Multiple linear and principal component regressions for modelling ecotoxicity bioassay response

The ecotoxicological response of the living organisms in an aquatic system depends on the physical, chemical and bacteriological variables, as well as the interactions between them. An important challenge to scientists is to understand the interaction and behaviour of factors involved in a multidimensional process such as the ecotoxicological response.With this aim, multiple linear regression (MLR) and principal component regression were applied to the ecotoxicity bioassay response of Chlorella vulgaris and Vibrio fischeri in water collected at seven sites of Leça river during five monitoring campaigns (February, May, June, August and September of 2006). The river water characterization included the analysis of 22 physicochemical and 3 microbiological parameters. The model that best fitted the data was MLR, which shows: (i) a negative correlation with dissolved organic carbon, zinc and manganese, and a positive one with turbidity and arsenic, regarding C. vulgaris toxic response; (ii) a negative correlation with conductivity and turbidity and a positive one with phosphorus, hardness, iron, mercury, arsenic and faecal coliforms, concerning V. fischeri toxic response. This integrated assessment may allow the evaluation of the effect of future pollution abatement measures over the water quality of Leça River.

Are known cyanotoxins involved in the toxicity of picoplanktonic and filamentous north atlantic marine cyanobacteria?

Eight marine cyanobacteria strains of the genera Cyanobium, Leptolyngbya, Oscillatoria, Phormidium, and Synechococcus were isolated from rocky beaches along the Atlantic Portuguese central coast and tested for ecotoxicity. Strains were identified by morphological characteristics and by the amplification and sequentiation of the 16S rDNA. Bioactivity of dichloromethane, methanol and aqueous extracts was assessed by the Artemia salina bioassay. Peptide toxin production was screened by matrix assisted laser desorption/ionization time of flight mass spectrometry. Molecular analysis of the genes involved in the production of known cyanotoxins such as microcystins, nodularins and cylindrospermopsin was also performed. Strains were toxic to the brine shrimp A. salina nauplii with aqueous extracts being more toxic than the organic ones. Although mass spectrometry analysis did not reveal the production of microcystins or other known toxic peptides, a positive result for the presence of mcyE gene was found in one Leptolyngbya strain and one Oscillatoria strain. The extensive brine shrimp mortality points to the involvement of other unknown toxins, and the presence of a fragment of genes involved in the cyanotoxin production highlight the potential risk of cyanobacteria occurrence on the Atlantic coast.

Primary screening of the bioactivity of brackishwater cyanobacteria: toxicity of crude extracts to artemia salina larvae and paracentrotus lividus embryos

Cyanobacteria are a diverse group of Gram-negative bacteria that produce an array of secondary compounds with selective bioactivity against vertebrates, invertebrates, plants, microalgae, fungi, bacteria, viruses and cell lines. The aim of this study was to assess the toxic effects of aqueous, methanolic and hexane crude extracts of benthic and picoplanktonic cyanobacteria isolated from estuarine environments, towards the nauplii of the brine shrimp Artemia salina and embryos of the sea urchin Paracentrotus lividus. The A. salina lethality test was used as a frontline screen and then complemented by the more specific sea urchin embryo-larval assay. Eighteen cyanobacterial isolates, belonging to the genera Cyanobium, Leptolyngbya, Microcoleus, Phormidium, Nodularia, Nostoc and Synechocystis, were tested. Aqueous extracts of cyanobacteria strains showed potent toxicity against A. salina, whereas in P. lividus, methanolic and aqueous extracts showed embryo toxicity, with clear effects on development during early stages. The results suggest that the brackishwater cyanobacteria are producers of bioactive compounds with toxicological effects that may interfere with the dynamics of invertebrate populations.

Avaliação ecotoxicológica de lixiviados de lamas provenientes de estações de tratamento de águas. Capacidade de germinação de sementes de alface (lactuca sativa)

