Specific mechanisms of action of pollutant mixtures in the environment

Mgr. Veronika Jálová, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

V životním prostředí se vyskytuje široké spektrum látek antropogenního i přírodního původu. Environmentální vzorky obsahují směsi látek s různými fyzikálně-chemickými vlastnostmi a potenciální biologickou aktivitou. Některé z těchto látek mohou ovlivňovat endokrinní systém a nepříznivě působit na zdraví volně žijících druhů i člověka. Chemické látky mohou narušovat funkci endokrinního systému různými mechanismy, např. ovlivněním produkce, uvolňování, transportu, metabolizmu, vazby, působení nebo eliminace přirozených hormonů. Dizertační práce je zaměřena na hodnocení kontaminace různých složek prostředí látkami působícími některými specifickými mechanismy účinku za použití in vitro biotestů. Konkrétně bylo studováno působení komplexních environmentálních vzorků na tři intracelulární receptory (estrogenní, androgenní a arylhydro-karbonový receptor). Dizertační práce je rozdělena do tří tematických částí, které se zabývají hodnocením kontaminace různých typů vzorků z říčního prostředí pomocí in vitro testů, kombinací in vitro a in vivo testů pro posouzení kontaminace vodního prostředí a hodnocením znečištění vzduchu látkami se specifickými mechanismy působení. Výsledky uvedené v této práci byly zveřejněny ve čtyřech odborných publikacích a jsou součástí dvou manuskriptů. První část dizertační práce je zaměřena na kontaminaci vodního prostředí. Ve dvou modelových oblastech v České republice byly odebrány různé typy vzorků, které byly testovány na specifické efekty a chemicky analyzovány. V publikacích I a II byl sledován vliv městské aglomerace a čistírny odpadních vod (ČOV) na kontaminaci říčního prostředí. Vzorkovanými matricemi byly sedimenty, dva typy pasivních vzorkovačů (SPMD pro hydrofobní látky a POCIS pro polární látky) a směsné vzorky odpadní vody. Výsledky ukázaly, že městská aglomerace a ČOV přispívají ke znečištění řek různými typy látek. Rovněž byla sledována distribuce jednotlivých specifických aktivit mezi sedimenty, odpadními vodami a vodami vzorkovanými pasivními vzorkovači. Všechny typy vzorků vykazovaly cytotoxicitu a aktivitu dioxinového typu. Estrogenní a androgenní aktivita byla detekována ve vzorcích z ČOV, zatímco antiestrogenita a antiandrogenita se vyskytovala ve vzorcích z říčního prostředí. Měsíční odběry směsných vzorků odpadní vody během celého roku umožnily hodnocení sezónní variability a účinnosti čištění odpadní vody v ČOV. Vzorky sedimentů a vody vzorkované pasivními vzorkovači během čtyř vzorkovacích kampaní byly použity pro studium sezónní variability. Sedimenty vykazovaly zjevné trendy a zároveň nejmenší variabilitu, což potvrzuje vhodnost jejich použití pro hodnocení kontaminace, jelikož odráží dlouhodobější stav řek. Regionální a sezónní variabilita kontaminace sedimentů z jiné průmyslové oblasti byla studována a popsána v článku III. Tato studie se zabývala vztahy mezi chemickými, abiotickými a biologickými parametry, kvantifikací hlavních zdrojů variability environmentálních dat a jejich vlivem na bioindikační potenciál biotestů. Výsledky ukázaly značný potenciál specifických biotestů indikovat rozdíly ve znečištění a také význam abiotických faktorů pro akumulaci polutantů. Druhá část dizertační práce popisuje současné použití in vivo testu s písečníkem novozélandským (Potamopyrgus antipodarum), in vitro testů a chemických analýz pro komplexní hodnocení kontaminovaných sedimentů (článek IV) a kontaminace říčního ekosystému (článek V). V obou studiích, které zahrnovaly laboratorní test s kontaminovanými sedimenty a in situ test na stejných lokalitách jako ve článcích I a II, byla ovlivněna fertilita písečníků a pr

Abstract:

ojevily se rovněž toxické efekty. Třetí část dizertační práce byla zaměřena na hodnocení kontaminace vzduchu. Na specifické efekty byly testovány obě frakce vzduchu, pevná i plynná. Aktivita dioxinového typu a antiestrogenita byly zjištěny ve většině vzorků, zatímco antiandrogenní aktivita byla detekována v plynné frakci a jen částečně v pevné frakci vzorků vzduchu. Tato studie poskytla důležité informace o specifických efektech jednotlivých frakcí vzduchu, který není tak často studovanou matricí jako například vzorky z vodního prostředí. Studie prezentované v dizertační práci potvrzují, že in vitro testy představují vhodnou metodu pro hodnocení kontaminace prostředí látkami s endokrinně disruptivním potenciálem. Umožňují stanovení celkové biologické aktivity látek se stejným mechanismem působení v komplexních vzorcích z prostředí a současně zahrnují i interakce látek ve směsích.

