Effects of environmental factors on the toxicity of pesticides to zebrafish embryos

During the last century mean global temperatures have been increasing. According to the predictions, the temperature change is expected to exceed 1.5ºC in this century and the warming is likely to continue. Freshwater ecosystems are among the most sensitive mainly due to changes in the hydrologic cycle and consequently changes in several physico-chemical parameters (e.g. pH, dissolved oxygen). Alterations in environmental parameters of freshwater systems are likely to affect distribution, morphology, physiology and richness of a wide range of species leading to important changes in ecosystem biodiversity and function. Moreover, they can also work as co-stressors in environments where organisms have already to cope with chemical contamination (such as pesticides), increasing the environmental risk due to potential interactions. Therefore, the objective of this work was to evaluate the effects of climate change related environmental parameters on the toxicity of pesticides to zebrafish embryos. The following environmental factors were studied: pH (3.0-12.0), dissolved oxygen level (0-8 mg/L) and UV radiation (0-500 mW/m2). The pesticides studied were the carbamate insecticide carbaryl and the benzimidazole fungicide carbendazim. Stressors were firstly tested separately in order to derive concentration- or intensity-response curves to further study the effects of binary combinations (environmental factors x pesticides) by applying mixture models. Characterization of zebrafish embryos response to environmental stress revealed that pH effects were fully established after 24 h of exposure and survival was only affected at pH values below 5 and above 10. Low oxygen levels also affected embryos development at concentrations below 4 mg/L (delay, heart rate decrease and edema), and at concentrations below 0.5 mg/L the survival was drastically reduced. Continuous exposure to UV radiation showed a strong time-dependent impact on embryos survival leading to 100% of mortality after 72 hours of exposure. The toxicity of pesticides carbaryl and carbendazim was characterized at several levels of biological organization including developmental, biochemical and behavioural allowing a mechanistic understanding of the effects and highlighting the usefulness of behavioural responses (locomotion) as a sensitive endpoint in ecotoxicology. Once the individual concentration response relationship of each stressor was established, a combined toxicity study was conducted to evaluate the effects of pH on the toxicity of carbaryl. We have shown that pH can modify the toxicity of the pesticide carbaryl. The conceptual model concentration addition allowed a precise prediction of the toxicity of the jointeffects of acid pH and carbaryl. Nevertheless, for alkaline condition both concepts failed in predicting the effects. Deviations to the model were however easy to explain as high pH values favour the hydrolysis of carbaryl with the consequent formation of the more toxic degradation product 1- naphtol. Although in the present study such explanatory process was easy to establish, for many other combinations the “interactive” nature is not so evident. In the context of the climate change few scenarios predict such increase in the pH of aquatic systems, however this was a first approach focused in the lethal effects only. In a second tier assessment effects at sublethal level would be sought and it is expectable that more subtle pH changes (more realistic in terms of climate changes scenarios) may have an effect at physiological and biochemical levels with possible long term consequences for the population fitness.

