Combined approaches for evalution of sediment toxicity - chemical analyses, in vitro assays and in vivo biotests

Mgr. Edita Mazurová, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Všeobecné zhoršení kvality ekosystému sladkých vod a jejich kontaminace jsou jedním z hlavních celosvětových problémů životního prostředí. Řada vodních ekosystémů zůstává silně znečištěna a představuje stálé riziko jako nekontrolovaný zdroj různých druhů polutantů. Tato ekotoxikologická studie přispívá k problematice hodnocením reprodukčních efektů u modelových organismů způsobených (i) syntetickými látkami, které mohou být uvolněny do vodního prostředí a (ii) expozicí reálnými znečištěnými sedimenty. První část disertační práce zpracovává současné znalosti o endokrinní toxikologii korýšů. Poznatky o hormonální regulaci u korýšů jsou syntetizovány s ekotoxikologickými daty pro tento taxon s cílem odhalit možné efekty xenobiotik na regulaci reprodukce. Toxicita vyvolaná hormonálními změnami je dále hodnocena v modelové laboratorní studii. Naše výsledky ukazují, jak jsou ovlivňovány základní i nově popsané parametry reprodukce u Dapnia magna v průběhu subchronické a chronické expozice čtyřem modelovým endokrinním disruptorům – vinklozolinu, flutamidu, ketokonazolu a dikofolu. Podstatná část disertační práce je zaměřena na popis negativních efektů způsobených expozicí kontaminovanými sedimenty. Experimenty sestávaly z komplexního hodnocení, které zahrnuje chemické analýzy, in vitro biotesty a laboratorní expozice in vivo. Nádrž Pilňok (Ostravsko-Karvinský region, Česká republika) byla vybrána jako modelová kontaminovaná lokalita, na které se vyskytuje přirozená populace raka bahenního Pontastacus leptodactylus se zvýšeným procentem jedinců vykazujících intersex. Toxicita sedimentů byla srovnána s efekty, které vykazovaly další tři sedimenty různého typu a stupně znečištění, sbírané na tocích a nádržích v České republice a v Německu. Použitými in vitro testy byla vyhodnocena schopnost organických extraktů (připravených z těchto sedimentů) vyvolat specifickou toxicitu. Nejsilnější efekty byly prokázány u organického extraktu připraveného ze sedimentů odebraných z nádrže Pilňok, kdy extrakty vykazovaly významnou dioxinovou aktivitu, estrogenitu i antiandrogenitu. Dále byla hodnocena schopnost organických extraktů modulovat expresi několika genů kódujících enzymy významné ve steroidogenezi a tím schopnost ovlivnit metabolismus steroidních hormonů. V další části věnované laboratorním in vivo experimentům s přírodními sedimenty byly sledovány změny parametrů reprodukce u dvou vodních bezobratlých (u předožábrého plže písečníka novozélandského Potamopyrgus antipodarum a u korýše blešivce potočního Gammarus fossarum). Posun v reprodukčním cyklu samic, zvětšení pozdně vitellogenních oocytů a vyšší podíl atretických oocytů v ovariích byly významné fyziologické změny zaznamenané u samic b. potočního vystavených účinkům sedimentů z nádrže Pilňok. Obdobné změny byly nalezeny také u plodnosti plže p. novozélandského. Další fysiologické a histopatologické změny zjištěné u obou modelových organismů svědčí o narušení reprodukční schopnosti obou druhů v důsledku expozice sedimentem z nádrže Pilňok v míře, která může vést k vážným negativním vlivům až na úroveň populace. Naše studie jako celek dokládá nutnost komplexního přístupu k hodnocení toxicity heterogenních environmentálních vzorků (jakými jsou např. sedimenty) a předkládá vhodnou kombinaci in vitro a in vivo biologických testů pro takováto hodnocení.

Abstract:

Contamination and general degradation of freshwaters is one of the major environmental problems worldwide. Many ecosystems remain highly polluted and sediments, in particular, serve as sinks and sources of various types of contaminants. This study presents an extended description of reproduction relevant effects caused (i) by synthetic chemical substances that might be released into the aquatic environment and (ii) by exposure to real polluted sediments. The first part of the dissertation reviews the current knowledge about the endocrine toxicology in crustaceans. The current knowledge about the endocrine regulation of the crustacean reproduction is put together with the published ecotoxicological data with an attempt to summarize the potential of xenobiotics to affect crustacean reproduction. Endocrine-induced toxicity is further examined in the model laboratory studies. Our results demonstrate modulations of the classical as well as novel toxicity endpoints related to reproduction in Daphnia magna during subchronic and chronic exposures to four model endocrine disruptors - vinclozolin, flutamide, ketoconazole and dicofol. Major part of the dissertation focuses on the characterization of toxicity of natural sediments by combining chemical analyses with in vitro and in vivo assays. The lake Pilnok (Ostrava region, Czech Republic) was selected as one of the model localities due to high incidence of intersexual individuals in the crayfish population of Pontastacus leptodactylus found in this lake. Effects of this sediment were compared with other 3 sediments with different type of pollution originated from creeks and lakes in Czech Republic and Germany. The assessed in vitro bioassays provided information on the overall potency of the sample extracts to elicit specific toxic effects. The most toxic organic extract prepared from the sediment sampled at the lake Pilnok elicited significant dioxin-like activity, estrogenicity and (anti)androgenicity. Moreover, the results from novel H295R cell bioassays showed that sediment extracts modulated expression of several genes involved in the steroidogenesis, i.e. synthesis of steroid hormones. Further, set of in vivo experiments have shown that reproduction parameters investigated in two freshwater invertebrates (prosobranchian snail Potamopyrgus antipodarum and amphipod Gammarus fossarum) were seriously altered during exposures to the lake Pilnok sediment. We have found shift in the reproduction cycle of females, bigger size of late vitellogenic oocytes and higher proportion of atretic oocytes in ovaries of G. fossarum females. These findings indicate stimulated reproduction. Corresponding findings were also found in P. antipodarum. Various physiological and histological parameters were apparently affected in both invertebrates and consequent disruption of the reproduction may have important consequences at the population level. Our study emphasizes the need for integrated approaches combining in vitro and in vivo biological techniques to elucidate ecotoxicological impacts of complex contaminated environmental samples such as sediments.

Keywords

Klíčová slova, toxicita sedimentů, endokrinní disrupce, sladkovodní bezobratlí, in vitro biotesty. Keywords, sediment toxicity, endocrine disruption, freshwater invertebrates, in vitro bioassays.

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 22. 9. 2008

Thesis defence

• Date of defence: 22. 10. 2008
• Supervisor: prof. Ing. Blahoslav Maršálek, CSc.
• Reader: doc. RNDr. Jakub Hofman, Ph.D., Doc. RNDr. Miroslava Beklová, CSc., Prof. Dr. Henner Hollert

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Chemistry (4-years) / Environmental Chemistry