Cadmium phytotoxicity and trophic transfer to isopods

Abstract

O cádmio (Cd) é um metal não essencial e é considerado um poluente prioritário pela comunidade europeia. Este metal atinge o ambiente no decurso de várias actividades antropogénicas e tende a concentrar-se nos solos e sedimentos, onde está potencialmente disponível para as plantas, sendo posteriormente transferido através da cadeia trófica. Neste contexto, o principal objectivo da presente dissertação foi o estudo dos efeitos da assimilação e da acumulação de Cd em plantas e as suas consequências para animais consumidores. Numa primeira fase, foram estudados os principais efeitos fisiológicos e genotóxicos do Cd em plantas. As plantas de alface (Lactuca sativa L.) expostas a Cd apresentaram um decréscimo na eficiência fotossintética, aumento de peroxidação lipídica e alterações significativas na actividade de enzimas de stress oxidativo. Estas alterações culminaram num decréscimo do crescimento da parte aérea no final da exposição. As respostas obtidas pelos parâmetros bioquímicos sugerem que estes poderão ser utilizados como eventuais biomarcadores em testes ecotoxicológicos com Cd em abordagens integrantes em conjunto com parâmetros clássicos. Os efeitos mutagénicos de Cd foram avaliados através da determinação da instabilidade de microsatélites (IM). Não foi observada IM, nem nas folhas nem nas raízes de plantas de alface com 5 semanas de idade expostas a 100 μM Cd durante 14 dias, no entanto observou-se IM em raízes de alface exposta a 10 μM Cd durante 28 dias desde a germinação. A idade da planta e a maior acumulação de Cd nas raízes poderão explicar os resultados obtidos. A clastogenicidade de Cd foi analisada em três espécies vegetais com diferentes capacidades de destoxificação e acumulação de metais através de citometria de fluxo. Foram detectadas alterações significativas nos parâmetros analisados em raízes alface, mas não nas espécies Thlaspi caerulescens J & C Presl e Thlaspi arvense L. Estes resultados sugerem que o stress provocado pelo Cd originou clastogenicidade como consequência da perda de porções de cromossomas, uma vez que o conteúdo de ADN nuclear diminuiu. A transferência trófica através da cadeia alimentar permanece muito pouco estudada em termos ecotoxicológicos. A distribuição subcellular de metais num organismo pode ser utilizada para compreender a transferência trófica de um metal na cadeia alimentar. Como tal, numa última parte é estudado de que modo a distribuição subcellular do Cd em plantas com perfis de acumulação de Cd distintos afecta a biodisponibilidade e transferência trófica de Cd para isópodes. A distribuição de Cd entre as 4 fracções subcelulares obtidas através de centrifugação diferencial revelou a existência de diferenças significativas entre as espécies de plantas. Estes resultados em conjunto com a avaliação directa da eficiência de assimilação (EA) de Cd individual de cada uma das quatro fracções subcelulares das plantas em estudo, resultou em informação de grande relevância para a explicação das diferenças observadas na EA de Cd por parte de isópodes alimentados com folhas de diferentes espécies de plantas. Com base nos resultados obtidos, o Cd ligado a proteínas estáveis à temperatura (e.g. metaloteoninas e fitoquelatinas) é o menos biodisponível, sendo assim o que menos contribuiu para a transferência trófica, enquanto que o Cd ligado a proteínas desnaturadas pela temperatura foi a fracção mais disponível para transferência trófica de Cd ao isópode. Estes resultados realçam a relevância ecológica da distribuição subcelular de Cd em plantas que tem influência directa na tranferência trófica deste metal para os consumidores e ainda o facto de que alterações na distribuição subcelular de Cd em plantas devido a diferentes mecanismos de destoxificação poderá ter um impacto directo na transferência trófica de Cd para o animal consumidor.

Cadmium (Cd) is a non-essential metal and is considered a priority pollutant by the European Community. This metal is released to the environment as a consequence of several anthropogenic activities and tends to accumulate in soils and sediments where it is potentially available to rooted plants causing severe detrimental effects and then transferred to animals through the food chain. In this context, the main objective of the present dissertation is to study the effects of Cd uptake and accumulation in plants and its implications to animal consumers. First, the main physiologic and genotoxic effects of Cd to plants were examined. Cadmium-exposed lettuce (Lactuca sativa L.) plants displayed a significant decrease in photosynthetic efficiency, enhanced lipid peroxidation and alterations in the activities of antioxidant enzymes over the duration of exposure. These alterations culminated in reduced shoot growth at the end of the exposure. The aforementioned biochemical alterations are suggested to be used as plant biomarkers in integrative approaches with classical endpoints in future ecotoxicological tests with Cd. The mutagenic effects of Cd on plants were assessed examining microsatellite instability (MSI). No MSI was found neither in leaves nor roots of 5-week old lettuce plants exposed to 100 μM Cd, but MSI was found in roots of lettuce plants exposed to 10 μM for 28 days from seed germination. The age of the plant at the time and the higher accumulation of Cd in the roots might explain the results obtained. Clastogenic effects of Cd was examined in plants with different metal accumulation and detoxification capacities by flow cytometric (FCM). The endpoints analysed indicated significant alterations in lettuce roots but not in Thlaspi caerulescens J & C Presl and Thlaspi arvense L.. The results obtained suggested that Cd stress may have lead to clastogenic damage as a consequence of loss of chromosome portions because nDNA content was found to be diminished. Trophic transfer through the food chain remains a largely unexplored area of ecotoxicology. Subcellullar distribution of metal accumulated within an organism can be used to understand metal trophic transfer within a food chain. Thus, in a final stage we examined how Cd subcellular distribution in plants with different patterns of Cd accumulation can affect assimilation of Cd by the isopod. The distribution of Cd between the four different subcellular fractions obtained by differential centrifugation revealed significant differences between the plant species. This, together with the direct assessment of isopod Cd AE from individual subcellular fractions of the leaves of the three plant species, resulted in vital information to help explain the differences observed in Cd AE by isopods fed the different type of leaves. On the basis of our results, Cd bound to heat-stable proteins (e.g. phytochelatins and methallothionein) was the least bioavailable to isopods and contributed less to the trophic transfer of Cd, while Cd bound to heat-denatured proteins was the most trophically available to the isopod. These results point to the ecological relevance of the subcellular distribution of consumer and highlight that a shift in Cd subcellular distribution in plants due to different detoxifying mechanisms may have a direct impact in the trophic transfer of Cd to the animal consumer.