Joint research project on the aquatic ecotoxicity of organo-aluminium: Chemical reactions. First interim report

The overall goal of the joint research project is to relate the chemical reactions involved in the formation of organo-aluminium complexes under acid conditions to their toxic effects on the physiology of aquatic organisms. Finally, this research is intended to predict toxic effects arising from acidity and aluminium under varying environmental conditions. This interim report examines the chemical modelling of ion-binding by humic substances where a computer model has been developed and is being tested using field data, and conditions required for the precipitation of aluminium in surface waters.

Doses efficaces en glyphosate et en 2,4-D pour le contrôle chimique des laitue d'eau (Pistia stratiotes, Linn.) et toxicité du glyphosate vis-à-vis des tilapias (Sarotherodon melanotheron)

The toxic effects of two herbicides Round up (gliphosate) and 2,4-D (herbazol) were tested on Pistia stratiotes (Linn. Araceae) samples cultivated in glass aquariums. The gliphosate appears to be more toxic on Pistia Stratiotes than 2,4-D. It was then tested on tilapia Sarotherodon melanotheron juveniles. The lethal dose for tilapia (CL50 = 13.25 mg.l -1) is about 18, 37 and 74 times higher than the glyphosate toxic dose for plants at 1, 2 and 4 meters water depth respectively.

Avaliação da toxicidade da emodina e sua associação com radiação ultravioleta A em cepas de Escherichia coli e células da linhagem A549

A emodina é uma antraquinona estruturalmente semelhante à aloe-emodina e ambas tem sido apontadas como capazes de causar lesões oxidativas pela produção de ERO. Sua presença em produtos dermocosméticos e de higiene pessoal, associada às informações de que a fotoativação de antraquinonas levaria ao aumento de lesões oxidativas causadas por ERO, torna relevante o estudo da associação da emodina com a radiação UVA. O objetivo desse trabalho foi avaliar a citotoxicidade induzida pela associação da emodina com doses subletais de radiação UVA, em células de Escherichia coli (selvagem e cepas deficientes em enzimas do BER), através de ensaios de sobrevivência bacteriana (taxa de dose de UVA igual a 20J/m/s, totalizando 108kJ/m ao final de 90min de experimento), e em células da linhagem A549 pela exclusão do corante azul de tripan e sobrevivência clonogênica(taxa de dose de UVA igual a 20J/m/s, totalizando 36kJ/m ao final de 30min de experimento). Além disso, a genotoxicidade desses agentes foi estudada por eletroforese em gel de agarose de DNA plasmidial (taxa de dose de UVA igual a 16J/m/s, totalizando 57,6kJ/m ao final de 60min de experimento). De acordo com os resultados: i) Concentrações iguais ou abaixo de 5,55mM de emodina não alteraram a sobrevivência em nenhuma das cepas estudas; ii) As proteínas Xth e Fpg parecem ter um papel importante no reparo das lesões causadas pela emodina, em altas concentrações, sugerindo a participação do reparo por excisão de bases (BER) nesse processo; iii) A associação da emodina com a radiação UVA se mostrou citotóxica em todas as cepas de E. coli; iv) O gene nfo foi o mais importante na resistência bacteriana às lesões induzidas pela associação dos dois agentes, reforçando o envolvimento do BER e indicando uma possível participação do reparo por incisão de nucleotídeos (NIR); v) A emodina parece ter interagido com o DNA plasmidial, alterando seu padrão de migração no gel de agarose; vi) Em células da linhagem A549, a emodina causa efeitos tóxicos imediatos que parecem ser reparados ao longo do tempo. Porém, quando a droga permaneceu por 24 horas em contato com as células, houve uma diminuição na sobrevivência celular que parece ser dosedependente; vii) As concentrações de 10μM e 25μM de emodina, quando associadas ao UVA, se mostraram responsáveis pela redução de mais de 50% na sobrevivência nas células A549, chegando a 100% de morte quando a concentração de emodina foi de 50μM; viii) A radiação UVA potencializou os efeitos citotóxicos da emodina, nos 2 modelos experimentais do presente estudo, indicando que a interação da emodina com a radiação UVA seja genotóxica e portanto prejudicial à saúde.

