TBT toxicity and bioremediation in soils: bioassays with invertebrates

Abstract

Tributyltin (TBT) compounds were broadly used as ingredient of antifouling paints for ships. Among other effects, TBT is known to be associated with endocrine disruption. In 2008, the International Maritime Organization – IMO banned globally the use of TBT-based coatings, but due to their persistence and widespread use during the last 50 years, TBT became a ubiquitous compound in the environment. TBT reaches soil through various sources and constitutes a risk for soil fauna, namely the invertebrates, and consequently to soil function. However, soil contamination by TBT and its inherent effects have received very little attention. Nowadays, biological degradation is considered to be the major pathway for TBT removal from the environment. As example, Aeromonas molluscorum Av27 is a bacterium that degrades TBT into DBT (dibutyltin) and MBT (monobutyltin) in aqueous solution and therefore has the potential to be used to develop a biosensor to detect TBT in soils and sediments and to bioremediate this pollutant. This work was conducted considering the following goals: a) assess the toxicity of TBT on the invertebrates Porcellionides pruinosus and Folsomia candida; b) use bioassays with P. pruinosus and Micrococcus luteus to evaluate the potencial of TBT degradation in soil by the bacterium Aeromonas molluscorum Av27. For TBT toxicity evaluation, the isopod P. pruinosus was exposed to TBT contaminated food and soil and the exposure effects were assessed through feeding inhibition tests. An avoidance behaviour test was also carried out with this species. The collembolan F. candida was exposed to TBT contaminated soil and its reproduction success was evaluated. Soil bioremediation by A. molluscorum Av27 was assessed through bioassays using the bacterium M. luteus as indicator strain and a feeding inhibition test with P. pruinosus. The experiment took into account all components of exposure and was divided into three simultaneous sub-experiments: TBT-feeding test, with soil contaminated with TBT; TBT-growth media test, with soil contaminated with TBT in TSB growth medium; TBT-Av27 test, soil contaminated with TBT and inoculated with A. molluscorum Av27 in TSB medium. Regarding the toxicity bioassays, the results of the isopod exposure indicate a dose related response between the decrease of feeding parameters (consumption, assimilation and egestion ratios) and toxicant exposure. Results of the avoidance behaviour test showed that this species is able to detect very low concentrations of TBT and escape from the contaminated soil. The number of juveniles springtails and adult collembolan survival also showed a decrease with the increase of TBT concentration. F. candida revealed to be more sensitive to TBT than P. pruinosus, showing lower EC50 and LC50 values. Regarding bioremediation tests, the bioassay with M. luteus revealed that soils inoculated with A. molluscorum Av27 are less toxic to this organism, suggesting a decrease on TBT toxicity due to its degradation or its availability in the medium. From the bioassay with isopods, the TBT-growth medium test presented the highest toxicity of the three tests and its comparison with TBT-Av27 test may indicate TBT degradation by Av27. Besides the lower EC50 value of TBT-Av27 than the one obtained for TBT-feeding, it showed higher consumption ratios. In conclusion, the tested organisms revealed to be sensitive to TBT contamination in soil, at the concentration ranges used, since TBT showed to affect the behaviour and feeding performance of isopods and the reproduction success of collembolan. Bioremediation results need to be confirmed by chemical analyses of soils to show that TBT was really degraded to DBT and MBT, although results obtained so far are suggestive that A. mollucorum Av27 is able to bioremediate TBT contaminated soils. Furthermore, feeding inhibition bioassay with P. pruinosus and inhibition growth bioassay with M. luteus are likely to be viable tools to assess toxicity from TBT bioremediated soils, although the culture medium used to grow the bacterium has changed the toxicity of the chemical compound. Therefore, adaptations to the methodologies may be needed and new studies should be performed as well.

