Efeitos tóxicos subletais de paracetamol em dois níveis de organização biológica

Projeto de Pós-Graduação/Dissertação apresentado à Universidade Fernando Pessoa como parte dos requisitos para obtenção do grau de Mestre em Ciências Farmacêuticas

Determining trophic niche width: An experimental test of the stable isotope approach

Determining the trophic niche width of an animal population and the relative degree to which a generalist population consists of dietary specialists are long-standing problems of ecology. It has been proposed that the variance of stable isotope values in consumer tissues could be used to quantify trophic niche width of consumer populations. However, this promising idea has not yet been rigorously tested. By conducting controlled laboratory experiments using model consumer populations (Daphnia sp., Crustacea) with controlled diets, we investigated the effect of individual- and population-level specialisation and generalism on consumer d C mean and variance values. While our experimental data follow general expectations, we extend current qualitative models to quantitative predictions of the dependence of isotopic variance on dietary correlation time, a measure for the typical time over which a consumer changes its diet. This quantitative approach allows us to pinpoint possible procedural pitfalls and critical sources of measurement uncertainty. Our results show that the stable isotope approach represents a powerful method for estimating trophic niche widths, especially when taking the quantitative concept of dietary correlation time into account. © 2012 The Authors.

Predicting the ecological impacts of a new freshwater invader:Functional responses and prey selectivity of the 'killer shrimp', Dikerogammarus villosus, compared to the native Gammarus pulex

The ability to predict the likely ecological impacts of invasive species in fresh waters is a pressing research requirement. Whilst comparisons of species traits and considerations of invasion history have some efficacy in this respect, we require robust methods that can compare the effects of native and invasive species. Here, we utilise comparative functional responses and prey selectivity experiments to understand and predict the ecological impact of an invader as compared to a native. We compared the predatory functional responses of an emerging invasive species in Europe, the 'killer shrimp', Dikerogammarus villosus, and an analogous native species, Gammarus pulex, towards three representative prey species: Asellus aquaticus, Daphnia magna and Chironomus sp. Furthermore, as ecological impact may be greater for invasive species with more indiscriminate feeding habits, we compared the selectivity for the three prey types between the invasive and native species. In both the presence and absence of experimental habitats, large D. villosus, and those matched for body size with G. pulex, generally showed higher (Type II) functional responses than G. pulex, with the invasive species exhibiting higher maximum feeding rates. Further, D. villosus exhibited significantly more indiscriminate prey selection compared with G. pulex, a trait that became more evident as the invader increased in size. Differences in functional responses and prey selectivity were prey species specific, with higher to lower predicted impacts in the order A. aquaticus, D. magna and Chironomus sp. This is in accord with the impact of this invasive species on macroinvertebrates in the field. We thus provide understanding of the known ecological impact of D. villosus and discuss the utility of the phenomenological use of comparative functional responses and resource use as a tool through which the potential ecological impacts of invasive species may be identified. © 2013 John Wiley & Sons Ltd.

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.

Adaptation of Cladocerans in metal-polluted heterogeneous environments

No presente trabalho o cladócero Daphnia longispina foi utilizado como organismo modelo para a avaliação dos efeitos ecológicos da adaptação a ambientes contaminados por metais. Foram amostradas populações naturais de D. longispina num local sujeito à contaminação por metais e num local próximo, de referência, ambos localizados no sistema aquático na área envolvente à mina abandonada de São Domingos. Várias linhagens clonais de ambas as populações foram mantidas em laboratório, sob condições controladas, para a execução dos testes. Um dos testes realizados permitiu estudar e quantificar as diferenças na tolerância letal entre as linhagens clonadas de ambas as populações e também avaliar os custos associados. Utilizando vinte linhagens clonais de D. longispina das duas populações verificou-se que apenas clones sensíveis ao cobre estavam presentes na população de referência e clones resistentes ao cobre estavam presentes na população do local contaminado. Os custos associados à tolerância foram ilustrados pela determinação de taxas alimentares mais baixas para a população tolerante quando comparadas com as da população de referência. Outro dos testes realizados permitiu comparar as respostas de clones de populações de ambos os locais – contaminado e referência – à exposição a concentrações sub-letais do metal cobre. A tolerância evidenciada anteriormente ao nível letal foi confirmada ao nível sub-letal, com o clone proveniente da população do local contaminado evidenciando uma maior tolerância ao cobre quando comparado com os restantes clones, para todos os parâmetros analisados (taxas alimentares, consumo de oxigénio, crescimento e reprodução). Os efeitos da aclimatação ao cobre ao longo de várias gerações foram também avaliados num clone de D. longispina. Os resultados evidenciaram a existência de uma adaptação fisiológica ao cobre ao longo das várias gerações que, no entanto, apenas aumentou marginalmente a tolerância a níveis de cobre letais. Para além disso, observou-se também uma grande variação nas respostas do clone de D. longispina estudado, não só entre concentrações de cobre mas também entre gerações. Os resultados obtidos nos vários estudos realizados com linhagens clonais de ambas as populações de D. longispina reforçam a importância de integrar a temática do desenvolvimento de tolerância à poluição aquando da avaliação dos riscos ambientais e ecológicos de compostos químicos, como os metais, no meio ambiente.

