Cyanobacteria blooms in city parks: implications for urban ecology in a climate change scenario

Abstract

Cyanobacteria can produce toxins that can have negative effects on aquatic organisms, wildlife, domestic animals and humans. In the current context of global change, urban parks, renowned for their multifaceted contributions to society, have been largely affected by blooms of toxic cyanobacteria. In the first chapter of this work, the effects of a cyanobacterial bloom, collected from an urban park in Aveiro, in two different stages of evolution on zebrafish embryos (Danio rerio) were assessed, evaluating toxicity in terms of mortality and hatching rates, behavior endpoints (total distance, slow and rapid movements, peripheral distance and different angle classes) and biochemical effects (oxidative stress - Glutathione-S-transferase (GST), Catalase (CAT), Glutathione Peroxidase (GPx) and Glutathione Reductase (GR); neurological damage - Acetilcholinesterase (AChE) and indicator of tissue damage - Lactate dehydrogenase (LDH)) after five days of exposure to cyanobacteria extract and filtered samples. The results showed that the exposure affected development (hatching and delayed development) and caused neurotoxicity, translated into hypoactive behavior, increased thigmotaxis and inhibition of ChE in zebrafish embryos, and that higher toxicity was observed for the cyanobacterial extract and filtered sample with more time of evolution. As an increasingly recurrent phenomenon, the occurrence of cyanobacterial blooms represents an additional layer of stress for ecosystems that are already facing the effects of anthropogenic activities, such as industrial and domestic effluents and agricultural runnoff. In a second chapter, the aim was to know if a sub lethal exposure to cyanotoxins changes the sensitivity of zebrafish embryos to a subsequent exposure to chemical stress. Zebrafish embryos were exposed for 96 hours to three concentrations of cyanobacterial extract from a toxic bloom collected in an urban park lake in Aveiro. After this period, the embryos were exposed to different concentrations of two compounds: the metal cadmium or the fungicide benomyl. The results showed an increase in LC₅₀ values in embryos pre-exposed to the cyanobacterial extract, suggesting that zebrafish embryos developing in cyanotoxins contaminated medium acquired resistance to a subsequent chemical stress, probably by activating detoxification mechanisms earlier than non-exposed embryos. This study showed that cyanotoxins may be an important factor modelling the toxicity of compounds in the aquatic environment that needs to be accounted for in risk evaluation studies.

As cianobactérias podem produzir toxinas com efeitos negativos nos organismos aquáticos, na vida selvagem, nos animais domésticos e nos seres humanos. No atual contexto de alterações globais, os parques urbanos, conhecidos pelos seus contributos multifacetados para a sociedade, têm sido largamente afetados por blooms de cianobactérias tóxicos. No primeiro capítulo deste trabalho foram avaliados os efeitos de um bloom de cianobactérias, em dois estádios evolutivos diferentes, recolhido de um parque urbano em Aveiro, em embriões de peixe zebra (Danio rerio), avaliando a toxicidade em termos de mortalidade e eclosão, parâmetros comportamentais (distância total, movimentos lentos e rápidos, distância periférica e diferentes classes de ângulos) e efeitos bioquímicos (stress oxidativo – Glutationa-S-transferase (GST), Catalase (CAT), Glutationa Peroxidase (GPx) e Glutationa Redutase (GR); danos neurológicos – Acetilcolinesterase (AChE) e indicador de danos nos tecidos – Lactato desidrogenase (LDH)) após cinco dias de exposição ao extrato de cianobactérias e a amostras resultantes do extracto filtrados. Os resultados mostraram que a exposição afetou em grande escala o desenvolvimento (eclosão e atraso no desenvolvimento) e provocou neurotoxicidade, traduzida em comportamento hipoativo, aumento da tigmotaxia e inibição da AChE em embriões de peixe zebra, revelando maior toxicidade para o extrato de cianobactérias e amostra filtrada com mais tempo de evolução. Sendo um fenómeno cada vez mais recorrente, a ocorrência de blooms de cianobactérias representa uma camada adicional de stress para os ecossistemas que já enfrentam os efeitos das atividades antropogénicas, como os efluentes industriais e domésticos e os escoamentos agrícolas. Num segundo capítulo estudou-se se uma exposição sub-letal a cianotoxinas altera a sensibilidade dos embriões do peixe zebra a uma exposição subsequente a um stress químico. Os embriões foram expostos durante 96 horas a três concentrações de extrato de cianobactérias de um bloom tóxico recolhido de um lago de um parque urbano em Aveiro. Após este período, os embriões foram expostos a diferentes concentrações de dois compostos: o metal cádmio ou o fungicida benomil. Os resultados mostraram um aumento dos valores de LC₅₀ nos embriões préexpostos ao extrato de cianobactérias, sugerindo que os embriões de peixe zebra que se desenvolvem em meio contaminado com cianotoxinas adquiriram resistência a um stress químico subsequente, provavelmente devido ao facto dos mecanismos de destoxificação serem ativados mais cedo do que nos embriões não pré-expostos. Este estudo mostrou que as cianotoxinas podem ser um fator importante que modela a toxicidade dos compostos no ambiente aquático e que deve ser tido em conta em estudos de avaliação de risco ambiental.