Organotins: A review of their reproductive toxicity, biochemistry, and environmental fate

The review purposes are to (1) evaluate the experimental evidence for adverse effects on reproduction and metabolism and (2) identify the current knowledge of analytical procedures, biochemistry and environmental aspects relating to organotins. Organotins are pollutants that are used as biocides in antifouling paints. They produce endocrine-disrupting effects in mollusks, such as imposex. In rodents, organotin exposure induces developmental and reproductive toxicity as well as alteration of metabolic homeostasis through its action as an obesogen. The adverse effects that appear in rodents have raised concerns about organotins' potential health risk to humans in relation to organotin exposure. At present, triorganotin, such as tributyltin, have been demonstrated to produce imposex, and mammalian reproductive and metabolic toxicity. For most mammals, triorganotin exposure predominantly occurs through the ingestion, and this compound can cross the placenta. With these risks in mind, it is important to improve our knowledge of organotins' effects on environmental health. © 2012 Elsevier Inc.

The effects of organic environmental toxicants on hard tissue formation in developing tooth : An in vitro study in mice

Dioxins are organic toxicants that are known to impair tooth development, especially dental hard tissue formation. The most toxic dioxin congener is 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin (TCDD). Further, clinical studies suggest that maternal smoking during pregnancy can affect child s tooth development. One of the main components of tobacco smoke is the group of non-halogenated polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), a representative of which is 7,12-dimethylbenz[a]anthracene (DMBA). Tributyltin (TBT), an organic tin compound, has been shown to impair bone mineralization in experimental animals. In addition to exposure to organic toxicants, a well-established cause for enamel hypomineralization is excess fluoride intake. The principal aim of this thesis project was to examine in vitro if, in addition to dioxins, other organic environmental toxicants, like PAHs and organic tin compounds, have adverse effects on tooth development, specifically on formation and mineralization of the major dental hard tissues, the dentin and the enamel. The second aim was to investigate in vitro if fluoride could intensify the manifestation of the detrimental developmental dental effects elicited by TCDD. The study was conducted by culturing mandibular first and second molar tooth germs of E18 NMRI mouse embryos in a Trowell-type organ culture and exposing them to DMBA, TBT, and sodium fluoride (NaF) and/or TCDD at various concentrations during the secretory and mineralization stages of development. Specific methods used were HE-staining for studying cell and tissue morphology, BrdU-staining for cell proliferation, TUNEL-staining for apoptosis, and QPCR, in situ hybridization and immunohistochemistry for the expressions of selected genes associated with mineralization. This thesis work showed that DMBA, TBT, TCDD and NaF interfere with dentin and enamel formation of embryonic mouse tooth in vitro, and that fluoride can potentiate the harmful effect of TCDD. The results suggested that adverse effects of TBT involve altered expression of genes associated with mineralization, and that DMBA and TBT as well as NaF and TCDD together primarily affect dentin mineralization. Since amelogenesis does not start until mineralization of dentin begins, impaired enamel matrix secretion could be a secondary effect. Dioxins, PAHs and organotins are all liposoluble and can be transferred to the infant by breast-feeding. Since doses are usually very low, developmental toxicity on most of the organs is difficult to indentify clinically. However, tooth may act as an indicator of exposure, since the major dental hard tissues, the dentin and the enamel, are not replaced once they have been formed. Thus, disturbed dental hard tissue formation raises the question of more extensive developmental toxicity.

Avaliação temporal da poluição por antiincrustantes organoestânicos no litoral do Estado do Rio de Janeiro: antes e após o banimento nacional e internacional

