Využití biochemických markerů v experimentální ekotoxikologii

RNDr. Veronika Pašková, Ph.D.

Doctoral thesis

Biomarkers in experimental ecotoxicology

Abstract:

Do životního prostředí jsou vlivem lidské činnosti a průmyslu neustále vnášeny chemické látky. Avšak rizika pro lidské zdraví představují nejen antropogenní chemikálie, ale i sloučeniny vylučované do prostředí vodními květy sinic, jejichž růst je umocňován eutrofizací vod v důsledku intenzivní hospodářské činnosti a průmyslových aktivit. Sinice produkují sekundární metabolity, u kterých bylo prokázáno negativní působení na organismy. K hodnocení účinků a expozice chemickým látkám lze použít biochemické markery, které indikují zdravotní stav organismu a mohou být použity jako časné varovné signály narušení organismu. Dizertační práce se zabývá studiem biomarkerů expozice a účinků různých antropogenních i přírodních látek na organismy. Konkrétně je zaměřena na enzymy první a druhé fáze biotransformace (cytochrom P-450 monooxygenázu; glutation-S-transferázu), antioxidativní sloučeniny (superoxid dismutázu, katalázu, glutation peroxidázu, glutation reduktázu a glutation) a parametr oxidativního stresu (lipidní peroxidaci). Dizertační práce je rozčleněna do čtyř tematických celků, které se zabývají hodnocením biomarkerů oxidativního stresu a detoxifikace v experimentech s rostlinami exponovanými polycyklickými aromatickými sloučeninami, rybami exponovanými biomasou sinic, ptáky exponovanými biomasou sinic a také těžkými kovy a patogeny a žábami exponovanými pesticidy. Předložené výsledky byly publikovány ve čtyřech vědeckých a jednom rešeršním článku a dále jsou součástí jednoho manuskriptu. První část dizertační práce zkoumala vliv polycyklických aromatických sloučenin (PAHs) a jejich N-heterocyklických derivátů (NPAHs) na tři druhy vyšších rostlin ve čtyřdenním testu klíčivosti. Kromě standardních fytotoxických parametrů byly sledovány biochemické markery jako odpověď na expozici třem parentálním PAHs a sedmi NPAHs sloučeninám. Výraznější fytotoxické účinky byly prokázány u NPAHs, avšak antioxidativní a detoxifikační parametry byly významně ovlivněny všemi testovanými chemickými sloučeninami. Druhá část dizertační práce se zabývala stanovením vybraných biomarkerů ve čtyř- a devítitýdenním experimentu se dvěma druhy ryb vystavenými účinkům přírodní biomasy sinic. Modulace biomarkerů, a to zejména aktivit glutation reduktázy a glutation-S-transferázy a hladiny glutationu, potvrdila důležitou úlohu oxidativního stresu v toxicitě komplexní biomasy sinic. Modulace biomarkerů v rybích tkáních předcházely jakékoli známky toxicity, a mohou proto sloužit jako senzitivní časné signály stresu způsobeného sinicovou expozicí. Třetí část dizertační práce zkoumala účinky deseti- a třicetidenního působení biomasy sinic na křepelku japonskou a dále účinky třicetidenní kombinované expozice biomasou sinic, těžkými kovy a vakcinace. Tyto první experimenty s kontrolovanými dávkami sinicové biomasy přinesly unikátní výsledky o toxicitě sinic u ptáků. Ptáci reagovali na sinice podobně jako na xenobiotika, což bylo dokumentováno aktivací detoxifikačních mechanismů. Čtvrtá část dizertační práce shrnula úlohu oxidativního stresu v procesu teratogeneze pesticidů u necílových organismů – obojživelníků, ryb a vodních bezobratlovců. Podkapitolu tvoří výzkum toxických účinků paraquatu a diquatu na raná vývojová stádia obojživelníků s použitím drápatky vodní ve standardním testu FETAX doplněném o hodnocení biochemických markerů. Výstupem experimentu je kromě toxických účinků pesticidů také vývojový profil antioxidativních a detoxifikačních parametrů ve 24-hodinových intervalech. Pozitivní účinky přídavku antioxidantu kyseliny askorbové podpořily teorii o úloze oxidativního stresu v teratogenitě bipyridylo

Abstract:

vých pesticidů. Tato dizertační práce dokumentuje úlohu oxidativního stresu v toxicitě několika důležitých environmentálních stresorů. Biomarkery odrážejí mechanismus toxického působení a také důležitých buněčných procesů, které ochraňují tkáně před oxidativním stresem. Ve všech studiích byly nejcitlivější enzymy glutation reduktáza a glutation-S-transferáza, které reagovaly na nízké koncentrace stresorů a předcházely jakékoli známky toxicity, a mohou být proto využívány jako citlivé markery působení různých environmentálních stresorů.

