Effects of copper sulphate on the fatty acids profile and enzymatic activity of marine bivalve species

Abstract

In the past years, an intensive usage of fertilizers and pesticides has been reported, mainly in the Mediterranean region, due to the wide agriculture production required to increase food production to respond to world exponential growth of human population. Copper, with several applications at industrial and agricultural activities is often discharged in the aquatic systems and this input can lead to damages to the ecosystems and its communities. Copper sulphate, is found in pesticides and fertilizers formulations, frequently used in the agricultural practice to control the pests. These chemicals once released into the environmental may have different fates and behaviour. Due to the adverse effects copper may have on aquatic species and to the aquatic systems, it becomes pivotal to evaluate the effects of this chemical in non-target species. Thus, the present study proposes to address the toxic and biochemical impacts of copper sulphate in two important commercial bivalve species, Cerastoderma edule and Scrobicularia plana, and two size classes, big (B) and small (S). Organisms were collected at the Mondego estuary (Figueira da Foz, Portugal) and transported to the laboratory in cold boxes with water from the estuary. After a depuration period, organisms from different size classes and both species were exposed to a range of concentrations of copper sulphate (0.6 mg/L; 0.9 mg/L; 1.2 mg/L; 1.5 mg/L; 1.8 mg/L; and 2.1 mg/L to both size classes of C.edule, and 1.0 mg/L; 1.5 mg/L; 2.0 mg/L; 2.5 mg/L; 3.0 mg/L; 3.5 mg/L; 4.0 mg/L to both size classes of S. plana) under laboratorial conditions. Changes in the fatty acid profiles and at the activity of the enzymes Glutathione reductase (GR), Glutathione S-transferase (GST) and Glutathione peroxidase (GPx) and the occurrence of lipid peroxidation, by the measurement of the thiobarbituric acid reactive species (TBARS) levels, were then determined to both size classes of the two bivalve species Biochemical analyses were conducted to: 1) organisms collected in the field, 2) organisms collected at the field and under a depuration period in the lab, and 3) organisms exposed to a range of copper sulphate concentrations under laboratory conditions. The results showed C. edule is more sensitive to the chemical (LC50= 0.818 (0.595- 0.987) mg/L; 1.129 (0.968 - 1.289) mg/L, to big and small organisms, respectively) action than S. plana (LC50= 2.563 (2.229 - 2.903) mg/L; 4.705 (3.540 -12.292) mg/L, to big and small organisms, correspondingly), with the small size exhibiting higher tolerance to the compound than the big size class in both bivalve species. At the biochemical level, S. plana also present a higher nutritive value than C. edule. S. plana show greater abundance and variety of FA and essential fatty acids (EFA), namely DHA and EPA, rates than C. edule. The behaviour and enzymatic activities were also affected by the copper sulphate concentrations, although C. edule exhibited a more consistent response to the chemical exposure than S. plana with C. edule being more affected. In conclusion, this study highlights Although the lower effects in biochemical and molecular pathways of S. plana, C. edule exhibits a more the coherent behavioural pattern in terms of fatty acid content and enzymatic of C. edule suggesting the usage of this species as a good bio-indicator in ecotoxicological studies to detect the presence of copper sulphate in aquatic systems, and the determination of fatty acid profile and enzymatic activity as good biomarkers to this chemical. The muscle (foot) proved to be a suitable tissue to determine the effect of pollutants in the antioxidant defence system of bivalve species, in addition to the digestive gland and gills.

Nos últimos anos tem-se registado um uso intensivo de fertilizantes e de pesticidas, principalmente na região do Mediterrâneo, devido à crescente produção agrícola necessária para aumentar a produção de alimentos de modo a responder ao crescimento exponencial da população humana mundial. O cobre, com várias aplicações em atividades industriais e agrícolas, é, muitas vezes, arrastado por escorrência para sistemas aquáticos, podendo representar uma ameaça para os ecossistemas e para as comunidades aquáticas que habitam nesses sistemas. O sulfato de cobre está presente em formulações de pesticidas e fertilizantes e é frequentemente utilizado em práticas agrícolas para controlo de pragas. Estes produtos químicos, uma vez libertados para o ambiente, podem ter diferentes destinos e comportamentos. Devido aos efeitos adversos que o cobre pode ter em espécies aquáticas e nos sistemas aquáticos, é fundamental avaliar os efeitos deste produto químico em espécies não-alvo. Assim, o presente estudo pretende determinar os impactos tóxicos e bioquímicos do sulfato de cobre em duas espécies de bivalves com importante valor comercial, Cerastoderma edule e Scrobicularia plana, e em duas classes de tamanho. Os organismos foram recolhidos no estuário do Mondego (Figueira da Foz, Portugal) e transportados para o laboratório em malas térmicas, que no interior continham água do estuário. Após um período de depuração no laboratório, os organismos foram expostos a uma gama de concentrações de sulfato de cobre (0,6 mg / L; 0,9 mg / L, 1,2 mg / L, 1,5 mg / L, 1,8 mg / L e 2,1 mg / L para ambas as classes de tamanho de C.edule, e 1,0 mg / L, 1,5 mg / L, 2,0 mg / L, 2,5 mg / L; 3,0 mg / L; 3,5 mg / L; 4,0 mg / L para ambas as classes de tamanho de S. plana) sob condições de temperatura e fotoperíodo controladas. Posteriormente avaliaram-se alterações no perfil de ácidos gordos e na atividade das enzimas Glutationa redutase (GR), Glutationa S-transferase (GST) e Glutationa peroxidase (GPx), bem como a ocorrência de peroxidação lipídica, pela medição das espécies reativas ao ácido tiobarbitúrico (TBARS), para ambas as classes de tamanho em ambas as espécies de bivalves. As análises bioquímicas foram realizadas em: 1) organismos recolhidos no campo, 2) organismos após um período de depuração no laboratório, e 3) organismos expostos a uma gama de concentrações de sulfato de cobre. Os resultados mostraram que C. edule é mais sensível à ação do químico (LC50 = 0,818 (0,595- 0,987) mg / L; 1,129 (0,968 - 1,289) mg / L, para organismos grandes e pequenos, respetivamente) do que S. plana (LC50 = 2,563 (2,229 – 2,903) mg / L; 4,705 (3,540 -12,292) mg / L, para organismos grandes e pequenos, respetivamente), com a classe de tamanho pequeno a apresentar maior tolerância ao composto do que a classe de tamanho grande em ambas as espécies. Ao nível bioquímico, S. plana também apresentou um valor nutritivo maior do que C. edule. S. plana apresentou maior abundância e variedade em FA e ácidos gordos essenciais (EFA), nomeadamente DHA e EPA, do que C. edule. O comportamento e as atividades enzimáticas também foram afetados pelas concentrações de sulfato de cobre. No entanto, C. edule exibiu uma resposta mais constante à exposição ao químico do que S. plana, com C. edule a revelar ser a espécie mais sensível. Em conclusão, apesar dos efeitos observados nas vias bioquímicas e moleculares de S. plana serem menos acentuados, C. edule apresentou um padrão nutricional mais coerente no teor em ácidos gordos e na atividade enzimática. Assim, C. edule pode ser considerado um bom bioindicador em estudos ecotoxicológicos para detetar a presença de sulfato de cobre em sistemas aquáticos, através da medição do perfil em ácidos gordos e da atividade enzimática que revelaram ser bons biomarcadores para detetar a presença deste químico. O músculo (pé) revelou ser um tecido adequado na determinação do efeito de poluentes no sistema de defesa anti-oxidante de bivalves aquáticos, para além da glândula digestiva e das brânquias.