Toxicity assessment of essential metals in aquatic detritivores

Abstract

Os contaminantes provenientes quer de fontes naturais quer como consequência da atividade humana, têm contribuído para a degradação dos ecossistemas aquáticos. Entre estes encontram-se os metais que podem, ou não ser essenciais mediante o papel que desempenham no metabolismo dos organismos. O cobre e o zinco são exemplos de metais essenciais, contudo quando atingem concentrações elevadas podem tornar-se tóxicos. Os detritívoros aquáticos desempenham um papel fundamental na decomposição da matéria orgânica, alimentando-se de carcaças e partes de plantas que caem nos cursos de água. Assim, estes organismos permitem que o ciclo dos nutrientes se complete e servem como elo de ligação entre todos os grupos funcionais do ecossistema mantendo o seu equilíbrio estrutural e funcional. Sendo a matéria orgânica a sua principal fonte de energia estão sujeitos à contaminação existente no meio, pelo que é de todo o interesse proceder-se à avaliação dos efeitos da toxicidade de metais nestes organismos. Uma vez que as diferenças comportamentais consequentes desta exposição podem originar variações na densidade e diversidade, o que se refletirá a nível das comunidades, originando alterações na estrutura e funcionamento do ecossistema. Tendo em vista a avaliação dos efeitos da contaminação por metais em detritívoros, o principal objetivo deste trabalho foi comparar a sensibilidade a metais essenciais de dois detritivoros aquáticos, o camarão Atyaephyra desmarestii e o anfípode Echinogammarus meridionalis. Para tal, avaliaram-se os efeitos do cobre e do zinco a diferentes níveis de organização biológica. Primeiro, foram determinadas as preferências alimentares de A. desmarestii e E. meridionalis considerando tanto a área das folhas como a contaminação por metais das folhas. Em seguida, avaliaram-se os efeitos do cobre e do zinco na sobrevivência e inibição alimentar de ambas as espécies. Finalmente, avaliaram-se os efeitos destes mesmos metais a nível bioquímico utilizando uma bateria de biomarcadores que incluiu enzimas de stresse oxidativo, o sistema de defesa antioxidante e as colinesterases. Ambos os organismos não mostraram preferência em relação a folhas de área diferente. A presença de uma maior ou menor concentração de metais essenciais no alimento não teve qualquer influência na sua escolha pelo alimento (contaminado ou não). Os ensaios agudos de cobre e zinco mostraram que o cobre é mais tóxico para ambas as espécies do que o zinco. O camarão demonstrou ser mais sensível ao zinco que o anfípode, tendo este sido mais sensível ao cobre ( CL50 do cobre para A. desmarestii foi de 0,128 mg.l-1 e o de E. meridionalis foi de 0,050 mg.l-1; os valores correspondentes para o zinco foram 7,951 e 11,860 mg.l-1, respectivamente. Em relação aos efeitos subletais, o cobre teve efeitos notórios na taxa de alimentação de E. meridionalis, mas não afectou a de A. desmarestii. No que diz respeito à exposição ao zinco, ambas as espécies parecem apresentar tendência para inibir a alimentação. A caracterização das colinesterases revelou que a principal forma presente em ambas as espécies é a acetilcolinesterase, a qual que não foi afetada pela presença dos metais, no caso do camarão, mas parece ser inibida pelo zinco no caso do anfípode. O cobre inibiu o sistema de defesa enzimático de ambas as espécies, sem sinais de danos lipídicos. Para além disto, inibiu uma das enzimas antioxidantes (GPx) do anfípode. Apesar de não ter ocorrido dano lipídico após exposição ao cobre, observou-se um ligeiro aumento dos níveis das LPO, o que pode ser indicativo de uma potencial existência de dano oxidativo, como resultado da falha do sistema de defesa antioxidante. Por outro lado, o zinco induziu o sistema de defesa em E. meriodionalis prevenindo o dano lipídico. Enquanto em A. desmarestii o sistema enzimático antioxidante não respondeu, tendo ocorrido dano celular oxidativo considerando-se, assim, que o sistema de defesa antioxidante do camarão pode ser comprometido por exposição a metais. Ainda que os danos celulares oxidativos tivessem ocorrido a baixas concentrações de zinco. A exposição a este metal também induziu a actividade da GST de E. meriodionalis. Considerando que a taxa de alimentação foi severamente reduzida no caso deste organismo, o zinco parece ser o metal cuja concentração no ecossistema requer maior atenção. Integrando as respostas dos biomarcadores parece também evidente que A. desmarestii responde de uma maneira geral a maiores concentrações dos dois metais, enquanto a resposta de E. meridionalis ocorre a concentrações inferiores. Pelo que, E. meridionalis parece ser mais sensível ao nível bioquímico. Neste trabalho, os dois detritívoros, com ligeiras diferenças no modo como utilizam a matéria orgânica disponível, apresentam diferenças na sensibilidade aos metais essenciais a vários níveis de organização biológica, sendo o zinco o metal que poderá causar maior preocupação a nível bioquímico, enquanto o cobre parece ser o mais tóxico ao nível do organismo, causando mortalidade a concentrações mais baixas.