Estudo toxicológico de extratos do coral alcionáceo Chromonephthea braziliensis (Alcyonacea, Nephtheidae)

Os recifes de corais são ecossistemas diversos com alta densidade de biodiversidade, o que leva a intensa competição entre as espécies. Estas espécies podem produzir substâncias desconhecidas, muitas com valor farmacológico. Chromonephthea braziliensis é um coral mole invasor, originário do Oceano Indo-Pacífico, que foi possivelmente transportado por plataformas de petróleo e cuja presença é uma ameaça para a biodiversidade da região de Arraial do Cabo (RJ). Esta espécie produz metabólitos secundários que são responsáveis pela indução de danos para o ecossistema local. A finalidade deste estudo é a busca de novas substâncias para quimioterapia geral com base na estrutura de compostos bioativos. Extratos desse coral foram preparados a partir de colônias liofilizadas (solventes: hexano, diclorometano, acetato de etila e metanol). Realizaram-se análises químicas para a caracterização dos extratos e avaliaram-se as atividades: mutagênicas e citotóxicas, usando o ensaio de mutação reversa bacteriana (Salmonella/microssoma) com as linhagens TA97, TA98, TA100 e TA102; genotóxicas, utilizando análise da quebra do DNA e formação de micronúcleos na linhagem RAW 264,7 de macrófagos e; tóxicas para náuplios de microcrustáceos Artemia salina. Observou-se citotoxicidade, na presença de S9 mix, dos extratos diclorometano para a linhagem TA102 na concentração de 20 g/100 L/placa e metanol para a TA97 com 5 e 20 g/100 L/placa. Os extratos diclorometano, acetato de etila e metanol apresentaram genotoxicidade no DNA plasmidial em concentrações elevadas (250 g/mL), mas nenhum dano ao DNA foi observado no ensaio de micronúcleo. Todos os extratos foram tóxicos para os náuplios de microcrustáceos em pelo menos uma das concentrações usadas (0,01 1000 g/mL), e a LC50 pode ser determinada apenas para os extratos hexano, diclorometano e acetato de etila.

Ocorrência e ecotoxicidade de desreguladores endócrinos químicos em ambientes aquáticos e em sistemas de tratamento de esgoto

A aplicabilidade de um método selecionado de medição indireta de vitelogenina (Vtg) em plasma sanguíneo de peixe, baseado na quantificação de fosfato álcali-lábil (alkali-labile phosphate-ALP) para acessar estrogenicidade em água, foi investigada na presente tese. O método foi originalmente desenvolvido para a espécie de peixe Carassius carassius (Carpa cruciana) e aplicado pela primeira vez na espécie Oreochromis niloticus (Tilápia do Nilo) no presente estudo. Com o objetivo de acessar a sensibilidade do método, em uma primeira etapa da investigação foram realizados estudos laboratoriais com soluções estoques de 17-ethinylestradiol (EE2), 17-estradiol (E2), e estrona (E1). Os efeitos destes hormônios foram investigados com base tanto na concentração quanto na carga, utilizando-se para tanto, unidades experimentais com volumes distintos (2 L e 130 L). Após a validação do método de ALP, a estrogenicidade foi avaliada nas seguintes águas contaminadas: (i) afluente e efluente de uma grande estação de tratamento de esgotos convencional (ETE) e de uma estação descentralizada de tratamento de esgoto de pequeno porte (Ecossistema Engenheirado-DEE); (ii) água superficial (SW) e água subterrânea (GW) coletadas em uma área de brejo contaminada com gasolina; (iii) água de uma lagoa urbana (LRF) da cidade do Rio de Janeiro, com alta densidade populacional e descarte clandestino de esgoto. Na segunda etapa foram analisados em microalgas os efeitos (outros que não disrupção endócrina) causados pelos hormônios EE2, E2 e E1. Os hormônios foram testados individualmente e em misturas, em culturas individuais e combinada (S+) das espécies de microalgas unicelulares P. subcapitata e D. subspicatus. Com base nos níveis de ALP para a espécie de peixe e no EC50 para as espécies de algas, os resultados mostraram que o EE2 e o E2 causaram disrupção endócrina superior e foram mais tóxicos do que o E1 para peixes e microalgas respectivamente. Quando em misturas (E+) de concentrações equivalentes (EE2:E2:E1), os estrogênios resultaram em efeito aditivo para as espécies O. niloticus e P. subcapitata, e menos que aditivo para D. subspicatus e cultivo misto de algas (S+). Culturas contendo ambas as espécies de algas (S+) por um longo período de exposição (96 h) resultaram na atenuação dos efeitos tóxicos causados pela exposição, tanto individual (EE2, E2 ou E1), quanto na mistura (E+) dos estrogênios, medidos em termos de EC50 (T0h 0,07; 0,09; 0,18; e 0,06 g mL-1; e T96h 1,29; 1,87; 5,58; e 4,61 g mL-1, respectivamente). O DEE apresentou uma maior eficiência na remoção dos disrutores endócrinos do que a ETE convencional. Foi detectada estrogenicidade em amostras da LRF, e de água SW e GW em área brejosa contaminada com gasolina. Os resultados dos ensaios sugerem que as interações (efeitos aditivos ou menos que aditivo) causadas pela mistura dos estrogênios assim como, as interações entre as espécies de algas afetaram o resultado final dos ensaios ecotoxicológicos. Um fator raramente abordado em estudos ecotoxicológicos que foi destacado na presente tese refere-se à importância de considerar não somente a concentração e a dosagem, mas também a carga aplicada e o volume das unidades experimentais. Devido à boa sensibilidade do O. niloticus quando exposto às concentrações relativamente baixas dos estrogênios, a combinação do método de ALP com os biomarcadores auxiliares (particularmente MN) pode ser um protocolo adequado para a detecção de estogenicidade e genotoxicidade respectivamente em diferentes ambiente aquáticos contaminados, como parte de um programa de monitoramento ambiental

