Endokrinní toxicita a ekotoxicita sinic a dalších agens ve vodním prostředí

Mgr. Eliška Sychrová, Ph.D.

Doctoral thesis

Endocrine-related toxicity of cyanobacteria and other agents in the aquatic environment

Abstract:

Kvalitě sladkovodních ekosystémů bychom vždy měli věnovat pozornost. Jsou totiž vystaveny řadě zdrojů znečištění. Některé znečišťující látky mohou interagovat s endokrinním systémem organismů. Již jejich nízké koncentrace mohou vést k vážným negativním účinkům nejen na úrovní zdraví jedince, ale i celé populace. Tato disertační práce se zaměřuje na stojaté vody s rozvinutým vodním květem, ve kterých jsme studovali možný příspěvek vodních květů k pozorovanému endokrinně-disruptivnímu potenciálu. Detailněji byla zkoumána retinoidní a estrogenní aktivita. Pro studium těchto účinků byly využity in vitro testy v kombinaci s chemickými analýzami. Souvislost in vitro pozorování s in vivo účinky byla ukázána na modelech buněčných linií s reportérovými geny a embryích Dania pruhovaného. Výskyt retinoidní a estrogenní aktivity byl popsán u řady terénních vzorků ze stojatých vod a produkce zkoumaných metabolitů sinicemi byla podrobně charakterizována u modelových druhů z laboratorních kultivací. Naše terénní i laboratorní studie (I-III) dokumentují přítomnost retinoidní aktivity v biomase běžně se vyskytujících řas a sinic. Ve studii I opakované laboratorní kultivace ukázaly druhově specifickou distribuci látek s retinoidní aktivitou (uvnitř a mimo buňku). Výsledky také poukazují na možný vliv intenzity světla a buněčné hustoty na produkci těchto retinoidních metabolitů. Ve studii II bylo zkoumáno několik vodních nádrží a rybníků s rozvinutým vodním květem. Dominantním druhem byla sinice Microcystis aeruginosa. Retinoidní aktivita by pozorována ve všech biomasách vodního květu a to v míře srovnatelné s laboratorními kultivacemi stejného druhu. Naše výsledky neukázaly korelaci mezi obsahem známého cyanotoxinu microcystinu a retinoidní aktivitou. Jen málo pozorovaného retinoidního účinku lze připisovat detekovaným koncentracím sledovaných retinoidů (all-trans retinové kyseliny a 9-cis retinové kyseliny). To poukazuje na přítomnost výrazného množství nedetekovaných retinoidních látek. Ve studii III in vivo pozorované teratogenní účinky byly pravděpodobně způsobené retinoidními metabolity sinic. Míra in vitro pozorované retinoidní aktivity odpovídala teratogenitě u rybích embryí způsobené adekvátní koncentrací all-trans-retinové kyseliny. Sinicové vzorky byly zkoumány také kvůli dalším endokrinně disruptivním účinkům. In vitro testy poukázaly na možnou estrogenní aktivitu jednoho studovaného druhu Planktothrix agardhii (anti/androgenní ani glukokortikoidní aktivita nebyla detekována). Estrogenní efekt však nebyl pozorován in vivo, pravděpodobně byl maskován vysokou toxicitou komplexního extraktu. Výzkum estrogenity ve stojatých vodách je popsán ve studiích IV a V. Výsledky in vitro testů a chemických analýz poukazují na nízký příspěvek běžně detekovaných látek (fytoestrogeny, steroidní estrogeny a alkylfenoly) k pozorovanému účinku. Tudíž další látky a také spolupůsobení látek tedy pravděpodobně přispívají k sledovaným účinkům. Příspěvek vodních květů k pozorované estrogenitě ve stojatých vodách vyžaduje ještě další výzkum. Zvláště pak protože pozorovaný účinek v těchto vodách často není vysvětlitelný sledovanými antropogenními ani přírodními estrogenními látkami. Na druhou stranu naše pozorování jasně ukazují, že sinice jsou významný zdroj retinoidních metabolitů.

Abstract:

Freshwater ecosystems and their quality need to be paid great attention to since they can be affected by various sources of pollutants. Some of these pollutants can interact with the endocrine system of organisms. Even low concentrations of endocrine disruptors can lead to adverse effects in organism, but on whole population level as well. In our research, the attention was paid to stagnant waterbodies affected by water blooms. Possible contribution of cyanobacterial metabolites to detected endocrine disruptive activity, with deeper focus on retinoid-like and estrogenic potential, was investigated. To detect these effects, in vitro assays were used in combination with chemical analyses. The association of in vitro observations with in vivo effects was studied by joint use of reporter cell lines and zebrafish embryos model. The retinoid-like and estrogenic activity was assessed in numerous stagnant water bodies. Investigations of model phytoplankton species from laboratory cultivations characterized production of metabolites with these activities. Our studies (I-III) documented retinoid-like activity in biomass of common cyanobacteria and alga, in field study as well as in laboratory cultivation. In study I, species-specific pattern of intra/extracellular distribution of retinoid-like activity was described on phytoplankton cultivation replicates. Results also indicate the possible influence of light conditions and cell density on the production of retinoid-like metabolites. Several stagnant water bodies with cyanobacterial blooms dominated by Microcystis aeruginosa were investigated in study II. Retinoid-like activity was detected in all environmental cyanobacterial biomasses and it was comparable to observed activity in laboratory cultivations. Our results (studies I and II) showed no correlation between content of known cyanotoxin (microcystin) and retinoid-like activity. In addition, evaluation showed minor contribution of detected known retinoids (all-trans retinoic acid, 9-cis-retinoic acid) to the observed effects. This indicates the presence of significant amounts of non-analysed compounds with retinoic acid receptor-mediated modes of action. Study III pointed out probable relationship of observed in vivo teratogenic effects with retinoid-like metabolites of cyanobacteria. The level of retinoid-like activity detected in cyanobacteria by in vitro tests corresponded to concentrations of all-trans retinoic acid that were shown to cause teratogenicity in zebrafish embryos. Cyanobacterial extracts were examined also for several other important endocrine disruptive modes of action. In vitro assays indicated estrogenic activity (no detected (anti)androgenic/glucocorticoid activity) only in one studied species Planktothrix agardhii, but this effect was not detected in vivo, potentially because of high toxicity of the complex extract. Investigation of estrogenic activities in stagnant waters affected by water blooms is presented in studies IV and V. Together, results of in vitro bioassays and chemical analyses suggest low contribution of detected compounds (phytoestrogens, steroid estrogens and alkylphenols) to the observed effect. Thus, other compounds and/or possible interactions among substances and their effects were probably contributing to detected estrogenicity. Role of cyanobacteria in observed estrogenicity in stagnant water needs to be examined in more detail since the effect is often not explainable by commonly analysed anthropogenic and natural xenoestrogens. On the other hand, our observations clearly document that cyanobacteria can be an important source of retinoid-like metabolites.

Keywords

endocrine disruption, retinoid-like activity, estrogenicity, aquatic environment, water bloom, cyanobacteria, endokrinní disrupce, retinoidní aktivita, estrogenita, vodní prostředí, vodní květ, sinice

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 23. 5. 2017

Thesis defence

• Date of defence: 16. 6. 2017
• Supervisor: doc. Mgr. Klára Hilscherová, Ph.D.
• Reader: doc. Ing. Radovan Kopp, Ph.D., doc. MVDr. Miroslava Palíková, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biology (4-years) / Ekotoxicology