Oceans and human health: Sentinel habitats and sentinel species

The health of the oceans and people are inextricably linked. For many years we focused research and policy on anthropogenic impacts to oceans and coasts. Recently we have started to think about how the health of the oceans affects us. In response to the Oceans and Human Health Act of 2004, a NOAA initiative was created to explore the “One Health” of the oceans and coasts. The Center of Excellence in Oceans and Human Health at Hollings Marine Laboratory (HML) is one of three Centers dedicated to understanding the connections and forecasting changes in ocean and coastal health and human health. The Center at HML is developing new tools and approaches, including sentinel habitats and sentinel species, to evaluate linkages between ecological process and human health and wellbeing. The results provide environmental and public health managers, policy-makers and communities forecasts and assessments to improve ecosystem-based management that protects health and mitigates risks for the oceans, coasts and people.(PDF contains 4 pages)

Rate of exposure of a sentinel species, invasive American mink (Neovison vison) in Scotland, to anticoagulant rodenticides

Open Access funded by Natural Environment Research Council Acknowledgements Field sample collection was funded by NERC grants NE/E006434/1 and NE/J01396X/1 to XL and a Marie Curie FP7-PEOPLE-2011-IEF 300288-grant to YM. We thank the Scottish Mink Initiative, staff, funders and multiple mink volunteers for the continued effort, samples and data. Also to Eduardo Salazar Villaverde for his assistance in the preparation of figures in early drafts of this manuscript, and Professor Colin Prescott (Reading University) for comments on the biochemistry of ARs. Finally, to Kenneth McNeill for providing data on farm sizes and distributions.

Environmental monitoring review group feedback

The Drought Monitoring workshop of October 1996, held at the Jarvis Leyland Hotel in Preston, England, established 4 priority issues for dealing with the question: How do we monitor the environment to pick up unexpected change ? 1. Review existing data, and review related study areas throughout the country. 2. Modelling and analysis of data 3. Monitoring / new data / sentinel species' 4. Public relations / Promotion. A group was set up to review issue 1 and feedback to the main group. This report establishes this feedback to the group and refers to existing data / monitoring, other Regional and national work, external Organisations and Recommendations. Appendix 1, is a summary of work completed at the workshop.

Concurrent exposure of bottlenose dolphins (Tursiops truncatus) to multiple algal toxins in Sarasota Bay, Florida, USA

Sentinel species such as bottlenose dolphins (Tursiops truncatus) can be impacted by large-scale mortality events due to exposure to marine algal toxins. In the Sarasota Bay region (Gulf of Mexico, Florida, USA), the bottlenose dolphin population is frequently exposed to harmful algal blooms (HABs) of Karenia brevis and the neurotoxic brevetoxins (PbTx; BTX) produced by this dinoflagellate. Live dolphins sampled during capture-release health assessments performed in this region tested positive for two HAB toxins; brevetoxin and domoic acid (DA). Over a ten-year study period (2000–2009) we have determined that bottlenose dolphins are exposed to brevetoxin and/or DA on a nearly annual basis (i.e., DA: 2004, 2005, 2006, 2008, 2009; brevetoxin: 2000, 2004, 2005, 2008, 2009) with 36% of all animals testing positive for brevetoxin (n = 118) and 53% positive for DA (n = 83) with several individuals (14%) testing positive for both neurotoxins in at least one tissue/fluid. To date there have been no previously published reports of DA in southwestern Florida marine mammals, however the May 2008 health assessment coincided with a Pseudo-nitzschia pseudodelicatissima bloom that was the likely source of DA observed in seawater and live dolphin samples. Concurrently, both DA and brevetoxin were observed in common prey fish. Although no Pseudo-nitzschia bloom was identified the following year, DA was identified in seawater, fish, sediment, snails, and dolphins. DA concentrations in feces were positively correlated with hematologic parameters including an increase in total white blood cell (p = 0.001) and eosinophil (p<0.001) counts. Our findings demonstrate that dolphins within Sarasota Bay are commonly exposed to two algal toxins, and provide the impetus to further explore the potential long-term impacts on bottlenose dolphin health.