The constant input of contaminants to freshwater ecosystems, from either anthropogenic or natural sources, has contributed over the years to ecosystem degradation. Among them are metals, which can be divided into non essential and essential catagories by means of their role in organisms metabolism. Copper and zinc are essential metals. However, despite their importance for organisms, when high concentrations are achieved they can be toxic. Aquatic detritivore feeding, namely on carcasses and plant leaves that fall into watercourses, have a fundamental role in organic matter decomposition allowing the accomplishment of nutrient cycles. Therefore, these organims act as a link for all ecosystem functional groups, allowing the maintenance of ecosystem structural and functional equilibrium. As organic matter is their main source of energy, they are exposed to environment contamination and therefore toxicity of metals to detritivores must be assessed. Alterations in their behaviour can lead to variations in the diversity and density of communities and consequently induce deleterious effects to the equilibrium of aquatic ecosystems. The main goal of the present work is to assess the effects of metal contamination on detritivores. To achieve this goal we evaluated the sensitivity of two aquatic detritivores, the shrimp Atyaephyra desmarestii and the amphipod Echinogammarus meridionalis to two essential metals, copper and zinc. Different sets of experiments at different organization levels were performed. Firstly, we assessed the feeding preferences of A. desmarestii and E. meridionalis considering both leaf area and metal contamination. Secondly, we evaluated the effects of copper and zinc on survival and ingestion rates of both species. Finally, the effects at the biochemical level were assessed using a battery of biomarkers, including oxidative stress enzymes, the defence antioxidant system and cholinesterases. In general, the organisms did not show any preference regarding leaf area and the presence of copper or zinc did not influence their feeding choice. The acute assays with copper and zinc showed that copper is more toxic to both species than zinc. the shrimp species is more sensitive to zinc than the amphipod which is more sensitive to copper. The LC50 values for copper were 0.128 mg.l-1 and A. desmarestii and 0.050 mg.l-1 for E. meridionalis. The correspondent values for zinc were 7.951 and 11.860 mg.l-1, respectively. Considering sub-lethal effects, copper caused delaterious effects on the feeding rate of E. meridionalis but did not affect A. desmarestii. On the other hand, after exposure to zinc for both species showed some tendency for feeding inhibition. The main form of cholinesterase present in both species is acetylcholinesterase. This enzyme was not affected by the presence of copper and zinc in the case of the shrimp, but was apparently inhibited by zinc in the amphipod species. The enzymatic defence system of both species was inhibited by the exposure to copper, without any signs of oxidative damage. Furthermore, copper inhibited one of the anti-oxidants enzymes (GPx) of the amphipod E. meridionalis. Despite the fact that no lipidic damage occurred after exposure to copper, there was a slight increase in LPO levels. This might be indicative of a potential occurrence of oxidative damage, as a result of a failure of the antioxidant defence system. On the other hand, zinc induced the antioxidant defence system in E. meriodionalis, which prevented the occurrence of lipidic damage. In A. desmarestii, the antioxidant enzymatic system did not respond and oxidative cellular damage occurred and thus it appears that the antioxidant defence system of the shrimp species could be compromised by metal exposure. Furthermore, the oxidative cellular damage was observed for low concentrations of zinc. Exposure to zinc also induced the activity of the amphipod GST. Considering that the feeding rate was also severely reduced in E. Meridionalis, zinc seems to be a metal of major concern. From analysis of the integrated biomarker response it also seems evident that A. desmarestii responds in general to higher concentrations of both metals while E. meridonalis to lower concentrations. Thus, E. meridonalis is more sensitive at biochemical level. In this work, the detritivores, with slightly differences in available organic matter use, presented differences in sensitivity to metals at several biological organisation levels. Moreover, zinc seems to be a metal of major concern at the biochemical level, more so than copper, which however seems to be the most toxic at the organism level, leading to mortality at lower concentrations.