Bottom-up contamination in marine systems: model trophic levels to predict cadmium flow in marine organisms

Abstract

Cadmium is considered one of the most toxic metals to aquatic organisms. This naturally occurring metal is found in the environment in low concentrations due to natural processes, such as volcanic eruptions, natural crust erosion and also anthropogenic activities, such as mining and smelting. As a by-product of zinc mining, cadmium can reach aquatic environment through leaching or to rainwater runoff from the mine areas. It is a non-essential metal for organisms that even at relatively low concentrations can be toxic and may cause adverse effects due to its high bioaccumulation tendency. Considering this, the objective of this work was to study the toxicity and bioaccumulation potential of cadmium within different model marine trophic levels. To achieve this goal, this work was divided into four studies: i) assess the eco- and genotoxicity of cadmium to three marine test-species, representing different marine trophic levels, ii) determine the bioconcentration potential of cadmium in the calanoid copepod Acartia tonsa under different environmental conditions, such as pH, salinity and temperature, iii) evaluate the uptake and depuration kinetics of cadmium by the estuarine ditch shrimp Palaemon varians considering three different uptake routes: water, diet, water + diet and iv) assess the bioaccumulation patterns of cadmium in the Senegalese sole Solea senegalensis, a final consumer, and the possible risk and implications the consumption of the edible fraction of both shrimps and fish may bear to human health upon Cd exposure. We observed that the toxicity of cadmium is highly influenced by its speciation. Highest sensitivity to cadmium was observed by A. tonsa while the most sensitive endpoint was the Larval Development Ratio (LDR). Cadmium induced DNA damage to all species with increasing concentrations. The bioconcentration of cadmium by A. tonsa is strongly affected by different environmental conditions due to biological processes. The simultaneous exposure of P. varians to cadmium-contaminated water + diet showed that cadmium internal concentration was higher when compared to the individual pathways. Finally, by exposing S. senegalensis for 14 days through contaminated water and diet (supplied as Hediste diversicolor), with another 14 days of depuration phase, it was concluded that the 14 days of exposure were not enough for the fish to reach a steady state on cadmium internal concentration, and neither the 14 days of elimination were sufficient to cause total depuration of the accumulated cadmium in any of the organs. Moreover, a higher concentration of cadmium was found in the intestine of the fish when compared with the rest of the organs, and the elimination rate constant of cadmium in the liver was nule. The Target Hazard Quotient (THQ) and the Estimated Weekly Intake (EWI) values for cadmium for the edible fraction of S. senegalensis were below the acceptable levels set by the European Regulation while for the shrimps both THQ and EWI exceeded the acceptable levels established

O cádmio é considerado um dos metais mais tóxicos para organismos aquáticos, podendo ocorrer naturalmente no ambiente em concentrações muito baixas, devido a processos naturais (e.g., erupções vulcânicas, erosão da crosta natural) mas também devido a atividades antropogénicas, como a atividade mineira. Como um subproduto da exploração mineira de zinco, o cádmio pode ser libertado para o ambiente aquático através de lixiviação ou escorrências. O cádmio é um metal não essencial para os organismos mas, mesmo em concentrações relativamente baixas, pode ser tóxico, provocando efeitos adversos devido à sua elevada tendência para bioacumular. Neste contexto, o objetivo deste trabalho foi estudar a transferência de cádmio em diferentes modelos de níveis tróficos marinhos. O estudo foi dividido em quatro etapas: i) avaliar a eco- e genotoxicidade de cádmio em três espécies marinhas, representando diferentes níveis tróficos marinhos ii) determinar a bioconcentração de cádmio por Acartia tonsa sob diferentes condições ambientais, tais como pH, salinidade e temperatura, iii) a avaliação de toxicocinética de cádmio pelo camarão estuarino Palaemon varians sob três vias de exposição diferentes: água, alimentação e água + alimentação, e iv) avaliar os padrões de bioacumulação de cádmio no linguado Solea senegalensis como consumidor final, e os possíveis riscos e implicações do consumo da fração edível de camarões e peixe que pode ter para a saúde humana, após a exposição a cádmio. Foi observado que a toxicidade de cádmio é influenciada pela sua especiação. A maior sensibilidade ao cádmio foi observada em A. tonsa tendo como parâmetro mas sensível o Índice de Desenvolvimento Larvar (LDR). O cádmio induziu danos no ADN de todas as espécies utilizadas. A bioconcentração de cádmio por A. tonsa é fortemente afetada por diferentes condições ambientais devido a processos biológicos. P. varians foi exposto a cádmio através de diferentes vias de exposição: água ou alimento ou água e alimento. A exposição simultânea de P. varians a água e alimento contaminado com cádmio mostrou que a concentração interna de cádmio foi maior quando comparada com as outras duas vias de exposição. Finalmente, mesmo uma exposição através de água e alimento contaminado (fornecido como Hediste diversicolor) não foi suficiente para que o peixe S. senegalensis atingisse um plateau na concentração interna de cádmio, sendo os 14 dias de depuração insuficientes para que os organismos depurassem totalmente a concentração interna que havia sido acumulada. Adicionalmente, foi encontrada uma maior concentração de cádmio no intestino de S. senegalensis quando comparada com os outros órgãos, e a constante de eliminação de cádmio no fígado foi inexistente. Os valores do Coeficiente de Perigo Alvo (THQ) e o Consumo Semanal Estimado (EWI) para o cádmio estavam abaixo dos níveis aceitáveis estabelecidos em regulamentos europeus para a fração edível de S. senegalensis, enquanto que para P. varians tanto o THQ quanto o EWI excederam os níveis aceitáveis estabelecidos.