Proteomic approaches to environmental stress in mussel Mytilus edulis due to emerging classes of anthropogenic pollutants

Anthropogenic pollutant chemicals pose a major threat to aquatic organisms. There is a need for more research on emerging categories of environmental chemicals such as nanomaterials, endocrine disruptors and pharmaceuticals. Proteomics offers options and advantages for early warning of alterations in environmental quality by detecting sub-lethal changes in sentinel species such as the mussel, Mytilus edulis. This thesis aimed to compare the potential of traditional biomarkers (such as enzyme activity measurement) and newer redox proteomic approaches. Environmental proteomics, especially a redox proteomics toolbox, may be a novel way to study pollutant effects on organisms which can also yield information on risks to human health. In particular, it can probe subtle biochemical changes at sub-lethal concentrations and thus offer novel insights to toxicity mechanisms. In the first instance, the present research involved a field-study in three stations in Cork Harbour, Ireland (Haulbowline, Ringaskiddy and Douglas) compared to an outharbour control site in Bantry Bay, Ireland. Then, further research was carried out to detect effects of anthropogenic pollution on selected chemicals. Diclofenac is an example of veterinary and human pharmaceuticals, an emerging category of chemical pollutants, with potential to cause serious toxicity to non-target organisms. A second chemical used for this study was copper which is a key source of contamination in marine ecosystems. Thirdly, bisphenol A is a major anthropogenic chemical mainly used in polycarbonate plastics manufacturing that is widespread in the environment. It is also suspected to be an endocrine disruptor. Effects on the gill, the principal feeding organ of mussels, were investigated in particular. Effects on digestive gland were also investigated to compare different outcomes from each tissue. Across the three anthropogenic chemicals studied (diclofenac, copper and bisphenol A), only diclofenac exposure did not show any significant difference towards glutathione transferase (GST) responses. Meanwhile, copper and bisphenol A significantly increased GST in gill. Glutathione reductase (GR) enzyme analysis revealed that all three chemicals have significant responses in gill. Catalase activity showed significant differences in digestive gland exposed to diclofenac and gills exposed to bisphenol A. This study focused then on application of redox proteomics; the study of the oxidative modification of proteins, to M. edulis. Thiol proteins were labelled with 5-iodoacetamidofluorescein prior to one-dimensional and two-dimensional electrophoresis. This clearly revealed some similarities on a portion of the redox proteome across chemical exposures indicating where toxicity mechanism may be common and where effects are unique to a single treatment. This thesis documents that proteomics is a robust tool to provide valuable insights into possible mechanisms of toxicity of anthropogenic contaminants in M. edulis. It is concluded that future research should focus on gill tissue, on protein thiols and on key individual proteins discovered in this study such as calreticulin and arginine kinase which have not previously been considered as biomarkers in aquatic toxicology prior to this study.

Biomonitoring aquatic environmental quality in a marine protected area: A biomarker approach

The main aims of the present study, conducted in the framework of the MONIQUA-Egadi Scientific Project, were twofold: first, to make the first step in the development and validation of an ecotoxicological approach for the assessment of marine pollution in coastal environments on the basis of a set of biomarker responses in new sentinel species; and second, to obtain preliminary information on environmental quality in an Italian marine protected area, the Egadi Islands (Sicily). Several cytochrome P450-dependent mixed-function oxidase activities were measured in the following sentinel species: rainbow wrasse Coris julis, gastropod limpet Patella caerulea, and sea urchin Paracentrotus lividus. The results suggest that specimens from the Favignana Harbor may be exposed to P450 inducers, whereas most of the other sites seem to share similar environmental quality. The proposed approach has potential for assessment of environmental quality in marine protected areas.