The use of biomarkers to diagnose the ecological impact of pollutants in Mediterranean rivers

Um assunto que requer atenção é a avaliação ecológica da qualidade da água de ecossistemas de água doce. Uma abordagem que surge como promissora é a biomonitorização baseada em biomarcadores, porque pode avaliar a saúde dos organismos e obter sinais de alerta precoce acerca dos riscos ambientais. Até agora, porém, o uso de biomarcadores em espécies de invertebrados, para diagnosticar danos ecológicos nos rios, é escasso. Por essa razão, existe uma necessidade urgente de desenvolver biomarcadores nas principais espécies de macroinvertebrados dos ecossistemas fluviais que são alvo de estudo. Esta tese tem como objectivo averiguar se as respostas in situ, aliadas aos biomarcadores, podem ser um método viável para avaliar os danos ecológicos de contaminantes em ecossistemas de água doce. Numa primeira fase, os biomarcadores foram usados para averiguar os mecanismos fisiológicos de adaptação genética de clones de Daphnia magna ao pesticida organofosforado fenitrothion. Numa segunda fase, os biomarcadores foram usados como ferramentas de diagnóstico de poluição em zonas ribeirinhas. Estes estudos foram realizados com três espécies-chave de macroinvertebrados: Daphnia magna, Corbicula fluminea e Hydropsyche exocellata, nos rios Besós e Llobregat e no Delta do rio Ebro (NE Espanha). Além disso, foram realizados com animais capturados nos rios, ou com ensaios de transplantes, e foram complementados com índices biológicos de macroinvertebrados e análises químicas da água e dos animais. Como os contaminantes químicos têm vários modos toxicológicos de acção e, portanto, afectam várias respostas bioquímicas dos organismos, foram analisados nas três espécies um conjunto de biomarcadores pertencentes a diferentes vias metabólicas. A abordagem experimental indica que o uso combinado de biomarcadores e outras medidas, tais como índices biológicos e testes in situ, contribui para diagnosticar os efeitos prejudiciais de contaminantes nas comunidades ribeirinhas.

Ecological interactions in populations facing environmental stress

O zooplâncton, particularmente os cladóceros, são organismos de água doce importantes na regulação da produção primária dos ecossistemas de água doce. No entanto, também podem adaptar-se a condições salobras. Tendo em conta as previsões no âmbito das alterações climáticas, a intrusão salina pode ocorrer a par com a subida de temperatura. As populações de água doce podem ficar vulneráveis aos efeitos interativos da salinidade e da temperatura, de acordo com os seus limites de tolerância e capacidade de adaptação ao stress ambiental. Assim, a presente tese analisou as interações resultantes das alterações destes agentes de stress em populações de cladóceros de água doce. Primeiro, comparou-se a halotolerância de diferentes genótipos de Simocephalus vetulus provenientes de populações de água doce e de água salobra de modo a avaliar a existência de uma componente genética de resistência à salinidade. A sensibilidade aguda dos genótipos variou na mesma gama de concentrações; todavia, todos os genótipos da população salobra, exceto um, foram mais tolerantes do que os de água doce, em termos de tempo à imobilização. Contudo, não foi possível estabelecer uma relação entre a performance reprodutiva em condições salobras e o contexto ambiental de origem destes genótipos. Mais, estes ensaios mostraram que as populações de água doce têm potencial para tolerar incrementos de salinidade. Como tal, pode-se concluir que a seleção a que os genótipos estão sujeitos no seu local de origem foi mais fraca do que o esperado. Segundo, investigou-se a capacidade de aclimatação de Daphnia galeata à salinidade e temperatura, de modo a avaliar a halotolerância de Daphnia a duas temperaturas num cenário de aclimatação multigeracional. O objetivo foi compreender se a pré-adaptação ao stress ambiental (20ºC e 25ºC versus 0 g/L e 1 g/L de NaCl) influenciou posteriormente as respostas a estes agentes de stress. Verificou-se uma tendência para um aumento de sensibilidade ao NaCl, a temperaturas mais elevadas. No entanto, este efeito foi anulado após nove gerações, mas apenas quando os organismos foram aclimatados aos dois agentes de stress em simultâneo (salinidade e temperatura elevada). Terceiro, demonstrou-se experimentalmente que a salinidade interferiu com a competição interespecífica, alterando a composição das comunidades zooplanctónicas. Este conjunto de evidências permitiu-nos refletir nos múltiplos impactos de agentes de stress, particularmente os relacionados com as previsões de alterações climáticas. Em paralelo aos estudos de natureza experimental, e numa perspetiva de Educação para o Desenvolvimento Sustentável (EDS), importa também promover o desenvolvimento de competências necessárias à compreensão de mudanças ambientais globais (e.g., o impacto da salinidade e da temperatura) para implementar estratégias de mitigação e adaptação. Neste contexto, foi realizada uma atividade com estudantes do ensino secundário, que se tornou uma boa oportunidade para a sua aprendizagem e aquisição de competências de interpretação de dados experimentais, assim como de sensibilização para as questões ambientais.