Tintas antifoulings são utilizadas para evitar a incrustação de organismos em estruturas submersas, especialmente casco de embarcações. Os compostos organoestânicos (OTs), utilizados nessas tintas, entre eles o tributilestanho, são desreguladores endócrinos e causaram diversos danos aos ecossistemas marinhos. No caso dos moluscos gastrópodes, esse tipo de poluição faz com que as fêmeas adquiram características masculinas, como vaso deferente e pênis, fenômeno esse conhecido como imposex. A Organização Marítima Internacional (IMO) estabeleceu o banimento de tintas à base de COEs nas embarcações, em 2008. No Brasil, a NORMAM 23, proibiu o uso em 2007, contudo a Marinha já havia suspendido seu uso desde 2003. Entretanto, efeitos deletérios destes compostos ainda são detectados em vários países, inclusive ao longo do litoral brasileiro. Esse trabalho teve como objetivo principal fazer uma avaliação temporal (1997-2012) da poluição por organestânicos na costa do Estado do Rio de Janeiro utilizando como bioindicador a espécie Stramonita haemastoma. A área de estudo abrangeu cinco regiões: Paraty, Ilha Grande, Baia de Ilha Grande, Baia de Guanabara e Arraial do Cabo. Análises químicas de butilestânicos foram feitas em sedimentos superficiais de mangues de Paraty (Mangue do Estaleiro e mangue do Saco do Mamanguá) e Ilha Grande (Mangue do Aventureiro) sendo os dois últimos considerados áreas de referência. Em cada estação de biomonitoramento foram coletados 30 indivíduos sexualmente adultos da espécie S. haemastoma, através de mergulho livre em apnéia e analisados através do método não destrutivo proposto por nosso grupo de pesquisa. Em todas as cinco áreas analisadas ao longo da costa do Estado do Rio de Janeiro foram registradas estações com altos índices de imposex. Apesar de muitas estações apresentarem diminuição nos índices, na maioria ocorreu um aumento ou conservação alta na porcentagem de imposex depois do banimento. As concentrações médias de butilestânicos no mangue (S1), perto de fontes locais, foram 205,7 16,8 ng (Sn) g-1 de TBT, 16,4 1,3 ng (Sn) g-1 de DBT e 10,0 2,9 ng (Sn) g-1 de MBT. Nas áreas de referência: mangue do Saco do Mamanguá (S2) foram 16,0 0,8 ng (Sn) g-1 de TBT, 10,1 1,4 ng (Sn) g-1 de DBT e 10,1 2,2 ng (Sn) g-1 de MBT e mangue do Aventureiro (S3) com 18,1 4,2 ng (Sn) g-1 de TBT, 15,3 0,5 ng (Sn) g-1 de DBT e 10,2 1,5 ng (Sn). g-1 de MBT. As taxas de degradação foram de 01, 1,3 e 1,4 respectivamente indicando inputs recentes desses compostos. Os resultados deste estudo indicam que carbono orgânico dissolvido e particulado, bem como xenoestrógenos podem estar interferindo no desenvolvimento da síndrome, levando a subestimação de avaliação do imposex. As concentrações de butilestânicos, além do aumento ou continuidade alta na incidência de imposex após o banimento na maioria das estações indicam que, apesar da proibição do uso do TBT em tintas antiiincrustantes no Brasil, elas ainda estão sendo utilizadas de forma ilegal, especialmente em pequenos barcos. Esse estudo é fundamental para se propor medidas de mitigação e controle dos compostos organoestânicos, até mesmo dos novos antifoulings TBT- free, que também possuem efeitos prejudiciais ao ambiente. Além disso, as áreas onde se registrou altos índices de imposex serão essenciais para o monitoramento dos efeitos desses novos antifoulings.

