• Nenhum resultado encontrado

Mechanisms of cadmium toxicity in fish: osmoregulatory responses

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Mechanisms of cadmium toxicity in fish: osmoregulatory responses"

Copied!
192
0
0

Texto

(1)

Universidade de Trás‐os‐Montes e Alto Douro 

Mechanisms of Cadmium Toxicity in Fish 

Osmoregulatory Responses 

 

 

 

Tese de Doutoramento em Ciências Químicas e Biológicas 

 

 

 

Sofia Gabriel Garcia Santos 

 

 

 

 

Orientador: 

Jonathan Mark Wilson 

 

Co‐orientadores: 

António Fontaínhas Fernandes 

Sandra Mariza Veiga Monteiro 

 

 

(2)
(3)

 

 

Sofia Gabriel Garcia Santos 

 

 

 

    MECHANISMS OF CADMIUM TOXICITY IN FISH

 

O

SMORREGULATORY RESPONSES

 

 

 

 

 

 

 

 

Dissertação  de  candidatura  ao  grau  de  Doutor  em  Ciências  Químicas  e  Biológicas  submetida  à  Universidade  de  Trás‐os‐ Montes e Alto Douro 

   

Orientador:  Professor  Doutor  Jonathan  Mark Wilson 

Investigador Auxiliar Centro Interdisciplinar  de  Investigação  Marinha  e  Ambiental  da  Universidade do Porto. 

   

Co‐Orientador:  Professor  Doutor  António  Fontaínhas Fernandes 

Professor  Catedrático  da  Universidade  de  Trás‐os‐Montes e Alto Douro 

   

Co‐orientador:  Professora  Doutora  Sandra  Mariza Veiga Monteiro 

Professora  Auxiliar  da  Universidade  de  Trás‐os‐Montes e Alto Douro 

(4)

   

(5)

                                                           

Este  trabalho  foi  expressamente  elaborado  como dissertação original para a obtenção do  grau  de  Doutor  em  Ciências  Químicas  e  Biológicas,  de  acordo  com  o  disposto  no  Decreto‐Lei n.º 216/92, de 13 de Outubro   

(6)

   

(7)

 

 

DIRETIVAS LEGAIS 

No cumprimento no disposto no nº 2 do artigo 8º do Decreto‐Lei nº388/70 (Decreto‐Lei nº  216/92,  de  13  de  Outubro),  declara‐se  que  a  autora  desta  dissertação  participou  na  conceção  e  execução  do  trabalho  experimental  que  esteve  na  origem  dos  resultados  apresentados, bem como na sua interpretação e na redação dos respetivos manuscritos.  Nesta  tese  incluem‐se  4  artigos  científicos  publicados  em  revistas  internacionais  e  1  submetido  a  revisão  para  publicação,  decorrentes  dos  resultados  obtidos  no  trabalho  experimental, referenciados como: 

Garcia‐Santos,  S.,  Monteiro,  S.M.,  Carrola,  J.,  Fontainhas‐Fernandes,  A.,  2007.  Histological  alterations in gills of Nile tilapia Oreochromis niloticus caused by cadmium. Arquivo Brasileiro de  Medicina Veterinária e Zootecnia, 59: 376‐381. 

Garcia‐Santos,  S.,  Vargas‐Chacoff,  L.,  Ruiz‐Jarabo  I.,  Varela  J.L.,  Mancera,  J.M,  Fontainhas‐ Fernandes, A., Wilson, J.M., 2011. Metabolic and osmoregulatory changes and cell proliferation  in gilthead sea bream (Sparus aurata) exposed to cadmium. Ecotoxicology and Environmental  Safety, 74: 270‐278. 