Avaliação química e ecotoxicológica para seleção de bioensaios aquáticos sensíveis a efluentes contendo metais

A Resolução CONAMA N 430/2011 exige a utilização de dois bioensaios (dois níveis tróficos) para avaliação ecotoxicológica de efluentes, mas a seleção ao acaso de bioensaios pode permitir lançamentos tóxicos. A sensibilidade dos bioindicadores irá depender da substância tóxica avaliada. Assim, baterias de bioensaios sensíveis devem ser estabelecidas às classes de contaminantes. Na literatura não há estudos que indiquem uma bateria de bioensaios ecotoxicológicos sensíveis para avaliação de efluentes contendo principalmente metais. Esse trabalho teve como objetivo selecionar uma bateria de bioensaios ecotoxicológicos que conjuntamente detectem toxicidade ao maior número de metais isolados e em misturas e que sejam realizados no menor tempo indicado pelas normas de padronização. Foram avaliadas as sensibilidades de seis bioensaios, incluindo três níveis tróficos (produtores, algas: Pseudokirchneriella subcapitata e Chlorella vulgaris; consumidores primários, cladóceros: Daphnia similis e Ceriodaphnia dubia; consumidores secundários, peixes: Poecilia reticulata e Danio rerio), a 10 espécies metálicas individuais (Ag+, Cd2+, Cu+, Cu2+, Cr3+, Cr6+, Pb2+, Ni2+, Zn2+ e Hg2+) e a efluentes reais (siderúrgicos) e simulados em laboratoriais (baseado nos limites máximos permitidos para descarte). Os bioensaios com peixes foram os menos sensíveis, D. rerio não detectou toxicidade em nenhum dos efluentes testados. P. subcapitata foi um bom bioindicador de toxicidade de Cr3+ e D. similis foi o organismo mais sensível a Hg2+. O uso combinado do bioensaio crônico de 72h com C. vulgaris e do bioensaio agudo de 48h com C. dubia garantiu a detecção das menores concentrações dos metais tanto individualmente quanto em efluentes reais e simulados. Apesar de P. subcapitata ser um bom bioindicador da toxicidade de Cr3+, a interação dos metais em misturas tornou C. vulgaris igualmente sensível. Da mesma forma, apesar de D. similis ter sido mais sensível ao Hg2+, o efeito da toxicidade dos efluentes com maiores teores de Hg2+ foi detectado por C. dubia

