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 Influence of speciation in the bioavailability of cadmium to an isopod
Please use this identifier to cite or link to this item http://hdl.handle.net/10773/977

title: Influence of speciation in the bioavailability of cadmium to an isopod
authors: Calhôa, Carla Filipa Gomes de Almeida Santos
advisors: Soares, Amadeu
Mann, Reinier
keywords: Biologia
Ecossistemas terrestres
Interacções tróficas
Cádmio
Descontaminação dos solos
issue date: 2010
publisher: Universidade de Aveiro
abstract: Devido às actividades antropogénicas várias substâncias químicas têm sido introduzidas no meio ambiente em concentrações que de outro modo não ocorreriam de forma tão elevada naturalmente. Assim, o conhecimento acerca das características de um químico, tais como, o potencial para se acumular em diferentes níveis tróficos, a sua mobilidade dentro do ecossistema, a toxicidade específica e a bioacumulação, é fundamental para compreender os seus efeitos nos ecossistemas. Esta tese investiga a influência de especiação, na biodisponibilidade do cádmio (Cd) para o isópode Porcellio dilatatus, incluindo os efeitos de especiação do metal: (i) na assimilação do Cd, (ii) no modo como o Cd se distribui internamente no organismo, e (iii) como a sobrevivência e a reprodução são afectadas em isópodes terrestres. Num primeiro ensaio laboratorial avaliou-se a importância da transferência trófica na assimilação do Cd em P. dilatatus. Para tal analisou-se a eficiência de assimilação (EA) do Cd em isópodes, adicionado superficialmente ao alimento (alface) na forma de Cd(NO3)2 e contaminando o meio de crescimento da alface. A hipótese era de que a alface contaminada biologicamente através do cultivo em meio hidropónico contaminado teria uma maior proporção de complexos com proteína ou conjugado na forma de Cd (ex. Cd cisteína). A EA de Cd foi maior entre os isópodes que foram alimentados com o sal (71%, SE = 7%), do que entre os isópodes que se alimentaram de alface contaminada biologicamente (52%, SE = 5%), demonstrando-se assim num teste laboratorial que é provável que a especiação do Cd influencie a taxa de assimilação e acumulação do Cd. Na experiência alimentar que se seguiu, estudou-se em detalhe a especiação do metal comparando as EA do Cd conjugado com cisteína (Cd(Cys)2) e na forma de Cd(NO3)2, com os quais se contaminou gelatina com alface. A utilização de Cd-cisteína, proporcionou uma forma experimental para explorar a biodisponibilidade do Cd complexado dentro do tecido biológico. Como esperado, a EA de Cd em isópodes alimentados com nitrato de Cd (64%, SE = 5%) foi maior do que no caso de isópodes alimentados com o conjugado de cisteína (20%, SE = 3%). De seguida estudou-se a distribuição subcelular das espécies de Cd assimilado através de um processo de fraccionamento. Supunha-se que as diferenças de especiação de Cd reflectiria diferentes estratégias de compartimentalização, com consequências ao nível da detoxificação, armazenamento celular e distribuição subcelular do metal. O “sequestro” na forma de metal biologicamente detoxificado (BDM = proteínas estáveis ao calor - HSP e grânulos ricos em metal - RMG) foi maior nos isópodes alimentados com Cd(NO3)2, sugerindo que são mais eficientes na detoxificação de Cd (22%) do que quando alimentados com Cd(Cys)2 (15%). Foi também demonstrado que os isópodes alimentados com Cd(Cys)2 possuíam níveis de armazenamento de Cd superior nas fracções sensíveis ao metal (MSF = organelos e proteínas desnaturadas pelo calor - HDP) consideradas fracções potencialmente vulneráveis e afectando os isópodes em termos de toxicidade. As diferentes distribuições internas que se seguiram à assimilação e detoxificação das diferentes espécies de Cd foram finalmente avaliadas em termos da sobrevivência e reprodução dos isópodes. O tratamento com Cd(Cys)2 teve maior mortalidade, provavelmente devido à maior disponibilidade de Cd ingerido com implicações ao nível dos processos fisiológicos. Os isópodes alimentados com Cd(NO3)2 armazenaram o Cd nos MRG, como estratégia de detoxificação, sendo mais eficientes a detoxificar o Cd ainda que aumentando a concentração total do metal que se tornou menos tóxico para o isópode. Desta forma, o Cd nos grânulos não estava disponível para os processos fisiológicos e deixou de ser tóxico. Isso poderia estar relacionado com a resistência e tolerância aos metais devido à capacidade dos isópodes compartimentalizarem o Cd no hepatopâncreas, que actua como um mecanismo de detoxificação e contribui para a tolerância a altos níveis de cádmio. Em termos de parâmetros reprodutivos, observou-se uma redução de gestações e duração da gestação na presença de ambas as espécies de metal, mas no caso do Cd(Cys)2 as gravidezes não se concluíram. O número de jovens produzido por fêmeas alimentadas com Cd(NO3)2 foi menor do que no controlo, mas os pesos dos juvenis foram superiores. Finalmente sugere-se assim que esta abordagem seja considerada em estudos do movimento trófico de metais nas cadeias alimentares dado que se espera que a especiação de metais implique diferentes fluxos, dentro de uma dada cadeia trófica.

