Emerging pollutants in a changing environment: impacts to estuarine bivalves

Abstract

Coastal zones, such as estuaries, face the eminence of new contaminants derived not just from the industry but also from higher volumes of effluents resulting from population growth in the littoral. With the technological advance and economic development, the multiplicity and wide variety of electrical and electronic equipment applications have increased, as well as the amount of electrical and electronic waste (e-waste). However, the proper treatment and recycling of e-waste are often lacking leading to the release of many chemical elements, including rare-earth elements (REEs), into the environment. Particularly, REEs possessing similar chemical properties, such as Lanthanum (La), Gadolinium (Gd), Yttrium (Y) and Terbium (Tb), are widely used due to their unique optical and magnetic characteristics, which are crucial for many electrical and electronic applications. Nevertheless, the environmental risks resulting from these REEs are almost unknown, especially considering marine ecosystems, which may be equally challenged by foreseen climate changes, such as increasing temperature and waters’ salinity shifts. Therefore, the present thesis aimed to use the mussel Mytilus galloprovincialis, an ecological and economical relevant species considered a good bioindicator worldwide, to evaluate the physiological and biochemical effects of the REEs La, Gd, Y and Tb under actual and predicted climate change scenarios. Preliminary research on the differences between intertidal and subtidal mussel populations of Ria de Aveiro to both tidal exposure and submergence environments was performed. Comparing both populations, tidal exposure showed to be more challenging to subtidal mussels while intertidal mussels were not affected negatively when under the submersion period. Both populations presented different life-history traits influencing energy reserves and acclimation periods, but both were adapted to the oxidative stress, making them suitable for ecotoxicological studies. An in vivo exposure to different concentrations of Y and Tb, considering the lack of literature for these elements was considered as a starting point. Yttrium was found to cause subtle biochemical alterations mainly at lower concentrations, while Tb revealed a tri-step adaptive response, but neither element led to apparent cellular damage. Biochemical alterations at low concentrations were also verified for La and Gd by other authors. Based on the results obtained, a low and environmentally relevant concentration of the four REEs was selected, and mussels were exposed to a combination of each REE, with increasing temperature and salinity shifts, to evaluate if these factors alter the toxicity of REEs and the sensitivity of the species exposed to them. The findings revealed that organisms exposed to REEs displayed susceptibility to their toxic effects, especially when subjected to salinity shifts and increased temperature. These conditions caused intensified osmotic and heat stress in these organisms. Among the climate change related parameters, decreased salinity intensified the impacts of REEs more significantly than increased salinity or temperature. Specifically, decreased salinity intensified La neurotoxic effects and Y defense enzyme activity, with contaminated organism receiving cellular damage compared to non-contaminated organisms. Meanwhile, Tb-exposed mussels showed more resilience among the four elements under this condition. Increased salinity affected the various elements differently, where Tb-exposed mussels exhibited higher susceptibility with metabolic changes and cellular damage. The increase of temperature produced nonlinear effects on the contaminated mussels, manifesting in both protective and detrimental biochemical responses. This thesis presents significant contributions to the understanding of contamination and the physiological responses of an important species to various environmental conditions, through detailed analysis and data collection. The findings may have important implications for the development of effective e-waste management and recycling strategies and can serve as a basis for creating normative guidelines.

Zonas costeiras, como estuários, enfrentam a ameaça de novos contaminantes oriundos não só da indústria, mas também de crescentes efluentes resultantes do aumento populacional no litoral. Com o avanço tecnológico e o desenvolvimento económico, multiplicaram-se as aplicações de diversos equipamentos elétricos e eletrónicos, e o aumento de resíduos elétricos e eletrónicos (REEE). Contudo, muitas vezes falta um tratamento e reciclagem adequados destes resíduos, levando à libertação de diversos elementos químicos, incluindo elementos das terras raras (ETRs), no ambiente. Em particular, ETRs com propriedades químicas semelhantes, como o Lantânio (La), Gadolínio (Gd), Ítrio (Y) e Térbio (Tb), são amplamente usados devido às suas características óticas e magnéticas, essenciais para muitas aplicações elétricas e eletrónicas. Contudo, os riscos ambientais resultantes destes ETRs são quase desconhecidos, sobretudo em ecossistemas marinhos, que podem igualmente ser afetados por alterações climáticas previstas, como o aumento da temperatura e variações na salinidade das águas. Assim, esta tese teve como objetivo usar o mexilhão Mytilus galloprovincialis, uma espécie ecológica e economicamente relevante reconhecida como um bom bioindicador global, para avaliar os efeitos fisiológicos e bioquímicos dos ETRs La, Gd, Y e Tb em cenários de mudanças climáticas reais e projetadas. Foi realizada uma investigação preliminar sobre as diferenças entre populações de mexilhões intertidais e subtidais da Ria de Aveiro face à exposição às marés e submersão. Ao comparar ambas as populações, a exposição às marés mostrou ser mais desafiante para os mexilhões subtidais, enquanto os intertidais não foram negativamente afetados durante o período de submersão. Ambas as populações apresentaram diferentes características de vida que influenciam as reservas energéticas e períodos de aclimatação, mas ambas estavam adaptadas ao stresse oxidativo, tornando-as adequadas para estudos ecotoxicológicos. Uma exposição in vivo a diferentes concentrações de Y e Tb foi considerada, dada a escassez de literatura sobre estes elementos. Ítrio causou alterações bioquímicas subtis principalmente em baixas concentrações, enquanto Tb mostrou uma resposta adaptativa em três etapas, mas nenhum dos elementos causou dano celular aparente. Alterações bioquímicas em baixas concentrações também foram verificadas para La e Gd por outros autores. Com base nos resultados obtidos, uma baixa concentração ambientalmente relevante dos quatro ETRs foi selecionada, e os mexilhões foram expostos a uma combinação de cada ETR, com aumento de temperatura e variações de salinidade, para avaliar se estes fatores alteram a toxicidade dos ETRs e a sensibilidade das espécies expostas. Os resultados mostraram que os organismos expostos a ETRs demonstraram uma suscetibilidade aos seus efeitos tóxicos, especialmente quando submetidos às variações de salinidade e ao aumento da temperatura. Estas condições causaram stresse osmótico e térmico intensificado nestes organismos. Entre os parâmetros relacionados com as mudanças climáticas, uma diminuição da salinidade intensificou os impactos dos ETRs de forma mais significativa do que o aumento da salinidade ou da temperatura. Especificamente, a diminuição da salinidade intensificou os efeitos neurotóxicos do La e a atividade enzimática de defesa do Y, com organismos contaminados apresentando dano celular em comparação com organismos não contaminados. Já os mexilhões expostos a Tb mostraram maior resiliência entre os quatro elementos sob esta condição. O aumento da salinidade afetou os diferentes elementos de formas distintas, onde mexilhões expostos a Tb mostraram maior suscetibilidade com alterações metabólicas e dano celular. O aumento da temperatura produziu efeitos não lineares nos mexilhões contaminados, resultando em respostas bioquímicas tanto protetoras quanto prejudiciais. Esta tese apresenta contribuições significativas para a compreensão da contaminação e das respostas fisiológicas de uma espécie importante face a várias condições ambientais, através de uma recolha de dados e análise detalhada. As descobertas poderão ter implicações importantes para o desenvolvimento de estratégias eficazes de gestão e reciclagem de REEE e podem servir como base para a criação de diretrizes normativas.