Avaliação do reúso agrícola de águas oleosas da indústria de petróleo tratadas por eletrofloculação e osmose inversa: efeitos na germinação, no desenvolvimento de plântulas de girassol e em atributos do solo

A presente tese de doutorado teve como objetivo estabelecer parâmetros para avaliar a viabilidade do reúso agrícola de águas oleosas da indústria de petróleo, como as águas de produção (AP) de campos de exploração onshore do semiárido nordestino, na irrigação de culturas de girassol destinadas à produção de biodiesel. A AP foi produzida sinteticamente e tratada utilizando-se as técnicas de eletrofloculação (EF) e de osmose inversa (OI). Foram analisados os efeitos da AP não tratada, tratada por EF e por EF combinada com osmose inversa (EF+OI) na germinação, desenvolvimento e produção de biomassa de plântulas de girassol e também nos atributos de um solo característico do semiárido nordestino. Na melhor condição operacional do tratamento da AP por EF (28,6 A m-2 durante 4 min.) foram obtidas eficiências de remoção de óleos e graxas (O&G), demanda química de oxigênio (DQO), cor e turbidez superiores a 95%. O tratamento EF+OI promoveu a remoção do excesso de salinidade e de ferro oriundo da etapa de EF, enquadrando-se esses parâmetros dentro de níveis de referência recomendados para água de irrigação. Níveis de O&G e DQO superiores, respectivamente, a 337 mg L-1 e 1.321 mg O2 L-1 na AP bruta produziram efeitos tóxicos, reduzindo-se o índice de velocidade de germinação (IVG) e o percentual de plântulas normais do girassol. Por outro lado, os efluentes tratados por EF e EF+OI produziram efeitos similares no percentual de sementes germinadas, no IVG, no percentual de plântulas normais e na produção de biomassa do girassol. O uso da AP tratada por EF, com ou sem diluição, contribuiu significativamente para o aumento da salinidade e dos teores de sódio do solo, diferentemente da tratada por EF+OI, que produziu efeitos similares ao do controle (água destilada)

Distribution of persistent organic contaminants in canyons and on the continental shelf off central California

The National Status and Trends (NS&T) Program has conducted studies to determine the spatial extent and severity of chemical contamination and associated adverse biological effects in coastal bays and estuaries of the United States since 1991. Sediment contamination in U.S. coastal areas is a major environmental issue because of its potential toxic effects on biological resources and often, indirectly, on human health. Thus, characterizing and delineating areas of sediment contamination and toxicity and demonstrating their effect(s) on benthic living resources are therefore important goals of coastal resource management at NOAA. The National Centers for Coastal Ocean Science, and the Office of National Marine Sanctuaries, in cooperation with the U.S. Geological Survey (USGS), University of California Moss Landing Marine Lab (MLML), and the Monterey Bay Aquarium Research Institute (MBARI), conducted ecosystem monitoring and characterization studies within and between marine sanctuaries along the California coast in 2002 and 2004 on the NOAA RV McArthur. One of the objectives was to perform a systematic assessment of the chemical and physical habitats and associated biological communities in soft bottom habitats on the continental shelf and slope in the central California region. This report addresses the magnitude and extent of chemical contamination, and contaminant transport patterns in the region. Ongoing studies of the benthic community are in progress and will be reported in an integrated assessment of habitat quality and the parameters that govern natural resource distributions on the continental margin and in canyons in the region.

Sulfide as a toxicant in aquatic habitats

The toxic effects of sulphide are best understood in mammals and are generally similar in aquatic organisms. At the physiological level sulphide has 2 major effects on mammals: 1) local inflammation and irritation of moist membranes including the eye and respiratory tract; and, 2) cardiac arrest due to paralysis of the respiratory centres of the brain. The toxicity of sulphide to plants, macroinvertebrates, freshwater fish and marine fish is discussed in detail. It is concluded that the role of sulphide in mass kills of fish, shrimp and other animals in brackishwater earthen ponds, lakes and sea cages should be determined.

