Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10348/5902
Title: Mechanisms of cadmium toxicity in fish: osmoregulatory responses
Authors: Santos, Sofia Gabriel Garcia
Advisor: Wilson, Jonathan Mark
Fernandes, António Fontaínhas
Monteiro, Sandra Mariza Veiga
Keywords: Cádmio
Toxicidade
Teleósteos
Osmorregulação
Issue Date: 2016
Abstract: O cádmio é um metal não‐essencial, motivo de preocupação devido à sua toxicidade quer para os organismos aquáticos quer para os humanos. Este metal pode entrar no ambiente através de diversas fontes antropogénicas, tais como os subprodutos de refinaria de zinco, combustão do carvão, resíduos de minas, processos de galvanoplastia, produção de ferro e aço, pigmentos, fertilizantes e pesticidas. Os peixes eurialinos são modelos experimentais úteis, amplamente utilizados para avaliar a saúde dos ecossistemas aquáticos e os mecanismos toxicológicos de diferentes contaminantes. A salinidade vs osmolaridade de habitats aquáticos pode ser bastante variável. Estes animais desenvolveram mecanismos capazes de manter o seu equilíbrio osmótico e iónico, mesmo perante grandes variações na concentração salina da água na qual vivem. O cádmio pode exercer uma vasta gama de efeitos patológicos em peixes. No entanto, está bem estabelecido que existem diferenças na sensibilidade ao Cd entre espécies e que, fatores ambientais como a temperatura da água, a concentração de oxigénio, pH, dureza, alcalinidade, níveis de carbono orgânico dissolvido e salinidade podem afetar significativamente a acumulação do metal e a sua toxicidade. Assim, existem inúmeras variáveis que devem ser tidas em conta ao fazer uma avaliação toxicológica dos efeitos de metais em peixes. No presente estudo foram utilizadas, como modelos animais, duas espécies eurialinas de água doce e de água salgada: Oreochromis niloticus e Sparus aurata, respetivamente. Os peixes foram expostos a diferentes concentrações de cádmio, através da água ou através de injeção intraperitoneal e durante períodos distintos. De modo a avaliar o papel da salinidade sobre os mecanismos de toxicidade do cádmio e, por conseguinte, na osmorregulação dos peixes, as experiências foram realizadas em água doce, água salobra e água salgada. A avaliação de alterações histopatológicas na brânquia é reconhecida como um método rápido e válido para determinar os danos causados nos peixes pela exposição a poluentes. Tilápias expostas ao Cd na água (25 mg L‐1 CdCl2) durante 96h mostraram algumas lesões na estrutura da brânquia, nomeadamente edema intersticial, vasodilatação no eixo vascular das lamelas, destacamento do epitélio lamelar e proliferação do epitélio filamentar. Além disso, a fusão de lamelas, como resultado da hiperplasia e hipertrofia epitelial, rutura do sistema de células pilar, aneurismas e necrose, também estiveram presentes. Usando a mesma espécie e a mesma concentração de contaminante, este trabalho mostrou que o Cd também pode ser referido como um composto desregulador endócrino, exercendo a sua ação nos eixos hipotálamo‐pituitária‐interrenal (HPI) e hipotálamopituitária‐ tiroide (HPT). Foram ainda observados aumentos significativos dos níveis plasmáticos de cortisol e de glucose, bem como uma redução significativa e sustentada da concentração da hormona T3. O aumento dos níveis de glucose, lactato e cortisol no plasma, bem como respostas de stresse oxidativo, nomeadamente o aumento da peroxidação lipídica e carboxilação das proteínas, revelaram uma condição de stresse generalizado em ambas as espécies (O. niloticus e S. aurata) expostas ao cádmio por injeção intraperitoneal. Em tilápia exposta a doses subletais (1,25 e 2,5 mg Cd kg‐1 peso) de cádmio, em água doce, foram ainda observadas alterações na atividade da N+/K+‐ATPase e perturbações na regulação iónica. É geralmente aceite que o aumento da salinidade reduz a toxicidade do cádmio pela formação de complexos não disponíveis aos organismos aquáticos. Mecanismos de toxicidade diferentes, em função da salinidade do meio, assim como, diferenças entre espécies, sugerem que a fisiologia, e não só a geoquímica, desempenha um papel fundamental na determinação de quão sensível é um organismo ao cádmio e como a salinidade altera a sua toxicidade. Para elucidar os efeitos da exposição ao Cd na osmorregulação, perante alterações da salinidade do meio, espécimes de O. niloticus e S. aurata foram expostos a doses subletais de Cd (por injeção intraperitoneal) e submetidos a água salobra e hipersalina, respetivamente. Nestas condições, o cádmio afetou de forma adversa a atividade da N+/K+‐ATPase, embora sem perturbação da homeostasia iónica dos peixes. A proliferação celular, aumento da expressão das proteínas de choque térmico (HSP) e respostas de stress oxidativo, contribuíram para minimizar os efeitos adversos do Cd na capacidade de resposta de osmorregulação perante os desafios de salinidade. Este estudo fornece algumas indicações acerca dos mecanismos de toxicidade do Cd quer ao nível fisiológico quer bioquímico. Perturbações na osmorregulação e equilíbrio iónico, alterações na atividade da N+/K+‐ATPase e alterações a nível oxidativo, são efeitos da exposição a curto prazo ao Cd, que podem ser integrados num modelo de estudo e avaliação mais abrangente do seu impacto ambiental.