Methodologies for a sustainable development of estuarine ecosystems

As zonas costeiras, estuarinas e lagunares são consideradas áreas muito produtivas e dotadas de grande biodiversidade sendo, por isso, consideradas de elevado valor ecológico e económico. No entanto, nas últimas décadas tem vindo a verificar-se um aumento da contaminação destes ecossistemas como resultado de diversas actividades antrópicas. As abordagens actualmente disponíveis para avaliação do impacto da poluição em ecossistemas estuarinos e lagunares apresentam diversos tipos de lacunas, pelo que é importante desenvolver metodologias mais eficazes com organismos autóctones. Neste contexto, o objectivo central desta dissertação consistiu em desenvolver e validar métodos ecologicamente relevantes para avaliação da contaminação estuarina e dos seus efeitos, utilizando o góbio-comum (Pomatoschistus microps), quer como organismo-teste quer como espécie sentinela, devido à importante função que desempenha nas cadeias tróficas de diversos estuários da costa Portuguesa. A Ria de Aveiro foi seleccionada como área de estudo principalmente pelo facto de possuir zonas com diferentes tipos de contaminação predominante e de haver conhecimento científico de base abundante e de elevada qualidade sobre este ecosistema. Na primeira fase do estudo, foram investigados os efeitos agudos de dois hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (HAPs) (benzo[a]pireno e antraceno), de um fuel-óleo e de dois metais (cobre e mercúrio) em P. microps, utilizando ensaios laboratoriais baseados em biomarcadores e em parâmetros comportamentais, os quais foram avaliados utilizando um dispositivo expressamente desenvolvido para o efeito, designado por speed performance device (SPEDE). Como biomarcadores foram utilizados parâmetros envolvidos em funções fisiológicas determinantes para a sobrevivência e desempenho dos animais (neurotransmissão, obtenção de energia, destoxificação e defesas anti-oxidantes), nomeadamente a actividade das enzimas acetilcolinesterase, lactato desidrogenase, CYP1A1, glutationa S-transferases, glutationa reductase, glutationa peroxidase, superóxido dismutase, catalase, tendo ainda sido determinados os níveis de peroxidação lipídica como indicador de danos oxidativos. De forma global, os resultados indicaram que os agentes e a mistura testados têm a capacidade de interferir com a função neurológica, de alterar as vias utilizadas para obtenção de energia celular, induzir as defesas antioxidantes e, no caso do cobre e do mercúrio, de causarem peroxidação lipídica. Foram ainda obtidas relações concentração-resposta a nível dos parâmetros comportamentais testados, nomeadamente a capacidade de nadar contra a corrente e a distância percorrida a nadar contra o fluxo de água, sugerindo que os agentes testados podem, por exemplo, diminuir a capacidade de fuga aos predadores, as probabilidades de captura de presas e o sucesso reprodutivo. Na segunda fase, tendo sido já adaptadas técnicas para determinação de vários biomarcadores em P. microps e estudada a sua resposta a dois grupos de poluentes particularmente relevantes em ecossistemas estuarinos e lagunares (metais e HAPs), foi efectuado um estudo de monitorização utilizando P. microps como bioindicador e que incluiu diversos parâmetros ecológicos e ecotoxicológicos, nomedamente: 20 parâmetros indicativos da qualidade da água e do sedimento, concentração de 9 metais em sedimentos e no corpo de P. microps, 8 biomarcadores e 2 índices de condição na espécie seleccionada. A amostragem foi efectuada em quatro locais da Ria de Aveiro, um considerado como referência (Barra) e três com diferentes tipos predominantes de contaminação (Vagueira, Porto de Aveiro e Cais do Bico), sazonalmente, durante um ano. Os resultados obtidos permitiram uma caracterização ecotoxicológica dos locais, incluindo informação sobre a qualidade da água, concentrações de contaminantes ambientais prioritários nos sedimentos e nos tecidos de P. microps, capacidade desta espécie para bioacumular metais, efeitos exercidos pelas complexas misturas de poluentes presentes em cada uma das zonas de amostragem nesta espécie e possíveis consequências para a população. A análise multivariada permitiu analisar de forma integrada todos os resultados, proporcionando informação que não poderia ser obtida analisando os dados de forma compartimentalizada. Em conclusão, os resultados obtidos no âmbito desta dissertação indicam que P. microps possui características adequadas para ser utilizado como organismoteste em ensaios laboratoriais (e.g. abundância, fácil manutenção, permite a determinação de diferentes tipos de critérios de efeito utilizando um número relativamente reduzido de animais, entre outras) e como organismo sentinela em estudos de monitorização da poluição e da qualidade ambiental, estando portanto de acordo com estudos de menor dimensão previamente efectuados. O trabalho desenvolvido permitiu ainda adaptar a P. microps diversas técnicas bioquímicas vulgarmente utilizadas como biomarcadores em Ecotoxicologia e validá-las quer no laboratório quer em cenários reais; desenvolver um novo bioensaio, utilizando um dispositivo de teste especialmente concebido para peixes epibentónicos baseado na performance natatória de uma espécie autóctone e em biomarcadores; relacionar os efeitos a nível bioquímico com parâmetros comportamentais que ao serem afectados podem reduzir de forma drástica e diversificada (e.g. aumento da mortalidade, diminuição do sucesso reprodutivo, redução do crescimento) a contribuição individual para a população. Finalmente, foi validada uma abordagem multidisciplinar, combinando metodologias ecológicas, ecotoxicológicas e químicas que, quando considerada de forma integrada utilizando análises de estatística multivariada, fornece informação científica da maior relevância susceptível de ser utilizada como suporte a medidas de conservação e gestão em estuários e sistemas lagunares.

