Fyziologické a molekulární odezvy vodních organizmů na účinky chemických látek

MSc. Latifeh CHUPANI

Doctoral thesis

Physiological and molecular responses of aquatic organisms to chemical exposure

Abstract:

The biochemical and physiological responses of organisms to xenobiotic chemicals have been investigated for many years as general indicators of organism health. These markers have been used in the development of the synthetic pharmaceuticals and screening of effects of environmental pollutant on biological systems, and in clarifying their modes of action. Recently, use of "OMICS" approaches has received great attentions in exploring the effects of chemical contaminants at the molecular level and is one of the rapidly developing areas in the field of toxicology. Use of molecular response within aquatic organisms has been reviewed and are considered as early changes occurring in response to chemical exposure. ZnO NPs are widely used and possess great potentials in food industry and agriculture. Their subsequent release into environment has raised concerns about their potential effects on aquatic organisms. Although, the dietary exposure perhaps is the main route to expose aquatic animals to nanomaterials, the majority of studies are focused on assessment of waterborne exposure. The molecular mechanisms inducing their toxicity on biological system even less investigated. The present study was conducted to explore weather ZnO NPs can be accumulated in internal organs of carp, as a model fish, as well as to assess fish responses to the presence of ZnO NPs in the feed at protein, biochemical, and histological levels. Our results showed nor apparent accumulation of ZnO NPs neither major changes in haematological parameters, lipid peroxidation level, and histology of internal tissues. Our observations showed that 500 mg ZnO NPs per kg of feed caused changes in pathways and the level of proteins associated with cell motility, immune system response, protein synthesis, cell metabolism, and cell survival in intestine as well as it affected the proteins related to immune system in serum. Treated fish underwent these physiological and molecular changes probably attempted to adjust to ZnO NPs as an external stressor. These changes can be considered as compensatory mechanisms to maintenance homeostasis which have an associated energetic cost. If energetic demands to cope with stress exceeds the capacity of limit, then organism's health will be negatively affected. In the second part of study, peracetic acid in tested therapeutic doses (1 and 3 mg L-1 in grass carp and 10 mg L-1 in signal crayfish) caused some histological alterations in gills as well as changes in the activities of antioxidant enzyme in treated animals. It seems that the observed changes were not large enough to induce mortality in treated animals. According our observation after recovery period, it seems that those changes are reversible if it is followed by a sufficient recovery period allowing animals to restore their disturbed homeostasis. However, species-specific differences should be considered while treating more sensitive species. Toward establishing a safe application guideline, more studies will be required to investigate the given issues.

Abstract:

Biochemické a fyziologické reakce organismů na xenobiotika, jako obecné ukazatele zdraví organismů, jsou zkoumány již mnoho let. Těchto ukazatelů je využíváno při vývoji syntetických léčiv a screeningu účinků znečišťujících látek na biologické systémy a při objasňování jejich působení. V poslední době je věnována velká pozornost využívání "OMICS" přístupů, a to zejména při zkoumání účinků chemických kontaminantů na molekulární úrovni. "OMICS" přístupy jsou jednou z nejrychleji se rozvíjejících oblastí v oboru toxikologie. Reakce vodních organismů jsou zkoumány na molekulární úrovni, protože se zde nejdříve promítnou změny způsobené chemickou expozicí. ZnO nanočástice jsou široce používány s dalším potenciálem v potravinářském průmyslu a zemědělství. Jejich následné uvolnění do životního prostředí však vyvolává obavy z možných účinků na vodní organismy. Ačkoli jsou vodní organismy vystavovány nanočásticím pravděpodobně v nejvyšší míře perorální cestou, většina studií je doposud zaměřena nejvíce na hodnocení expozice vodním prostředím. Molekulární mechanismy způsobující jejich toxicitu v biologickém systému jsou zkoumány ještě méně. Tato práce byla provedena za účelem zkoumání schopnosti akumulace ZnO nanočástic podávaných v krmivu ve vnitřních orgánech kapra jako modelové ryby. Odezvy organismu byly posuzovány na proteinové, biochemické a histologické úrovni. Naše výsledky neprokázaly ani zjevnou akumulaci ZnO nanočástic, ani významné změny hematologických parametrů, hladiny peroxidace lipidů a histologických změn tkání. Naše pozorování prokázaly, že 500 mg ZnO nanočástic na kg krmiva způsobilo změny v dráhách a hladině proteinů spojených s buněčnou motilitou, změny v reakci imunitního systému, v syntéze proteinů, v buněčném metabolismu a přežívání buněk ve střevě. Rovněž byla touto dávkou ovlivněna skladba sérových proteinů souvisejících s činností imunitního systému. Ryby vystavené účinkům ZnO nanočástic, jako zevního stresoru, vykazovaly popsané změny zřejmě jako kompenzační mechanismus nutný k udržení vnitřní homeostázy a energetické rovnováhy. Pokud energetické nároky na zvládnutí stresu překročí kapacitu limitu, je negativně ovlivněno zdraví organismu. Ve druhé části studie byla testována kyselina peroctová v terapeutických dávkách 1 a 3 mg L-1 u amura bílého a 10 mg L-1 u raka signálního. Testované koncentrace způsobily u léčených zvířat histologické změny žaber a změny v aktivitě antioxidačních enzymů. Pozorované změny však nezpůsobily mortalitu ošetřovaných ryb a po období zotavení se změněné hodnoty navrátily do původního stavu. Z práce vyplývá, že popsané změny jsou reverzibilní, jestliže následuje dostatečná doba zotavení, která dovoluje zvířatům obnovit jejich narušenou homeostázu. Při léčbě citlivějších druhů je však třeba vzít v úvahu druhové specifické rozdíly. K vytvoření bezpečného aplikačního manuálu pro jednotlivé vodní organismy by bylo žádoucí provést další rozšiřující studie.

Keywords

kapr, Kyselina peroctová, Proteomika, Oxidační stres, ZnO nanočástice

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 31. 8. 2017

Thesis defence

UNIVERSITY OF SOUTH BOHEMIA IN ČESKÉ BUDĚJOVICE

Faculty of Fisheries and Protection of Waters

Doctoral programme / field:
Zootechnics / Fishery