insects are not highly dependent on any of the crops, despite taking advantage of their resources. The role of pollinators in sunflower yield was evaluated by means of an experiment in which some sunflowers were deprived of the presence of pollinators during the pollination period by means of exclusion nets, while in the rest the insects had free access. The results showed that the sunflowers in which the insects intervened produced heavier and a greater number of seeds than those of the covered sunflowers. In addition, we found that bees of the family Halictidae were the most time-consuming bees within the sunflower flower heads, while bumblebees Bombus sp. visited the greatest number of flowers in relation to the duration of the visit. The acute oral toxicity of the six insecticides was studied by exposing individualized B. terrestris workers from commercial hives to treated nectar with increasing concentrations of each insecticide during 48h. The sublethal effects of chronic oral exposure to these same active substances were studied using bumblebee micro-hives with five newly emerged workers from the same commercial hive. These micro-hives were exposed to an insecticide concentration equivalent to the residue found in nectar and pollen from crops and wildflowers for 10 weeks, and the sublethal effects on nest development, reproductive capacity of false queens and offspring were evaluated. In addition, it was evaluated whether B. thuringiensis toxins could be an additional stress factor by exposing the bees simultaneously to this active substance together with deltamethrin. The results showed that these insecticides have a very different toxicity to bumblebees. The LC50 and LD50 values obtained showed acute toxicity followed the following sequence: imidacloprid > sulfoxaflor > deltamethrin > esfenvalerate > thiacloprid > B. thuringiensis. In addition to causing the highest mortality to B. terrestris workers, the banned insecticide imidacloprid caused sublethal effects affecting reproduction, offspring and nest development after prolonged exposure. Thiacloprid, also currently banned in the EU, caused much lower toxicity and did not show sublethal effects on micro-hive development. Pyrethroids showed intermediate acute toxicity between the two neonicotinoids and they did not cause significant sublethal effects. Sulfoxaflor, which has been on the market for only a few years and is supposedly safer for bees than neonicotinoids, was the second more toxic insecticide after acute exposure, but it showed no sublethal effects on B. terrestris nests after 10 weeks of exposure. Finally, the microbial insecticide B. thuringiensis only caused mortality in bees exposed to the highest concentration. This insecticide neither enhanced the sublethal effects caused by deltamethrin on bumblebee hives after combined exposure, so the coincidence in time and space of these pollinators with the Cry1Ab toxin expressed in the pollen of Bt maize should not pose a risk to their populations.

Ministerio de Economía, Industria y Competitividad a través del Proyecto AGL2015-64825-R

Ministerio de Ciencia e Innovación a través del Proyecto PID2019-104578RB-I00

Contratos predoctorales para la formación de doctores BES-2016-077782

Peer reviewed