Abstract:

A wide spectrum of chemicals of both anthropogenic and natural origin is present in the environment. Environmental compartments contain mixtures of compounds with diverse physical-chemical properties and potential biological activity. Some of the compounds can interact with the endocrine system of wildlife species and humans and cause adverse health effects. Environmental chemicals can exert endocrine disrupting activity by multiple mechanisms, e.g. interfere with the production, release, transport, metabolism, binding, action or elimination of natural hormones. This thesis is focused on the assessment of contamination of different compartments in the environment by compounds with several important mechanisms of action using in vitro bioassays. Specifically, it is concerned with the interference of complex environmental mixtures with the signalling of three intracellular receptors (estrogen, androgen and aryl hydrocarbon receptor). This thesis is divided into three thematic parts covering assessment of contamination of different types of samples from rivers by in vitro bioassays, combination of in vitro and in vivo bioassays for aquatic contamination assessment and determination of air contamination by compounds with specific mechanisms of action. Presented results are based on four published scientific publications and two manuscripts. First part of the thesis is focused on pollution of aquatic environment. Several types of samples were collected in rivers from two model areas in the Czech Republic, tested for specific effects and chemically analyzed. In Papers I and II, impact of a city agglomeration and wastewater treatment plant (WWTP) on contamination of the river ecosystem was studied using sediments, two types of passive samplers (SPMD for hydrophobic compounds and POCIS for polar compounds) and composite waste water samples. The results indicated contribution of the city agglomeration and the WWTP to the rivers contamination by different types of compounds. Distribution of specific activities among sediments, waste waters, SPMD and POCIS was shown, with cytotoxicity and dioxin-like activity in all types of samples. Estrogenic and androgenic activities were detected in WWTP samples, while there were antiestrogenicity and antiandrogenicity in river samples. The WWTP water samples collected monthly whole year enabled evaluation of seasonality and treatment efficiency of the WWTP. Seasonal variability was studied using samples collected during four sampling campaigns. Sediments showed the most obvious trends and least variability, and confirmed that they represent suitable media for pollution assessment since they reflect longer-term situation in the rivers. Regional and seasonal variability of contamination of sediments from another industrial region was studied and described in Paper III. The aims of the study were examination of associations among chemical, abiotic and biological parameters, quantification of main sources of variability in the environmental data and their influence on bioindication potential of the bioassays. The study documented strong indication potential of specific bioassays for changes in contamination and also significance of abiotic factors in accumulation of pollutants. Second part of the thesis describes use of in vivo assay with freshwater mud snail Potamopyrgus antipodarum, in vitro bioassays and chemical analyses for complex assessment of polluted sediments (Paper IV) and contamination of the river ecosystem (Paper V). In laboratory study with polluted sediments and also in the in situ test performed at the same sampling sites as Papers I and II, fertility of P. antipodarum was affected and toxic effects were observed. Third part of the thesis is focused on the assessment of contamination of particulate and gas phase of air by compounds with specific effects. Dioxin-like activity and antiestrogenicity were detected in most samples, antiandrogenic activity was observed in all gas phase sample

Abstract:

s and to a lesser extent in particulate phase of air samples. This study provided important information about distribution of specific effects between gas and particulate phase of air samples that are not studied as often as aquatic environment. All studies included in this thesis document that in vitro bioassays represent a suitable technique for the assessment of environmental contamination by compounds with endocrine disruptive potency. They enable to determine overall biological activity of chemicals acting through the same mechanism of action in complex environmental samples including interactions within the mixtures.

Keywords

endocrine disruption, in vitro, environmental mixtures, aquatic environment, sediment, dioxin like activity, anti/estrogenicity, anti/androgenicity, passive sampling endokrinní disrupce, environmentální směsi, vodní prostředí, aktivita dioxinového typu, anti/estrogenita, anti/androgenita, pasivní vzorkování

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 7. 1. 2014

Thesis defence

• Date of defence: 30. 1. 2014
• Supervisor: doc. Mgr. Klára Hilscherová, Ph.D.
• Reader: prof. Ing. Blahoslav Maršálek, CSc., doc. Ing. Miloslav Pouzar, PhD., dr. hab. Ing. Josef Velíšek, PhD.

Masaryk University

Faculty of Science

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