Bioaktivní látky ve vodním prostředí a jejich vliv na ryby - zaměření na cytochromy P450 v rybách

MSc. Sidika SAKALLI

Doctoral thesis

Bioactive compunds in the aquatic environment and their effects on fish - a special focus on piscine cytochrome P450

Abstract:

The term "biologically active compounds" covers a wide range of substances originating from natural or synthetic origins. These compounds can enter the aquatic environment through wastewater treatment plants, manufactural discharge or they are naturally present in the aquatic plants or microorganisms. Their adverse effects on fish has been widely studied and accepted. This thesis is focussed on the adverse effect of several bioactive compounds (i.e. pharmaceuticals, phytochemicals, or complex mixture of pollutants) on fish using different experimental design as in vitro, in vivo and in situ. In the first part of this thesis, in vitro effects of pharmaceuticals and phytochemicals or their combinations on fish CYP system were investigated. Moreover, effects of standard carrier solvents used in enzyme activity assays were also investigated. An important finding in this study was the lack of effects of either dexamethasone, quercetin, or indole-3-carbinol on EROD activity; however, when these agents were combined, EROD activity was strongly inhibited. This demonstrates that combination of compounds might exert different effects than single compounds, and the effects of mixture compounds cannot be predicted from the effects of individual compounds. In the second part of the thesis, the effects of chronic exposures of rainbow trout to dexamethasone and clotrimazole were investigated. The results regarding dexamethasone showed similarities with in vitro studies, and both in vitro and in vivo exposure of dexamethasone did not alter the CYP enzyme activities. On the other hand, in vivo exposure of clotrimazole yielded conflicting results with findings from the in vitro studies. Clotrimazole induced EROD activity in chronically exposed rainbow trout, and BFCOD activity showed biphasic pattern in which it was inhibited at environmentally relevant concentrations and induced at high concentrations. Thus, the observed effects suggest that clotrimazole could negatively affect fish CYPs at environmentally relevant concentrations. However, in the environment, the effects of clotrimazole and dexamethasone on fish CYPs system might be modified because of unknown compounds in these mixtures. Therefore, further investigations were done to identify the effects of mixture compounds using an in situ model. The last part of the dissertation addresses the effects of cocktail PPCPs on common carp under natural conditions. In situ studies provide valuable information on both hepatic and intestinal CYP activities. Both EROD and BFCOD activities were affected by the PPCPs that are present in the exposed fish. Moreover, changes in intestinal CYP activities suggest that fish can ingest some of these contaminants through their feed. Therefore, the intestines might be responsible for elimination of some of these pollutants and act as the first barrier of pollutant entry in fish. Despite the extensive studies concerning aquatic pollution, further studies are necessary. Development of new pharmaceuticals, their occurrence in the aquatic environment, and their effects on non-target organisms should be continuously monitored.

Abstract:

Pojem biologicky aktivní sloučeniny zahrnuje širokou škálu látek přírodního nebo syntetického původu. Tyto sloučeniny mohou vstoupovat do vodního prostředí prostřednictvím čistíren odpadních vod, průmyslovými výrobními procesy nebo se přirozeně vyskytují ve vodních rostlinách nebo mikroorganismech. Jejich nepříznivé účinky na ryby jsou intenzivně studovány a dokládány. Tato práce je zaměřena na studium nepříznivých účinků několika bioaktivních látek (tj. léčiv, fytochemikálií nebo komplexních směsí znečišťujících látek) na ryby s odlišným experimentálním provedením zahrnujícím in vitro, in vivo a in situ experimenty. V první části práce byly in vitro zkoumány účinky léčiv a fytochemikálií nebo jejich kombinací na systém CYP u ryb. Dále byl zjišťován vliv organických rozpouštědel použitých v metodice esejí enzymové aktivity. Důležitým zjištěním v tomto experimentu bylo, že dexamethason, kvercetin a indol-3-karbinol samotně neovlivňují aktivitu EROD, nicméně v jejich kombinaci byla aktivita EROD silně inhibována. Tento výsledek ukazuje, že kombinace sloučenin může mít odlišné účinky oproti působení jednotlivých látek a účinky směsí nemohou být předpovězeny pouze na základě studia působení jednotlivých sloučenin. Ve druhé části práce byly zkoumány účinky chronické expozice pstruha duhového dexamethasonu a clotrimazolu. Výsledky týkající se dexamethasonu vykazovaly podobnosti s in vitro studiemi, a to jak in vitro, tak i in vivo expozice dexamethasonu neměla vliv na aktivity enzymů CYPs. Na druhé straně výsledky in vivo expozice clotrimazolu vykazovaly v porovnání s in vitro experimentem nejednoznačné výsledky. Clotrimazol indukoval aktivitu EROD u chronicky exponovaného pstruha duhového a aktivita BFCOD vykazovala dvojfázový průběh, inhibici v environmentálně relevantních koncentracích a naopak indukci vyvolanou vysokými koncentracemi. Pozorované účinky naznačují, že clotrimazol může negativně ovlivnit CYP ryb již při environmentálně relevantních koncentracích. Nicméně v životním prostředí mohou být účinky clotrimazolu a dexamethasonu na systém CYP u ryb modifikovány při působení neznámých směsí. Z tohoto důvodu byla provedena navazující studie zaměřená na identifikaci účinků směsí sloučenin za použití in situ experimetu. Poslední část disertační práce se zabývá dopady směsí PPCP na kapra obecného v přirozencývh podmínkách. In situ experiment poskytuje cenné informace o aktivitě jateních a střevních cytochrómů u exponovaných ryb. Obě sledované enzymové aktivity EROD a BFCOD byly ovlivněny PPCP identifikovanými u exponovaných ryb. Změny v aktivitách střevních CYP naznačují, že ryby mohou některé z těchto kontaminantů přijmout prostřednictvím potravy. Střeva plnící funkci první bariéry vstupu znečišťujících látek do organismu mohou být odpovědná za eliminaci některých z těchto znečišťujících látek. I přes rozsáhlé studie o znečištění vodních zdrojů vyvstává potřeba provádět specifické experimenty. Neustálý vývoj léčiv, jejich nekontrolovaný výskyt ve vodním prostředí a nepříznivé působení na necílové organismy přináší potřebu průběžného sledování.

Keywords

in vitro, in vivo, in situ, CYP450, EROD, PNPH, BFCOD, biomarkery, ryby, játra, střevo

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 6. 9. 2018

Thesis defence

UNIVERSITY OF SOUTH BOHEMIA IN ČESKÉ BUDĚJOVICE

Faculty of Fisheries and Protection of Waters

Doctoral programme / field:
Zootechnics / Fishery