Garcia‐Santos, S., Fontaínhas Fernandes, A., Monteiro, S.M., Wilson, J.M., 2013. Effects of exposure  to  cadmium  on  some  endocrine  parameters  in  tilapia,  Oreochromis  niloticus.  Bulletin  of  Environmental Contamination and Toxicology, 90: 55‐59.  Garcia‐Santos, S., Monteiro, S.M., Malakpour‐Kolbadinezhad S., Fontaínhas‐Fernandes, A., Wilson,  J.M., 2015. Effects of Cd injection on osmoregulation and stress indicators in freshwater Nile  tilapia. Comparative Biochemistry and Physiology, Part C, 167: 81‐89.     Garcia‐Santos, S., Monteiro, S.M., Malakpour‐Kolbadinezhad S., Fontaínhas‐Fernandes, A., Wilson,  J.M. Effects of cadmium on salinity challenge in Nile tilapia. (Submetido a Chemosphere – sob  revisão).       

(8)

   

(9)

                                                           

A ti e por ti, querida filha… 

(10)

   

   

(11)

  ACKNOWLEDGMENTS 

 

ACKNOWLEDGMENTS 

Ao terminar esta dissertação, não posso deixar de exprimir o meu agradecimento pelas muitas  e valiosas contribuições, de diversas pessoas, que tornaram possível a sua concretização:  

Aos  Srs.  Professores  Doutores  Armando  Mascarenhas  Ferreira  e  Carlos  Alberto  Sequeira,  Magníficos  Reitores  da  Universidade  de  Trás‐os‐Montes  e  Alto  Douro  durante  o  período  de  realização deste trabalho, pelas facilidades concedidas. 

To my Ph.D. supervisor Dr. Jonathan Mark Wilson I would like to express my deep and sincere  gratitude. Many thanks for all valuable knowledge’s, encouragement and gentleness, and for  your constant and promptly support throughout all this years. Most of all, thank you for your  patience and faith. Thanks for your perseverance and big humanity. 

Ao  Sr.  Professor  Doutor,  António  Fontaínhas  Fernandes,  atualmente  Magnífico  Reitor  da  Universidade de Trás‐os‐Montes e Alto Douro e co‐orientador desta tese, quero expressar os  meus  mais  sinceros  agradecimentos  pelo  interesse  e  valiosos  conhecimentos  transmitidos,  pelo empenho pessoal em reunir todos os meios e condições necessárias para a concretização  desta tese, bem como pelo encorajamento e amizade que sempre me dedicou.  

À Srª Professora Doutora Sandra Mariza Veiga Monteiro, co‐orientadora desta tese, mas acima  de  tudo  Amiga  de  longa  data…  A  ti,  Mariza  (e  peço  desculpa  pelo  agradecimento  menos  formal), agradeço‐te do fundinho do meu coração tudo aquilo que nestes anos partilhámos…  Ideias,  conhecimentos,  horas  (por  vezes  tardias)  de  laboratório  e  biotério,  discussões  pertinentes,  escrita  de  artigos…  mas  acima  de  tudo  por  teres  sido  a  minha  âncora  nesta  instituição e também o meu leme… Obrigada pelo teu apoio. Obrigada por todas as vezes que  riste  e  choraste  comigo,  por  todo  o  carinho,  dedicação  e  paciência…  Obrigada  pela  tua  amizade!.. 

Ao Professor Doutor João Coimbra, responsável pelo laboratório de Ecofisiologia e Presidente  da Direção do Centro Interdisciplinar de Investigação Marinha e Ambiental (CIIMAR) durante o  período  de  realização  deste  trabalho,  pelo  seu  acolhimento  naquela  instituição,  pelas  facilidades concedidas e pela sua constante simpatia. 

(12)

 

II   

(13)

  ACKNOWLEDGMENTS 

A todos os elementos do Laboratório de Ecofisiologia do CIIMAR, o meu reconhecimento pela  ajuda  prestada  na  execução  deste  trabalho,  pela  convivência  e  companheirismo.  À  Inês  e  Odete, companheiras de “luta”, um agradecimento especial e muito sentido.  Ao Professor Doutor Juan Miguel Mancera agradeço por me ter acolhido no seu laboratório,  ter acreditado nas minhas capacidades e por todos os valiosos conhecimentos transmitidos na  colaboração deste trabalho.   A todo o grupo de trabalho da Universidade de Cadiz, com quem tive o prazer de partilhar o  laboratório e a amizade, Jose, Nacho, Lucho, Martita, Yoli e Paco, o meu muito obrigada! 