Cadmium is a non‐essential metal, whose occurrence in environment is cause of concern due to its toxicity to both, aquatic organisms and humans. High levels of cadmium in environment arise from various anthropogenic sources such as, by‐products from zinc refining, coal combustion, mine wastes, electroplating processes, iron and steel production, pigments, fertilizers and pesticides. Euryhaline fish are useful experimental models that have been widely used to evaluate the health of aquatic ecosystems and toxicological mechanisms of different contaminants. Due to the variability of salinity/osmolarity of aquatic habitats, fish have developed mechanisms to maintain fluid and electrolyte homeostasis across a wide range of salinities. In fish, Cd can exert a wide range of pathological effects. However, it is well established that differences in sensitivity to Cd exist among species and, in addition, environmental factors such as water temperature, oxygen concentration, pH, hardness, alkalinity, dissolved organic carbon and salinity may significantly affect metal accumulation and its toxicity in fish. Thus, there are innumerous variables that should be taken into account when making a toxicological evaluation of the metal effects in fish. In the present study, freshwater and seawater euryhaline species were used as animal models: Oreochromis niloticus and Sparus aurata, respectively. Fish were waterborne and intraperitoneally exposed to cadmium at different concentrations and over different times. In order to evaluate the role of salinity on the mechanisms of cadmium toxicity, and therefore on fish osmoregulation, the experiments were conducted in freshwater, brackishwater and saltwater. The assessment of gill histopathological changes is recognized as a fast and valid method to determine the damage caused in fish by the exposure to pollutants. Gills of tilapia waterborne exposed to Cd (25 mg L‐1 of CdCl2) over 96 hours, showed histopathological changes, such as interstitial edema, swelling of the lamellae, lifting of lamellar epithelium and cell proliferation in the filament epithelium. The alterations also included lamellar fusion, as a result of epithelial hyperplasia and hypertrophy, the breakdown of pillar cell system and aneurisms, with some ruptures and necrosis. This work has also shown that the same Cd concentration can act as an endocrine disruption substance to Nile tilapia, exerting its action on the hypothalamus‐pituitaryinterrenal (HPI) and the hypothalamus‐pituitary‐thyroid (HPT) axis. Significant increases in plasma cortisol and glucose levels were found, as well as, a significant and sustained decrease in plasma T3 concentrations. The rise of plasma glucose, lactate and cortisol levels, along with an oxidative stress indicated by the increase in lipid peroxidation and protein carbonyl content, revealed that Cd cause a generalized stress condition in both species (O. niloticus and S. aurata) intraperitoneally exposed. The disruption of ion homeostasis and alterations in N+/K+‐ ATPase activity, were damages also observed in tilapia injected with sublethal doses of cadmium (1.25 and 2.5 mg kg‐1 wt). The differences in mechanisms of Cd toxicity across salinities, and between species, suggested that physiology rather Cd geochemistry plays a crucial role in determining how sensitive an organism is to Cd, and how salinity alters Cd toxicity. To elucidate the effects of Cd exposure on salinity challenge, and therefore, in the osmoregulation, O. niloticus and S. aurata were subjected to sublethal doses of Cd (by intraperitoneal injection) and to environmental salinity changes (BW and HSW, respectively). Cd treatment adversely affected the N+/K+‐ATPase activity, although, without disturbance of ion homeostasis. Cell proliferation, increase in heat shock proteins (HSP) expression and oxidative stress responses contributed to mitigate the adverse effects of Cd on the ability of fish to adapt its osmoregulatory system for hypoosmoregulation during salinity challenges. This study provides some insights into the mechanisms of Cd toxicity at physiological and biochemical levels. The disruption of ion homeostasis, alterations in Na+/K+‐ATPase activity and oxidative damage are effects of Cd exposure that can be integrated in a comprehensive model for Cd impacts.
Description: Tese de Doutoramento em Ciências Químicas e Biológicas
URI: http://hdl.handle.net/10348/5902
Document Type: Doctoral Thesis
Appears in Collections:TD - Teses de Doutoramento

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