Silver nanoparticles flow in an aquatic trophic chain

Silver nanoparticles (AgNP) have been produced and applied in a variety of products ranging from personal care products to food package containers, clothing and medicine utilities. The antimicrobial function of AgNP makes it very useful to be applied for such purposes. Silver (Ag) is a non-essential metal for organisms, and it has been historically present in the environment at low concentrations. Those concentrations of silver increased in the last century due to the use of Ag in the photographic industry and lately are expected to increase due to the use of AgNPs in consumer products. The presence of AgNP in the aquatic environment may pose a risk for aquatic species, and the effects can vary from lethal to sublethal effects. Moreover, the contact of aquatic organisms with AgNP may not cause immediately the death of individuals but it can be accumulated inside the animals and consequently transferred within the food chain. Considering this, the objective of this work was to study the transfer of silver nanoparticles in comparison to silver ions, which was used as silver nitrate, within an aquatic food chain model. To achieve this goal, this study was divided into four steps: the toxicity assessment of AgNP and AgNO3 to aquatic test-species, the bioaccumulation assessment of AgNP and AgNO3 by Pseudokirchneriella subcapitata and Daphnia magna under different exposure scenarios, and finally the evaluation of the trophic transfer of Ag through an experimental design that included the goldfish Carassius auratus in a model trophic chain in which all the species were exposed to the worse-case scenario. We observed that the bioconcentration of Ag by P. subcapitata is mainly driven by ionic silver, and that algae cannot internalize these AgNPs, but it does internalizes dissolved Ag. Daphnia magna was exposed to AgNP and AgNO3 through different exposure routes: water, food and both water and food. The worse-case scenario for Daphnia Ag bioaccumulation was by the joint exposure of contaminated water and food, showing that Ag body burdens were higher for AgNPs than for AgNO3. Finally, by exposing C. auratus for 10 days through contaminated water and food (supplied as D. magna), with another 7 days of depuration phase, it was concluded that the 10 days of exposure were not enough for fish to reach a plateau on Ag internal concentration, and neither the 7 days of elimination were sufficient to cause total depuration of the accumulated Ag. Moreover, a higher concentration of Ag was found in the intestine of fish when compared with other organs, and the elimination rate constant of AgNP in the intestine was very low. Although a potential for trophic transfer of AgNP cannot be suggested based in the data acquired in this study, there is still a potential environmental risk for aquatic species.