Os compostos tributilestanho (TBT) foram amplamente usados como aditivos de tintas antivegetativas aplicadas em navios. Entre outros efeitos, o TBT é conhecido pela sua acção como disruptor endócrino. Em 2008, a International Maritime Organization - IMO proibiu o uso de tintas antivegetativas contendo TBT, mas devido à sua persistência e uso global durante os últimos 50 anos, este composto tornou-se ubíquo no ambiente. O TBT pode ser encontrado no compartimento terrestre, devido às suas diversas fontes de contaminação, e pode constituir um risco para a fauna do solo, nomeadamente para os invertebrados, e consequentemente para a função do solo. No entanto, a contaminação do solo por TBT, assim como os seus efeitos inerentes, têm recebido muito pouca atenção. Actualmente, a degradação biológica é considerada a maior via de remoção do TBT do ambiente. Como exemplo, a bactéria Aeromonas molluscorum Av27 tem a capacidade de degradar o TBT em DBT (dibutilestanho) e MBT (monobutilestanho) em meio aquoso, pelo que, pode vir a ser aplicada no desenvolvimento de um biosensor para detectar TBT em solos e sedimentos, bem como em processos de bioremediação deste poluente. Esta tese foi conduzida tendo em conta os seguintes objectivos: a) avaliar a toxicidade do TBT nos invertebrados Porcellionides pruinosus e Folsomia candida; b) usar bioensaios com P. pruinosus e Micrococcus luteus para avaliar o potencial da bactéria Aeromonas molluscorum Av27 degradar TBT em solo. Para avaliação da toxicidade do TBT, o isópode P. pruinosus foi exposto a alimento e solo contaminados com TBT, tendo sido avaliado o efeito da exposição pela inibição alimentar. Para além disso, foi efectuado um teste de evitamento com esta espécie. O colêmbolo F. candida foi exposto a solo contaminado por TBT e avaliou-se o seu sucesso reprodutivo. O sucesso do processo de bioremediação do solo por A. molluscorum Av27 foi avaliado através de bioensaios usando M. luteus como bactéria indicadora e um teste de inibição alimentar com P. pruinosus. O desenho experimental deste teste teve em conta todos os componentes de exposição e foi dividido em três sub-testes simultâneos: teste TBT-alimentação, com solo contaminado com TBT; teste TBT-meio crescimento, com solo contaminado com TBT em meio de cultura TSB; teste TBT-Av27, com solo contaminado com TBT, onde foi adicionada a bactéria A. molluscorum Av27 crescida em meio TSB. Relativamente aos ensaios de toxicidade, os resultados da exposição dos isópodes indicam uma relação dose-resposta entre o decréscimo dos parâmetros de alimentação (rácios de consumo, assimilação e egestão) e a concentração de TBT. Os resultados do teste de evitamento mostraram que esta espécie é capaz de detectar concentrações baixas de TBT e escapar do solo contaminado. O número de juvenis e a sobrevivência dos colêmbolos adultos também diminuiram com o aumento da concentração de TBT. F. candida mostrou ser mais sensível ao TBT que P. pruinosus, apresentando valores de EC50 e LC50 mais baixos. Em relação aos ensaios de bioremediação, o bioensaio com M. luteus revelou que os solos em que A. molluscorum Av27 foi inoculada são menos tóxicos para este organismo, o que sugere uma redução da toxicidade do TBT pela sua degradação ou disponibilidade no meio. Relativamente ao bioensaio com isópodes, o teste TBT-meio crescimento revelou a maior toxicidade dos três testes e, comparando com o teste TBT-Av27, é possível que tenha ocorrido degradação do TBT por Av27. Apesar de apresentar um EC50 mais baixo que o EC50 do teste TBT-alimentação, os rácios de consumo do teste TBT-Av27 foram os maiores. Como conclusão, os organismos teste revelaram-se espécies sensíveis à contaminação de solo por TBT, nas gamas de concentrações utilizadas, uma vez que este composto afectou o comportamento e alimentação dos isópodes e o sucesso reprodutivo dos colêmbolos. Os resultados da bioremediação necessitam de ser confirmados por análises químicas dos solos que demostrem se o TBT foi degradado em DMT e MBT, embora os resultados sugiram que A. molluscorum Av27 seja capaz de bioremediar TBT em solos. O bioensaio de alimentação com P. pruinosus e o bioensaio de inibição do crescimento da M. luteus demostraram ser potenciais ferramentas na avaliação da toxicidade de solos bioremediados anteriormente contaminados com TBT, embora o meio de cultura utilizado para crescimento da bactéria tenha alterado a toxicidade do composto químico. Neste âmbito, adaptações à metodologia poderão ser necessárias e novos estudos devem ser efectuados.