Determinant factors for the use of imposex in TBT pollution monitoring

Os compostos de tributilestanho (TBT) foram utilizados como biocidas em tintas antivegetativas (AV) e amplamente aplicados, durante décadas, de forma a evitar a bioincrustação em superfícies submersas, principalmente em cascos de embarcações. Os seus efeitos deletérios em organismos não-alvo tornaram-se evidentes após o aparecimento de gastrópodes prosobrâquios com imposex – sobreposição de caracteres sexuais masculinos sobre o tracto reprodutivo das fêmeas. Desde então, a expressão do imposex em prosobrânquios tem sido amplamente utilizada como biomarcador da poluição por TBT. Um dos objectivos da presente tese é avaliar se as mais recentes restrições legais na utilização das tintas AV com compostos organoestânicos (OTs) resultaram numa redução da poluição pelos mesmos na costa continental Portuguesa. Para tal, foi levada a cabo a análise da variação temporal do imposex como biomarcador dos níveis ambientais de TBT e a validação de procedimentos, de modo a seguir de forma precisa a evolução da intensidade deste fenómeno ao longo do tempo. O trabalho de investigação teve início no momento em que a ineficácia da legislação anterior (Directiva 89/677/CEE) na redução da poluição por TBT no litoral Português era reportada na literatura e quando estavam já agendados instrumentos decisivos para a diminuição definitiva deste tipo de poluição: o Regulamento (CE) N.º 782/2003 do Parlamento e do Conselho da União Europeia (UE) que bania as tintas AV baseadas em TBT na sua frota a partir de 1 de Julho de 2003; a "Convenção Internacional sobre o Controlo de Sistemas Antivegetativos Nocivos em Navios” (Convenção AFS), adoptada em 2001 pela Organização Marítima Internacional (OMI), que procurava erradicar os OTs da frota mundial até 2008. Os níveis de imposex e as concentrações de OTs nos tecidos de fêmeas de Nucella lapillus foram medidos em 17 locais de amostragem ao longo da costa Portuguesa em 2003, a fim de se avaliarem os impactos do TBT nas populações desta espécie e de se criar uma base de dados para seguir a sua evolução futura. O índice da sequência do vaso deferente (VDSI), o índice do tamanho relativo do pénis (RPSI) e a percentagem de fêmeas afectadas por imposex (%I) foram utilizados na medição da intensidade deste fenómeno em cada local de amostragem e os seus valores variaram entre 0,20-4,04, 0,0- 42,2% e 16,7-100,0%, respectivamente. Foram encontradas fêmeas estéreis em 3 locais de amostragem, com percentagens a variar entre 4,0 e 6,2%. As concentrações de TBT e dibutilestanho (DBT) nas fêmeas variaram respectivamente entre 23-138 e <10-62 ng Sn.g-1 de peso seco, e o conteúdo em TBT nos tecidos revelou-se significativamente correlacionado com o imposex (nomeadamente com o RPSI e o VDSI). Os níveis de expressão do fenómeno e o conteúdo em OTs nos tecidos, foram superiores na proximidade de portos, confirmando as conclusões obtidas anteriormente por outros autores de que os navios e a actividade dos estaleiros são as principais fontes destes compostos no litoral Português. As infra-estruturas associadas ás principais fontes de OTs – portos, estaleiros e marinas – estão geralmente localizadas no interior de estuários, motivo pelo qual estas áreas têm vindo a ser descritas como as mais afectadas por estes poluentes. Por esta razão, foi levado a cabo o estudo pormenorizado da poluição por TBT na Ria de Aveiro, como caso de estudo representativo da poluição por estes compostos num sistema estuarino em Portugal continental. N. lapillus foi usada como bioindicador para avaliar a tendência temporal da poluição por TBT nesta área entre 1997 e 2007. Foi registada uma diminuição da intensidade do imposex após 2003, embora as melhorias mais evidentes tenham sido observadas entre 2005 e 2007, provavelmente devido à implementação do Regulamento (CE) N.