Responses of two aquatic invertebrate species to carbon-based nanoparticles under a climate change scenario

Abstract

According to recent reports, increases in water acidification and changes in seawater salinity are predicted to occur in the next 100 years. The increase of atmospheric CO2 already caused a pH reduction in surface waters by more than 0.1 units below the pre-industrial average of 8.1, and it is expected to decrease between -0.13 and -0.43 units by the end of this century. Climate change can also occur through alterations in seawater salinity. Warmer temperatures and reduced rainfall increase seawater salinity, while extreme rainy events decrease seawater salinity. Both situations will promote species responses. Therefore, identifying the effects of predicted climate change in aquatic ecosystems must be a priority in order to maintain their biodiversity. Aside from climate change, there is an increasing concern about the large number of emerging pollutants that have been released into the environment without yet being regulated. Among these emerging pollutants are Engineered nanoparticles (ENPs). One of the types of ENPs that are most commonly used in recent years are Carbon Nanotubes (CNTs). Due to their unique chemical and nanotoxicological properties, it is expected that CNTs enter aquatic environments and accumulate in aquatic biota. As a matter of fact, CNTs toxicology in aquatic systems is complex. In the first instance particle size, shape, chemistry and capping agents will all play a role regarding the stability, and thus bioavailability. However, nanomaterial toxicity not only has been attributed to core structure and surface modification/functionalization, but also by the physico-chemical parameters of the media where the CNTs are presented, altering their dispersion and consequently their detection: aggregation/disaggregation, adsorption/desorption, sedimentation/resuspension and dissolution. Several works have described their impacts in the aquatic environment; however, no information is known on how predicted Climate Change could alter the CNT’s toxicity and their effects on marine organisms. Benthic species are a good model to evaluate the impacts of Climate Change and ENPs as they are sensitive to several environmental constrains. Essentially due to their life-history characteristics, as well as their relatively rapid response to pollution, several studies have been using benthic species as bioindicators for anthropogenic and natural stresses. Thus, the evaluation of the impacts of CNTs, under salinity changes and pH reduction on aquatic organisms is an urgent issue needing attention. Particularly, Ruditapes philippinarum (bivalve), Hediste diversicolor and Diopatra neapolitana (polychaetes) have been identified by several authors as a group of marine invertebrates that respond quickly to environmental disturbances, with a wide spatial distribution and economic relevance, namely in Portugal. Thus, the present proposal evaluated the toxic effects in terms of biochemical (energy reserves and metabolic activity, oxidative and neuro status) and physiological responses (regenerative capacity) in the cited species of salinity shifts and pH variation and the presence of CNTs acting along and in combinations. The two CNT materials selected in the present study were the pristine multi walled carbon nanotubes (Nf-MWCNTs) and the chemically functionalized MWCNTs, by introducing polar groups such as carboxyl groups (-COOH) increasing their stability and dispersibility in the water media. As a starting point we evaluated the possible effects of the carboxylation/functionalization of the surface of MWCNTs in organisms for each exposure concentration. In all invertebrate species it was possible to observe a dose-dependent increased of the toxicity, especially in terms of oxidative status, which is in line with the information provided by the literature. Moreover, comparing the toxic effects of both CNTs, in all invertebrate species major cellular damage was induced by carboxylated forms of MWCNTs in comparison to the pristine one. Subsequently we selected the two most deleterious concentrations of Nf-MWCNTs and f-MWCNTs, and we exposed the three invertebrate species to the combination of CNT materials with salinity shifts and pH variations assessing if both climate change factors altered the toxicity of both MWCNT materials as well as the sensitivity of all these species exposed to these contaminates. The present findings underlined that Nf-MWCNTs and f-MWCNTs under control salinity and low pH generated major toxic impacts in the organisms compared to individuals maintained under low salinity and control pH, confirming that salinity shifts and pH variations may alter the chemical behaviour of both MWCNTs and consequent fate in exposed individuals. Moreover, we observed species-dependent sensitivity to contaminants confirming that the higher susceptibility observed in some species would however be expected not only to depend on the characteristics of the compounds, but also on the physiology of that particular species. For a better environment protection, the Ecological Risk Assessment of the mentioned stressors must include ecologically relevant endpoints and exposure scenarios to drive accurate safety levels towards biodiversity conservation.