A água superficial para posterior consumo humano, tem de passar por diversas etapas de tratamento, de forma a dar cumprimento aos requisitos da legislação vigente, decreto-Lei n.º 306/2007 de 27 de Agosto. Como resultado do referido tratamento produzem-se resíduos, nomeadamente, as lamas de clarificação de água. De acordo com a estratégia da União Europeia, a deposição em aterro destas lamas apenas deverá ser efectuada em situações excepcionais ou temporárias. A procura de uma solução ambientalmente mais aceitável para o destino final a atribuir a estas lamas de clarificação de água deverá ser, um dos objectivos das empresas abastecedoras de água para consumo humano. Com o intuito de verificar a possibilidade de utilização das lamas produzidas nas Estações de Tratamento de Água (ETA) em solos agrícolas, realizaram-se testes ecotoxicológicos para avaliar a capacidade de germinação de sementes de alface (Lactuca sativa). Foram igualmente realizadas determinações de alguns metais nos lixiviados, por espectrofotometria de absorção atómica com atomização por chama e por Câmara de grafite. O cádmio e o chumbo por imposição da legislação aplicável aos géneros alimentícios, Regulamento (CE) 1881/2006 de 19 de Dezembro e o alumínio e o ferro por estarem presentes nos tratamentos de algumas das águas superficiais em estudo. As lamas estudadas eram provenientes de ETA com captação de água superficial em rios e albufeiras distintos do norte de Portugal, com utilização de tratamentos também diferentes. Os resultados obtidos com os lixiviados das lamas provenientes das ETA com captações dos rios Ferreira, Ferro e Vizela e Tâmega, evidenciaram inibição da germinação para algumas das diluições testadas. No entanto, não se observou qualquer efeito tóxico para as lamas das ETA com captações da albufeira do Alto Rabagão e dos rios Rabaçal, Douro e Paiva. Dos metais alumínio, cádmio, ferro e chumbo determinados nos lixiviados, apenas o alumínio estava acima do limite de detecção. No entanto, não foi possível estabelecer qualquer correlação entre o tratamento aplicado à água superficial nas várias ETA com a concentração do alumínio nem com os resultados dos ensaios ecotoxicológicos. Não obstante, parece haver relação entre a proximidade geográfica do local de captação de água e os resultados dos bioensaios.

Avaliação ecotoxicológica de solos contaminados por ibuprofeno

Os produtos farmacêuticos são substâncias químicas muito utilizados em medicina, veterinária e ainda na agricultura. Nos anos 90, foi descoberta a presença de fármacos em meio aquático, verificando-se que a sua remoção nas Estações de Tratamento de Águas Residuais (ETAR) não era completa. Durante as duas últimas décadas foi identificada a presença de mais de oitenta compostos no meio ambiente e actualmente são considerados poluentes emergentes. Podem contaminar solos e águas, depois de serem usados e excretados (inalterados ou metabolizados) por humanos e animais, ou quando são indevidamente lançados directamente no meio ambiente. Os estudos ecotoxicológicos efectuados com estes poluentes têm sido direccionados, sobretudo, para as águas, existindo uma ausência de trabalhos sobre solos. O Ibuprofeno (IB) é um anti-inflamatório não esteróide, utilizado também como analgésico e antipirético, sendo um dos produtos farmacêuticos mais vendidos em todo o mundo, o que justifica a sua forte presença no meio ambiente. Por isso, e dada a ausência de trabalhos ecotoxicológicos de solos contaminados por fármacos, o IB foi o produto farmacêutico selecionado para a realização deste trabalho. A ecotoxicidade pode ser avaliada através de bioensaios. Estes têm a capacidade de avaliar a toxicidade de uma determinada substância de forma global, usando organismos vivos que funcionam como bio-indicadores. O presente trabalho tem como objectivos avaliar o impacte causado nos solos pelo IB, testar a toxicidade de dois processos de descontaminação para remover o referido fármaco dos solos assim como avaliar a toxicidade provocada por águas residuais, de três unidades hospitalares e de uma indústria farmacêutica. Esta avaliação foi efectuada através de ensaios de toxicidade aguda de germinação e de alongamento de raiz de sementes de alface, variedade bola de manteiga (Lactuca sativa), em solo arenoso. Os ensaios de ecotoxicidade aguda em solos contaminados por IB foram realizados para uma gama de concentrações entre 0,1 e 1000 μg/L. Verificou-se uma redução do número de sementes germinadas e do comprimento médio da planta no solo contaminado com 0,5 e 20 μg/L de IB. No solo contaminado com 1000 μg/L de IB observou-se uma redução da germinação, acompanhada por uma indução de crescimento da raiz da espécie Lactuca sativa. Os dois tratamentos de descontaminação de solos, reagente de Fenton e Nanopartículas de ferro zero valente, revelaram toxicidade, tendo-se obtido uma percentagem de germinação entre 32,2 ± 3,5 e 48,5 ± 6,2 e inibição do crescimento da raiz do organismo teste em cerca de 85,0 %. Em relação às águas residuais hospitalares verificou-se uma redução da percentagem de germinação entre 31,1 ± 5,0 e 72,3 ± 12,4 e uma inibição do crescimento da raiz situada entre 13,0 ± 6,4 e 20,2 ± 10,0 %. Para a água residual industrial ocorreu uma inibição da percentagem de germinação de 60,5 ± 13,1, contudo nas plantas germinadas observou-se uma indução do crescimento da raiz de 14,9 ± 7,7 %.

