Awareness of chemical hazards in edible insects: toxicokinetics of mercury in Tenebrio molitor

Abstract

The human population is increasing significantly, and, as a result, there is a growing demand for an alternative protein source to relieve the pressure from the livestock sector. Discussion regarding edible insects has grown in the scientific community since the report concerning its use as food and feed, from the Food and Agriculture Organization of the United Nations in 2013. The Yellow mealworm larvae (Tenebrio molitor) is considered one of the best solutions to feed pets, livestock and poultry sectors, and human consumption. When reared in agricultural leftovers, mealworms convert waste into valuable nutritional material, reducing waste and contributing to a more sustainable planet. One of the major concerns on rearing insects as a food source is related to food safety aspects. Contaminants can be uptaken by insects through the substrate they feed on, entering into the farming cycle and, consequently, into the food chain. Understanding these compounds’ pathways and their effects on insects and generations’ and different development stages is crucial for the continuous farming production process. After looking at previous studies where mercury was observed to accumulate in edible insect species, this thesis aimed to apply an innovative and more complex approach to understand how mercury is uptaken and eliminated by insects. Considering that, this thesis aimed to investigate the toxicokinetics of Hg in T. molitor larvae exposed through food. This thesis combined a series of ecotoxicological and bioaccumulation assays with previous biomass gain experiments, followed by the Hg bioaccumulation assays. To assess the optimal medium of exposure and larval stage for the bioaccumulation studies, biomass gain experiments were carried out: two larval stages (20-40 mg and 60-80 mg) were exposed to four treatments for 21 days: with soil and oat; with soil only (no oat); with oat only (no soil); no soil and oat. Results revealed a high mortality rate in the treatments where insect larvae growth in soil (with presence of fungi), contrasting with a very low mortality rate and highest biomass gain when both larval stages were exposed to oat and no soil as a substrate. Considering this, the bioaccumulation studies were conducted only with oat (no soil present), using larvae with 60-80 mg, which presented the highest biomass gain, being also the most suitable size from the perspective of the producers. Bioaccumulation experiments consisted of an uptake and elimination phase of 21 days each, providing Hg contaminated and “clean” oat in each phase, respectively. A first-order one-compartment model had the best fit, to explain the uptake and elimination of Hg, in Tenebrio molitor. Through this, it was observed that Hg stays in the organism (Fi=0.682) even after an elimination period in clean oat. In addition, this model had an uptake (k1) and elimination (k2) constant of 0.056 and 0.316, respectively. Lastly, to the best of our knowledge, this was the first time that the absorption and elimination rate were measured through time. To conclude, these experiments should be conducted without soil and toxicokinetic models are a viable method to comprehend the behavior of Hg in mealworms.

A população humana está a aumentar significativamente e, como resultado, há uma demanda crescente por uma fonte proteíca alternativa para aliviar a pressão do setor pecuário. Os insetos comestíveis, desde a publicação da Organização para a Alimentação e Agricultura das Nações Unidas em 2013, sobre o uso de insetos como alimento e alimento para animais, tem sido um assunto com muito debate e crescimento na comunidade científica. As larvas-de-farinha (Tenebrio molitor) são usadas como alimento para animais de estimação, no entanto, estudos concluíram que estas são adequadas para consumo humano e para a alimentação no setor pecuário e avícola. Esta espécie pode ser criada em resíduos agrícolas reduzindo, assim, o desperdício alimentar e contribuindo para um planeta mais sustentável e para a circularidade ambiental. Uma das principais vias de exposição a poluentes químicos é o substrato utilizado na criação de animais para alimentação humana e animal. O mercúrio (Hg) é um metal com elevado potencial de toxicidade, bioacumulação e biomagnificação em organismos e pode estar presente no substrato de insetos comestíveis devido a atividades antropogénicas. Posto isto, o objetivo deste estudo foi investigar a toxicocinética do Hg em larvas-de-farinha expostas a comida contaminada como substrato. Para avaliar o meio ideal de exposição e estágio larvar para os estudos de bioacumulação, foram realizados testes de aquisição de biomassa. Durante 21 dias, dois estádios larvares (20-40 mg e 60-80 mg) foram expostos a quatro tratamentos com: solo e aveia; apenas solo (sem aveia); apenas aveia (sem solo); sem solo e aveia. Após verificar que o tratamento “apenas aveia” era o melhor substrato a utilizar, os testes de bioacumulação foram executados em duas fases, recorrendo a este tratamento de aveia: uma fase de absorção e uma de eliminação, cada uma com 21 dias. Na primeira fase, as larvas de T. molitor foram expostas a aveia contaminada com Hg, passando após os 21 dias para meio com aveia não contaminada. Nos testes de biomassa para ambos os estados larvares apenas a aveia, não demonstrou induzir mortalidade e observou-se ainda um maior ganho de biomassa. No entanto, as larvas no intervalo de peso 60-80 mg tiveram o maior ganho de biomassa e do ponto de vista do setor de insetos comestíveis será a mais adequada. As larvas expostas a solo apresentaram maiores taxas de mortalidade e, além disso, a presença de fungos. O modelo toxicocinético elegido para explicar a acumulação de Hg em Tenebrio molitor foi o modelo de compartimento único de primeira ordem. O modelo toxicocinético escolhido permitiu observar o comportamento do Hg. Observou-se assim, uma constante de absorção (k1) de 0.056 e uma constante de eliminação (k2) de 0.316. Concluindo, desta forma, que o mercúrio mantém-se no organismo com a retenção de aproximadamente 70% num compartimento, mesmo depois de um período de eliminação em substrato não contaminado durante 21 dias. Este estudo revela que os testes de bioacumulação com T. molitor devem ser realizados apenas com alimento como substrato e ainda, que a utilização de modelos toxicocinéticos são um método viável para a compreensão das taxas de absorção e eliminação de Hg na larva-da-farinha.