Impact of climate change on pharmaceutical mixtures uptake and toxicity on the Mediterranean Mussel Mytilus galloprovincialis

Castelli, Melisa

http://hdl.handle.net/10400.1/26794

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78765 THESIS_MELISA CASTELLI.pdf		1.49 MB	Adobe PDF	Download

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Authors

Castelli, Melisa

Advisor(s)

Guerreiro, Pedro M.

Benedetti, Maura

Abstract(s)

Os produtos farmacêuticos estão a emergir como contaminantes, sendo cada vez mais frequentemente detetados em ambientes aquáticos devido á sua utilização generalizada pelos seres humanos. As estações de tratamento de águas residuais (ETARs) convencionais não têm a capacidade de remover adequadamente estas substâncias, o que resulta na sua introdução e persistência nos ecossistemas marinhos, representando riscos significativos para os organismos aquáticos. Este estudo investiga a bioacumulação e os impactos biológicos de misturas farmacêuticas no mexilhão do Mediterrâneo, Mytilus galloprovincialis, em concentrações ambientais realistas encontradas naturalmente em águas superficiais, destacando a importância da compreensão dos efeitos dos contaminantes emergentes no contexto das alterações climáticas. Nas últimas décadas, a presença de substâncias farmacêuticas em ambientes aquáticos tem causado uma crescente preocupação devido aos seus efeitos potencialmente nocivos nos organismos não-alvo. Esses compostos, que incluem uma ampla gama de medicamentos como analgésicos, antidepressivos, anticonvulsivos, entre outros, são frequentemente detetados em massas de água devido ao despejo contínuo de efluentes de estações de tratamento de águas residuais (ETARs). Embora as ETARs desempenhem um processo essencial para a remoção de muitos poluentes, a sua eficiência na remoção de diversos compostos farmacêuticos é limitada, permitindo que esses contaminantes entrem no ambiente aquático, e se espalhem continuamente nas bacias hidrográficas e no meio marinho. A presença de produtos farmacêuticos em ambientes marinhos é particularmente preocupante devido à sua natureza bioativa e ao seu potencial de bioacumulação em organismos aquáticos. Estes fármacos são concebidos para serem biologicamente ativos em dosagens baixas, o que aumenta as preocupações sobre os seus possíveis impactos ambientais, mesmo que em pequenas concentrações. Além disso, muitos destes compostos não são completamente metabolizados ou degradados biologicamente e podem, mesmo após utilizados, tornar-se persistentes. .Estes compostos podem afetar negativamente os organismos aquáticos através de múltiplos mecanismos de ação, incluindo inibição de enzimas essenciais, indução de stress oxidativo e interferência nos sistemas hormonal e imunológico. Mytilus galloprovincialis, um mexilhão mediterrâneo amplamente distribuído, é frequentemente utilizado como bioindicador para avaliar a qualidade ambiental devido à sua capacidade de filtrar grandes volumes de água e acumular contaminantes nos seus tecidos. Estudos anteriores demonstraram que vários produtos farmacêuticos podem acumular-se nos tecidos dos mexilhões, causando uma variedade de respostas biológicas adversas que vão desde o stress oxidativo e danos genéticos, até a alterações no metabolismo lipídico e na função imunológica dos organismos. Este estudo investiga especificamente a bioacumulação e os efeitos biológicos de uma mistura farmacêutica composta por várias classes de medicamentos encontradas em concentrações presentes no ambiente aquático em Mytilus galloprovincialis sob condições de alterações climáticas, considerando fatores ambientais como acidificação dos oceanos e ondas de calor marinho. Estes fatores de stress ambiental são particularmente relevantes no contexto das alterações climáticas, pois podem alterar a bioacessibilidade e a toxicidade dos contaminantes, e potenciar o seu efeito num organismos em metabolismo acrescido. Entre os produtos farmacêuticos testados, a venlafaxina e a carbamazepina (utilizadas respetivamente como antidepressivo e anticonvulsivo) demonstram uma bioacumulação significativa em comparação com tratamentos de controlo não expostos à mistura, enquanto o ibuprofeno (anti-inflamatório), e o ramipril (vasodilatador e diurético) permanecem abaixo dos limites de deteção. Além disso, a contaminação pré-existente apresenta desafios para uma maior depuração e bioacumulação de metformina e gemfibrozil (utilizadas no tratameto da diabetes e do colesterol elevado). Estes resultados realçam a importância de considerar não só a presença de contaminantes, mas também quais os níveis de bioacumulação e o potencial de potenciais efeitos tóxicos nos organismos marinhos, mesmo em condições de hipercapnia e stress térmico. Os resultados obtidos mostraram que a hipercapnia e as ondas de calor dinâmicas, tanto isoladamente quanto em combinação, influenciaram a bioacumulação dos antiepilépticos carbamazepina e dos antidepressivos venlafaxina. Notavelmente, níveis significativos do regulador lipídico gemfibrozil e do antidiabético metformina foram destacados em todos os tratamentos, sugerindo níveis basais potenciais desses medicamentos no ambiente marinho. A análise das respostas celulares e bioquímicas revelou efeitos na modulação dos parâmetros imunológicos e do metabolismo lipídico, aumento da fragmentação do DNA e apoptose celular, além de um aumento do estresse oxidativo em organismos expostos aos estressores combinados das mudanças climáticas e à mistura de substâncias farmacêuticas. Interessantemente, a coexposição a ondas de calor e substâncias farmacêuticas reduziu significativamente a fragmentação do DNA, enquanto a acidificação combinada com a mistura aumentou o estresse oxidativo, sugerindo que as condições de hipercapnia podem ter um impacto mais pronunciado nos efeitos da mistura de substâncias farmacêuticas em Mytilus galloprovincialis em comparação com as mudanças de temperatura. As análises químicas e de biomarcadores indicaram frequentes interações sinérgicas ou antagónicas entre os estressores das mudanças climáticas e a mistura de substâncias farmacêuticas, especialmente quando combinados. Estas descobertas sugerem ameaças potenciais para a saúde de Mytilus galloprovincialis em áreas costeiras com altos níveis de medicamentos e impactos climáticos concomitantes. Dada a importância ecológica desta espécie e seu valor econômico no mercado de frutos do mar, estudos de longo prazo são essenciais para elucidar as consequências ecológicas das misturas farmacêuticas sob cenários previstos de mudanças nas condições oceânicas. Testar misturas farmacêuticas é fundamental devido à sua presença constante e aos potenciais efeitos cumulativos e interativos que possam surgir nos organismos marinhos. Considerar fatores relacionados com as mudanças climáticas, como a acidificação dos oceanos e as ondas de calor, é essencial, pois esses fatores podem modular a biodisponibilidade e a toxicidade dos contaminantes, levando a interações complexas que influenciam a saúde dos organismos e a estabilidade dos ecossistemas. Este estudo reforça a necessidade de realizar estudos de riscos ambientais abrangentes que integrem os impactos das misturas de contaminantes químicos e das alterações climáticas. Compreender as interações entre misturas de contaminantes farmacêuticos e fatores de stress ambiental é fundamental para o desenvolvimento de estratégias de mitigação eficazes e políticas ambientais que protejam a biodiversidade marinha e garantam ecossistemas sustentáveis. Este estudo contribui para esta compreensão, fornecendo conhecimentos valiosos acerca dos mecanismos de bioacumulação e os efeitos biológicos das misturas farmacêuticas em Mytilus galloprovincialis no contexto das alterações climáticas.

