Experimentální modely chronické ekotoxicity s vodními bezobratlými

Ing. Marie Smutná, Ph.D.

Disertační práce

Experimental models of chronic ecotoxicity with aquatic invertebrates

Anotace:

Jedním z významných problémů moderní doby je znečištění životního prostředí. Vlivem lidské činnosti se do prostředí dostávají stovky různých chemických sloučenin. Většina z těchto látek způsobuje již v nízkých koncentracích významné toxické efekty a stává se nebezpečnými pro živé organismy. Část znečištění zůstává zachyceno v půdě a část je transportována do vodních ekosystémů. Předkládaná disertační práce byla zaměřena na studium experimentálních modelů chronické ekotoxicity s vodními bezobratlými. Z množství standardizovaných metod byly vybrány dva modelové organismy Hrotnatka velká - Daphnia magna (vhodná pro testy kapalné složky vodního ekosystému) a Nitěnka obecná - Tubifex tubifex (jako představitel testů pro hodnocení pevné části – sedimentů). V rámci práce bylo srovnáno a optimalizováno několik testů na vybraných organismech. Optimalizované metody pro D. magna byly použity pro hodnocení ekotoxikologických účinků skupiny organických kontaminantů - dusíkatých derivátů polyaromatických uhlovodíků a také pro hodnocení toxicity komplexních vodních květů tvořených sinicemi a jejich metabolitů - přírodních toxinů (mikrocystinů). Výsledky ukázaly, že dusíkaté deriváty polycyklických aromatických uhlovodíků měly významný vliv na přežívání a rozmnožování D. magna. Kromě toho bylo dokázáno, že změny koncentrace glutathionu a aktivity detoxifikačního enzymu glutathion peroxidázy jsou velmi citlivé, protože významné změny byly pozorovány u nižších koncentrací než byly koncentrace způsobující změny v chronickém testu. Proto by tyto parametry mohly být použity jako jako indikátory včasného varování. Nejtoxičtější testovanou látkou byl 1,10 – fenantrolin. V druhé studii bylo testováno několik rozdílných vodních květů, které se lišily druhovým složením i obsahem mikrocystinů. Vodní květy byly rozděleny na několik frakcí: homogenizovaná biomasa sinic, vodný extrakt a dvě frakce připravené extrakcí na pevné fázi - permeát a eluát. Jako nejtoxičtější byla vyhodnocena celková biomasa a vodný extrakt. Překvapivě frakce obsahující mikrocystiny (eluát) vykazovala nejmenší vliv na přežívání i reprodukci. Dalším zajímavým závěrem bylo zjištění, že toxicita jednotlivých frakcí neba závislá na obsahu mikrocystinů. Naše studie potvrdila hypotézu, že nejen mikrocystiny ale především další látky (jako lipopolysacharidy nebo alkaloidy) obsažené v biomase sinic mohou způsobovat ekotoxikologické efekty a nemohou být přehlíženy. Čtrnáctidenní testy s nitěnkami a optimalizované metody stanovení biochemických markrů oxidativního stresu byly součástí komplexní baterie testů použité ve studii hodnocení toxicity sedimentů z Brněnské přahrady. Z výsledků je patrné, že sedimenty nejsou nijak významě kontaminovány. Jen v několika případech byly překročeny hodnoty koncentrací nepolárních extrahovatelných látek, polyaromatických uhlovodíků a zvýšena ekotoxicita. Testy s T.tubifex a hlavně biochemické markry mnohem lépe korespondovaly z hladinami znečištění sedimentů než ostatní ekotoxikologické testy. I tato studie potvrdila že zařazení testů s biochemickými markry je vhodným doplněním baterie testů pro hodnocení kvality vodních ekosystémů. Z pozorovaných výsledků vyplývá, že experimentální modely chronické ekotoxicity jsou nezbytnou součástí hodnocení účinků jak chemických sloučenin tak i směsí různých látek na vodní ekosystémy.

Abstract:

Chemical pollution is a serious problem of the modern era. Thousands of different chemical compounds are released into the environment because of various human activities. Many of these substances exhibit toxic effects in low concentrations or doses, may occur at environmental levels hazardous for living organisms, and thus might represent human health as well as ecological risk. Part of pollution can be bound in the soil but most of them are transported into aquatic ecosystem. This work focused on the study of experimental models of chronic ecotoxicity with aquatic invertebrates. A variety of standard methods have been reported for the assessment of the toxicity in the aquatic environment. We have selected two model organisms Daphnia mahna (suitable for testing of the liquid part of aquatic environment) and Tubifex tubifex (suitable for assessment of the solid part of aquatic environment - sediments). Several tests with selected model organisms were optimised and compared in this study. Optimized methods for D.magna were used for studies of ecotoxicological effects of organic contaminants: N-heterocyclic polycyclic aromatic hydrocarbons and for research of the complex cyanobacterial water blooms and their metabolities: natural toxins (microcystins). The results showed that N-heterocyclic polycyclic aromatic hydrocarbons had significant effect on survival, reproduction and fecundity of D.magna. Moreover, we have revealed that biomarkers such as GSH and GPx were generally sensitive and affected by most of the tested compounds. Consequently, these parameters could be used as potential markers for long-term effects of N-PAHs in aquatic ecosystems and might serve as early warning parameters. Of the tested compounds, 1,10 - phenanthroline were the most toxic compound in all assays. Second part focused on the problem of toxic cyanobacteria. In our studies, cyanobacterial biomasses from different localities with various microcystin content caused mortality in acute D.magna test and inhibition of reproduction in 21 day chronic test. We have tested not only complex biomass but also different fractions (such as aqueous extract, C18 permeate, eluate or pellet). Biomass and aqueous extract were the most toxic in tests with D.magna. Suprisingly, the fraction with preconcentrated microcystins (eluate from SPE) caused minor mortality and lower effects on reproduction. Similarly, effects of other fracions also did not depend on concentrations of microcystins. We have proven that other components (such as lipopolysaccharides, alkaloides and many other) should not be overlooked because they can cause ecologically relevant effects. The fourteen day assay with T.tubifex and the optimized method for determination of biochemical markers were including in the complex study of sediments from the Brno reservoir. The results have shown generally lower contamination except of locally increased concentrations of NEC and PAHs and significant ecotoxicity at several sites. The results from the test with Tubifex tubifex and namely sublethal biomarkers corresponded well with the level of contamination. T.tubifex repsonses were more sensitive than other standard ecotoxicity tests. Our study demonstrated that implementation of biomarkers into the assessment of pollution of the freshwater ecosystem provides means for complex evaluation of the health status of aquatic organisms including the sediment macroinvertebrates. This work demonstrates urgency using of experimental models of chronic toxicity for toxicity assessing of chemical compound and mixtures from environment in modern ecotoxicology.

Keywords

ecotoxicological biotests, chronic toxicity, Daphnia magna, Tubifex tubifex, cyanobacteria, N-PaAHs

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 20. 2. 2007

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 20. 2. 2007
• Vedoucí: prof. Ing. Blahoslav Maršálek, CSc.

Masarykova univerzita

Přírodovědecká fakulta

Doktorský studijní program / obor:
Chemie / Chemie životního prostředí