Copper exposure of freshwater mussels (Anodonta anatina): Some physiological effects

Kupfer-Exposition von Süßwasser-Muscheln (Anodonta anatina): Einige physiologische Effekte

Kupfer (Cu), ein Übergangmetall, hat die Tendenz, in seinen Konzentrationen in Süßwasser-Ökosystemen gegenüber natürlichen Werten anzusteigen, bedingt durch seine zahlreichen industriellen und elektro-, bau- und agrar-technischen Anwendungen. In Wasser kann Kupfer gelöst in freier ionischer Form und in verschiedenen komplexartigen Verbindungen vorliegen, und es kann gebunden an suspendiertem Sediment auftreten. Süßwassermuscheln, die an der Schnittstelle von frei fließendem Wasser und Sediment-PKupfer (Cu), ein Übergangmetall, hat die Tendenz, in seinen Konzentrationen in Süßwasser-Ökosystemen gegenüber natürlichen Werten anzusteigen, bedingt durch seine zahlreichen industriellen und elektro-, bau- und agrar-technischen Anwendungen. In Wasser kann Kupfer gelöst in freier ionischer Form und in verschiedenen komplexartigen Verbindungen vorliegen, und es kann gebunden an suspendiertem Sediment auftreten. Süßwassermuscheln, die an der Schnittstelle von frei fließendem Wasser und Sediment-Phase leben, können es direkt aus dem Wasser oder durch Verzehr von Organismen niedrigerer trophischer Ebenen, die mit Kupfer überladen sind, zu sich nehmen. Für Muscheln ist Kupfer in geringer Konzentration als Cofaktor von Metalloenzymen zur Regulation des Wachstums und der Entwicklung unerlässlich, aber auf hohem Niveau ist Kupfer giftig. Die Teichmuschel Anodonta anatina ist eine Süßwasser-Arten, die sich in vielen limnischen und fliessenden Europäischen Ökosystemen befindet. Die mögliche Beteiligung von Cu am allgemeinen Niedergang vieler europäischer Süßwassermuscheln ist die wesentliche Motivation für diese Arbeit. Die hier beschriebene Forschungsarbeit zielt darauf ab, einige Aspekte der Bedeutung der Cu-Exposition für Aufnahme, Verteilung, Bioakkumulation und Elimination in der Süßwassermuschel A. anatina und seine potentiellen patho-physiologischen Auswirkungen zu untersuchen. Die Arbeit begint mit der Aufzucht 63Cu-beladener Algen als Futter für die Muscheln, ohne dass der Nährwert der Algen beeinträchtigt wird. In den folgenden Experimenten werden Muscheln dem stabilen Isotop 63Cu durch Wasser oder durch die Algen als Nahrung ausgesetzt, um die relative Bedeutung der Cu-Aufnahmewege für dessen Verteilung und Anreicherung in den Organen der Muschel zu untersuchen. Die Auswirkungen auf die Calcium-Homöostase, auf lösliche Kohlenhydrate und Protein-Konzentrationen in den verschiedenen Geweben, auf die Metallothionein-Induktion und die Höhe der Glutathion-Konzentrationen, auf die Aktivitäten der antioxidativen Enzyme und der Glutathion-Reduktase, und auf die Lipidperoxidation werden überprüft. In einem Vor-Experiment wird Parachlorella kessleri bei sechs Cu-Konzentrationen (0; 5,9; 11,7; 23,5; 47 und 94 µmol L-1) für 4 Tage kultiviert. Bei einer Cu Konzentration von bis 6 µmol L-1 ist des Wachstum von P. kessleri weitgehend unverändert und als 63Cu-tragende Nahrung für das Muschel-Experiment geeignet. Exposition bei Cu-Konzentrationen über 6 µmol L-1 hat offensichtliche Auswirkungen auf das Wachstum und den physiologischen Zustand der Algen. Drei Gruppen von je 21 Muscheln werden in diesem Muschel-Expositions-Experiment verwendet. Eine Gruppe dient als Kontrolle, und bei den beiden anderen wird das stabile Isotop 63Cu mit dem Wasser bei 0,3 µmol L-1 oder mit der Nahrung (1,5 mg L-1 gefriergetrocknete, Cu-beladene Algen, das entspricht ca 0,06 µmol L-1 Cu) für 24 Tage gegeben, gefolgt von 12 Tagen Ausscheidungsphase. Für die Analysen werden nach dem Zufallsprinzip aus jeder Gruppe an den Tagen 0, 6, 12, 18, 24, 30, und 36 drei Muscheln