Ao  Professor  Doutor  Luís  de  Carvalho  e  Sr.  Carlos  Matos  do  Laboratório  de  Química,  pela  disponibilização de meios técnicos e humanos na análise de alguns parâmetros químicos da  água. 

Ao  Professor  Doutor  Jorge  Ventura,  pela  solícita  ajuda  durante  o  meu  curto  percurso  académico,  pelo  auxílio  sempre  disponibilizado  nas  aulas  e,  acima  de  tudo,  pela  amizade  e  simpatia. 

Quero  ainda  expressar  um  agradecimento  sentido  aos  funcionários  do  DEBA,  em  particular  à  Cesaltina  Carvalho,  pela  força  e  determinação  que  sempre  me  transmitiu,  pelo apoio incondicional e pela disponibilidade constante; à Ana Fraga e à Donzília Costa,  que  me  viram  crescer,  pela  amizade  que  me  dispensaram  e  pela  ajuda  nas  colheitas  e  processamento  histológico  do  material.  Ao  Pacheco  e  à  Lai,  pelo  auxílio  nos  assuntos  documentais e de secretariado. Mais do que tudo, agradeço a todos por sempre me terem  apoiado e terem tido uma palavra de incentivo nos momentos de maior desalento. 

Aos colegas e amigos com quem partilhei o laboratório e muitas e intensas horas de vida. Ao  Pedro,  demonstro  a  minha  gratidão  pelo  companheirismo,  pelos  sorrisos  partilhados  e  por  estares sempre presente e disponível. Ao João Carrola agradeço a preocupação que sempre  demonstrou, ajuda e colaboração no trabalho de biotério. À Ana Coimbra, pela sua colaboração  em algumas fases práticas do trabalho, pelo seu apoio e incentivo e pela amizade demonstrada.  À Ana Luzio e Sandra pelo companheirismo, auxílio e carinho. O vosso apoio “mental” foi muito  importante para a conclusão desta tese. À Rita, pela lufada de ar fresco que trouxe ao nosso 

(14)

 

IV   

(15)

  ACKNOWLEDGMENTS 

A todos, tenho que manifestar a minha alegria na partilha do espaço de trabalho e o facto de  me  proporcionarem,  a  cada  dia,  um  ambiente  fraterno  e  bem‐disposto.  Ao  colega  que  entretanto nos deixou mas que não pode, de forma alguma, ser por mim esquecido. Fernandes,  obrigada mais do que tudo, pela bela lição de vida que nos deixaste como legado. 

Aos meus amigos, cujos nomes me coíbo de mencionar por saber que os verão aqui refletidos,  pelo apoio e pelo carinho que sempre me dedicaram e principalmente, por se terem mantido  presentes.  A  todos,  e  a  cada  um  em  particular,  deixo  aqui  registada  a  minha  insuficiente  gratidão.  Aos meus “maninhos” e “sobrinhas” do peito, Tó, Sara, Tiz e Rita porque continuam sempre  presentes… pela sua amizade verdadeira, por tudo…   Aos meus sogros, Dª Suzete e Sr. Adriano, pelo seu constante apoio, carinho e amizade.  Ao Nuno, pelo companheirismo e compreensão, pela partilha de uma vida nem sempre feita  de momentos felizes. Obrigada pela tua força, por não teres duvidado de que conseguiria, por  me obrigares a dar o passo em frente nos momentos de indecisão. Obrigada por me fazeres  sorrir e por caminhares de mão dada comigo…  Aos meus queridos Pais… Porque a eles devo tudo aquilo que sou… Por terem investido as suas  vidas e tantas vezes abdicado delas para que eu pudesse percorrer este caminho, por todo o  seu  apoio  sem  limites,  por  todo  o  seu  amor  e  carinho  incondicional,  por  tudo  aquilo  que  representam… Obrigada por me terem dado a liberdade suficiente para escolher o meu rumo,  não sem antes me terem transmitido os valores necessários para o alcançar.  

