Effects of pharmaceutical drugs in freshwater species: integrated use of biochemical, physiological and populational tools

Abstract

Potential risks posed by pharmaceuticals, may result in adverse effects in environmentally exposed species, which need to be studied. Thus, the main objective of this thesis was to understand the effect of two classes of pharmaceutical compounds (neuroactive, and non-steroidal anti-inflammatory drugs) on species of aquatic organisms from different trophic levels, namely, producers (Lemna species) and a consumer of first order (microcrustaceans - Daphnia magna). Same specific questions were posed to address this issue: Are non-standard endpoints suitable to study pharmaceutical effects in macrophyte species? Is time of exposure a factor that can influence the type of biological response to pharmaceuticals, measured in macrophyte species? What type of interactions and responses might be obtained after co-exposing macrophytes to two drugs, being one of them also an endogenous compound?, Can a pharmaceutical compound provoke the same effects (type and extent) in organisms from different trophic levels? How D. magna functional endpoints respond to the chemical (pharmaceutical) and natural stress (fish kairomone), isolated and in combination? These objectives were addressed along five chapters, by using standard and non-standard ecotoxicological approaches from the individual to the populational level through an integrated use of physiological, biochemical and populational tools. The obtained results showed that the use of organisms of the same genus (but from different species) in ecotoxicological testing of chemicals may result in different results as to their toxicity; we concluded that plant-based, non-standard ecotoxicological parameters are suitable and promising tools for ecotoxicological evaluation of pharmaceuticals. It was also possible to observe that time is a factor that contributes to the toxicity of pharmaceutical drugs in aquatic plants, by modulating not only the extent of the toxic response, but especially the type of the toxic effects. A contaminant that also is an endogenous compound produced by plants can modulate the challenged macrophyte species responses. In general, pharmaceutical drugs showed an eminently speciesspecific toxicity, whose effects were altered according to the type of drug, its levels, duration of exposure, and co-occurrence of other bioactive substances in the media. And finally, the results presented the capacity of interaction between an anthropogenic and natural stressor influencing in microcrustaceans responses to these stressors. In conclusion, pharmaceutical drugs have been shown be very toxic to aquatic organisms; the use of aquatic plants in ecotoxicological assessments is thus a valuable tool, whose use requires the proposal of novel methodologies and test guidelines, or the revision of already in place standard methods, considering their overall advantages as test organisms. In addition, increased ecological relevance of data obtained from crustacean-based tests must encompass the co-occurrence of natural stressors, whose effects go well beyond toxicity by itself, by changing the life traits of exposed organisms, thereby altering population features of exposed organisms. New experimental designs and approaches need be developed and applied to try understanding the toxicological effects of a complex environment as aquatic ecosystems, principally, when considering the use aquatic plant species, and freshwater crustaceans as test organisms.

Os riscos potenciais apresentados pelos produtos farmacêuticos podem resultar em efeitos adversos em espécies ambientalmente expostas, que precisam ser estudadas. Assim, o principal objetivo desta tese foi compreender o efeito de duas classes de compostos farmacêuticos (anti-inflamatórios não esteróides e neuroativos) em espécies de organismos aquáticos de diferentes níveis tróficos, produtores (Lemna spp.) e um consumidor de primeira ordem (microcrustáceo - D. magna). Sendo assim, algumas questões foram elaboradas para abordar esta questão: os parâmetros não padronizados são adequados para estudar os efeitos de compostos farmacêuticos em espécies de macrófitas? O tempo de exposição é um fator que pode influenciar o tipo de resposta biológica aos produtos farmacêuticos, avaliados em espécies de macrófitas? Que tipo de interações e respostas podem ser obtidas após a coexposição de macrófitas a dois medicamentos, sendo um deles também um composto endógeno? Um composto farmacêutico pode provocar os mesmos efeitos (tipo e extensão) em organismos de diferentes níveis tróficos? Como endpoints funcionais de D. magna respondem ao estresse químico (farmacêutico) e natural (kairomona de peixe), isolado e em combinação? Esses objetivos foram desenvolvidos ao longo de cinco capítulos, usando abordagens ecotoxicológicas padrão e não padronizadas, do indivíduo ao nível populacional, através do uso integrado de ferramentas fisiológicas, bioquímicas e populacionais. Os resultados obtidos mostraram que o uso de organismos do mesmo gênero (mas de espécies diferentes) em testes ecotoxicológicos de produtos farmacêuticos pode gerar resultados diferentes quanto à sua toxicidade; concluímos que parâmetros ecotoxicológicos não padronizados, baseados em plantas aquáticas, são ferramentas adequadas e promissoras para avaliação ecotoxicológica de produtos farmacêuticos. Também foi possível observar que o tempo é um fator que contribui para a toxicidade de fármacos em plantas aquáticas, modulando não apenas a extensão da resposta tóxica, mas principalmente o tipo dos efeitos tóxicos. Um contaminante que também é um composto endógeno produzido pelas plantas pode modular as respostas das espécies de macrófitas submetidas a um stress. Em geral, os medicamentos mostraram uma toxicidade eminentemente espécie-específica, cujos efeitos foram alterados de acordo com o tipo de medicamento, seus níveis, duração da exposição e co-ocorrência de outras substâncias bioativas no meio. E, finalmente, os resultados apresentaram a capacidade de interação entre um estressor antropogênico e natural, influenciando nas respostas dos microcrustáceos aos mesmos. Em conclusão, as drogas farmacêuticas têm se mostrado muito tóxicas para os organismos aquáticos; o uso de plantas aquáticas em avaliações ecotoxicológicas é, portanto, uma ferramenta valiosa, cujo uso requer a proposta de novas metodologias e diretrizes de teste ou a revisão de métodos padrão já em vigor, considerando suas vantagens gerais como organismos-teste. Além disso, a crescente relevância ecológica dos dados obtidos em testes baseados em crustáceos deve abranger a co-ocorrência de estressores naturais, cujos efeitos vão muito além da toxicidade por si só, alterando as características de vida dos organismos expostos, alterando assim as propriedades da população dos organismos expostos. Novos desenhos e abordagens experimentais precisam ser desenvolvidos e aplicados para tentar entender os efeitos toxicológicos de um ambiente complexo como ecossistemas aquáticos, principalmente quando se considera o uso de espécies de plantas aquáticas e crustáceos de água doce como organismos-teste.