Human activities have introduced several chemicals into the environment that otherwise would not be found in such high concentrations in nature. Therefore the knowledge about the characteristics of a chemical, such as the potential to accumulate at different trophic levels, mobility within the ecosystem and specific toxicity and bioaccumulation in organisms needs to be achieved in order to understand its effects on the ecosystems. The present thesis investigates the influence of speciation, in the bioavailability of cadmium (Cd) to the isopod Porcellio dilatatus, including the effects of metal speciation in: (i) Cd assimilation, (ii) the way Cd distributes internally within the organism, and (iii) how survival and reproduction is affected in terrestrial isopods. In a first laboratory trial the importance of trophic transfer to Cd assimilation in P. dilatatus was evaluated. This was carried out by examining the assimilation efficiency (AE) of Cd in isopods provided with food (lettuce) superficially amended with Cd(NO3)2 and provided with lettuce grown in Cd-contaminated media. The hypothesis was that lettuce biologically contaminated via hydroponic culture in contaminated media would have a high proportion of Cd in the form of Cd-protein complexes or Cd-S-conjugates (e.g. Cdcysteine). AE of Cd was greater among isopods that were fed the simple salt (71%, SE=7%), than among isopods feeding on biologically contaminated lettuce (52%, SE=5%), hence demonstrating that speciation of Cd is likely to influence the rate of Cd assimilation and accumulation in a laboratory test. In a following dietary experiment, metal speciation was further studied by comparing AE using Cd as Cd cysteinate (Cd(Cys)2) and Cd(NO3)2 deployed in contaminated gelatines containing lettuce. The use of Cd-cysteinate provided an experimental device to explore the bioavailability of Cd that is complexed within biological tissue. As hypothesized the AE of Cd by isopods fed with Cd nitrate (64%, S.E.=5%) was higher than in the case of isopods fed with Cd-cysteine conjugate (20%, S.E.=3%). The subcellular distribution of the assimilated Cd species was then studied with a fractionating procedure. It was assumed that differences in Cd speciation would reflect different compartmentalization strategies with consequences at the manner by which metal was detoxified, stored in cells and distributed at subcellular level. Sequestration as biologically detoxified metal (BDM = heat stable proteins - HSP and metal-rich granules - MRG) was higher in isopods fed with Cd(NO3)2 suggesting that they are more efficient at detoxifying Cd (22%) than when fed with Cd(Cys)2 (15%). It was also shown that isopods fed with Cd(Cys)2 had a higher storage level of Cd in the metal-sensitive fractions (MSF = organelles and heat denatured proteins - HDP) being considered potentially vulnerable fractions affecting isopods in terms of toxicity. The different internal distributions that followed the assimilation and detoxification of different Cd species were finally evaluated as survival and reproduction in isopods. The Cd(Cys)2 treatment had the highest mortality probably due to higher availability of the ingested Cd that impaired physiological processes. Isopods fed with Cd(NO3)2 stored Cd in the MRG as a detoxification strategy hence they were more efficient at detoxifying Cd which may had lead to increased metal body burdens although being less toxic to the isopod. In this way, Cd in granules was not available for the physiological processes and became non toxic. This could also be related to metal tolerance and resistance that may be attributed to the ability of isopods to compartmentalize Cd in the hepatopancreas, which acts as a detoxification mechanism and contributes to tolerance to high cadmium levels. In the presence of both metal species a reduction of pregnancies and pregnancy duration was observed in terms of reproductive endpoints but in the case of Cd(Cys)2 all pregnancies were inconclusive. The number of juveniles delivered per female fed with Cd(NO3)2 contaminated food was lower than in the control but the juvenile weights were higher. In sum, it can be suggested that future studies examining the trophic movement of metals in food chains should consider this kind of approach where different flows within a trophic chain are expected depending on metal speciation.
description: Doutoramento em Biologia
URI: http://hdl.handle.net/10773/977
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