Ecological interactions between zooplankton and photosynthetic bacteria in Crawford Lake, Ontario

The present study was carried out to test the hypothesis that photosynthetic bacteria contribute a large portion of the food of filter feeding zooplankton populations in Crawford Lake, Ontario. The temporal and spatial variations of both groups of organisms are strongly dependent on one another. 14 By using C-Iabelled photosynthetic bacteria. the ingestion and clearance rates of Daphnia pulex, ~. rosea, and Keratella spp were estimated during summer and fall of 1982. These quantitative estimations of zooplankton ingestion and clearence rates on photosynthetic bacteria comprised an original addition to the literature. Photosynthetic bacteria comprised a substantial portion of the diet of all four dominant zooplankton species. The evidence for this is based on the ingestion and clearance rates of the dominant zooplankton species. Ingestion rates of D. pulex and D. rosea ranged 5 5 -1 -1 - -- 5 - -- 5 from 8.3X10 -1 to 14.6XlO -1 cells.ind. hr and 8.1X10 to 13.9X10 cells.ind. hr • Their clearance rates ranged from 0.400 to 1.000 -1 -1 -1 -1 ml.ind. hr. and 0.380 to 0.930 ml.ind. hr • The ingestion and clearance -1 -1 -1 -1 rates of Keratella spp were 600 cell.ind. hr and 0.40 ul.ind. hr respectively. Clearance rates were inversely proportional to the concentration of food cells and directly proportional to the body size of the animals. It is believed that despite the very short reg~neration times of photosynthetic bacteria (3-8 hours) their population densities were controlled in part by the feeding rates of the dominant zooplankton in Crawford Lake. By considering the regeneration times of photosynthetic bacteria and the population clearance rates of zooplankton, it was estimated that between 16 to 52% and 11 to 35% of the PHotosynthetic bacteria were' consumed· by Daphnia· pulex. and Q.. rosea per day. The temporal and spatial distribution of Daphnia pulex, !.. rosea, Keratella quadrata, K. coChlearis and photosynthetic bacteria in Crawford Lake were also investigated during the period of October, 1981 to December, 1982. The photosynthetic bacteria in the lake, constituted a major food source for only those zooplankton Which tolerate anaerobic conditions. Changes in temperature and food appeared to correlate with the seasonal changes in zooplankton density. All four dominant species of zooplankton were abundant at the lake's surface (O-4m) during winter and spring and moved downwards with the thermocline as summer stratification proceeded. Photosynthetic bacteria formed a 2 m thick layer at the chemocline. The position of this photosynthetic bacterial J-ayer changed seasonally. In the summer, the bacterial plate moved upwards and following fall mixing it moved downwards. A vertical shift of O.8m (14.5 to 15.3m) was recorded during the period of June to December. The upper limit of the photosynthetic bacteria in the water column was controlled by dissolved oxygen, and sulfide concentrations While their lower limit was controlled by light intensity. A maximum bacterio- 1 chlorophyll concentration of 81 mg Bchl.l was recorded on August 9, 1981. The seasonal distribution of photosynthetic bacteria was controlledinpart' by ·theg.-"z1ai'_.Q;~.zoopl. ank:tCm;-.Qther -ciactors associated with zooplankton grazing were oxygen and sulfide concentrations.

Bioaccumulation du méthylmercure chez les invertébrés aquatiques aux latitudes tempérées et polaires : rôle des facteurs écologiques, biologiques et géochimiques

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Zooplankton structure and dynamics in Mediterranean marshes (Empordà Wetlands): a size-based approach

Zooplankton community structure (composition, diversity, dynamics and trophic relationships) of Mediterranian marshes, has been analysed by means of a size based approach. In temporary basins the shape of the biomass-size spectra is related to the hydrological cycle. Linear shape spectra are more frequent in flooding situations when nutrient input causes population growth of small-sized organisms, more than compensating for the effect of competitive interactions. During confinement conditions the scarcity of food would decrease zooplankton growth and increase intra- and interspecific interactions between zooplankton organisms which favour the greatest sizes thus leading to the appearance of curved shape spectra. Temporary and permanent basins have similar taxonomic composition but the latter have higher species diversity, a more simplified temporal pattern and a size distribution dominated mainly by smaller sizes. In permanents basins zooplankton growth is not only conditioned by the availability of resources but by the variable predation of planktivorous fish, so that the temporal variability of the spectra may also be a result of temporal differences in fish predation. Size diversity seems to be a better indicator of the degree of this community structure than species diversity. The tendency of size diversity to increase during succession makes it useful to discriminate between different succession stages, fact that is not achieved by analysing only species diversity since it is low both under large and frequent or small and rare disturbances. Amino acid composition differences found among stages of copepod species indicate a gradual change in diet during the life cycle of these copepods, which provide evidence of food niche partitioning during ontogeny, whereas Daphnia species show a relatively constant amino acid composition. There is a relationship between the degree of trophic niche overlap among stages of the different species and nutrient concentration. Copepods, which have low trophic niche overlap among stages are dominant in food-limited environments, probably because trophic niche partitioning during development allow them to reduce intraspecific competition between adults, juveniles and nauplii. Daphnia species are only dominant in water bodies or periods with high productivity, probably due to the high trophic niche overlap between juveniles and adults. These findings suggest that, in addition to the effect of interspecific competition, predation and abiotic factors, the intraspecific competition might play also an important role in structuring zooplankton assemblages.