De acordo com publicações recentes, nos próximos 100 anos prevê-se um aumento na acidificação da água do mar e alterações na sua salinidade. Nas águas superficiais, o aumento do CO2 atmosférico já causou uma diminuição do pH em mais de 0,1 unidades comparando com 8,1, a média referente à época pré-industrial. Está previsto que até ao final deste século, esta redução do pH possa atingir valores na ordem das 0,13 e 0,43 unidades. As alterações climáticas podem também resultar em alterações na salinidade da água do mar. A salinidade é mais alta quando as temperaturas são mais altas e os períodos de chuva são reduzidos enquanto que, eventos de chuva intensa diminuem a salinidade da água do mar. Em qualquer dos cenários, estas alterações irão promover respostas por parte das espécies. Portanto, é imperativo identificar os efeitos das alterações climáticas nos ecossistemas aquáticos de modo a conservar a sua biodiversidade. Para além das alterações climáticas, há uma preocupação crescente com o grande número de poluentes emergentes que têm sido descartados no meio ambiente sem serem devidamente regulamentados. Entre estes poluentes emergentes estão as nanopartículas artificiais (Engineered nanoparticles - ENPs). Um dos tipos de ENPs mais usados nos últimos anos são os Nanotubos de Carbono (Carbon nanotubes - CNTs). Devido às suas propriedades químicas e nano-toxicológicas únicas, é expectável que os CNTs entrem nos ambientes aquáticos e se acumulem na fauna que lá vive. De facto, a toxicologia dos CNTs em sistemas aquáticos é complexa. Numa primeira análise, o tamanho, a forma, a estrutura química e os agentes de revestimento desempenharão um papel no que diz respeito à estabilidade e, portanto, à biodisponibilidade da partícula. No entanto, a toxicidade dos nano-materiais tem sido atribuída não só à sua estrutura central e modificação/funcionalização da sua superfície, mas também aos parâmetros físico-químicos do meio em que os nanotubos se apresentam e que podem alterar a sua dispersão e consequentemente a sua deteção: agregação/desagregação, adsorção/dessorção, sedimentação/ressuspensão e dissolução. O impacto dos nanotubos no meio aquático já foi descrito por vários autores; no entanto, ainda não se sabe de que forma as alterações climáticas podem alterar a toxicidade dos CNTs e subsequentemente os efeitos sobre os organismos marinhos. As espécies bentónicas são um bom modelo para avaliar os impactos das Alterações Climáticas e ENPs, uma vez que são sensíveis às mudanças ambientais. Principalmente devido às características do seu ciclo de vida, bem como à sua resposta relativamente rápida à poluição, há vários estudos que usam espécies bentónicas como bioindicadores para fatores de stress antropogénicos e naturais. Sendo assim, é urgente avaliar os impactos dos CNTs, sob alterações de salinidade e redução do pH em organismos aquáticos. Ruditapes philippinarum (bivalve), Hediste diversicolor e Diopatra neapolitana (poliquetas) são invertebrados marinhos que respondem rapidamente a perturbações ambientais e são caracterizados por uma ampla distribuição espacial e relevância económica, nomeadamente em Portugal. Pelo que, esta tese pretendeu avaliar os efeitos tóxicos de desvios de salinidade, variação de pH e presença de CNTs (atuando isolados ou em combinação) ao nível da resposta bioquímica (reservas de energia e atividade metabólica, estado oxidativo e neurotoxicidade) e da resposta fisiológica (capacidade regenerativa) das espécies acima citadas. Neste estudo, os dois materiais de CNT selecionados foram os nanotubos de carbono de parede múltipla, não funcionalizados (pristine multi walled carbon nanotubes - Nf-MWCNTs) e os MWCNTs quimicamente funcionalizados através da introdução de grupos polares como grupos carboxilo (-COOH), que aumentam sua estabilidade e capacidade de dispersão no meio aquoso. Como ponto de partida, para cada concentração de exposição, avaliamos os possíveis efeitos da carboxilação/funcionalização da superfície dos MWCNTs nos organismos. Em todas as espécies de invertebrados foi possível observar uma relação positiva entre o aumento da dose e a toxicidade, principalmente no que diz respeito ao estado oxidativo, o que está de acordo com a informação disponível na literatura. Além disso, comparando os efeitos tóxicos de ambos os CNTs, em todas as espécies de invertebrados, verificaram-se maior dano celular induzido pela forma carboxilada da MWCNT em comparação com a forma não funcionalizada. Posteriormente, selecionamos as duas concentrações de Nf-MWCNTs e f-MWCNTs mais perniciosas, e expusemos as três espécies de invertebrados à combinação destes materiais CNT com variações de salinidade e variações de pH, avaliando desta forma se estes fatores relacionados com as alterações climáticas modificavam a toxicidade de ambos os materiais MWCNT bem como a sensibilidade das espécies expostas a esses contaminantes. Os resultados obtidos salientam que Nf-MWCNTs e f-MWCNTs sob salinidade controlo e pH baixo, geraram grandes impactos tóxicos nos organismos em comparação com indivíduos mantidos em condições de salinidade baixa e pH controlo. Confirmou-se desta forma que, alterações de salinidade e variações de pH podem alterar o comportamento químico de ambos os MWCNTs e consequentemente o efeito em indivíduos expostos. Além disso, observamos que a sensibilidade ao contaminante é dependente da espécie o que confirma que a maior suscetibilidade observada em algumas espécies não é apenas um resultado das diferentes características dos compostos usados, mas também da fisiologia dessas espécies em particular. Para uma melhor proteção do meio ambiente, a Avaliação de Risco Ecológico dos fatores de stress mencionados, deve incluir objetivos e cenários de exposição ecologicamente relevantes para impulsionar medidas de segurança corretas e adaptadas com respeito à conservação da biodiversidade.