Ecotoxicological effects of ciprofloxacin on aquatic species

Abstract

Os antibióticos têm sido detectados em amostras de água naturais, no entanto, os seus efeitos ecotoxicológicos em espécies aquáticas não-alvo ainda não foram estudados de forma extensiva. A sua actividade biológica pode constituir um perigo ambiental, quer pela actuação directa nos organismos que possuam receptores e vias metabólicas que possam ser alteradas pelo antibiótico, quer pelo desenvolvimento de resistência bacteriana. Este estudo avaliou os efeitos de ciprofloxacina na bioluminescência de Vibrio fischeri, no crescimento de Pseudokirchneriella subcapitata e Lemna minor, na sobrevivência e ciclo de vida de Daphnia magna e na sobrevivência de Gambusia holbrooki. Pretendeu-se assim avaliar efeitos a diferentes níveis tróficos, recorrendo também ao cálculo dos riscos associados à exposição a ciprofloxacina através da determinação de quocientes PEC/PNEC (PEC – concentração ambiental prevista; PNEC – concentração para a qual não se prevê a ocorrência de um efeito). Registouse inibição da bioluminescência de V. fischeri ao fim de 30 minutos de exposição. O crescimento das espécies produtoras P. subcapitata e L. minor foi também significativamente inibido. A toxicidade aguda de ciprofloxacina em D. magna foi moderada, no entanto, verificou-se que exposições a longo prazo a concentrações mais baixas do antibiótico conseguem produzir alterações nos parâmetros de história de vida da espécie, principalmente no tamanho de neonatos da primeira ninhada e nas taxas de fecundidade. Por outro lado, a ciprofloxacina não apresentou toxicidade aguda para G. holbrooki. De um modo geral, os valores de toxicidade obtidos (mg L-1) foram superiores às concentrações ambientais apresentadas em estudos prévios. No entanto, a exposição a longo prazo a concentrações reduzidas de antibiótico podem representar um perigo directo para os organismos não alvo, afectando vias metabólicas a um nível de organização biológica inferior. Por outro lado, os efeitos assim produzidos podem indirectamente afectar o equilíbrio na cadeia trófica de ecossistemas dulçaquícolas, principalmente quando os danos recaem sobre a base da cadeia trófica (produtores e consumidores primários). Efectivamente a integração de dados de avaliação da exposição e de efeitos da ciprofloxacina através do cálculo de quocientes PEC/PNEC indicou que esta fluorquinolona representa um risco para espécies aquáticas sensíveis. Este resultado reforça a necessidade de refinar a avaliação de risco deste fármaco recorrendo a ferramentas e espécies sensíveis que permitiram uma caracterização de risco mais protectora do equilíbrio dos ecossistemas aquáticos.

Antibiotics have been detected in natural samples, but their ecotoxicological effects in aquatic wildlife have not been extensively studied yet. Their biological activity may pose an environmental threat, either due to their direct action on similar receptors and metabolic pathways present in non-target organisms or due to development of bacterial resistance. This study evaluated the effects of ciprofloxacin on the bioluminescence of Vibrio fischeri, the growth of Pseudokircheneriella subcapitata and Lemna minor, on the survival and lifecycle of Daphnia magna and on the survival of Gambusia holbrooki. This way, it was evaluated the effects of ciprofloxacin on different trophic levels, while determining its risks associated with environmental exposure of non-target organisms, through the derivation of PEC/PNEC ratios (PEC – predictedenvironmental- concentration, PNEC – predicted-no-effect-concentration). The bioluminescence of V. fischeri was inhibited after 30 minutes of exposure. The growth of the producers’ species P. subcapitata and L. minor was also significantly inhibited. The acute toxicity of ciprofloxacin to D. magna was moderate, however, long-term exposures to lower concentrations of the antibiotic led to negative changes on life-history endpoints of D. magna, especially regarding the size of neonates from the first brood and the fecundity rates. On the other hand, ciprofloxacin was not acutely toxic for G. holbrooki. In general, the toxicity values obtained (mg L-1) were higher than the environmental concentrations presented in previous studies. Nevertheless, long-term exposures to low concentrations of the antibiotic may be a direct hazard to non-target organisms, while affecting metabolic pathways at a lower biological level of organization. Besides, the effects produced can also indirectly affect the balance of trophic chains in freshwater ecosystems, especially when the impairments fall over basis of the trophic chains (i.e., producers and primary consumers). Actually, the integration of exposure and effect data of ciprofloxacin in the PEC/PNEC ratios indicated that this fluoroquinolone represents a risk for the most sensitive aquatic species. This outcome reinforces the need of performing a more refined risk assessment, using more sensitive ecotoxicological tools and species that allow a protective risk characterization hence promoting the integrity of aquatic ecosystems.