º 782/2003 que proibiu a aplicação de tintas AV com TBT em navios com a bandeira da UE. Apesar desses progressos, as análises ao conteúdo em OTs nos tecidos de fêmeas de N. lapillus e em amostras de água colhidas em 2006 indicaram contaminação recente por TBT na área de estudo, evidenciando assim a permanência de fontes de poluição. A utilização de N. lapillus como bioindicador da poluição por TBT na Ria de Aveiro apresenta algumas limitações uma vez que a espécie não ocorre nas áreas mais interiores da Ria e não vive em contacto com sedimentos. Assim, a informação obtida a partir da sua utilização como bioindicador é fundamentalmente relativa aos níveis de TBT na coluna de água. Foi então necessário recorrer a um bioindicador complementar – Hydrobia ulvae – para melhor avaliar a evolução temporal da poluição por TBT no interior deste sistema estuarino e estudar a persistência de TBT nos sedimentos. Não foi registada uma diminuição dos níveis de imposex em H. ulvae na Ria de Aveiro entre 1998 e 2007, apesar da aplicação do Regulamento (CE) N.º 782/2003. Pelo contrário, houve um aumento global significativo da percentagem de fêmeas afectadas por imposex e um ligeiro aumento do VDSI, contrastando com o que tem sido descrito para outros bioindicadores na Ria de Aveiro no mesmo período. Estes resultados mostram que a diferente biologia/ecologia das espécies indicadoras determina vias distintas de acumulação de TBT, apontando a importância da escolha do bioindicador dependendo do compartimento a ser monitorizado (sedimento versus água). A ingestão de sedimento como hábito alimentar em H. ulvae foi discutida como sendo a razão para a escolha da espécie como indicadora da contaminação dos sedimentos por TBT. Foram também estudados os métodos mais fiáveis para reduzir a influência de variáveis críticas na medição dos níveis de imposex em H. ulvae. As comparações de parâmetros do imposex baseados em medições do pénis devem ser sempre realizadas sob condições de narcotização bem standardizadas uma vez que este procedimento provoca um aumento significativo do comprimento do pénis (PL) em ambos os sexos. O VDSI, a % e o PL em ambos os sexos revelaram ser fortemente influenciados pelo tamanho dos espécimes: a utilização de fêmeas mais pequenas conduz à subestimação do VDSI, da %I e do PL, enquanto que diferenças no tamanho dos machos provocam variações no índice do comprimento relativo do pénis (RPLI), independentemente dos níveis de poluição por TBT. Existe, portanto, a necessidade de controlar algumas variáveis envolvidas na análise do imposex que mostraram afectar a fiabilidade dos resultados. Uma vez que N. lapillus é o principal bioindicador dos efeitos biológicos específicos do TBT para a área da OSPAR, foi também estudada a influência de algumas variáveis na avaliação dos níveis de imposex nesta espécie, especificamente as relacionadas com o ciclo reprodutor e o tamanho dos espécimes. O estudo do ciclo reprodutor e a variação sazonal/espacial do comprimento do pénis do macho (MPL) incidiu num único local no litoral Português (Areão – região de Aveiro) de forma a avaliar se o RPSI varia sazonal e espacialmente na mesma estação de amostragem e se tais variações influenciam os resultados obtidos em programas de monitorização do imposex. Nos meses de Dezembro de 2005 a Junho de 2007, foram encontrados espécimes de N. lapillus sexualmente maturos e potencialmente aptos para a reprodução. Contudo, foi também evidente um padrão sazonal do ciclo reprodutor – o estado de desenvolvimento da gametogénese nas fêmeas variou sazonalmente e ocorreu uma diminuição do volume da glândula da cápsula e do factor de condição no final do Verão / início do Outono. Contrariamente, a gametogénese nos machos não apresentou variação sazonal significativa, embora os valores mais baixos do factor de condição, do comprimento do pénis e dos volumes de esperma e da próstata tenham também sido registados no final do Verão / início do Outono. Além disso, o MPL mostrou variar, no mesmo local de amostragem, inversamente com a distância aos ninhos de cápsulas ovígeras; um aumento dos valores do MPL foi também observado em espécimes de maior tamanho. Todas estas variações no MPL introduzem desvios nos resultados da avaliação do imposex quando é usado o RPSI. A magnitude do erro envolvido foi quantificada e revelou-se superior em locais com níveis mais elevados de poluição por TBT. Apesar do RPSI ser um índice que fornece informação importante sobre os níveis de poluição por TBT, a sua interpretação