Optimization of a microplate-based assay to assess esterase activity in the alga Pseudokirchneriella subcapitata

The present work describes the optimization of a short-term assay, based on the inhibition of the esterase activity of the alga Pseudokirchneriella subcapitata, in a microplate format. The optimization of the staining procedure showed that the incubation of the algal cells with 20 μmolL−1 fluorescein diacetate (FDA) for 40 min allowed discrimination between metabolic active and inactive cells. The shortterm assay was tested using Cu as toxicant. For this purpose, algal cells, in the exponential or stationary phase of growth, were exposed to the heavy metal in growing conditions. After 3 or 6 h, cells were subsequently stained with FDA, using the optimized procedure. For Cu, the 3- and 6-h EC50 values, based on the inhibition of the esterase activity of algal cells in the exponential phase of growth, were 209 and 130 μg L−1, respectively. P. subcapitata cells, in the stationary phase of growth, displayed higher effective concentration values than those observed in the exponential phase. The 3- and 6-h EC50 values for Cu, for cells in the stationary phase, were 443 and 268 μgL−1, respectively. This short-term microplate assay showed to be a rapid endpoint for testing toxicity using the alga P. subcapitata. The small volume required, the simplicity of the assay (no washing steps), and the automatic reading of the fluorescence make the assay particularly well suited for the evaluation of the toxicity of a high number of environmental samples.

Toxicity screening of Diclofenac, Propranolol, Sertraline and Simvastatin using Danio rerio and Paracentrotus lividus embryo bioassays

Early life-stage bioassays have been used as an alternative to short-term adult toxicity tests since they are cost-effective. A single couple can produce hundreds or thousands of embryos and hence can be used as a simple high-throughput approach in toxicity studies. In the present study, zebrafish and sea urchin embryo bioassays were used to test the toxicity of four pharmaceuticals belonging to different therapeutic classes: diclofenac, propranolol, simvastatin and sertraline. Simvastatin was the most toxic tested compound for zebrafish embryo, followed by diclofenac. Sertraline was the most toxic drug to sea urchin embryos, inducing development abnormalities at the ng/L range. Overall, our results highlight the potential of sea urchin embryo bioassay as a promising and sensitive approach for the high-throughput methods to test the toxicity of new chemicals, including pharmaceuticals, and identify several drugs that should go through more detailed toxicity assays.

Cytotoxicity Induced by Extracts of Pisolithus tinctorius Spores on Human Cancer and Normal Cell Lines—Evaluation of the Anticancer Potential

Fungi have been considered a potential source of natural anticancer drugs. However, studies on these organisms have mainly focused on compounds present in the sporocarp and mycelium. The aim of this study was to assess the anticancer potential of fungal spores using a bioassay-guided fractionation with cancer and normal cell lines. Crude extracts from spores of the basidiomycetous fungus Pisolithus tinctorius were prepared using five solvents/solvent mixtures in order to select the most effective crude extraction procedure. A dichloromethane/methanol (DCM/MeOH) mixture was found to produce the highest extraction yield, and this extract was fractionated into 11 fractions. Crude extracts and fractions were assayed for cytotoxicity in the human osteocarcinoma cell line MG63, the human breast carcinoma cell line T47D, the human colon adenocarcinoma cell line RKO, and the normal human brain capillary endothelial cell line hCMEC/D3. Cytotoxicity was assessed by the 3-(4,5-dimethyl-2-thiazolyl)-2,5-diphenyl-2H-tetrazolium bromide (MTT) reduction assay. The results showed a reduction in cancer cell viability of approximately 95% with 4 of 11 fractions without a significant reduction in viability of hCMEC/D3 cells. Data demonstrated that spores of P. tinctorius might serve as an interesting source of compounds with potential anticancer properties.