Assessment of the environmental and physiological components of feeding in Cladocerans

Abstract

Actividades antropogénicas variadas, tais como exploração de minas, processamento ou uso de metais e/ou substâncias que contêm poluentes metálicos são amplamente reconhecidas como fontes de contaminantes induzindo efeitos letais e não letais nos organismos de água doce. Apesar da existência de políticas ambientais protectoras para critérios de qualidade da água (CQA) contra metais pesados, a avaliação de tal contaminação tem falhado. Contrariamente ao pequeno número de características usadas na regulamentação ambiental, a toxicidade dos metais é o resultado de interacções complexas entre as características da água e a especiação dos metais. Neste contexto, os objectivos deste trabalho são: determinar os principais factores ambientais que afectam a toxicidade aguda e crónica dos metais pesados cobre e zinco; e desenvolver um modelo que preveja as taxas de ingestão do cladócero Daphnia magna Straus ao longo do seu ciclo de vida perante águas com diferentes características físicas e químicas – o efeito do aumento de temperatura, dureza, alcalinidade, pH e concentração de alimento será testado. Este estudo identificou que em situações de exposição aguda, os iões responsáveis pela dureza, cálcio e magnésio, juntamente com o sódio, podem diminuir a letalidade de peixes e crustáceos. O aumento da concentração destes iões resulta na diminuição da letalidade devido à competição com os iões metálicos livres, removendo-os dos sítios activos dos organismos. Contudo, em exposições crónicas de cobre, o aumento da concentração destes iões não resulta em efeitos protectores adicionais nos cladóceros. O aumento de pH e alcalinidade resulta, também, em diminuições da toxicidade para os organismos devido a implicações directas na especiação do metal, levando à redução da concentração do ião metálico livre, a espécie metálica mais tóxica. A nível agudo, para pH muito ácidos (pH = 5), a toxicidade pode novamente ser reduzida, devido ao efeito competitivo do ião hidrogénio. Valores baixos ou elevados de temperatura podem acentuar o efeito tóxico dos metais. A matéria orgânica pode desempenhar, também, um papel protectivo. O aumento da concentração da matéria orgânica dissolvida faz diminiur a toxicidade dos metais, embora a sua fonte tenha implicações no efeito protectivo. Adicionalmente, a fracção particulada da água pode reduzir ou aumentar a toxicidade dos metais. Depois do levantamento das principais características da água que afectam a toxicidade dos organismos, levámos a cabo uma série de experiências onde características físicas e químicas da água foram variadas. Os tradicionais testes agudos e crónicos não revelam o modo de acção de um tóxico, uma vez que a toxicidade para os organismos pode resultar de reduções na ingestão de alimento e/ou de aumento dos custos metabólicos. Para além deste factor, a influência das características físicas e químicas nos organismos não tem sido focada em testes de toxicidade e o seu possível efeito tóxico não está bem documentado. Deste modo, é deveras importante medir as as taxas de ingestão dos organismos em situações de ausência de metais a fim de obter determinações mais correctas acerca do efeito dos metais. Os ensaios realizados com Daphnia magna Straus, clone F, sugeriram que, em situações de ausência de metal, a composição química da água não afecta significativamente a ingestão dos organismos. Contudo, as dáfnias responderam aos níveis de alimento, e a quantidade de alimento ingerido aumentou de forma alométrica de acordo com o tamanho do organismo. Este aumento estará relacionado com o aumento dos custos metabólicos do organismo à medida que o seu corpo vai aumentando de tamanho. Os organismos também responderam às variações de temperatura testadas de 20º até 30º C. A 30º C os organismos ingeriram menor quantidade de alimento, quando comparado com os organismos testados a 20º e a 25º C. A pequena quantidade de alimento ingerida, juntamente com os custos metabólicos elevados resulta em menores ciclos de vida de D. magna. Os ensaios, adicionalmente, sugeriram que a temperatura óptima dos organismos deverá rondar os 24º C, valor esse que está de acordo com estudos anteriormente realizados por outros autores.

ABSTRACT: Various anthropogenic activities, such as mining, processing or use of metals and/or substances that contain metal pollutants are widely recognized as important contaminants inducing lethal and sub-lethal effects to freshwater organisms. Although the existence of protecting environmental policies to water quality criteria (WQC) against heavy metals, the evaluation of contamination has failed. Contrarily to the few water characteristics used in environmental policies, metal toxicity, in freshwaters, is the result of complex interactions between water characteristics and metal species. In this context, this work has the following objectives: determine the main factors affecting the acute and chronic toxicity of the heavy metals copper and zinc; and develop a model predicting the feeding rates of the cladoceran Daphnia magna Straus according to the body length under a wide range of physical and chemical water characteristics – the effects of increased temperature, hardness, alkalinity, pH and food concentration will be tested. This study identified that at an acute level the competitive effect of the hardness ions, calcium and magnesium, as well as sodium ions can diminish the lethality in fish and crustaceans. The increased concentration of these ions results in decreased lethality due to competition with the free metals ions at the active sites of the organisms, even being poor competitors to the active sites. At a chronic level, however, the competitive effects of these cations seem not to be so important in protecting cladocerans against copper toxicity and, hence, increased concentrations do not result in additional protection to the organisms. Increases in pH and alkalinity of the waters result in decreased toxicity to the organisms due to direct implications in metal speciation reducing the concentration of the free metal ion – the most toxic metal species. A decrease in pH to 5 results in protective effects at acute level possibly due to competing effects of the hydrogen ion. Temperature variations for low and high values can induce the metal toxicity. The organic matter content can, also, play a protective role. Increasing the concentration of dissolved organic matter results in lower toxicity to organisms. However, its source is important in the protective effect against metals. Additionally, the particulate fraction can increase or reduce the metal toxicity. After this focus about the most important characteristics affecting organisms’ toxicity, we conducted a series of experiments where physical and chemical water characteristics were varied. The traditional acute and chronic tests do not reveal of how does a toxicant act. Toxicity to organisms can result from reductions in food intake and/or increased metabolic costs. Moreover, water physical and chemical characteristics have not been determined individually in risk assessments, and their toxic effect to organisms is not well known. The importance of measuring the feeding ingestion of the organisms in free toxic situations is, hence, of major importance in correct risk assessments of metals. Our feeding experiments conducted with the cladoceran Daphnia magna Straus, clone F, suggested that, in freemetal situations, the chemical composition of the water is of lower importance. However, daphnids respond to food levels, and the amount of ingested food increases in an allometric way according to the body length of the organism. This increase can possibly be related to increased metabolic costs of the organism with body increases. The organisms also responded to temperature variations from 20º to 30º C. At 30º C the organisms ingested few amount of food when compared to the individuals tested at 20º and 25º C. The little amount of ingested food addicted to higher metabolic costs result in shorter life cycles of D. magna. The conducted assays, additionally, suggested that the optimal temperature of the organisms will be reached at ~24º C, which is in accordance with reported literature.