deve ser cuidadosa e realizada complementarmente com os outros índices, destacando-se o VDSI como índice mais fiável e com significado biológico mais expressivo. Novas campanhas de monitorização do imposex em N. lapillus foram realizadas ao longo da costa Portuguesa em 2006 e 2008, e os resultados subsequentemente comparados com a base de dados criada em 2003,de forma a avaliar a evolução da poluição por TBT no litoral Português naquele período. Nestes estudos foram aplicados novos procedimentos na monitorização e tratamento dos dados, de forma a minimizar a variação nos índices de avaliação do imposex induzida pelos factores acima descritos, para seguir com maior consistência a tendência da poluição por TBT entre 2003 e 2008. Foi observado um declínio global significativo na intensidade de imposex na área de estudo durante o referido período e a qualidade ecológica da costa Portuguesa, segundo os termos definidos pela Comissão OSPAR, revelou melhorias notáveis após 2003 confirmando a eficácia do Regulamento (CE) N.º 782/2003. Não obstante, as populações de N. lapillus revelaram-se ainda amplamente afectadas por imposex, tendo sido detectadas emissões de TBT na água do mar ao longo da costa em 2006, apesar da restrição anteriormente referida. Estes inputs foram atribuídos principalmente aos navios que à data ainda circulavam com tintas AV com TBT aplicadas antes de 2003, uma vez que a sua utilização nas embarcações foi apenas proibida em 2008. Considerando que o Regulamento (CE) N.º 782/2003 constitui uma antecipação da proibição global da OMI que entrou em vigor em Setembro de 2008, prevê-se, por analogia, que haja uma rápida diminuição da poluição por TBT à escala mundial num futuro próximo. Na sequência desta previsão, é apresentada uma discussão teórica preliminar relativamente ás possíveis estratégias usadas por N. lapillus na recolonização de locais onde, no passado, as populações terão aparentemente sido extintas devido a níveis extremamente elevados de TBT. Estes locais são tipicamente zonas abrigadas junto de infra-estruturas portuárias, cuja recolonização por esta espécie será provavelmente muito lenta dada a mobilidade reduzida dos adultos e o ciclo de vida não apresentar fase larvar pelágica. Foram então equacionadas duas hipotéticas vias de recolonização de zonas abrigadas por espécimes provenientes de populações de costa aberta/exposta: a migração de adultos e/ou a dispersão de juvenis. No entanto, em ambos os casos, estaria implicada a transposição de um problema amplamente descrito na bibliografia: as populações de N. lapillus de costa aberta podem apresentar um fenótipo muito diferente das de zonas abrigadas, podendo inclusivamente variar no número de cromossomas. A recolonização pode portanto não ter sucesso pelo simples facto dos novos recrutas não estarem bem adaptados aos locais a recolonizar. Para analisar este problema, foram estudados tanto a forma da concha de espécimes de N. lapillus ao longo da costa Portuguesa como o respectivo número de cromossomas. Embora a forma da concha tenha revelado diferenças, de acordo com o grau de hidrodinamismo entre as populações de N. lapillus avaliadas, o cariótipo 2n = 26, típico de zonas expostas, foi registado em todos os locais amostrados. Por outro lado, foi também testada em laboratório a possível mortalidade de juvenis em dispersão no interior menos salino dos estuários. Foi então verificada a ocorrência de mortalidade elevada de juvenis expostos a salinidades baixas (=100% após 1 hora a salinidades ≤9 psu), o que também pode comprometer a recolonização de zonas estuarinas menos salinas por esta via. Mesmo assim, os juvenis mostraram um comportamento de flutuação à superfície da água em condições laboratoriais, que pode ser considerado um benefício específico na colonização de áreas mais internas dos estuários, se tal facto vier a ser confirmado em estudos de campo. As conclusões deste estudo contribuem certamente para a descrição do final da “história do TBT” dado que, uma vez controlados alguns factores determinantes no uso do imposex como biomarcador, a avaliação do declínio da poluição por estes compostos, agora esperado à escala global, se torna mais rigorosa.