À Camila…que nasceu a meio deste caminho…O meu raio de luz que faz o sol brilhar nos dias  mais  cinzentos…  Agradeço‐te  minha  querida  filha,  por  todo  o  teu  amor  e  carinho  que  me  enchem o coração… Serás sempre a força do meu caminhar…a minha mais perfeita Tese…

(16)

 

VI     

(17)

  RESUMO    RESUMO  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. 

(18)

   

VIII   

(19)

  RESUMO 

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  hipotálamo‐ pituitária‐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 

(20)

   

X   

(21)

  RESUMO    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.               

(22)

   

XII     

(23)

  ABSTRACT

 

ABSTRACT 

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 CdCl

2) 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  

(24)

 

XIV   

(25)

  ABSTRACT

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‐pituitary‐ interrenal (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.   

(26)

 

XVI     

(27)

  LIST OF FIGURES  LIST OF FIGURES  CHAPTER 1  1. Image of the Oreochromis niloticus (Source: FAO 2012).   4 2. Main producer countries of Oreochromis niloticus (FAO Fishery Statistics, 2006).  4 3. Global aquaculture production of Oreochromis niloticus (FAO Fishery Statistic).  5 4. Image of the Sparus aurata (Source: FAO 2012).  7 5. Main producer countries of Sparus aurata (FAO Fishery Statistics, 2006).  8 6. Global aquaculture production of Sparus aurata (FAO Fishery Statistic).  9 7. Schematic of water and salt exchange in freshwater (A) and seawater (B) fishes  (Adapted from Edwards and Marshall, 2013).  11

8.  Current  model  for  the  mechanisms  of  NaCl  secretion  by  the  teleost  gill  mitochondria‐rich  cell  (MRC).  AC,  accessory  cell;  CFTR,  cystic  fibrosis  transmembrane conductance regulator; Kir, inward rectifying K+ channel; NKA,  Na+/K+‐ATPase;  NKCC,  Na+/K+/2Cl  cotransporter;  PV,  pavement  cell,  SW,  seawater. (Adapted from Edwards and Marshall, 2013).  

13

9. Current working model for ionic exchangers, channels and pumps mediating the  uptake  of  Na+  and  Cl  by  the  fish  gill  epithelium  in  freshwater.    Two  mitochondrion‐rich  cells  are  diagrammed,  but  the  actual  distribution  and  nomenclature of the specific cells are debated and may be species specific. ClC‐ 3,  chloride  channel;  ENaC,  epithelial  Na+  channel;  NBC1,  Na+/HCO3  cotransporter;  NCC,  Na+/Cl  cotransporter,  NHE,  Na+/H+  exchanger;  NKA,  Na+/K+‐ATPase; Rhbg, Rhcg, rhesus associated glycoproteins; V‐ATP, V‐type H+ ATPase; SLC4, SLC26, anion exchangers; FW, freshwater (Adapted from Evans,  2011).   

15

10.  Schematic  illustrations  of  the  structure  and  function  of  the  nephron  in  (A)  freshwater  and  (B)  seawater  teleost  fishes.  Representative  plasma  filtration  rates  and  osmotic  concentrations,  tubular  reabsorption  and  secretion  processes, urine flow rates and osmolality are shown. GFR, glomerular filtration  rate; Prox, proximal (Adapted from Edwards and Marshall, 2013). 

20

(28)

 

XVIII   

(29)

  LIST OF FIGURES 

 

11. Cellular model of both secretory and absorptive process in the (A) early and (B)  late  proximal  tubule  of  glomerular  and  aglomerular  marine  teleosts.  Prox.,  proximal; ECF, extracellular fluid (Adapted from Edwards and Marshall, 2013).  22   CHAPTER 2  1. Representative gill filament of control fish. cc, chloride cells; cvc, central venus  sinus; e, erythrocytes, FE, filament epithelium; Lva, lamellar vascular axis; mc,  mucous cell; pvc, pavement cell. Light microscopy, H&E (scale bar: 10 µm).    58

2.  Lifting  of  lamellar  epithelium  (head  arrows)  and  interstitial  edema  (*).  Vasodilation is noted in the basis of the lamellar vascular axis. pv, pavement  cells. Light microscopy, H&E (scale bar: 10 µm). 