Study of pesticide effects on non-target organisms

A utilização insustentável de pesticidas, especialmente em zonas com elevado valor ecológico constitui uma ameaça à integridade dos ecossistemas. Sendo um problema à escala mundial, e também no contexto nacional, o presente trabalho pretende ser um contributo para a avaliação dos efeitos de pesticidas em organismos não alvo terrestres e, principalmente, aquáticos, em contextos de progressiva relevância ecológica. Neste sentido, o estudo foi direccionado para áreas (A1 e A2) integradas numa zona agrícola extensa em Portugal, utilizada para a produção de milho e, principalmente, de arroz (Baixo Mondego), a qual sustenta uma elevada biodiversidade. O estudo teve início na área A1, onde a monitorização físico-química e os ensaios com amostras naturais (ensaios WET - whole effluent tests) provenientes desta área evidenciaram que, apesar da ausência de pesticidas, as amostras de água colhidas no canal que atravessava os arrozais foram as mais nocivas para o crescimento de Pseudokirchneriella subcapitata e Chlorella vulgaris. Uma vez que outras fontes de contaminação (produção de gado) actuavam em A1, o estudo prosseguiu apenas na área A2. Assim, em A2, começou-se por determinar a toxicidade individual e da mistura de dois herbicidas formulados aplicados nos campos de arroz (Viper®) e milho (Mikado®) em condições laboratoriais. Viper® foi o herbicida mais tóxico, tanto para o crescimento de P. subcapitata e C. vulgaris, como para a sobrevivência, reprodução e crescimento de Daphnia longispina e Daphnia magna. Adicionalmente, estimou-se que a mistura Viper®/Mikado® induz efeitos antagonistas no crescimento de P. subcapitata e efeitos sinérgicos no crescimento de C. vulgaris e na sobrevivência dos dafnídeos. A avaliação da toxicidade destes herbicidas formulados e seus ingredientes activos no comportamento de minhocas terrestres (Eisenia andrei), usando solos naturais, demonstrou que Viper® e penoxsulam causaram uma % de evitamento superior nos organismos expostos. Contudo, o risco para E. andrei será à partida reduzido se as taxas de aplicação dos herbicidas forem respeitadas. Ensaios WET foram novamente usados para testar amostras naturais da área A2. Verificou-se que a qualidade do sistema aquático e do arrozal diminuiu durante a estação agrícola, em paralelo com a presença de nutrientes e pesticidas. O crescimento algal foi inibido, apesar dos parâmetros de história de vida dos dafnídeos terem sido estimulados. O resultado desta avaliação subestimou, em certos casos, os impactos reais causados pela aplicação de pesticidas. A avaliação in situ simultânea à aplicação de herbicidas nos arrozais demonstrou que os efeitos registados foram de facto restritos aos pulsos de herbicidas. A inibição das taxas de alimentação de D. longispina e D. magna forneceram um sinal precoce de alterações no sistema, seguido pela diminuição da sua sobrevivência e do crescimento de P. subcapitata. Em suma, as diferentes fases da avaliação efectuada confirmaram a existência de condições desfavoráveis devido às práticas agrícolas, reforçando a necessidade de se conjugar ensaios laboratoriais com avaliações in situ de maior relevância ecológica, para reduzir o grau de incerteza aliado à determinação dos riscos.

Effect assessment of nanoparticles toxicity in the terrestrial compartment

Over 11 million tons of nanomaterials (NMs) have been produced in 2012 and predictions point the increase in production. Despite predictions and extended usage via consumer products and industry, the understanding of the potential impact of these materials on the environment is virtually absent. The main aim of this thesis is to understand how a selected group of nanomaterials (metal based particles) may impact soil invertebrates, with special focus on the mechanisms of response. Since a case-by-case Environmental Risk Assessment (ERA) of all the emerging contaminants (particularly NMs) is impossible, among others due to time and cost reasons, to gain understanding on the mechanism of action and response is very important to reach a common paradigm. Understanding the modes of action provides predictive characters in cross particle extrapolation. Besides, it also provides insight for the production of new and sustainable materials. Overall, the effects of the selected NMs (Copper and Silver, Titanium and Zirconium oxides) and the respective salt forms, were investigated at the gene expression (using high-throughput tools, microarray and qPCR technology), biochemical (using enzymatic assays for analysis of oxidative stress markers) and organism (survival and reproduction as in OECD test guidelines) levels, this using standard soil species (Enchytraeus albidus, Enchytraeus crypticus, Eisenia fetida). Gene expression analysis provided valuable information on the mechanisms affected by each of the NMs. The gene expression profile highlighted a (nano)material signature and the effect of the duration of exposure. The functional analyses integrated with the biochemical and organism data, revealed a good understanding power. The biochemical parameters (oxidative stress related) were distinct across the materials and also influenced by duration of exposure and concentration. The standardized organismal responses differed the least between the various materials. The overall outcome is that, in this context of NMs effect assessment, gene expression and enzymatic assays introduced a very important knowledge gap, which could not had been achieved by the standard organismal effects alone. A reoccurring issue with some metal based NMs is the possible dissolution and subsequent release of ions that then causes toxicity e.g. Cu-NPs or Ag-NPs release Cu2+ or Ag+. The oxidation state of the particles was investigated, although this was not the focus of the thesis. The study of fate, e.g. dissolution of NPs, is also only in its beginning and the appropriate techniques are currently being developed. The results showed a specific nanoparticle effect. The UV exposure with titanium dioxide nanoparticles increased its effect.