Active pharmaceutical ingredients (APIs) are contaminants of emerging concern due to the lack of information on their presence, distribution, and ecological impacts. Marine organisms are exposed to complex mixtures of chemicals, including pharmaceuticals, which can interact and modulate overall toxicity through overlapping biological pathways. With climate change predicting ocean acidification and dynamic marine heatwaves, the impacts of pharmaceutical mixtures may differ, potentially altering their chemical composition and modulating the health of aquatic organisms. This study aimed to assess how climate change stressors, namely decreased pH and two dynamic marine heatwaves, modulate the uptake and toxicity of an APIs mixture composed of six pharmaceuticals from different therapeutic classes at environmentally realistic concentrations, in Mediterranean mussels, Mytilus galloprovincialis. Measurements of drug bioaccumulation were integrated with biochemical and cellular responses. Mussels exposed to the APIs mixture accumulated significant levels of venlafaxine and carbamazepine, with hypercapnia and dynamic heatwaves, both alone and in combination, influencing their bioaccumulation patterns. Ibuprofen and ramipril were below the limit of detection, while no variations were observed for metformin and gemfibrozil: mussels from all treatments were characterized by pre-existing natural basal levels which remained unaffected throughout the experiment, thus representing a challenge for the depuration further limiting bioaccumulation of these two drugs. Along with bioaccumulation, various ecotoxicological markers were affected by the climate change stressors. Notably, there was a decline in lysosomal membrane stability and phagocytosis rate, indicating immune system impairment, primarily driven by the climate change stressors rather than by exposure to the APIs mixture. On the other hand, the effects measured in terms of increased DNA fragmentation and cell apoptosis, inhibition acyl-CoA oxidase activity and accumulation of neutral lipids, were mainly observed in response to combined stressors, namely hypercapnic, marine heatwaves and APIs mixture. Enhanced toxicity of the APIs mixture was particularly evident on oxidative stress parameters, especially under hypercapnic and combined stressor conditions. Overall, the obtained results provide new insights into the response of aquatic organisms to pharmaceutical mixtures under scenarios of marine heatwaves and ocean acidification, highlighting their complex interactions and the need for comprehensive environmental risk assessments.