Surface-sediment and hermit-crab contamination by butyltins in southeastern Atlantic estuaries after ban of TBT-based antifouling paints

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Differential organotin sensitivity in two Leucozonia species from a ship traffic area in southeastern Brazil

Tributyltin exposure is the primary cause of imposex development in gastropods, making them excellent bioindicators. The present research represents the first examination of butyltin (BT) contamination in surface sediments associated with imposex in Leucozonia nassa and L. ocellata in a harbour complex area in Espirito Santo, southeastern Brazil. The objectives of this study were to evaluate the organotin pollution in the area and to assess the sensitivity of both species to BT pollution through imposex development. Specimens were collected between 2007 and 2010 and the sediments were sampled in 2007. Imposex intensity was evaluated based on the percentage of imposexed females, the relative penis length index (RPLI) and the average value of the vas deferens sequence index (VDSI). BTs were analysed using gas chromatography equipped with a pulsed flame photometric detector (PFPD). The results demonstrated the occurrence of elevated concentrations of BTs in the sediment ranging from 383.7 to 7172.9 ng Sn g(-1), indicating a severe contamination of the area, which was confirmed by the biological monitoring results. Our findings also indicated that L. ocellata is a less sensitive species than L. nassa and that this differential sensitivity plays a key role in the distributions of the populations of both species in the studied area.

Organismi acquatici e ambiente: meccanismi biochimici di interazione, risposta e adattamento

The research is focused on the relationship between some Mg2+-dependent ATPase activities of plasma- and mitochondrial membranes from tissues of cultured marine bivalve molluscs and potentially stressful environmental conditions, such as the exposure to contaminants both of natural origin (ammonia nitrogen, the main contaminant of aquaculture plants) and of anthropic source (alkyltins). The two filter-feeding bivalve species selected colonize different habitats: the common mussel Mytilus galloprovincialis binds to hard substrates and the Philippine clam Tapes philippinarum burrows into sea bottom sandy beds. The choice of typical species of coastal waters, extremely suitable for environmental studies due to their features of poor motility, resistance to transport and great filtering efficiency, may constitute a model to evaluate responses to contaminants of membrane-bound enzyme activities involved in key biochemical mechanisms, namely cell ionic regulation and mitochondrial energy production. In vitro and in vitro approaches have been pursued. In vitro assays were carried out by adding the contaminants (NH4Cl and alkyltins) directly to the ATPase reaction media. In vivo experiments were carried out by exposing mussels to various tributyl tin (TBT) concentrations under controlled conditions in aquaria. ATPase activities were determined spectrophotometrically according to the principles of the method of Fiske and Subbarow (1925). The main results obtained are detailed below. In Tapes philippinarum the interaction of NH4 +, the main form of ammonia nitrogen at physiological and seawater pHs, with the Na,K-ATPase and the ouabaininsensitive Na-ATPase was investigated in vitro on gill and mantle microsomal membranes. The proven replacement by NH4 +of K+ in the activation of the Na,KATPase and of Na+ in the activation of the ouabain-insensitive ATPase displayed similar enzyme affinity for the substituted cation. on the one hand this finding may represent one of the possible mechanisms of ammonia toxicity and, on the other, it supports the hypothesis that NH4 + can be transported across the plasma membrane through the two ATPases. In this case both microsomal ATPases may be involved and co-operate, at least under peculiar circumstances, to nitrogen excretion and ammonia detoxification mechanisms in bivalve molluscs. The two ATPase activities stimulated by NH4 + maintained their typical response to the glycoside ouabain, specific inhibitor of the Na,K-ATPase, being the Na++ NH4 +-activated ATPase even more susceptive to the inhibitor and the ouabain-insensitive ATPase activity activated indifferently by Na+ or NH4 + unaffected by up to 10-2 M ouabain. In vitro assays were carried out to evaluate the response of the two Na-dependent ATPases to organotins in clams and mussels and to investigate the interaction of TBT with mussel mitochondrial oligomycin-sensitive Mg-ATPase. Since no literature data were available, the optimal assay conditions and oligomycin sensitivity of mussel mitochondrial MgATPase were determined. In T. philippinarum the ouabain-insensitive Na-ATPase was found to be refractory to TBT both in the gills and in the mantle, whereas the Na,K-ATPase was progressively inhibited by increasing TBT doses; the enzyme inhibition was more pronounced in the gills than in the mantle. In both tissues of M. galloprovincialis the Na,K-ATPase inhibition by alkyltins decreased in the order TBT>DBT(dibutyltin)>>MBT(monobutyltin)=TeET(tetraethyltin) (no effect). Mussel Na-ATPase confirmed its refractorimess to TBT and derivatives both in the gills and in the mantle. These results indicate that the Na,K-ATPase inhibition decreases as the number of alkyl chains bound to tin decreases; however a certain polarity of the organotin molecule is required to yield Na,K-ATPase inhibition, since no enzyme inhibition occurred in the presence of tetraalkyl-substituted derivatives such as TeET . Assays carried out in the presence of the dithioerythritol (DTE) pointed out that the sulphhydrylic agent is capable to prevent the Na,K-ATPase inhibition by TBT, thus suggesting that the inhibitor may link to -SH groups of the enzyme complex.. Finally, the different effect of alkyltins on the two Na-dependent ATPases may constitute a further tool to differentiate between the two enzyme activities. These results add to the wealth of literature data describing different responses of the two enzyme activities to endogenous and exogenous modulators . Mussel mitochondrial Mg-ATPase was also found to be in vitro inhibited by TBT both in the gills and in the mantle: the enzyme inhibition followed non competitive kinetics. The failed effect of DTE pointed out that in this case the interaction of TBT with the enzyme complex is probably different from that with the Na,K-ATPase. The results are consistent with literature data showing that alkyltin may interact with enzyme structures with different mechanisms. Mussel exposure to different TBT sublethal doses in aquaria was carried out for 120 hours. Two samplings (after 24 and 120 hrs) were performed in order to evaluate a short-term response of gill and mantle Na,K-ATPase, ouabain-insensitive Na-ATPase and Mg-ATPase activities. The in vivo response to the contaminants of the enzyme activities under study was shown to be partially different from that pointed out in the in vitro assays. Mitochondrial Mg-ATPase activity appeared to be activated in TBTexposed mussels with respect to control ones, thus confirming the complexity of evaluating in vivo responses of the enzyme activities to contaminants, due to possible interactions of toxicants with molluscan metabolism. Concluding, the whole of data point out that microsomal and mitochondrial ATPase activities of bivalve molluscs are generally responsive to environmental contaminants and suggest that in some cases membrane-bound enzyme activities may represent the molecular target of their toxicity. Since the Na,K-ATPase, the Na-ATPase and the Mg-ATPase activities are poorly studied in marine bivalves, this research may contribute to enlarge knowledge in this quite unexplored field.