Endocrine disruption in the terrestrial isopod porcellio scaber

Nas últimas décadas tem-se assistido a uma preocupação crescente relativamente às possíveis consequências da exposição a compostosxenóbioticos capazes de modular ou causar disrupção do sistema endócrino, os denominados Compostos Disruptores Endócrinos (CDEs). A maioria dos estudos efectuados tem-se centrado principalmente nos efeitos dos CDEs em vertebrados, enquanto que os seus efeitos em invertebrados têmsido negligenciados, embora este grupo represente mais de 95% de todas asespécies animais. Isópodes como o Porcellio scaber, combinam características associadas às mudas e aos processos reprodutivos mediados por mecanismos endócrinosconhecidos com um modo de vida terrestre, tornando-os potenciais espécies sentinela para estudos de disrupção endócrina (DE) em ambientes terrestres. Neste estudo, isópodes machos adultos, machos e fêmeas juvenis e casais foram expostos a concentrações crescentes dedois CDEs, vinclozolina (Vz) e bisfenol A (BPA). Testou-se a hipótese nula que a Vz e o BPA não interferem com o desenvolvimento e reprodução deste isópode terrestre. Foi investigadaa possível ligação entre os efeitos causados pelos compostos propostos e DE assim como a ligação a outros potenciais mecanismos de toxicidade.Parâmetros como concentração de 20-hidroxiecdisona (20E), muda, crescimento, rácios sexuais ediversos parâmetros reprodutivos foram estudados. Adicionalmente, de modo a estudar os alvos moleculares destes tóxicos, analisou-se a expressão proteica do intestino, hepatopâncreas e testículos do isópode após exposição aos químicos. Os resultados demonstram que a Vz e o BPA estimulam o aumento dos níveis de 20E de um modo dependente da dose. Excepção feita para a concentração mais baixa de BPA testada (10 mg/kg solo), para a qual concentrações significativamente mais altas de 20E foram determinadas, sugerindo a ocorrência dos “efeitos de baixas doses típicos de DE” já demonstrados por outros autores. O BPA também distorceu o rácio sexual favorecendo asfêmeas na concentração mais baixa. A mortalidade devido à ecdise incompleta foi relacionada com o hiper-ecdisonismo nas concentrações mais elevadas de Vz. Mais ainda, a Vz tende a atrasar a muda e o BPA a induzi-la. Não obstante, ambos os compostos provocam toxicidade no desenvolvimento,uma vez que foi encontrada uma diminuição generalizada nos parâmetros de crescimento. Os juvenis mostraram ser mais sensíveis à exposição aos tóxicos que os adultos. Estes compostos provocaram ainda toxicidade reprodutiva, com um decréscimo generalizado do “output” reprodutivo. A toxicidadecausada pelos ecdisteróides e o seu papel na síntese de vitelogenina são alguns dos factores chave que poderão influenciar negativamente a reprodução.A Vz e o BPA afectaram a expressão de proteínas envolvidas nometabolismo energético e induziram várias respostas de stress. Interferiram ainda com proteínas intimamente ligadas com o sucesso reprodutivo. Conclui-se assim,que ambos os CDEs propostos provocam toxicidade nodesenvolvimento e na reprodução de P. scaber, tendo sido evidenciada umaligação a DE. Alvos moleculares de natureza não-endócrina foram também revelados, através da expressão diferencial de algumas proteínaspreviamente descritas para invertebrados aquáticos e mesmo alguns vertebrados.

Estudo do efeito de contaminantes na espécie sentinela, a amêijoa Ruditapes decussatus, por intermédio da análise da expressão proteica: aplicação à monitorização do meio marinho

Tese dout., Ciências e Tecnologias do Ambiente, 2009, Universidade do Algarve

Impact des polluants agricoles sur la génétique des populations d’une espèce sentinelle : le ouaouaron (Rana catesbeiana)

L’expansion agricole ne cesse d’agir sur la perte d’habitats essentiels et nécessaires au développement des espèces. Bien que plusieurs espèces réussissent à survivre dans ces habitats peu adéquats, la persistance et la santé de plusieurs populations semblent compromises par l’utilisation souvent intensive de polluants chimiques agricoles et de fertilisants. Cette étude a pour but de déterminer l’impact des contaminants et de l’écologie du paysage sur la diversité génétique des populations de ouaouarons retrouvées en milieu agricole. Notre hypothèse de départ stipule qu’une exposition chronique aux polluants agricoles induira des différences génétiques au niveau des populations exposées. Le bassin versant de la rivière Yamaska a été désigné comme site d’étude puisqu’il fait partie de la région agricole la plus importante du Québec et parce qu’on y retrouve un gradient d’utilisation des terres pour l’agriculture (faible, moyen, élevé). Le ouaouaron a été choisi à titre de modèle biologique puisque ses caractéristiques physiologiques et écologiques en font une espèce sentinelle capable de rendre compte de l’état de santé global des écosystèmes. La caractérisation génétique des populations a été effectuée à partir de marqueurs d’AFLP (Amplified Fragment Length Polymorphism). Les résultats montrent que la diversité génétique est liée à la colonisation à partir de l’embouchure de la rivière Yamaska et que quelques populations sont génétiquement différenciées. De plus, nous avons démontré une relation positive entre le nombre de locus polymorphes et l’atrazine, l’indice de contamination et le métolachlore et la concentration en azote ainsi qu’entre l’hétérozygotie attendue et la concentration en phosphate.