58

3.  General  proliferation  of  the  filament  epithelium  with  lamellar  fusion  (F).  Interstitial edema (*).Light microscopy, H&E (scale bar: 10 µm).    58 4. Pyknotic nuclei (white arrows), cell membrane rupture (black arrows) typical of  necrosis. Basal cells with bright cytoplasm and without organelles. Necrosis in  the base of the filament. Light microscopy, H&E (scale bar: 10 µm).    58

5.  Pillar  cell  rupture  (pcR)  linked  to  vascular  congestion  (+),  pronounced  justalamelar edema (*), proliferation of the filament epithelium (black arrow)  and necrosis (nc). Light microscopy, H&E (scale bar: 10 µm).   

59

6. Vasodilation of the lamellar vascular axis with pillar cells losing its capacity of  support  and  aneurysms  development  (arrows).  Light  microscopy,  H&E  (scale  bar: 10 µm).   

59

 

CHAPTER 3 

1.  Time  course  changes  in  plasma  concentrations  of  cortisol  (a),  glucose  (b),  thyroxine‐T4  (c)  and  tri‐idothyronine‐T3  (d)  in  Nile  tilapia  O.  niloticus,  after  control (c) or cadmium (Cd) exposure (25 mg L‐1 of CdCl2) over 96 h. Bars with  an  asterisk  are  significantly  (p<0.05)  different  from  the  control  group  at  the  same time of exposure. The values are expressed as mean ± SD (n = 8). 

67

   

(30)

 

XX     

(31)

  LIST OF FIGURES 

 

CHAPTER 4 

1. Effect of Cd treatment and water salinity change on branchial (A) and renal (B)  Na+/K+‐ATPase activity in S. aurata. Data are presented as mean ± SEM (n=8).  Different  letters  within  the  same  treatment  group  indicate  significant  differences  (P<0.05)  between  seawater  acclimated  fish  (SW)  and  fish  transferred  to  high  salinity  water  (HSW).  The  pound  sign  (#)  indicates  statistically  significant  differences  (P<0.05)  from  the  control  (Ctrl)  within  the  same salinity group. 

76

2. Effect of Cd treatment and water salinity change on branchial (A)and renal (B)  Na+/K+‐ATPase α subunit expression determined by immunobotting, in S. aurata  and  representative  bands  of  c.  100kDa.  Data  are  presented  as  mean  ±  SEM  (n=8), relative to the SW control group. Further details as in legend of Fig.1. 

76

3. Effect of Cd treatment and water salinity alteration on kidney (A) and liver (B)  PCNA  expression  determined  by  immunoblotting,  in  S.  aurata  and  representative immunoblots showing bands of c. 30kDa. Data are presented as  mean ± SEM (n=8), relative to the SW control group. Further details as in legend  of Fig.1. 

77

4. Effect of Cd treatment and water salinity transfer on kidney (A) and hepatic (B)  Caspase3  expression  determined  by  immunobotting,  in  S.  aurata  and  representative  bands  of  100  and  32kDa,  respectively.  Data  are  presented  as  mean ± SEM (n=8), relative to the SW control group. Further details as in legend  of Fig.1. 

77

5.  Effect  of  Cd  treatment  and  water  salinity  transfer  on  kidney  HSP70  (A)  and  hepatic HSP90 (B) expression determined by immunobotting, in S. aurata and  representative  bands  of  70  and  90kDa,  respectively.  Data  are  presented  as  mean ± SEM (n=8), relative to the SW control group. Further details as in legend  of Fig.1.  78   CHAPTER 5  1. Lipid peroxidation (A) and protein carbonylation (B) values in the gill of tilapia  exposed  by  intraperitoneal  injection  to  different  concentrations  of  cadmium  and sacrificed after 1, 4 and 7 days. The values are expressed as mean ± SEM  (n=10).  Comparisons  between  treatment  groups  at  the  same  exposure  time  with  different  lower  cases  are  significantly  different.  Different  capital  letters  within each treatment group indicate significant differences between exposure  times. (P < 0.05). 