Toxicity assessment of essential metals in aquatic detritivores

Os contaminantes provenientes quer de fontes naturais quer como consequência da atividade humana, têm contribuído para a degradação dos ecossistemas aquáticos. Entre estes encontram-se os metais que podem, ou não ser essenciais mediante o papel que desempenham no metabolismo dos organismos. O cobre e o zinco são exemplos de metais essenciais, contudo quando atingem concentrações elevadas podem tornar-se tóxicos. Os detritívoros aquáticos desempenham um papel fundamental na decomposição da matéria orgânica, alimentando-se de carcaças e partes de plantas que caem nos cursos de água. Assim, estes organismos permitem que o ciclo dos nutrientes se complete e servem como elo de ligação entre todos os grupos funcionais do ecossistema mantendo o seu equilíbrio estrutural e funcional. Sendo a matéria orgânica a sua principal fonte de energia estão sujeitos à contaminação existente no meio, pelo que é de todo o interesse proceder-se à avaliação dos efeitos da toxicidade de metais nestes organismos. Uma vez que as diferenças comportamentais consequentes desta exposição podem originar variações na densidade e diversidade, o que se refletirá a nível das comunidades, originando alterações na estrutura e funcionamento do ecossistema. Tendo em vista a avaliação dos efeitos da contaminação por metais em detritívoros, o principal objetivo deste trabalho foi comparar a sensibilidade a metais essenciais de dois detritivoros aquáticos, o camarão Atyaephyra desmarestii e o anfípode Echinogammarus meridionalis. Para tal, avaliaram-se os efeitos do cobre e do zinco a diferentes níveis de organização biológica. Primeiro, foram determinadas as preferências alimentares de A. desmarestii e E. meridionalis considerando tanto a área das folhas como a contaminação por metais das folhas. Em seguida, avaliaram-se os efeitos do cobre e do zinco na sobrevivência e inibição alimentar de ambas as espécies. Finalmente, avaliaram-se os efeitos destes mesmos metais a nível bioquímico utilizando uma bateria de biomarcadores que incluiu enzimas de stresse oxidativo, o sistema de defesa antioxidante e as colinesterases. Ambos os organismos não mostraram preferência em relação a folhas de área diferente. A presença de uma maior ou menor concentração de metais essenciais no alimento não teve qualquer influência na sua escolha pelo alimento (contaminado ou não). Os ensaios agudos de cobre e zinco mostraram que o cobre é mais tóxico para ambas as espécies do que o zinco. O camarão demonstrou ser mais sensível ao zinco que o anfípode, tendo este sido mais sensível ao cobre ( CL50 do cobre para A. desmarestii foi de 0,128 mg.l-1 e o de E. meridionalis foi de 0,050 mg.l-1; os valores correspondentes para o zinco foram 7,951 e 11,860 mg.l-1, respectivamente. Em relação aos efeitos subletais, o cobre teve efeitos notórios na taxa de alimentação de E. meridionalis, mas não afectou a de A. desmarestii. No que diz respeito à exposição ao zinco, ambas as espécies parecem apresentar tendência para inibir a alimentação. A caracterização das colinesterases revelou que a principal forma presente em ambas as espécies é a acetilcolinesterase, a qual que não foi afetada pela presença dos metais, no caso do camarão, mas parece ser inibida pelo zinco no caso do anfípode. O cobre inibiu o sistema de defesa enzimático de ambas as espécies, sem sinais de danos lipídicos. Para além disto, inibiu uma das enzimas antioxidantes (GPx) do anfípode. Apesar de não ter ocorrido dano lipídico após exposição ao cobre, observou-se um ligeiro aumento dos níveis das LPO, o que pode ser indicativo de uma potencial existência de dano oxidativo, como resultado da falha do sistema de defesa antioxidante. Por outro lado, o zinco induziu o sistema de defesa em E. meriodionalis prevenindo o dano lipídico. Enquanto em A. desmarestii o sistema enzimático antioxidante não respondeu, tendo ocorrido dano celular oxidativo considerando-se, assim, que o sistema de defesa antioxidante do camarão pode ser comprometido por exposição a metais. Ainda que os danos celulares oxidativos tivessem ocorrido a baixas concentrações de zinco. A exposição a este metal também induziu a actividade da GST de E. meriodionalis. Considerando que a taxa de alimentação foi severamente reduzida no caso deste organismo, o zinco parece ser o metal cuja concentração no ecossistema requer maior atenção. Integrando as respostas dos biomarcadores parece também evidente que A. desmarestii responde de uma maneira geral a maiores concentrações dos dois metais, enquanto a resposta de E. meridionalis ocorre a concentrações inferiores. Pelo que, E. meridionalis parece ser mais sensível ao nível bioquímico. Neste trabalho, os dois detritívoros, com ligeiras diferenças no modo como utilizam a matéria orgânica disponível, apresentam diferenças na sensibilidade aos metais essenciais a vários níveis de organização biológica, sendo o zinco o metal que poderá causar maior preocupação a nível bioquímico, enquanto o cobre parece ser o mais tóxico ao nível do organismo, causando mortalidade a concentrações mais baixas.

