Presence of Carbamazepine in coastal systems : effects on bivalves

Abstract

Carbamazepine (CBZ), an antiepileptic drug, is one of the most commonly detected pharmaceutical drugs in aquatic ecosystems, being used as a marker of anthropogenic pollution. Since CBZ is designed to exert a biological effect, when it reaches aquatic environment high probability exists for toxic effects on non-target organisms. In this way, the present study evaluated the acute (96 h) and chronic toxicity (28 d) of environmentally relevant concentrations of CBZ (0.00, 0.03, 0.30, 3.00, 9.00 μg/L) in the edible clams Venerupis decussata (a native species) and Venerupis philippinarum (an invasive species) collected from the Ria de Aveiro lagoon. The effects on both species were assessed through the use of a battery of biomarkers mainly related with health status and oxidative stress in the organisms. Furthermore, it was applied a promising alternative technique, the immunoassay ELISA for the direct CBZ quantification in clams’ tissues. The results obtained for the acute test showed that CBZ levels in clams’ tissues increased along the exposure concentration range, where V. decussata accumulated more CBZ (except for CBZ 9.00 μg/L) than V. philippinarum. After an exposure of 28 d V. decussata accumulated a higher concentration of CBZ with exception of the highest concentration of exposure, where the levels of CBZ accumulated were similar to the acute test. Although the clams accumulated lower levels of CBZ than the concentration of exposure, these concentrations were enough to impair the health status of the species under study and induce oxidative stress. A different response to CBZ was observed for both species exposed to the acute test. V. philippinarum increased the lipid peroxidation levels at the highest CBZ concentration, whereas V. decussata presented a significant decrease in this parameter. Glutathione S-transferase activity was stimulated for V. decussata and decreased for V. philippinarum. Nevertheless, after exposure to CBZ, for both species it was found an induction of glutathione reductase and superoxide dismutase. The results indicated that, probably, V. philippinarum have a deficient antioxidant defense system compared with V. decussata, being less capable to neutralize reactive oxygen species and thus appeared to be the most sensitive species to the CBZ effects. A 28 d exposure to CBZ resulted in a higher toxicity in V. decussata compared with the same species exposed to the acute test. This was mainly reflected by a lower activity/content in the mechanisms involved in the antioxidant defense system and thus, a lower capability to lead with oxidative stress induced by CBZ. The risk quotient determined for the Ria de Aveiro was higher than 1 indicating that an ecotoxicolgical risk is suspected. Furthermore, the bioaccumulation of CBZ in clams should be taken into consideration since it might be transferred along the food chain, ultimately affecting humans.

A carbamazepina (CBZ), uma droga antiepilética, é uma das drogas farmacêuticas frequentemente detetadas em ecossistemas aquáticos, sendo utilizada como um marcador da poluição antropogénica. Uma vez que a CBZ foi desenhada para exercer um efeito biológico, quando alcança o ambiente aquático existe uma elevada probabilidade para provocar efeitos tóxicos em organismos não-alvo. Desta forma, no presente estudo foi avaliada a toxicidade aguda (96 h) e crónica (28 d) de concentrações ambientalmente relevantes de CBZ (0.00, 0.03, 0.30, 3.00, 9.00 μg/L) em amêijoas comestíveis Venerupis decussata (nativa) e Venerupis philippinarum (invasora) capturadas na Ria de Aveiro. Os efeitos em ambas as espécies foram estudados utilizando uma bateria de biomarcadores principalmente relacionados com o estado de saúde e stress oxidativo nos organismos. Foi aplicada também uma técnica alternativa promissora, o imunoensaio ELISA para a quantificação direta de CBZ nos tecidos das amêijoas. Os resultados obtidos para o teste agudo mostraram um aumento da concentração de CBZ nos tecidos das amêijoas ao longo do intervalo de exposição, tendo V. decussata acumulado mais CBZ (exceto para CBZ 9.00 μg/L) do que V. philippinarum. Após uma exposição de 28 d a V. decussata acumulou uma concentração superior de CBZ, exceto na concentração mais elevada, onde os níveis concentrados foram similares aos do teste agudo. Apesar das amêijoas acumularem baixos níveis de CBZ comparando com a concentração de exposição, estes foram suficientes para comprometer o estado de saúde das espécies em estudo levando a uma condição de stress oxidativo. As duas espécies apresentaram uma resposta diferente à CBZ quando submetidas ao teste agudo. V. philippinarum aumentou os níveis de peroxidação lipídica na concentração mais alta de exposição, ao passo que V. decussata apresentou uma diminuição significativa deste parâmetro. A atividade da glutationa S-transferase foi estimulada no caso da V. decussata e diminuída para V. philippinarum. Não obstante, após a exposição a CBZ, em ambas as espécies ocorreu uma indução das atividades da glutationa reductase e superóxido dismutase. Os resultados indicaram que, provavelmente, V. philippinarum possui um sistema de defesa antioxidante deficiente quando comparada com V. decussata, sendo menos apta na neutralização das espécies reativas de oxigénio e portanto apresentou-se como a espécie mais sensível aos efeitos da CBZ. Uma exposição de 28 d à CBZ resultou numa toxicidade superior na espécie V. decussata por comparação com o teste agudo. Tal foi principalmente refletido na reduzida atividade/conteúdo nos mecanismos envolvidos no sistema de defesa antioxidante, traduzindo-se numa baixa capacidade para combater o stress oxidativo provocado pela CBZ. O quociente de risco determinado para a Ria de Aveiro foi superior a 1 indicando que se suspeita de um risco ecotoxicológico. A bioacumulação de CBZ pelas amêijoas torna evidente a possibilidade de ser transferida ao longo da cadeia alimentar, afetando em último caso o ser humano.