(32)

 

XXII     

(33)

  LIST OF FIGURES 

 

2.  Branchial  (A)  and  renal  (B)  Na+/K+‐ATPase  activity  of  tilapia  exposed  by  intraperitoneal injection to different concentrations of cadmium and sacrificed  after 1, 4 and 7 days. The values are expressed as mean ± SEM (n= 10). All other  details are identical to those in Fig. 1 legend. 

89

3.  Effect  of  Cd  intraperitoneal  injection  on  Na+/K+‐ATPase  α‐subunit,  PCNA  and  HSP70 expression determined by immunoblotting, in the gill (A, C, E) and kidney  (B, D, F) of O. niloticus, after 1 and 7 days of exposition. The values are expressed  as mean ± SEM (n= 10) relative to Cd0‐1d. All other details are identical to those  in Fig. 1 legend.  90   CHAPTER 6  1. Effect of salinity alone and salinity + Cd exposures on plasma Na+ (A) and Ca2+ (B)  levels of tilapia after 1 and 7 days exposure. The values are expressed as mean  ± SEM (n=8). Differences between the FW Ctrl with BW Ctrl and Cd groups are  indicated by an asterisk (1‐way ANOVA, post hoc Dunnet’s test) (P<0.05).  110 2. Effect of salinity alone and salinity + Cd exposures on plasma glucose (A) cortisol  (B), lactate (C) and triglycerides (D) levels of tilapia sampled after 1 and 7 days.  The  values  are  expressed  as  mean  ±  SEM  (n=8).  Comparisons  between  the  FWCtrl  group  with  BW  Ctrl  and  Cd  groups  with  significant  differences  are  indicated by asterisks (1‐way ANOVA, and post hoc Dunnet’s test). Ctrl and Cd  groups in BW at 1 and 7 d were analyzed by 2‐way ANOVA and post‐hoc Fisher  LSD tests. The pound sign (#) indicates significant differences between groups.  (P<0.05).  111 3. Effect of salinity alone and salinity + Cd exposures on the activity and abundance  of branchial (A, C) and renal (B, D) Na+/K+‐ATPase in tilapia sacrificed after 1and  7  days.  The  values  are  expressed  as  mean  ±  SEM  (n=8).  All  other  details  are  identical to those in Figure 2 legend. 

112

4.  Effect  of  salinity  alone  and  salinity  +  Cd  on  HSP70  and  PCNA  expression  determined by immunoblotting, in gill (A, C) and kidney (B, D) of tilapia, after 1  and 7 days of exposure. The values are expressed as mean ± SEM (n=8). All other  details are identical to those in Figure 2 legend. 

(34)

 

XXIV     

(35)

  LIST OF TABLES  LIST OF TABLES  CHAPTER 1  1. Taxonomic hierarchy of Nile tilapia.  3 2. Taxonomic hierarchy of Gilthead seabream.  7 CHAPTER 4  1. Hepatosomatic index (HSI), and plasma osmolality, sodium, calcium, chloride,  cortisol,  glucose,  lactate,  triglycerides,  protein  concentrations  in  S.  aurata  control and treated with Cd (1.25 mg Cd/kg body wt), acclimated to SW and  transferred  to  HSW  for  4  days.  Data  are  presented  as  mean  ±  SEM  (n=8).  Values  with  different  capital  letters  within  the  same  salinity  group  (on  the  same  line)  are  significantly  different.  Within  either  control  or  Cd  exposure  groups,  values  with  different  lowercase  letters  (in  the  same  column)  are  significantly  different.  (P<0.05,  two‐way  ANOVA,  SNK  test).SW=seawater  acclimated fish; HSW=fish transferred from SW to HSW. 

75

2.  HSP  70  and  90,  and  metallothionein  (MT)  expression  determined  by  immunoblotting in gill, liver and kidney of S. aurata control and treated with  Cd (1.25 mg Cd/kg body wt), acclimated to SW and transferred to HSW for 4  days. Data are presented as mean ± SEM (n=8). SW=seawater acclimated fish;  HSW=fish  transferred  from  SW  to  HSW;  HSP=heat  shock  proteins;  MT=  Metallothionein. Values are presented relative to the SW Control group.  78 CHAPTER 5  1. Morphometric parameters and muscle water content of O. niloticus injected  with different cadmium concentrations. Data are presented as mean ± SEM (n  = 10). Values with different lowercase letters within the same time of exposure  (in the same line) are significantly different. Within each Cd treatment, values  with different capital letters (in the same column) are significantly different.  (P<0.05,  two‐way  ANOVA,  SNK  test).  Cd0  =  fish  injected  with  0.9%  NaCl  (control);  Cd  1.25  and  Cd  2.5  =  Fish  injected  with  1.25  and  2.5  mg  Cd  kg−1 respectively. 