Protein Profiles in Zebrafish (Danio rerio) Embryos Exposed to Perfluorooctane Sulfonate

Perfluorooctane sulfonate (PFOS) is widely distributed and persistent in the environment and in wildlife, and it has the potential for developmental toxicity. However, the molecular mechanisms that lead to these toxic effects are not well known. In the present study, proteomic analysis has been performed to investigate the proteins that are differentially expressed in zebrafish embryos exposed to 0.5 mg/l PFOS until 192 h postfertilization. Two-dimensional electrophoresis coupled with mass spectrometry was employed to detect and identify the protein profiles. The analysis revealed that 69 proteins showed altered expression in the treatment group compared to the control group with either increase or decrease in expression levels (more than twofold difference). Of the 69 spots corresponding to the proteins with altered expression, 38 were selected and subjected to matrix-assisted laser desorption/ionization tandem time-of-flight mass spectrometry (TOF/TOF) analysis; 18 proteins were identified in this analysis. These proteins can be categorized into diverse functional classes such as detoxification, energy metabolism, lipid transport/steroid metabolic process, cell structure, signal transduction, and apoptosis. Overall, proteomic analysis using zebrafish embryos serves as an in vivo model in environmental risk assessment and provides insight into the molecular events in PFOS-induced developmental toxicity.

Involvement of Fas/FasL system in apoptotic signaling in testicular germ cells of male Wistar rats injected i.v. with microcystins

Previous studies have shown that gonads were the second target organ of microcystins (MCs), and that MCs exposure exerted obvious toxic effects on male reproductive system of mammals. However, relevant molecular evidences are still lacking. Fas-signaling pathway plays a key role in toxicant-induced germ cell apoptosis. This study was to evaluate the responses of Fas/FasL system related genes and proteins in testes of rats injected intravenously with MCs. Enhanced apoptosis of germ cells in the testes of MCs-treated rats was detected by the terminal deoxynucleotidyl transferase-mediated deoxy-UTP nick end labeling (TUNEL) associated with up-regulation of the Fas/FasL system. Both Fas and FasL protein expression were induced evidently from I h post-injection, and this high expression level maintained throughout the experiment. In addition, the activation of caspase-8 and caspase-3 protein was also observed, which were indicators of apoptosis. These results suggested the likely involvement of Fas/FasL system in the MCs-induced germ cell apoptosis. It is also suggested that MCs can cause damage to Sertoli cells directly. (C) 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Mouse Toxicity of Anabaena flos-aquae from Lake Dianchi, China

Some species of the genera Anabaena can produce various kinds of cyanotoxins, which may pose risks to environment and human health. Anabaena has frequently been observed in eutrophic freshwater of China in recent years, but its toxicity has been reported only in a few studies. In the present study, the toxicity of an Anabaena flos-aquae strain isolated from Lake Dianchi was investigated. Acute toxicity testing was performed by mouse bioassay using crude extracts from the lyophilized cultures. The mice exposed to crude extracts showed visible symptoms of toxicity and died within 10-24 h of the injection. Serum biochemical parameters were evaluated by the use of commercial diagnostic kits. Significant alterations were found in the serum biochemical parameters: alkaline phosphatase (AKP), gamma-glutamyl transpepticlase (gamma-GT), aspartate amino transferase (AST), alanine amino transferase (ALT), AST/ALT ratio, total protein content, albumin content, albumin/globulin (A/G) ratio, blood urea nitrogen (BUN), serum creatinine (Ssr), and total antioxidative capacity (T-AOC). Histopathological observations were carried out with hematoxylin and eosin (HE) stain under light microscope. Severe lesions were seen in the livers, kidneys, and lungs of the mice injected with crude extracts. The alterations of biochemical parameters were in a dose-dependent manner, and the severities of histological lesions were in the same manner. Based on biochemical and histological studies, this research firstly shows the presence of toxin-producing Anabaena species in Lake Dianchi and the toxic effects of its crude extracts on mammals. (C) 2008 Wiley Periodicals, Inc. Environ Toxicol 24: 10-18, 2009.

Growth and antioxidant system of Escherichia coli in response to microcystin-RR

Microcystins are a kind of cyclic hepatoxins produced by many species of cyanobacteria. The toxic effects of microcystins on animals and plants have been well studied. However, the reports about the effects of microcystins on microbial cells are very limited. In present paper, Escherichia coli was undertaken to determine the effect of microcystin-RR. These results suggested that microcystin-RR could prolong the growth of E. coli when exposed to high concentrations of microcystin-RR and cause the accumulation of ROS and induce the oxidant stress for a short time. The antioxidant system protects E. coli from oxidative damage.

