Psychoaktivní sloučeniny ve vodním prostředí a jejich účinky na ryby

DVM MSc. Maria Eugenia SANCHO SANTOS

Doctoral thesis

Psychoactive compounds in aquatic environment and their effects on fish

Abstract:

Psychoactive substances are emerging compounds that have received an increasing interest in ecotoxicology as a result of their ubiquitous presence in the environment, and the possible effects over non-targeted fauna. They have been detected in continental waters at concentrations ranging from nanograms to micrograms per litre, mainly as a consequence of the ineffective removal in the sewage treatment plants. Within this group of substances, methamphetamine and tramadol were selected in this dissertation due to the lack of research about their potential effects despite of the high amounts reported in water. Methamphetamine, mainly consumed as an illicit drug, is an addictive psychostimulant with special relevance in Central Europe. Environmental relevant and higher concentrations of methamphetamine in water leaded to histopathological alterations in heart and liver in brown trout (Salmo trutta m. fario). The major changes in heart were microvascular injuries, infiltration and fibrosis; and cytoplasmatic vacuolation of hepatocytes in liver. In addition, apoptotic changes were observed in liver. The findings were very similar to those reported in human and experimental animals. The parent compound and the main metabolite, amphetamine, were detected in trout tissues following the order kidney > liver > brain > muscle > plasma. The concentrations of the metabolite were evidently higher comparing to the parent compound; therefore, the histological findings could be suspected to partially derivate from amphetamine. Behaviour - i.e. activity and place preference - and metabolome changes for the period of withdrawal were observed in trouts, linked to remnants of the parent compound and the metabolite in brain. Tramadol is an extensively used analgesic which singular mode of action provides added antidepressant and anxiolytic effects. Realistic concentration of tramadol in water was found to impair essential behavioural traits in the chub (Squalius cephalus) - a native fish species in Central Europe. The degree of the outcomes was correlated with the individual amounts of tramadol in brain. Exposed fish exhibited anxiolytic-like effects, illustrated by lesser bold and social individuals comparing to controls. In the boldness test, exposed fish were less frequently out of the shelter and moved a shorter distance, therefore, they explored the new environment less than control fish. The novel object recognition experiment indicated that, although they distinguished the new item, their activity was reduced, and they explored the new object less. The increased interindividual distance indicated that the shoal cohesion was disturbed. The behavioural traits were associated to the treatment, suggesting the influence of the pollutant over fish personality. Bioconcentration factors for tramadol and methamphetamine were low in all cases, thus, the probability of bioconcentration for these substances is very low. However, these compounds are continuously released into water, leading to their pseudo-persistence and the consequent presence in tissues. The occurrence in fish, and the parallelism in the target signalization result in similar actions in these organisms comparing to human and experimental models. Here we evidenced that the water pollution with the tested neuroactive substances in the aquatic compartment could lead to unexpected effects over fauna, and subsequent changes in the whole aquatic ecosystem.

Abstract:

Psychoaktivní látky patří do skupiny nových kontaminantů životního prostředí a díky jejich všudypřítomnosti a možným účinkům jsou stále častějším předmětem zájmu ekotoxikologických studií. Tyto látky byly detekovány ve vnitrozemských vodách v koncentracích od nanogramů po mikrogramy na litr. Řada z nich není efektivně odstraňována v procesech čištění odpadních vod. Pro experimenty realizované v rámci této disertační práce byly z široké skupiny psychoaktivních látekvybrány metamfetamin a tramadol, a to zejména z důvodu minimálního množství dosud realizovaných ekotoxikologických studií týkajících se působení těchto látek na organismy v životním prostředí a také z důvodu poměrně významných koncentrací těchto látek nalézaných v povrchových vodách. Metamfetamin, užívaný hlavně jako nelegální droga, je návykovým psychostimulantem, který je zejména ve střední Evropě nejčastěji užívanou tzv. "tvrdou" drogou. V rámci práce testované environmentálně relevantní a vyšší koncentrace metamfetaminu ve vodě vedly u pstruha obecného (Salmo trutta m. fario) k histopatologickým změnám v srdci a v játrech. Hlavní změnami pozorovanými v srdci byly mikrovaskulární poranění, infiltrace a fibróza, v játrech pak cytoplazmatická vakuolizace hepatocytů. Kromě toho byly v játrech pozorovány apoptotické změny. Nálezy byly velmi podobné nálezům popisovaným u lidí a laboratorních zvířat. Původní sloučenina a její hlavní metabolit amfetamin byly detekovány ve tkáních pstruhů v pořadí ledviny> játra> mozek> sval> plazma. Koncentrace amfetaminu byly evidentně vyšší ve srovnání s metamfetaminem. Proto lze předpokládat, že histologické nálezy částečně vznikají také působením amfetaminu. U pstruhů vystavených působení metamfetaminu byly v poexpoziční době pozorovány rozdíly v chování mezi exponovanou a kontrolní skupinou. Jednalo se o preference aktivity a místa výskytu a o změny metabolomu mozku, které byly dávány do souvislosti se zbytkovým obsahem metabolitu testované látky v mozku exponovaných jedinců. Tramadol je hojně užívané analgetikum, jehož singulární způsob účinku poskytuje přidané antidepresivní a anxiolytické účinky. Bylo zjištěno, že reálně se vyskytující koncentrace tramadolu ve vodě mění základní způsoby chování jelce tlouště (Squalius cephalus), který je ve střední Evropě původním rybím druhem. Úroveň změn chování korelovala u testovaných jedinců s koncentrací tramadolu v jejich mozku. U exponovaných ryb byly pozorovány anxiolytické účinky, např. menší odvaha a odlišné sociální chování ve srovnání s kontrolními jedinci. V testu smělosti exponované ryby setrvávaly déle v úkrytech a pohybovaly se na kratší vzdálenost, proto prozkoumávaly nové prostředí méně než kontrolní ryby. Experiment zaměřený na schopnost rozpoznávání nových objektů naznačil, že ačkoliv exponovaní jedinci odlišili novou položku, jejich aktivita byla snížena a nový objekt prozkoumávali méně. Zvýšená vzdálenost mezi jedinci naznačovala, že je narušena soudržnost hejna. S expozicí byly spojeny i změny chování, což naznačuje vliv znečišťující látky na osobnost ryb. Biokoncentrační faktory pro tramadol a metamfetamin byly ve všech případech nízké, takže pravděpodobnost biokoncentrace je v případě těchto látek velmi nízká. Tyto sloučeniny se však kontinuálně dostávají do vody, což vede k jejich pseudo-perzistenci a následné přítomnosti ve tkáních. Výskyt u ryb a paralelismus v cílové signalizaci vedou k podobným reakcím v těchto organismech jako jsou pozorovány u lidských a dalších živočišných modelů. V našich experimentech jsme prokázali, že znečištění vody testovanými neuroaktivními látkami může vést k neoček

Abstract:

ávaným účinkům na faunu a následným změnám v celém vodním ekosystému.

Keywords

chování, biokoncentrace, droga, ryba, farmaceutika, znečištění

Jazyk práce: English

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 31. 8. 2021

Obhajoba závěrečné práce

• Vedúci: prof. Ing. Tomáš Randák, Ph.D.

UNIVERSITY OF SOUTH BOHEMIA IN ČESKÉ BUDĚJOVICE

Faculty of Fisheries and Protection of Waters

Doctoral programme / odbor:
Zootechnics / Fishery