Hemocitical responses to environmental stress in invertebrates: a review

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Caracterização morfofisiológica dos hemócitos do Diplópodo Rhinocricus padbergi antes e após exposição a substrato contendo lodo de esgoto

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Prevalence estimation of tick-borne encephalitis virus (TBEV) antibodies in dogs from Finland using novel dog anti-TBEV IgG MAb-capture and IgG immunofluorescence assay based on recombinant TBEV subviral particles

Tick-borne encephalitis (TBE) is one of the most dangerous human neurological infections occurring in Europe and Northern parts of Asia with thousands of cases and millions vaccinated against it. The risk of TBE might be assessed through analyses of the samples taken from wildlife or from animals which are in close contact with humans. Dogs have been shown to be a good sentinel species for these studies. Serological assays for diagnosis of TBE in dogs are mainly based on purified and inactivated TBEV antigens. Here we describe novel dog anti-TBEV IgG monoclonal antibody (MAb)-capture assay which is based on TBEV prME subviral particles expressed in mammalian cells from Semliki Forest virus (SFV) replicon as well as IgG immunofluorescence assay (IFA) which is based on Vero E6 cells transfected with the same SFV replicon. We further demonstrate their use in a small-scale TBEV seroprevalence study of dogs representing different regions of Finland. Altogether, 148 dog serum samples were tested by novel assays and results were compared to those obtained with a commercial IgG enzyme immunoassay (EIA), hemagglutination inhibition test and IgG IFA with TBEV infected cells. Compared to reference tests, the sensitivities of the developed assays were 90-100% and the specificities of the two assays were 100%. Analysis of the dog serum samples showed a seroprevalence of 40% on Åland Islands and 6% on Southwestern archipelago of Finland. In conclusion, a specific and sensitive EIA and IFA for the detection of IgG antibodies in canine sera were developed. Based on these assays the seroprevalence of IgG antibodies in dogs from different regions of Finland was assessed and was shown to parallel the known human disease burden as the Southwestern archipelago and Åland Islands in particular had considerable dog TBEV antibody prevalence and represent areas with high risk of TBE for humans.

Species diversity of Leishmania (Viannia) parasites circulating in an endemic area for cutaneous leishmaniasis located in the Atlantic rainforest region of northeastern Brazil

OBJECTIVES To identify the aetiological agents of cutaneous leishmaniasis and to investigate the genetic polymorphism of Leishmania (Viannia) parasites circulating in an area with endemic cutaneous leishmaniasis (CL) in the Atlantic rainforest region of northeastern Brazil. METHODS Leishmania spp. isolates came from three sources: (i) patients diagnosed clinically and parasitologically with CL based on primary lesions, secondary lesions, clinical recidiva, mucocutaneous leishmaniasis and scars; (ii) sentinel hamsters, sylvatic or synanthropic small rodents; and (iii) the sand fly species Lutzomyia whitmani. Isolates were characterised using monoclonal antibodies, multilocus enzyme electrophoresis (MLEE) and polymerase chain reaction-restriction fragment length polymorphism of the internal transcribed spacer region rDNA locus. RESULTS Seventy-seven isolates were obtained and characterised. All isolates were identified as Leishmania (Viannia) braziliensis serodeme 1 based on reactivity to monoclonal antibodies. MLEE identified 10 zymodemes circulating in the study region. Most isolates were classified as zymodemes closely related to L. (V.) braziliensis, but five isolates were classified as Leishmania (Viannia) shawi. All but three of the identified zymodemes have so far been observed only in the study region. Enzootic transmission and multiclonal infection were observed. CONCLUSIONS Our results confirm that transmission cycle complexity and the co-existence of two or more species in the same area can affect the level of genetic polymorphism in a natural Leishmania population. Although it is not possible to make inferences as to the modes of genetic exchange, one can speculate that some of the zymodemes specific to the region are hybrids of L. (V.) braziliensis and L. (V.) shawi.