entnommen. Die Muscheln werden betäubt und Hämolymphe und Extrapallial-Flüssigkeit werden isoliert, bevor die Muscheln in Kiemen, Mantel-, Nieren-, Verdauungsdrüse-, Fuß-, Adduktoren, Darm und den Rest (Gonaden, Herz und labialen Palpen) seziert werden. Während der Kupfer-Exposition steigt die Menge des exogenen (63Cu) und des gesamten Kupfers in allen Kompartimenten. Die Aufnahme aus dem Wasser führt zu einer höheren Cu Konzentrationen als aus der Nahrung, aber dennoch ist der letztere Weg in relativer Betrachtung effizienter, wenn man die fünf-fach niedrigere nominale Konzentration von Kupfer bedenkt. Das Metall wird bei Exposition der Muscheln mit dem Wasser vor allem in den Mantel, die Kiemen und die Verdauungsdrüse verteilt, bei Aufnahme über die Nahrung vor allem in die Verdauungsdrüse und den Darm. In der Ausscheidungsphase von zwei Wochen wird Kupfer schnell aber nicht vollständig eliminiert. Mit zunehmenden Cu Konzentrationen steigen die Ca Konzentrationen in allen Kompartimenten, begleitet von Rückgängen der löslichen Kohlenhydrate und Proteine in den Kiemen, im Mantel, in der Verdauungsdrüse und in der Niere. Gleichzeitig führt die Cu Exposition zum Anstieg von Malondialdehyd, zur Abnahme von Glutathion, starkem Anstieg der Metallothionein-Konzentrationen, und Veränderungen in den Aktivitäten der antioxidativen Enzyme Superoxiddismutase, Katalase, und Glutathion-Peroxidase, und der Glutathion-Reduktase in den Kiemen, im Mantel, in der Verdauungsdrüse und der Niere. Während der Ausscheidungsphase beginnen sich die meisten Parameter zu normalisieren, aber nicht vollständig zurück zu Normal-Werten. Der durch erhöhte Kupfer-Exposition verursachte erhebliche physiologische Stress könnte also einer der Faktoren in der ökotoxikologischen Kausalkette sein, die zu den kontinuierlich abnehmenden Populationen einer ganzen Reihe von Europäischen Süßwassermuscheln führen.show moreshow less
Copper (Cu), a transition metal, has the tendency to increase in its concentration in freshwater ecosystems over natural levels, due to industrial and other anthropogenic sources. In water, copper can exist in dissolved form or associated with suspended food particles. Freshwater mussels living at the interface of the free-flowing water and the sediment phase can take up copper directly from the water or by consumption of lower trophic level organisms laden with copper. For mussels, copper is esCopper (Cu), a transition metal, has the tendency to increase in its concentration in freshwater ecosystems over natural levels, due to industrial and other anthropogenic sources. In water, copper can exist in dissolved form or associated with suspended food particles. Freshwater mussels living at the interface of the free-flowing water and the sediment phase can take up copper directly from the water or by consumption of lower trophic level organisms laden with copper. For mussels, copper is essential at low concentration as cofactor of metalloenzymes involved in growth regulation and development, but it may be toxic at higher levels by disturbing calcium (Ca) homeostasis. The duck mussel Anodonta anatina is a freshwater species found in abundance in limnic and lotic European ecosystems and is used as test organism in ecotoxicological studies. The potential involvement of Cu in the general decline of many European freshwater mussel species is the major motivation for this work. This research aims to study the relevance of Cu exposure pathways on its uptake, distribution, bioaccumulation, and elimination in the freshwater mussel A. anatina and its various potential physiological impacts. The work is started with raising Cu-loaded algae using the stable isotope 63Cu as marker for feeding of mussels without affecting