Pharmaceutical drugs under present and future climatic scenarios: what are the toxicological effects to marine invertebrate species?

Abstract

Bivalves play an important role in the functioning of the coastal ecosystem and represent a significant fraction of fisheries resources. However, these organisms are exposed to several pressures that occur simultaneously in coastal systems, namely pollutants such as pharmaceutical drugs and metals. In addition to pollutants, coastal systems are subjected to changes in environmental parameters (temperature, pH, salinity) related to Climate Change and predicted to be amplified until the end of century. Together, these pressures can exert threats different from those resulting from each pressure considered individually, arising from changes in the physicochemical properties of pollutants and/or in the sensitivity of organisms to these compounds. However, the literature on this subject is still limited, with variable results. For this reason, it was intended to understand whether two pharmaceutical drugs present in coastal systems (carbamazepine (CBZ), antiepileptic; cetirizine (CTZ), antihistamine ), with different modes of action and in environmental concentrations, are harmful to the bivalve species Ruditapes philippinarum and if the biological impacts are altered when combined and in the presence of environmental pressures (pollution by cadmium, increase in temperature, decrease in pH, increase/decrease in salinity). For this, a series of laboratory experiments were carried out with R. philippinarum chronically exposed (28 days) to an environmentally relevant concentration of CBZ (1.0 μg/L) and CTZ (0.6 μg/L), acting alone and in combination, and in the presence of the aforementioned environmental scenarios. To assess toxicity, bioconcentration factors, molecular biomarkers (mRNA transcription - related to the mode of action) and biochemical biomarkers (related to energy metabolism, oxidative stress, and neurotoxicity) were determined. Overall, the results obtained showed the bioconcentration and oxidative impacts of CBZ and CTZ on R. philippinarum, mainly CBZ, by exerting cellular damage on cells, while CTZ increased oxidative stress conducting to lower levels of damage. Furthermore, tests with combined scenarios showed that the alteration of a Climate Change-related abiotic factor, the increase in salinity, intensified the toxicity of CTZ (higher cellular damage) when acting alone (CTZ) and in combination with CBZ (CBZ+CTZ). However, despite the greater toxicity exerted by this scenario, the presence of the metal cadmium and the alteration of other Climate-related abiotic factors tested did not increase the toxicity of the drugs to R. philippinarum. Thus, this study reinforces that changing Climate-related factors is an additional challenge for bivalves, but the response and impact to these varied depending on the factor tested.

Os bivalves desempenham um papel importante no funcionamento do ecossistema costeiro assim como representam uma fração significativa dos recursos pesqueiros. No entanto, estes organismos estão expostos a diversas pressões que ocorrem simultaneamente em sistemas costeiros, nomeadamente poluentes como fármacos e metais. Além dos poluentes, os sistemas costeiros estão sujeitos a alterações nos parâmetros ambientais (temperatura, pH, salinidade), cada vez mais exarcebados, relacionados com as alterações climáticas. Juntas, essas pressões podem exercer ameaças diferentes das resultantes de cada pressão considerada individualmente, advindas das alterações nas propriedades físico-químicas dos poluentes e/ou da resposta dos organismos a estes compostos. No entanto, a literatura é ainda limitada, com resultados variáveis. Por esta razão, pretendeu-se compreender se dois fármacos presentes nos sistemas costeiros (carbamazepina (CBZ), antiepiléptico; cetirizina (CTZ), anti-histamínico), com diferentes modos de ação e em concentrações ambientais, são prejudiciais à espécie de bivalve Ruditapes philippinarum e se os seus impactos biológicos são alterados quando combinados e na presença de pressões ambientais (poluição com cádmio, aumento da temperatura, diminuição do pH, variações de salinidade). Para isso, foram conduzidas uma série de experiências laboratoriais com R. philippinarum exposto cronicamente (28 dias) a uma concentração ambientalmente relevante de CBZ (1.0 μg/L) e CTZ (0.6 μg/L), isoladamente e em combinação, e na presença dos cenários ambientais anteriormente referidos. Para avaliar a toxicidade, foram determinados: factores de bioconcentração, biomarcadores moleculares (transcrição de mRNA - relacionados com o modo de ação) e biomarcadores bioquímicos (relacionados com o metabolismo energético, stress oxidativo e neurotoxicidade). No geral, os resultados obtidos mostraram a bioconcentração e os impactos oxidativos da CBZ e CTZ sobre R. philippinarum, principalmente a CBZ, por exercer dano celular, enquanto a CTZ aumentou o stresse oxidativo levando a níveis inferiores de dano. Os ensaios com cenários combinados mostraram que a alteração de um fator abiótico relacionado com o clima, o aumento da salinidade, intensificou a toxicidade da CTZ (maior dano celular) quando atuando isoladamente (CTZ) e em combinação com CBZ (CBZ+CTZ). No entanto, apesar da maior toxicidade exercida por este cenário, a presença de cádmio e da alteração dos restantes fatores relacionados com o clima, não aumentaram a toxicidade dos fármacos em R. philippinarum. Assim, este estudo reforça que a alteração de fatores relacionados com o clima é um desafio adicional para os bivalves mas a resposta e impacto a estes variou consoante o fator testado.