(36)

 

XXVI     

(37)

  LIST OF TABLES 

 

2.  Concentrations  of  Cd  in  μg  g−1  drymass  in  the  gills  and  kidney  of  tilapia  intraperitoneally  injected  with  either  saline  (Cd  0),  1.25  mg  kg−1  of  Cd  (Cd  1.25), or 2.5 mg kg‐1 of Cd (Cd 2.5). Data are presented as mean ± SEM (n =3).  Values with different lowercase letters within the same time of exposure (in  the  same  row)  are  significantly  different.  Within  each  Cd  treatment,  values  with different capital letters (in the same column) are significantly different.  (P < 0.05, two‐way ANOVA, SNK test). 

88

3.  Biochemical  parameters  measured  in  plasma  of  O.  niloticus  injected  with  different cadmium concentrations. Data are presented as mean ± SEM (n=10).  Values with different lowercase letters within the same time of exposure (in  the  same  line)  are  significantly  different.  Within  each  Cd  treatment,  values  with different capital letters (in the same column) are significantly different.  (P  <  0.05,  two‐way  ANOVA,  SNK  test).  Cd0  =  fish  injected  with  0.9%  NaCl  (control);  Cd  1.25  and  Cd  2.5  =  Fish  injected  with  1.25  and  2.5  mg  Cd  kg−1 respectively.  88 CHAPTER 6  1. Condition factor (K), hepatosomatic index (HIS), hematocrit (Hct) and muscle  water content (MWC%) in O. niloticus acclimated to FW and transferred to BW  alone or combined with Cd (2.5 mg Cd kg1 body mass) for 1 and 7 days. Data are  presented  as  mean  ±  SEM  (n=8).  In  FW  versus  BW  group  comparisons,  the  asterisk  indicates  a  significant  difference  from  the  FWCtrl  group  (One‐way  ANOVA).  #  In  comparisons  between  BW  groups,  Ctrl<Cd.  (two‐way  ANOVA).  N=8. 

108

2. Na+ and K+ concentration (μmol g‐1 wet mass) and Na+/K+ ratio in muscle of O. 

niloticus transferred to BW alone or combined with Cd injection (2.5 mg Cd kg‐ 1 body mass) for 1and 7 days. * Muscle [Na+] significant time and treatment  effects: 1d > 7d; BWCtrl > BWCd, no interaction (P < 0.05, two‐way ANOVA).  109        

(38)

 

XXVIII     

(39)

  ABBREVIATIONS    ABBREVIATIONS    aa – amino acids  ACs ‐ Accessory cells  ACTH ‐ Adrenocorticotropic hormone  ADP – Adenosine biphosphate  ANOVA ‐ Analysis of variance  ATP – Adenosine triphosphate  ATPase ‐ Adenosine triphosphatase  BCA ‐ Bicinchoninic acid  BHT – Butylated hydroxytoluene  BLM ‐ Biotic ligand model   Br‐ ‐ Bromide ion  BSA – Bovine serum albumin  BW – Brackishwater  CA ‐ Carbonic anhydrase   Ca2+ ‐ Calcium ion  CaCl2 – Calcium chloride  CC, cc – Chloride cells  Cd ‐ Cadmium  Cd2+ ‐ Cadmium ion  CdCl2 – Cadmium chloride  CdS ‐ Cadmium sulfide 

CFTR  ‐  Cystic  fibrosis  transmembrane  conductance regulator 

CIIMAR  –  Centro  Interdisciplinar  de  Investigação Marinha e Ambiental 

CITAB  –  Centro  de  Investigação  e  de  Tecnologias Agro‐Ambientais e Biológicas  Cl‐ ‐ Chloride ion  ClC‐3 ‐ Chloride channel  CO2 – Carbon dioxide       