the nutritional value of the algal food. In these latter experiments, mussels are exposed to 63Cu via water or via food to investigate the relative importance of Cu uptake to its distribution and accumulation among the mussel’s organs. Its consequences on calcium homeostasis, soluble carbohydrate and protein levels in various tissues, metallothionein induction, glutathione levels, activities of antioxidative enzymes and glutathione reductase, and on lipid peroxidation are examined. In the algal experiment, Parachlorella kessleri is grown at six 63Cu concentrations (0, 5.9, 11.7, 23.5, 47, and 94 µmol L-1) for 4 days, starting from day 3. When exposed to Cu at a level of up to 6 µmol L-1, P. kessleri is largely unchanged in its nutritional values; so this concentration is used to grow 63Cu-carrying food for mussel experiment. Concentrations above 6 µmol L-1 decrease significantly in the algal growth and alter the other physiological parameters. Three groups of 21 mussels each are used, one as control and two for exposure, receiving copper as the stable isotope 63Cu via the water at 0.3 µmol L-1 or via the food (1.5 mg L-1 freeze-dried Cu-loaded algae, equivalent to 0.06 µmol L-1 Cu) for 24 days, followed by 12 days of depuration. For analysis, three mussels each are taken randomly from every group at days 0, 6, 12, 18, 24, 30, and 36. The mussels are anaesthetized and hemolymph and extrapallial fluid are sampled before the mussels are dissected into gills, mantle, kidney, digestive gland, foot, adductors, intestines, and the remainder (gonads, heart, and labial palps). During copper exposure, the levels of exogenous copper (63Cu) and total Cu increase in all body compartments. Uptake via the water leads to higher Cu levels than via the food, but in relative terms food uptake is more efficient taking the five-fold lower nominal concentration of copper into consideration. Upon exposure via the water, the metal is compartmentalized mainly in the mantle, the gills, and the digestive gland, upon exposure via the food the major recipients are the digestive gland and the intestines. Upon depuration for two weeks, copper is quickly but not completely eliminated. Simultaneously with increasing Cu levels, Ca levels are increased in all body compartments, accompanied by decreases in soluble carbohydrates and proteins in the gills, mantle, digestive gland, and kidney. At the same time, Cu exposure results in increases in malondialdehyde levels, decreases in glutathione levels, strong increases in metallothionein levels, and changes in the activities of the antioxidative enzymes superoxide dismutase, catalase, and glutathione peroxidise, and of glutathione reductase in the gills, mantle, digestive gland, and kidney. During depuration, most parameters tend to normalize but do not return to control values. In conclusion, the overall pictures suggest that the considerable physiological stress elicited by low-level copper exposure may contribute to the factors involved in the decline of many European freshwater mussels.show moreshow less

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Metadaten
Institutes:Geowissenschaften
Author: Andhika Puspito Nugroho
Advisor:Prof. Dr. Hartmut Frank
Granting Institution:Universität Bayreuth,Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften
Date of final exam:19.06.2012
Year of Completion:2012
SWD-Keyword:Bioakkumulation; Ententeichmuschel; Kupfer; Metallothionein
Tag:Anodonta anatina; Bioakkumulation; Ca-homöostase; Kupfer; Metallothionein
Bioaccumulation; Ca-homeostasis; Copper; Metallothionein
Dewey Decimal Classification:500 Naturwissenschaften und Mathematik
URN:urn:nbn:de:bvb:703-opus4-8023
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):12.07.2012