Composti organostannici nell'ambiente marino e membrane biologiche: risposte molecolari e biochimiche nei molluschi bivalvi

Organotin compounds are worldwide diffused environmental contaminants, mainly as consequence of their extensive past use as biocides in antifouling paints. In spite of law restrictions, due to unwanted effects, organotin still persist in waters, being poorly degraded, easily resuspended from sediments and bioaccumulated in exposed organisms. The widespread toxicity and the possible threat to humans, likely to be organotin-exposed through contaminated seafood, make organotin interactions with biomolecules an intriguing biochemical topic, apart from a matter of ecotoxicological concern. Among organotins, tributyltin (TBT) is long known as the most dangerous and abundant chemical species in the Mediterranean Sea. Due to its amphiphilic nature, provided by three lipophilic arms and an electrophilic tin core, TBT can be easily incorporated in biomembranes and affect their functionality. Accordingly, it is known as a membrane-active toxicant and a mitochondrial poison. Up to now the molecular action modes of TBT are still partially unclear and poorly explored in bivalve mollusks, even if the latter play a not neglectable role in the marine trophic chain and efficiently accumulate organotins. The bivalve mollusk Mytilus galloprovincialis, selected for all experiments, is widely cultivated in the Mediterranean and currently used in ecotoxicological studies. Most work of this thesis was devoted to TBT effects on mussel mitochondria, but other possible targets of TBT were also considered. A great deal of literature points out TBT as endocrine disrupter and the masculinization of female marine gastropods, the so-called imposex, currently signals environmental organotin contamination. The hormonal status of TBT-exposed mussels and the possible interaction between hormones and contaminants in modulating microsomal hydroxilases, involved in steroid hormone and organotin detoxification, were the research topics in the period spent in Barcelona (Marco Polo fellowship). The variegated experimental approach, which consisted of two exposure experiments and in vitro tests, and the choice of selected tissues of M. galloprovincialis, the midgut gland for mitochondrial and microsomal preparations for subsequent laboratory assays and the gonads for the endocrine evaluations, aimed at drawing a clarifying pattern on the molecular mechanisms involved in organotin toxicity. TBT was promptly incorporated in midgut gland mitochondria of adult mussels exposed to 0.5 and 1.0 μg/L TBT, and partially degraded to DBT. TBT incorporation was accompanied by a decrease in the mitochondrial oligomycin-sensitive Mg-ATPase activity, while the coexistent oligomycin-insensitive fraction was unaffected. Mitochondrial fatty acids showed a clear rise in n-3 polyunsaturated fatty acids after 120 hr of TBT exposure, mainly referable to an increase in 22:6 level. TBT was also shown to inhibit the ATP hydrolytic activity of the mitochondrial F1FO complex in vitro and to promote an apparent loss of oligomycin sensitivity at higher than 1.0 μM concentration. The complex dose-dependent profile of the inhibition curve lead to the hypothesis of multiple TBT binding sites. At lower than 1.0 μM TBT concentrations the non competitive enzyme inhibition by TBT was ascribed to the non covalent binding of TBT to FO subunit. On the other hand the observed drop in oligomycin sensitivity at higher than 1.0 μM TBT could be related to the onset of covalent bonds involving thiolic groups on the enzyme structure, apparently reached only at high TBT levels. The mitochondrial respiratory complexes were in vitro affected by TBT, apart from the cytocrome c oxidase which was apparently refractory to the contaminant. The most striking inhibitory effect was shown on complex I, and ascribed to possible covalent bonds of TBT with –SH groups on the enzyme complexes. This mechanism, shouldered by the progressive decrease of free cystein residues in the presence of increasing TBT concentrations, suggests that the onset of covalent tin-sulphur bonds in distinct protein structures may constitute the molecular basis of widespread TBT effects on mitochondrial complexes. Energy production disturbances, in turn affecting energy consuming mechanisms, could be involved in other cellular changes. Mussels exposed to a wide range of TBT concentrations (20 - 200 and 2000 ng/L respectively) did not show any change in testosterone and estrogen levels in mature gonads. Most hormones were in the non-biologically active esterified form both in control and in TBT-treated mussels. Probably the endocrine status of sexually mature mussels could be refractory even to high TBT doses. In mussel digestive gland the high biological variability of microsomal 7-benzyloxy-4-trifluoromethylcoumarin-O-Debenzyloxylase (BFCOD) activity, taken as a measure of CYP3A-like efficiency, probably concealed any enzyme response to TBT exposure. On the other hand the TBT-driven enhancement of BFCOD activity in vitro was once again ascribed to covalent binding to thiol groups which, in this case, would stimulate the enzyme activity. In mussels from Barcelona harbour, a highly contaminated site, the enzyme showed a decreased affinity for the 7-benzyloxy-4-trifluoromethylcoumarin (BCF) substrate with respect to mussel sampled from Ebro Delta, a non-polluted marine site. Contaminant exposure may thus alter the kinetic features of enzymes involved in detoxification mechanisms. Contaminants and steroid hormones were clearly shown to mutually interact in the modulation of detoxification mechanisms. The xenoestrogen 17α-ethylenyl estradiol (EE2) displayed a non-competitive mixed inhibition of CYP3A-like activity by a preferential bond to the free enzyme both in Barcelona harbour and Ebro Delta mussels. The possible interaction with co-present contaminants in Barcelona harbour mussels apparently lessened the formation of the ternary complex enzyme-EE2-BCF. The whole of data confirms TBT as membrane toxicant in mussels as in other species and stresses TBT covalent binding to protein thiols as a widespread mechanism of membrane-bound-enzyme activity modulation by the contaminant.

Disruption of glucocorticoid action by environmental chemicals: potential mechanisms and relevance

Glucocorticoids play an essential role in the regulation of key physiological processes, including immunomodulation, brain function, energy metabolism, electrolyte balance and blood pressure. Exposure to naturally occurring compounds or industrial chemicals that impair glucocorticoid action may contribute to the increasing incidence of cognitive deficits, immune disorders and metabolic diseases. Potentially, "glucocorticoid disruptors" can interfere with various steps of hormone action, e.g. hormone synthesis, binding to plasma proteins, delivery to target cells, pre-receptor regulation of the ratio of active versus inactive hormones, glucocorticoid receptor (GR) function, or export and degradation of glucocorticoids. Several recent studies indicate that such chemicals exist and that some of them can cause multiple toxic effects by interfering with different steps of hormone action. For example, increasing evidence suggests that organotins disturb glucocorticoid action by altering the function of factors that regulate the expression of 11beta-hydroxysteroid dehydrogenase (11beta-HSD) pre-receptor enzymes, by direct inhibition of 11beta-HSD2-dependent inactivation of glucocorticoids, and by blocking GR activation. These observations emphasize on the complexity of the toxic effects caused by such compounds and on the need of suitable test systems to assess their effects on each relevant step.