Assessment of biocompatibility of selected ferroelectric ceramics

Desde há muitas décadas que é sabido que os organismos vivos, em especial os tecidos, reagem fisicamente a estímulos eléctricos, podendo esses efeitos reproduzirem-se numa libertação de químicos endógenos, ou deformar a sua estrutura física. O tecido ósseo por si só é considerado um material/tecido piezoeléctrico, deformando-se mecanicamente quando lhe é induzido um estímulo eléctrico e vice-versa, ou seja, produz um potencial eléctrico quando sofre uma tracção ou compressão mecânica. A hipótese de que um material ferroeléctrico possa vir a produzir efeitos no desempenho deste tipo de tecidos é então proposta, como por exemplo, para uma melhor, mais rápida e eficaz regeneração óssea. Estes mesmos materiais ferroeléctricos podem porventura alterar as cargas de superfície dos tecidos vivos de modo a atrair, atrasar ou até impedir o fluxo iónico de elementos químicos específicos responsáveis pelo processo de regeneração. São escolhidos então o niobato de lítio e o tantalato de lítio como cerâmicos ferroeléctricos e foi estudada pela primeira vez a sua bioactividade in vitro, esperando-se encontrar pistas relativas à sua bioactividade in vivo. Estes cerâmicos ferroeléctricos foram seleccionados devido às suas importantes propriedades piezoeléctricas e ferroeléctricas. Estas propriedades podem abrir um novo e importante leque de aplicações biomédicas caso estes cerâmicos sejam bioactivos. Este trabalho foi dividido em 3 fases: (i) sintetização dos pós de niobato de lítio e tantalato de lítio, (ii) caracterização dos pós e (iii) preparação das amostras e (iv) estudo da bioactividade destes cerâmicos ferroeléctricos. Os pós foram produzidos através de um processo simples de mistura/moagem seguido de calcinação. Foram estudadas as fases cristalinas presentes através de Difracção de raios-X (DRX) e avaliadas as características morfológicas destes pós, nomeadamente o diâmetro de partículas e área superficial específica. De modo a simular o ambiente do plasma humano, foi produzido sinteticamente um “Simulated Body Fluid” (SBF). Seguidamente as amostras foram imersas nesse ambiente líquido por 1, 3, 7, 15 e 21 dias. Após remoção dos pós foram realizadas uma série de análises de modo a estudar a sua bioactividade. De entre estes testes destacam-se a microscopia electrónica de varrimento (SEM/EDS), DRX e espectroscopia de Infravermelho por transformada de Fourier com reflectância total atenuada (FTIR-ATR). Embora não tenham sido detectadas alterações no DRX realizado aos pós, verificou-se a formação de aglomerados de fosfato de cálcio na superfície dos pós através do SEM, resultados estes, reforçados pelo EDS e FTIR-ATR. Estes precipitados de fosfato de cálcio indiciam a capacidade destes pós cerâmicos ferroeléctricos se comportarem como bioactivos em contacto com tecidos ósseos in vivo.