Food webs of Mediterranean coastal wetlands

En aquesta tesi doctoral s'han estudiat els efectes directes i indirectes de dos tipus d'espècies claus de la comunitat aquàtica dels aiguamolls de l'Empordà (aiguamolls costaners mediterranis amb una xarxa tròfica senzilla). S'han realitzat experiments al camp utilitzant microcosmos i mesocosmos i els resultats han estat analitzats mitjançant tres aproximacions: la taxonòmica, la funcional i la de mides. S'ha comprovat que en situacions amb absència de predadors i dominància d'una única espècie en el zooplàncton (en aquest cas Calanipeda aquaedulcis i Daphnia magna), la segregació del recurs entre els diferents estadis de desenvolupament de la mateixa espècie zooplanctònica és una estratègia per evitar la competència intraespecífica en condicions de limitació de recurs. Per altra banda, la presència de diferents top-predators a la comunitat aquàtica (en aquest cas la medusa Odessia maeotica i el peix Aphanius iberus) desencadena una cascada tròfica en el plàncton però amb efectes top-down diferents segons el top-predator.

A simple and rapid method for preserving RNA of aquatic invertebrates for ecotoxicogenomics

Here we describe a novel, inexpensive and simple method for preserving RNA that reduces handling stress in aquatic invertebrates following ecotoxicogenomic experimentation. The application of the method is based on transcriptomic experiments conducted on Daphnia magna, but may easily be applied on a range of other aquatic organisms of a particular size with e.g. amphipod Gammarus pulex representing an upper size limit. We explain in detail how to apply this new method, named the "Cylindrical Sieve (CS) system", and highlight its advantages and disadvantages.

Toxicity testing of groundwater quality

Groundwater is an important resource in the UK, with 45% of public water supplies in the Thames Water region derived from subterranean sources. In urban areas, groundwater has been affected by onthropogenic activities over 0 long period of time and from a multitude of sources, At present, groundwater quality is assessed using a range of chemical species to determine the extent of contamination. However, analysing a complex mixture of chemicals is time-consuming and expensive, whereas the use of an ecotoxicity test provides information on (a) the degree of pollution present in the groundwater and (b) the potential effect of that pollution. Microtox (TM), Eclox (TM) and Daphnia magna microtests were used in conjunction with standard chemical protocols to assess the contamination of groundwaters from sites throughout the London Borough of Hounslow and nearby Heathrow Airport. Because of their precision, range of responses and ease of use, Daphnia magna and Microfox (TM) tests are the bioassays that appear to be most effective for assessing groundwater toxicity However, neither test is ideal because it is also essential to monitor water hardness. Eclox (TM) does not appear to be suitable for use in groundwater-quality assessment in this area, because it is adversely affected by high total dissolved solids and electrical conductivity.

Is there a relationship between soil and groundwater toxicity?

Part IIA of the Environmental Protection Act 1990 requires environmental regulators to assess the risk of contaminants leaching from soils into groundwater (DETR, 1999). This newly introduced legislation assumes a link between soil and groundwater chemistry, in which rainwater leaches contaminants from soil into the saturated zone. As the toxicity of both groundwater and overlying soils is dependent upon the chemicals present, their partitioning and their bioavailability, similar patterns of soil, leachates and groundwater toxicity should be observed at contaminated sites. Soil and groundwater samples were collected from different contaminated land sites in an urban area, and used to determine relationships between soil chemistry and toxicity, mobility of contaminants, and groundwater chemistry and toxicity. Soils were leached using water to mimic rainfall, and both the soils and leachates tested using bioassays. Soil bioassays were carried out using Eisenia fetida, whilst groundwater and leachates were tested using the Microtox(TM) test system and Daphnia magna 48 h acute tests. Analysis of the bioassay responses demonstrated that a number of the samples were toxic to test organisms, however, there were no significant statistical relationships between soil, groundwater and leachate toxicity. Nor were there significant correlations between soil, leachates and groundwater chemistry.