Interference of endocrine disrupting chemicals with aromatase CYP19 expression or activity, and consequences for reproduction of teleost fish

Many natural and synthetic compounds present in the environment exert a number of adverse effects on the exposed organisms, leading to endocrine disruption, for which they were termed endocrine disrupting chemicals (EDCs). A decrease in reproduction success is one of the most well-documented signs of endocrine disruption in fish. Estrogens are steroid hormones involved in the control of important reproduction-related processes, including sexual differentiation, maturation and a variety of others. Careful spatial and temporal balance of estrogens in the body is crucial for proper functioning. At the final step of estrogen biosynthesis, cytochrome P450 aromatase, encoded by the cyp19 gene, converts androgens into estrogens. Modulation of aromatase CYP19 expression and function can dramatically alter the rate of estrogen production, disturbing the local and systemic levels of estrogens. In the present review, the current progress in CYP19 characterization in teleost fish is summarized and the potential of several classes of EDCs to interfere with CYP19 expression and activity is discussed. Two cyp19 genes are present in most teleosts, cyp19a and cyp19b, primarily expressed in the ovary and brain, respectively. Both aromatase CYP19 isoforms are involved in the sexual differentiation and regulation of the reproductive cycle and male reproductive behavior in diverse teleost species. Alteration of aromatase CYP19 expression and/or activity, be it upregulation or downregulation, may lead to diverse disturbances of the above mentioned processes. Prediction of multiple transcriptional regulatory elements in the promoters of teleost cyp19 genes suggests the possibility for several EDC classes to affect cyp19 expression on the transcriptional level. These sites include cAMP responsive elements, a steroidogenic factor 1/adrenal 4 binding protein site, an estrogen-responsive element (ERE), half-EREs, dioxin-responsive elements, and elements related to diverse other nuclear receptors (peroxisome proliferator activated receptor, retinoid X receptor, retinoic acid receptor). Certain compounds including phytoestrogens, xenoestrogens, fungicides and organotins may modulate aromatase CYP19 activity on the post-transcriptional level. As is shown in this review, diverse EDCs may affect the expression and/or activity of aromatase cyp19 genes through a variety of mechanisms, many of which need further characterization in order to improve the prediction of risks posed by a contaminated environment to teleost fish population.

Dibutyltin disrupts glucocorticoid receptor function and impairs glucocorticoid-induced suppression of cytokine production

BACKGROUND: Organotins are highly toxic and widely distributed environmental chemicals. Dibutyltin (DBT) is used as stabilizer in the production of polyvinyl chloride plastics, and it is also the major metabolite formed from tributyltin (TBT) in vivo. DBT is immunotoxic, however, the responsible targets remain to be defined. Due to the importance of glucocorticoids in immune-modulation, we investigated whether DBT could interfere with glucocorticoid receptor (GR) function. METHODOLOGY: We used HEK-293 cells transiently transfected with human GR as well as rat H4IIE hepatoma cells and native human macrophages and human THP-1 macrophages expressing endogenous receptor to study organotin effects on GR function. Docking of organotins was used to investigate the binding mechanism. PRINCIPAL FINDINGS: We found that nanomolar concentrations of DBT, but not other organotins tested, inhibit ligand binding to GR and its transcriptional activity. Docking analysis indicated that DBT inhibits GR activation allosterically by inserting into a site close to the steroid-binding pocket, which disrupts a key interaction between the A-ring of the glucocorticoid and the GR. DBT inhibited glucocorticoid-induced expression of phosphoenolpyruvate carboxykinase (PEPCK) and tyrosine-aminotransferase (TAT) and abolished the glucocorticoid-mediated transrepression of TNF-alpha-induced NF-kappaB activity. Moreover, DBT abrogated the glucocorticoid-mediated suppression of interleukin-6 (IL-6) and TNF-alpha production in lipopolysaccharide (LPS)-stimulated native human macrophages and human THP-1 macrophages. CONCLUSIONS: DBT inhibits ligand binding to GR and subsequent activation of the receptor. By blocking GR activation, DBT may disturb metabolic functions and modulation of the immune system, providing an explanation for some of the toxic effects of this organotin.

L'étain et les organoétains en milieu marin. Biogéochimie et écotoxicologie.

This report synthesizes the knowledge on the biogeochemical cycle, bioconcentration processes and ecotoxicity of tin and organotins in the marine environment. Concentrations levels, biomethylation mechanisms and exchanges between sediments and water are assessed. Emphasis is given on tributyltin sublethal effects, toxicity mechanisms and no effect levels for the most sensitive organisms. Regulations on the use of organotins as antifoulants in paints are examined. Conclusions and recommendations for environmental management and research are given.

Bioaccumulation and effects of TBT on molluscs from southern Portugal

Tese de dout. Ciências e Tecnologias do Ambiente, Faculdade de Ciências do Mar e do Ambiente, Univ. do Algarve, 2004