Biochemical and physiological changes on three commercial marine fish species to extreme weather events

Abstract

The effect of climate change is an issue of major concern to the scientific community and politicians, with the register, at the past decades, of extreme climate events worldwide. A biomarker based biomonitoring program represents a promising approach, due to its usage to assess the health status of organisms with the biochemical response may be used as early-warning signal of chemical (e.g. pollutants) and environmental stress conditions. However, it is of high importance to develop further approaches, to identify standard key species and organs to diagnose and determine damages caused by severe weather events in studies in situ. This work aims to investigate biomarker responses, in situ, in the liver and at the brain of three marine fish species (Dicentrarchus labrax, Platichthys flesus and Solea solea), from the Mondego estuary (Portugal), during two distinct extreme climatic events (drought (2012) and flood (2014)) in order to determine their baseline levels and to identify the organ to be used as endpoint in ecotoxicological studies. In addition, biochemical analyzes were supplemented with physiological indices of the sampled organisms, diagnosing their physiological state and implications for the antioxidant potential. Severe climatic events had distinct modes of action affecting the physiological condition of the studied species. Biochemical experimental approach shows that the brain has a low antioxidant defense system compared to the liver, increased ROS accumulation rates, making it particularly susceptible to oxidative damage during the dry event. In the flood event, the antioxidant potential of the brain compared to the liver revealed higher difficulty in detoxification of xenobiotic compounds. According to higher oxidative sensitivity of the brain, this organ shows to be a good indicator to assess the influence of climate change in aquatic ecosystems, using the liver as a reference organ, less sensitive to the factors above mentioned, although until now the organ often used in the analysis of oxidative metabolism.

Um assunto que tem requerido especial atenção por parte da comunidade científica e de políticos é o efeito das alterações climáticas, tendo-se registado nas últimas décadas eventos climáticos extremos cada vez mais frequentes mundialmente. A biomonitorização dos sistemas aquáticos baseada em análise de biomarcadores permite avaliar o estado fisiológico dos organismos e utilizar as respostas bioquímicas como sinais de alerta precoce de condições de stress ambientais ou químicos. Porém, é fundamental desenvolver e aprofundar estas metodologias de modo a identificar espécies aquáticas standard e órgãos chave que permitam diagnosticar os impactos provocados por fenómenos climáticos em estudos in situ. O presente trabalho tem como objectivo principal determinar as respostas in situ de biomarcadores analisados no fígado e no cérebro de três espécies de peixes marinhos (Dicentrarchus labrax, Platichthys flesus e Solea solea), recolhidos no estuário do Mondego (Portugal), em dois anos distintos, e sob a influência de eventos climáticos extemos (seca (2012), e inundação (2014)), de modo a determinar os níveis basais e identificar o órgão a ser usado como indicador em estudos ecotoxicológicos. As análises bioquímicas foram complementadas com índices fisiológicos dos organismos capturados, permitindo determinar o estado fisiológico dos organismos e implicações no sistema de defesa antioxidante. Os eventos climáticos extremos tiveram distintos modos de acção tendo-se registado no ano de seca a interrupção na dinâmica dos condutores ambientais, o que afectou a condição fisiológica das espécies estudadas. A análise bioquímica indica que o cérebro tem um sistema de defesa antioxidante baixo em comparação com o fígado, maiores taxas de acumulação de ROS, tornando-o particularmente susceptível ao dano oxidativo no ano de seca. O potencial antioxidante do cérebro comparado com o do fígado no ano onde se registaram inundações revelou maior dificuldade deste órgão na desintoxicação de compostos xenobióticos. De acordo com a maior sensibilidade oxidativa do cérebro, este órgão mostra ser um bom indicador na avaliação dos impactos das alterações climáticas nos ecossistemas aquáticos, utilizando o fígado como órgão de referência, menos sensível aos factores acima mencionados, no entanto, até ao momento, o órgão preferencial na análise do metabolismo oxidativo.