Evaluation of the ecotoxicological effects of salinity and metformin in Gambusia holbrooki

Abstract

Aquatic ecosystems are threatened by factors related to climate change, leading to changes in the physical and chemical water properties. Between these changes, and as a consequence of global warming and extreme weather events, coastal systems are facing sudden fluctuations in salinity. Aquatic ecosystems are also threatened by organic and inorganic compounds that increase water pollution. Metformin is an antidiabetic drug commonly used by patients of diabetes type 2. It is also used as a treatment for polycystic ovary syndrome and as an anti-cancer drug. Metformin is not metabolized by the human body and has high watery mobility. Because wastewater treatment plants have low efficacy in removing these compounds, they may reach in the aquatic environment. The aim of this study was to evaluate the influence of different salinity levels (17, 24 means control, 31) on the effects of metformin (0-Control, 1.5, 15, 150 μ/L) in Gambusia holbrooki after acute exposure (96h). A chronic exposure was also performed to assess the effects of metformin (0-Control, 0.5, 1, 5, 10 μ/L) in G. holbrooki at salinity 17 for 28 days. For both assays, several biomarkers were quantified in the exposure organisms to assess: antioxidant capacity (superoxide dismutase-SOD, catalase-CAT, glutathione peroxidase-GPx, glutathione reductase-GRed) and biotransformation capacity (glutathione S-transferases-GSTs), cellular damage (levels of lipid peroxidation-TBARS), content of energy reserves (head and body protein levels- PROT, glycogen content- GLY) and neurotoxic effects (acetylcholinesterase-AChE). The results obtain from acute exposure showed interactions between salinity and metformin in SOD activity, body PROT levels and GLY content in G. holbrooki. The data obtain showed that an increase in salinity can modulate the response of the G. holbrooki to metformin. The results obtain from the chronic assay, showed that exposure of G. holbrooki to metformin led to a significant decrease in SOD activity at almost all concentrations tested. In addition, GPx and GSTs activity increased significantly at the concentration of metformin 10 and 5 μ/L, respectively. Therefore, metformin can lead to oxidative stress in G. holbrooki. Overall, the GLY content in G. holbrooki increased after exposure to metformin concentrations. No significant effects were observed in the remaining biomarkers measured. Although this work does not show a full oxidative stress scenario in G. holbrooki after exposure to metformin under different salinities, other studies have already shown that metformin alone can lead to oxidative damage in aquatic species. Therefore, additional ecotoxicological studies should be performed to find out if different metformin concentrations combined with salinity increase might impact non-target species.

Os ecossistemas aquáticos são ameaçados por vários fatores relacionados com as alterações climáticas, levando a modificações nas propriedades físicas e químicas da água. Entre essas alterações, e como consequência do aquecimento global e de eventos climáticos extemos, os ecossistemas costeiros estão a enfrentar flutuações repentinas na salinidade. Os ecossistemas aquáticos são também ameaçados por compostos orgânicos e inorgânicos que aumentam a poluição da água. A metformina é um medicamento antidiabético usualmente utilizado por pacientes com diabetes tipo 2. É também utilizada no tratamento da síndrome do ovário poliquístico e como um medicamento anticancerígeno. A metformina não é metabolizada pelo corpo humano e tem uma alta mobilidade aquosa. Devido à baixa eficiência na remoção destes compostos pelas estações de tratamentos de águas residuais, a metformina pode chegar aos ambientes aquáticos. O objetivo deste estudo é avaliar a influência dos diferentes níveis de salinidade (17, 24- controlo, 31) nos efeitos da metformina (0- Controlo, 1.5, 15, 150 μ/L) em Gambusia holbrooki após uma exposição aguda (96h). Uma exposição crónica também foi realizada para aferir os efeitos da metformina (0- Controlo, 0.5, 1, 5, 10 μ/L) em G. holbrooki na salinidade 17 durante 28 dias. Para ambos os ensaios, vários biomarcadores foram quantificados nos organismos expostos para aferir: a capacidade antioxidante (superóxido dismutase- SOD, catalase- CAT, glutationa peroxidase- GPx, glutationa redutase- GRed) e capacidade de biotransformação (glutationa S-transferases- GSTs), dano celular (níveis de peroxidação lipídica- TBARs), conteúdo de reservas energéticas (níveis de proteína do corpo e da cabeça- PROT; conteúdo de glicogénio- GLY) e efeitos neurotóxicos (acetilcolinesterase- AChE). Os resultados obtidos da exposição aguda mostram interações entre a salinidade e a metformina na atividade da SOD, níveis de PROT do corpo e conteúdo de GLY em G.holbrooki. Os dados extraídos mostram que um aumento da salinidade pode alterar a resposta de G.holbrooki à metformina. Os resultados obtidos da exposição crónica, mostraram que a exposição de G.holbrooki à metformina levou a uma diminuição significativa da atividade da SOD em quase todas as concentrações testadas. Além disso, a atividade da GPX e das GSTs aumentou, significativamente, nas concentrações de metformina de 10 e de 5 μ/L, respetivamente. Assim sendo, a metformina pode levar ao stress oxidativo em G.holbrooki. No geral, o conteúdo de GLY em G.holbrooki aumentou após a exposição ás concentrações de metformina. Não foram observados efeitos significativos nos restantes biomarcadores medidos. Apesar deste trabalho não mostrar um cenário completo de stress oxidativo em G.holbrooki, após a exposição à metformina em diferentes salinidades, outros estudos já revelaram que a metformina pode levar a danos oxidativos em espécies aquáticas. Assim, estudos ecotoxicológicos adicionais devem ser realizados para descobrir se diferentes concentrações de metformina combinadas com um aumento da salinidade podem ter impactos em espécies não alvo.