Physiological adaptations and strategies for toxins elimination by bivalves living with harmful algal blooms

Abstract

Bivalves play a marked role in coastal marine ecosystems, impacting primary productivity with a strong top-down control on phytoplankton communities. In addition, they are an important food source for higher trophic levels, including humans. However, bivalves can be impaired by several external factors, either biotic or abiotic, natural or anthropogenic. Exposure to these stressors, coupled with intensive farming, raised the need for adequate management of the wild populations and farmed production. To improve the difficult balance between ecological and socio-economic interests, it must be investigated how bivalves cope with external stressors. For this reason, the effects caused by the following stressors were studied in the present thesis: (i) harmful algal blooms (HABs) and (ii) climate change drivers in the seawater, such as warming (W) and acidification (A). HABs are increasing in frequency, intensity, persistence and geographic distribution, but are ambiguous regarding their ecological impacts and physiological effects on bivalves. A strong relationship is emerging between HABs and climate change drivers, what may affect both shellfisheries and wild populations. Hence, the objectives of this work are: 1) To determine whether native and invasive species cope with exposure to HABs differently, providing new insights on species-specificities and ecosystem functioning fragilities in the presence of invasive species and HABs; 2) To evaluate how commercially valuable bivalve species cope with simultaneous exposure to several climate change drives and HABs, providing new insights on how environmental changes affects toxicokinetics, physiological and genotoxic bivalves responses, under HABs; 3) To assess, marine biotoxins bioaccessibility, contributing for new information relevant for risk assessment. Different approaches were used to achieve these goals. Complementary field and laboratory works were performed to assess toxicokinetics patterns of marine biotoxins in native vs. invasive bivalve species. Bivalves were exposed to toxic blooming algae species under climate change scenarios in laboratory controlled conditions to assess toxicokinetics as well as physiological and genotoxic responses. Naturally contaminated bivalves were used to investigate their role as vectors of marine biotoxins to humans through in vitro digestion methodology. Relevant new data were obtained regarding the effects of several marine biotoxins in bivalves. Assessing accumulation of regulated and non-regulated biotoxins in native (Ruditapes decussatus) and invasive (R. philippinarum) clam species from Aveiro Lagoon revealed that higher toxin content, particularly regarding OA-group, the most abundant and frequent toxins in the Portuguese coast, is reached by native species. Accumulation of lower toxin levels by invasive clam may then favour farmers interest for their production. The kinetics and genotoxicity study in native and invasive clams reinforced the existence of species-specific behaviours. Exposure to the dinoflagellate Prorocentrum lima, an OA and dinophysistoxin-1 producer, increases the pressure over native clams, with higher toxin accumulation and genetic damage, as well as early and increased induction of DNA repair activity. Invasive clams, on the other hand, are better adapted to cope with these challenges. Investigation of the effects of combined exposure to multiple stressors revealed that W, A and HABs alter the accumulation/elimination dynamics of Paralytic Shellfish Poisoning (PSP) toxins in mussels (Mytilus galloprovincialis). Lower accumulation levels and slower elimination rates were observed. The predicted climate change scenarios and exposure to HABs may then lead to lower contamination levels but to longer harvesting closures. Simultaneous exposure to altered environmental conditions and HABs also had significant impacts in the antioxidant system and DNA integrity, resulting in an organ-specific modulation of the antioxidant response, increasing genetic damage and preventing/retarding DNA damage repair. However, the DNA damage observed seems to be non-oxidative. While the investigation of factors enhancing the elimination of toxins was not a main objective of this study, it was shown that acidification might promote PSP toxins elimination in mussels. Finally, the bioaccessibility studies revealed a significant reduction in the OA group content available after in vitro digestion, suggesting an overestimation of exposure to these biotoxins and an over-conservative approach in safety levels definition and risk assessment studies. This was the first study assessing bioaccessibility of OA-group toxins, pointing to in vitro digestion as a promising tool to obtain accurate data regarding toxin ingestion from bivalves to the consumer. Overall, the complexity of the relation between HABs, bivalves and the environmental factors to consider in marine biotoxins management is increasing, and only continuous and extensive monitoring of environmental, biological and anthropogenic conditions may allow for a healthier balance between environmental and socio-economic interests.

