Oxidative stress profiles in brain of fish (Diplodus sargus) upon exposure to mercury in organic and inorganic forms

Abstract

Fish brain demonstrated to be a target organ for organic mercury forms (mainly methylmercury – MeHg). However, there is little information on the neurotoxicity of divalent mercury (Hg(II)) and its ability to accumulate in fish brain. The prevalent information on MeHg is likely based in the perception of its higher toxicity associated with rapid uptake and distribution. Nevertheless, it has been also stated that the different forms of Hg share the same toxic chemical entity and, thus, neurotoxicity depends mainly on the environmental bioavailability. To clarify this research gap, two experiments comprising exposure and post-exposure periods were performed with juveniles of white seabream (Diplodus sargus), namely: experiment A - waterborne exposure to Hg(II) (2 ìg L-1); experiment B - dietary exposure to MeHg (8.7 ìg g-1). Both experiments followed the same experimental design, consisting in 4 exposure periods (E) (days 1, 3, 7 and 14) and 2 post-exposure periods (PE) (days 14 and 28). A control group was kept throughout both experiments in clean seawater or fed with uncontaminated food. At each time, brain was collected for determination of total Hg (tHg) (Experiment A), MeHg (experiment B) and oxidative stress endpoints (both experiments). Though Hg accumulation reached maximum values in brain of both experiments after 14 days of exposure, the highest levels were reached upon exposure to MeHg (7.0 ìg g-1 vs. 1.4 ìg g-1 for HgCl2). Interestingly, fish brain exposed to HgCl2 was not able to eliminate Hg, while MeHg levels decreased significantly in the post-exposure period (to a mean of 3.5 ìg g-1). Moreover, there was a poor activation of antioxidant defenses in fish brain exposed to Hg(II), mainly characterized by increase of superoxide dismutase (SOD) and glutathione reductase (GR) activities. The low protection afforded by antioxidants (confirmed by glutathione peroxidase (GPx) activity decrease) was probably on the basis of oxidative damage, as revealed by the enhancement of protein carbonyl groups in exposure and post-exposure periods. MeHg accumulation led to a different scenario, mainly characterized by an activation of antioxidant defenses (SOD, catalase (CAT), GPx, glutathione S-transferase (GST), total glutathione content (GSHt)) that were able to prevent oxidative damage on proteins and lipids. Despite the higher accumulation of MeHg in fish brain, there was a higher vulnerability of fish brain to Hg(II), depicted in the occurrence of oxidative damage and less responsiveness of the antioxidant systems. Thus, Hg(II) revealed a higher neurotoxicity potential, pointing out the relevance to consider this Hg form, together with MeHg, in further studies concerning wildlife and human health.

O cérebro de peixes mostrou ser um órgão-alvo de varias formas orgânicas de mercúrio (Hg), principalmente metilmercurio (MeHg). Pelo contrario, o conhecimento da neurotoxicidade do mercúrio divalente . Hg(II) . e a sua capacidade de acumulação em cérebro de peixes e muito escasso. A prevalência de informação sobre a neurotoxicidade de MeHg baseia-se, provavelmente, na perceção da sua elevada toxicidade, associada há sua rápida entrada no organismo e elevada distribuição. No entanto, foi também observado que as diferentes formas de Hg partilham a mesma forma toxica e, por isso, a sua neurotoxicidade dependera essencialmente da biodisponibilidade ambiental. De modo a contribuir para colmatar esta lacuna cientifica, realizaram-se 2 experiencias com sargos juvenis (Diplodus sargus), que compreenderam períodos de exposição e pós-exposição, designadamente: experiencia A . exposição via agua a Hg(II) (2 ƒÊg L-1); experiencia B . exposição via alimento a MeHg (8,7 ƒÊg g-1). Ambas as experiencias seguiram o mesmo desenho experimental, consistindo em 4 períodos de exposição (E) (dias 1, 3, 7 e 14) e 2 períodos de pós-exposição (PE) (dias 14 e 28). Foi mantido um grupo controlo em agua do mar e ração não contaminada ao longo de toda a experiencia. Em cada tempo de exposição e pos-exposição foram colhidos cérebros de D. sargus para determinação de Hg total (tHg) (experiencia A), MeHg (experiencia B) e parâmetros de stress oxidativo (ambas as experiencias). O Hg(II) também foi quantificado no cérebro dos peixes expostos a MeHg. Embora em ambas as experiencias o Hg total tenha atingido o seu máximo de acumulação ao dia 14 de exposição, os níveis maiores correspondem a exposição a MeHg (7,0 ƒÊg g-1 vs. 1,4 ƒÊg g-1 para Hg(II)). Os cérebros de peixes expostos a Hg(II) não eliminaram Hg, enquanto os níveis de MeHg diminuíram significativamente no período de pos-exposição (em media para 3,5 ƒÊg g-1). Alem disso, verificou-se uma reduzida ativação das defesas antioxidantes nos cérebros de peixes expostos a Hg(II), caracterizada principalmente pelo aumento das atividades de superóxido dismutase (SOD) e glutationa redutase (GR). A baixa proteção antioxidante (reforçada pela diminuição da atividade de GPx (glutationa peroxidase)) esteve provavelmente na base do dano oxidativo, tal como revelado pelo aumento dos grupos carbonilo (indicador de dano oxidativo em proteinas) ao longo dos períodos de exposição e pos-exposição. A exposição de D. sargus a MeHg conduziu a um cenário diferente, principalmente caracterizado pela ativação de defesas antioxidantes (SOD, catálase (CAT), GPx, glutationa S-transferase (GST), glutationa total (GSHt)) que conseguiram prevenir o dano oxidativo em lípidos e proteínas. Apesar de se ter registado uma maior acumulação de MeHg no cérebro de D. sargus, verificou-se uma maior vulnerabilidade do cerebro a Hg(II), tal como evidenciado pela ocorrência de dano oxidativo e pela menor resposta do sistema antioxidante. Globalmente, o Hg(II) revelou ter um maior potencial neurotoxico, o que aponta para a relevância de considerar esta forma de Hg, juntamente com o MeHg, em futuros estudos focados na saúde animal e humana.