Induction of hepatic cytochrome P4501A1/2B activity and disruption of thyroglobulin synthesis/secretion by mono-ortho polychlorinated biphenyl and its hydroxylated metabolites in rat cell lines

As the active metabolites of polychlorinated biphenyl (PCBs), hydroxylated polychlorinated biphenyls (OH-PCBs) are found in wildlife and human tissues. They have been proposed as main contributors for endocrine disruption of PCBs in living organisms. In this study, mono-ortho PCB 156 and its hydroxylated metabolites 4'-OH-PCB 159, 4'-OH-PCB 121, and 4'-OH-PCB 72 were selected to investigate the toxic effects on rat hepatoma H4IIE cell line and rat thyroid follicle FRTL-5 cell line at concentrations of 1, 10(2), 10(4) nM. 7-Ethoxyresorufin-O-deethylase (EROD) and 7-pentoxyresorufin-O-dealkylase (PROD) activities were determined with micro-EROD/PROD to indicate cytochrome P4501 A1 (CYP1A1) and cytochrome P4502B (CYP2B) induction in the H4IIE cell after exposure for 72 h. To assess thyroid disruption of these compounds, thyroglobulin concentrations also were detected inside FRTL-5 cell with immunocellularchemistry and in its medium with radioimmunoassay after exposure for 24 It. Significant inductions of EROD activity by PCB 156 at 102 and 104 nM (p < 0.05) were observed, but no effects by the three OH-PCBs in H4IIE cell line. 7-Pentoxyresorufin-O-dealkylase activities were induced only by 10(4) nM of PCB156 and the three OH-PCBs (p < 0.05). Meanwhile, significant increases of thyroglobulin concentrations were observed in the medium of FRTL-5 cell exposed to 4'-OH-PCB 121 and 4'-OH-PCB 72 at all of the test concentrations (p < 0.05), but not to the other compounds. The results demonstrated that mono-ortho PCBs mainly could be metabolized to hydroxylated metabolites through CYP1A1 instead of CYP2B. Moreover, after being metabolized, OH-PCBs still sustained the ability to induce PROD activity and did exhibit the disruption on thyroglobulin synthesis/excretion in rat cells.

Antioxidant enzyme activities of Microcystis aeruginosa in response to nonylphenols and degradation of nonylphenols by M-aeruginosa

The aim of this study was to examine the effects of chemical nonylphenols (NPs) on the antioxidant system of Microcystis aeruginosa strains. The degradation and sorption of NPs by M. aeruginosa were also evaluated. High concentrations of NPs (1 and 2 mg/l) were found to cause increases in superoxidase dismutase (SOD) and glutathione-S-transferase (GST) activities and in glutathione (GSH) levels. These results suggest that toxic stress manifested by elevated SOD and GST levels and GSH contents may be responsible for the toxicity of NPs to M. aeruginosa and that the algal cells could improve their antioxidant and detoxification ability through the enhancement of enzymatic and nonenzymatic prevention substances. The observed elevations in GSH levels and GST activities were relatively higher than those in SOD activities, indicating that GSH and GST contributed more in eliminating toxic effects than SOD. Low concentrations of NPs (0.05-0.2 mg/l) enhanced cell growth and decreased GST activity in algal cells of M. aeruginosa, suggesting that NPs may have acted as a protecting factor, such as an antioxidant. The larger portion of the NPs (> 60%) disappeared after 12 days of incubation, indicating the strong ability of M. aeruginosa to degrade the moderate persistent NP compounds. The sorption ratio of M. aeruginosa after a 12-day exposure to low nominal concentrations of NPs (0.02-0.5 mg/l) was relatively high (> 30%). The fact that M. aeruginosa effectively resisted the toxic effects of NPs and strongly degraded these pollutants indicate that M. aeruginosa cells have a strong ability to adapt to variations in environmental conditions and that low and moderate concentrations of organic compounds may favor its survival. Further studies are needed to provide detailed information on the fate of persistent organic pollutants and the survival of algae and to determine the possible role of organic pollutants in the occurrence of water blooms in eutrophic lakes.