Os bivalves desempenham um papel fundamental nos ecossistemas marinhos costeiros, limitando a produtividade primária através de um forte mecanismo de controlo descendente (top-down) sobre as comunidades fitoplanctónicas e constituindo uma importante fonte de alimento para níveis tróficos superiores, incluindo o Homem. No entanto, os bivalves são afetados negativamente por diversos fatores externos, sejam estes bióticos ou abióticos, naturais ou antropogénicos. A exposição a estes fatores, juntamente com a exploração intensiva, leva a que seja necessária a implementação de uma gestão adequada, quer das populações selvagens, quer da produção em viveiros. Para melhorar esta gestão e alcançar o difícil equilíbro entre os interesses ecológicos e socioeconómicos é então necessário entender como os bivalves lidam com estes fatores. Na presente tese foram estudados os efeitos provocados por (i) blooms de algas tóxicas (HABs do inglês harmful algal blooms) e (ii) alterações das condições climáticas da água do mar, nomeadamente o aumento da temperatura (W) e acidificação (A). Os HABs são fenómenos que estão a aumentar em frequência, intensidade, persistência e abrangência geográfica, mas cujos impactos ecológicos e efeitos fisiológicos em bivalves são ainda ambíguos. Concomitantemente com a pressão causada pelo aumento da procura de bivalves como alimento para as populações humanas, fortes indícios apontam para uma relação entre a ocorrência de HABs e os parâmetros de alterações climáticas, o que pode afectar quer a indústria, quer as populações de bivalves selvagens. Assim, os objetivos deste trabalho são: 1) Determinar se as espécies nativas e invasoras lidam com a exposição a HABs de maneira diferente, dando particular atenção às respostas específicas de cada espécie e às fragilidades do ecossistema em relação à presença de espécies invasoras e ocorrência dos referidos blooms; 2) Avaliar como espécies de bivalves de elevado valor comercial lidam com a exposição simultânea a alterações climáticas e HABs, focando o efeito destas modificações ambientais na toxicocinética, respostas fisiológicas e genotoxicidade exibida pelos bivalves; 3) Avaliar a bioacessibilidade das biotoxinas marinhas, focando a obtenção de informação relevante para estudos de avaliação de risco. Foram realizados trabalhos complementares de campo e laboratório, de modo a avaliar os padrões de toxicocinética de biotoxinas marinhas em espécies nativas e invasoras. Em laboratório, foram expostos bivalves a algas tóxicas em condições alteradas, simulando a ocorrência de HABs sob cenários previstos de alterações climáticas, de modo a avaliar toxicocinética, respostas fisiológicas e genotoxicidade. Exemplares naturalmente contaminados foram utilizados para investigar o papel dos bivalves como vectores de biotoxinas marinhas para humanos, através da simulação da digestão in vitro. O estudo da acumulação de biotoxinas marinhas regulamentadas e não regulamentadas em espécies de amêijoa nativa (Ruditapes decussatus) e invasora (R. philippinarum) na Ria de Aveiro revelou que a espécie nativa acumula, recorrentemente, concentrações de toxinas mais elevadas, particularmente no que toca a toxinas grupo do ácido ocadaico (OA do inglês Okadaic acid), sendo estas as toxinas mais abundantes e frequentes na costa Portuguesa. A acumulação de menores concentrações por parte da amêijoa invasora pode promover o interesse dos produtores na sua exploração. A avaliação da cinética e da genotoxicidade em amêijoas nativas e invasoras reforçou a existência de comportamentos específicos para cada espécie. A exposição a Prorocentrum lima, dinoflagelado produtor de OA e dinofisistoxina 1, aumenta a pressão sobre a espécie nativa, uma vez que esta apresenta as concentrações de toxina mais elevadas, os maiores níveis de dano genético e ainda uma indução mais precoce e intensa dos mecanismos de reparação de dano no ADN. A espécie invasora, por outro lado, está melhor adaptada para lidar com estes desafios. O estudo dos efeitos de fatores múltiplos combinados revelou que a exposição a W, A e HABs altera a dinâmica de acumulação/eliminação de toxinas paralisantes (PSP) em mexilhões (Mytilus galloprovincialis). Os cenários previstos de alterações climáticas e a exposição a HABs sugerem níveis de contaminação mais baixos, mas períodos de interdição de apanha mais prolongados. A exposição simultânea a condições ambientais alteradas e HABs também teve um impacto significativo no sistema antioxidante e na integridade do ADN, resultando numa modulação da resposta antioxidante especifica para cada órgão, aumentando o dano genético e prevenindo/atrasando a sua reparação. O dano encontrado no ADN parece, no entanto, não ser oxidativo. Embora a investigação de fatores que favoreçam a rápida eliminação de toxinas não constasse dos objetivos deste estudo, foi demonstrado que a acidificação pode promover a eliminação de toxinas PSP em mexilhões. Por último, os estudos de bioacessibilidade revelaram uma redução na quantidade de toxinas do grupo-OA disponível após a digestão in vitro, sugerindo uma sobrestimação da exposição a estas biotoxinas e recomendando uma abordagem conservadora na definição dos níveis de segurança e na subsequente avaliação do risco. Este foi o primeiro estudo a determinar a bioacessibilidade das toxinas do grupo-OA e sugere a técnica de digestão in vitro como uma ferramenta promissora na obtenção de dados rigorosos no que diz respeito à ingestão de toxinas através de bivalves e a acessibilidade destes compostos no organismo humano. De um modo geral, a complexidade da relação entre HABs, bivalves e os fatores ambientais a serem considerados na gestão de biotoxinas marinhas está a aumentar, e apenas uma contínua e extensiva monitorização das condições ambientais, biológicas e antropogénicas pode permitir um melhor equilíbrio entre os interesses ambientais e socio-económicos.