Abstract:

The environment is continuously loaded with chemical compounds released by urban communities and industry. Not only anthropogenic substances may pose a risk to organisms. The intensification of agricultural and industrial activities is associated with the increase of eutrophication in surface freshwater bodies supporting expansion of phytoplanktonic blooms, which can produce secondary metabolites with adverse effects on organisms. Biochemical markers can be examined to assess the exposure or the effects of toxicants. They can provide information about the health status of organisms and can be thus used as early warning signals of general or particular stress. This dissertation thesis focuses on the biomarkers of exposure and effects of various anthropogenic and natural compounds. The phase I (cytochrome P-450 monooxygenases) and II biotransformation enzymes (glutathione-S-transferases) and antioxidants (superoxide dismutase, catalase, glutathione peroxidase, glutathione reductase and glutathione) were studied together with oxidative stress parameters (lipid peroxides). This thesis is divided into four thematic parts covering assessment of biomarkers in experiments with plants exposed to polycyclic aromatic hydrocarbons and azaarenes, fish species exposed to cyanobacterial biomass, birds exposed next to cyanobacterial biomass to heavy metals and vaccine and frogs exposed to pesticides. Presented results are based on four scientific publications, one review-paper and one manuscript. The first part of the thesis documented responses of three plant species to exposure to polycyclic aromatic compounds (PAHs) and their N-heterocyclic derivatives (NPAHs) during 4-day germination. Standard phytotoxic parameters together with biochemical responses were determined after exposure to three parental PAHs and seven NPAHs. NPAHs were significantly more phytotoxic than parent PAHs, however all chemicals modulated activity of plant detoxification and antioxidative enzymes. The second part of the thesis characterized the responses of selected biomarkers after four and nine-week exposure of two fish species to the natural cyanobacterial water-bloom. Modulations of biomarkers, especially activities of glutathione reductase and glutathione-S-transferase and level of glutathione, have confirmed an important role of oxidative stress in the toxicity of complex cyanobacterial bloom. Changes of biomarkers preceded any signs of toxicity and may thus serve as sensitive markers of stress caused by cyanobacterial exposure. The third part of this thesis showed effects of single cyanobacterial exposure on standard bird model species Japanese quail in 10-day and 30-day study and also of 30-day multistressor exposure to cyanobacteria, heavy metals and vaccination. The study brought unique data from the first controlled experiments with the exposure to cyanobacterial biomass in birds. Birds reacted to cyanobacterial exposure as to xenobiotics, which was documented by the activation of general detoxification mechanisms. The fourth part of the thesis reviewed the involvement of oxidative stress in the process of teratogenic action of pesticides in relation to their adverse effects on the non-target organisms - amphibians, fish and aquatic invertebrates. Further, toxic effects of paraquat and diquat on the early phases of amphibian development were described using African clawed frog in the standard FETAX scheme supplemented with the assessment of sublethal biochemical markers. The baseline developmental profile of antioxidative and detoxification compounds and the effects of pesticides on these parameters were evaluated in 24 hour-intervals. The protective effect of external addition of antioxidant ascorbic acid supported the theory of oxidative stress involvement in bipyridyl pesticides teratogenicity. The present thesis demonstrates the involvement of oxidative stress in toxicity of several important types of environmental stressors. Biomarkers reflect toxic me

Abstract:

chanisms and major processes protecting tissues from oxidative stress. In our studies, namely glutathione reductase and glutathione-S-transferase responded to low concentrations of stressors preceding any signs of toxicity and can be successfully used as sensitive markers of effects of various environmental stressors.

Keywords

biomarkers, detoxification, oxidative stress, polycyclic aromatic hydrocarbons, azaarenes, cyanobacterial biomass, pesticides, plants, fish, birds, amphibian, embryotoxicity biomarkery, detoxifikace, oxidativní stres, polycyklické aromatické uhlovodíky, azaareny, sinicová biomasa, pesticidy, rostliny, ryby, ptáci, obojživelníci, embryotoxicita

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 29. 5. 2012

Thesis defence

• Date of defence: 27. 6. 2012
• Supervisor: doc. Mgr. Klára Hilscherová, Ph.D.
• Reader: prof. RNDr. Miroslava Beklová, Ph. D., Ing. Vladimír Žlábek, Ph. D., doc. RNDr. Kateřina Malachová, CSc.

Masaryk University

Faculty of Science

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