Rapid assessment of pesticide toxicity in aquatic ecosystems using deep learning-based automatic duckweed counting method.
Aquat Toxicol · 2026 · 294:107791 · PMID 41887020 · 등급6 세포·모델 세포실험 · 환경과 생태 > 토양 거동 · 곤충 · 환경
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농약은 작물 수확량을 위협하는 잡초, 해충 및 질병을 방제하기 위해 농업에서 광범위하게 사용되고 있다. 그러나 이러한 광범위한 사용은 특히 유출수와 침출수를 통해 오염에 취약한 수생태계의 환경적 영향을 우려하게 한다. 수생식물에 대한 농약 독성을 평가하기 위해, 본 연구에서는 StarDist 기법을 기반으로 최적화된 자동화된 물옥잠(Wolffia globosa) 잎 개수 측정 도구를 적용하였다. 이 방법을 사용하여 제초제, 살균제 및 살충제를 포함한 28종의 일반적으로 사용되는 농약이 물옥잠 성장에 미치는 영향을 테스트하였다. 제초제인 파라콰트가 가장 강한 성장 저해 효과(IC50 < 10 ppb)를 보였으며, 디우론(diuron)이 그 뒤를 이었다(IC50 = 384.2 ppb). 시마진(Simazine)과 펜디메탈린(pendimethalin)은 중간 정도의 독성을 나타냈고, 글리포세이트(glyphosate), 트라이클로파르(triclopyr), 그리고 글루포시네이트(glufosinate)는 낮은 독성을 보였다. 놀랍게도 메타미폭(metamifop)은 최고 시험 농도(106 ppb)에서도 물옥잠 성장을 저해하지 않았다. 이소프로티올란(Isoprothiolane)만이 테스트된 살균제 중 물옥잠에 유의미한 독성 효과를 보였다(IC50 ≈ 924.3 ppb). 아조크스트로빈(azoxystrobin), 헥사코나졸(hexaconazole), 디페노코나졸(difenoconazole), 피콕시스트로빈(picoxystrobin), 테부코나졸(tebuconazole) 및 사이프로코나졸(cyproconazole)을 포함한 나머지 물질들은 비정상적으로 높은 농도에서만 식물 성장을 저해하였다. 흥미롭게도, 시아조파미드(cyazofamid)는 시험 조건 하에서 물옥잠의 성장을 촉진하였다. 테스트된 12종의 살충제 중 8종은 물옥잠에 비교적 낮은 독성을 보였다(IC50 > 10⁵ ppb). 사이퍼메트린(Cypermethrin), 카바푸란(carbofuran), 페ㄴ프로파트린(fenpropathrin) 및 니텐피람(nitenpyram)은 IC50 값이 10⁶ ppb를 초과하는 매우 낮은 독성을 보였다. 본 연구 결과는 농화학물질의 독성에 대한 이해도를 높였을 뿐만 아니라, W. globosa 성장의 자동화되고 고처리량 정량화의 유용성을 입증하여 수생 환경에서 농약 독성 평가를 위한 빠르고 효과적인 접근법을 제공하였다.ORIGINAL ABSTRACT
Pesticides are widely used in agriculture to control weeds, insects, and diseases that threaten crop yields. However, their extensive use raises concerns about environmental impacts, particularly in aquatic ecosystems, which are vulnerable to contamination through runoff and leaching. To assess the toxicity of pesticides to aquatic plants, we applied an optimized automated duckweed (Wolffia globosa) frond-counting tool based on the StarDist technique. Using this method, we tested twenty-eight commonly used pesticides, including herbicides, fungicides, and insecticides effects on duckweed growth. The herbicide paraquat showed the strongest growth inhibition (IC50 < 10 ppb), followed by diuron (IC50 = 384.2 ppb). Simazine and pendimethalin exhibited moderate toxicity, while glyphosate, triclopyr, and glufosinate showed lower toxicity. Surprisingly, metamifop did not inhibit duckweed growth up to the highest tested concentration (106 ppb). Isoprothiolane was the only fungicide tested that exhibited significant toxic effects on duckweed (IC50 ≈ 924.3 ppb). All others, including azoxystrobin, hexaconazole, difenoconazole, picoxystrobin, tebuconazole, and cyproconazole, only inhibited plant growth at unnaturally high concentrations. Interestingly, cyazofamid promoted duckweed growth under the test conditions. Among 12 insecticides tested, 8 exhibited relatively low toxicity to duckweed (IC50 > 105 ppb). Cypermethrin, carbofuran, fenpropathrin, and nitenpyram showed very low toxicity, with IC50 values exceeding 106 ppb. Our results both enhance understanding of agrochemical toxicity and demonstrate the utility of automated, high-throughput quantification of W. globosa growth, providing a rapid and effective approach for pesticide toxicity assessment in aquatic environments.| 저자 | Cheng, D.; Kurnia, K. A.; Hsiao, C. D. |
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| 저널 | Aquatic toxicology (Amsterdam, Netherlands) |
| 권·호·쪽 | 294, 107791 |
| PMID | 41887020 |
| DOI | 10.1016/j.aquatox.2026.107791 |
| MeSH | Araceae; Water Pollutants, Chemical; Pesticides; Toxicity Tests; Herbicides; Ecosystem; Environmental Monitoring |