CPP32  –  Polyclonal  rabbit  anti‐human  caspase 3  cvc ‐ Central venus sinus   Cys ‐ Cysteine   DNPH – 2,4‐Dinitrophenylhydrazine  DO – Dissolved oxygen  e ‐ Erythrocytes  ECaC ‐ Epithelial Ca2+ channel  ECL ‐ Electrochemiluminescence  EDTA – Ethylenediamine tetraacetic acid  ELISA  ‐  Enzyme‐linked  immunosorbent  assay   ENaC ‐ Epithelial Na+ channel   EPA ‐ Environmental Protection Agency  FAO – Food and Agriculture Organization  FE ‐ Filament epithelium  FW – Freshwater  GSH ‐ Glutathione  H&E ‐ Hematoxylin and eosin stain  H+ ‐ Hydrogen ion  H2O2 ‐ Hydrogen peroxide  HCl – Hydrochloric acid  HCO3‐ ‐ Bicarbonate ion  Hct ‐ Hematocrit  HO2‐ Hydroperoxyl radical   HPI  ‐  Hypothalamus‐pituitary‐interrenal  axis  HPT  ‐  Hypothalamus‐pituitary‐thyroid  axis  HRP – Horseradish peroxidase 

(40)

 

XXX     

(41)

  ABBREVIATIONS    HSP – Heat shock proteins  HSW ‐ Hypersaline water  i.p. – intraperitoneal  K – Condition factor  K+ ‐ potassium ion  KDa ‐ kilodalton  Kir – inwardly rectifying K+ channel  kPa ‐ Kilopascal  LC50 – Median lethal concentration  LPO ‐ Lipid peroxidation   Lva ‐ Lamellar vascular axis   M – Molarity (mol/L)  mc ‐ Mucous cell  MDA – Malondialdehyde  Mg2+ ‐ Magnesium ion  mM ‐ Millimolar  mOsm ‐ Milliosmole  MRC ‐ Mitochondrion‐rich cells  mRNA – Messenger RNA  MTs ‐ Metallothioneins  MWC – Muscle water content  n.d. – Not detectable   Na+ ‐ Sodium ion  NaCl – Sodium chloride 

NADH  ‐  Reduced  nicotinamide  adenine  dinucleotide 

NBC1 ‐ Na+/HCO3 cotransporter  nc ‐ Necrosis 

NCC ‐ Na+/Cl cotransporter 

NCX ‐ Na+/Ca2+ exchanger 

NH4+ ‐ Ammonium ion  + +   NKA ‐ Na+/K+‐ATPase  NKCC  ‐  Na+/K+/2Cl  cotransporter,  bumetanide‐sensitive cotransporter  NO3‐ ‐ Nitrate ion  O2‐‐ Superoxide anion radical  ‐OH ‐ Hydroxyl radical   PCNA ‐ Proliferating cell nuclear antigen  PCO ‐ Protein carbonyl   pcR ‐  Pillar cell rupture  PMCA ‐ Plasma membrane Ca2+‐ATPase  PNA ‐ Peanut lectin agglutinin  ppm – parts per million  ppt – parts per trillion  PRL ‐ Prolactin  PV, PVCs ‐ Pavement cells  PVDF ‐ Polyvinylidene difluoride  Rhbg,  Rhcg  ‐  Rhesus  associated  glycoproteins  ROS ‐ Reactive oxygen species  SDS ‐ Sodium dodecyl sulfate 

SDS‐PAGE  –  Sodium  dodecyl  sulfate  polyacrylamide gel electrophoresis  SEM ‐ Standard error of the mean  SLC4, SLC26 ‐ Anion exchangers  SNK – Student Newman Keuls test  SO42‐ ‐ Sulphate ion 

SPSS  ‐  Statistical  Package  for  the  Social  Sciences 

SW – Seawater  T3 ‐ Triiodothyronine  T4 – Thyroxin 

(42)

 

XXXII     

(43)

  ABBREVIATIONS 

 

TBARS  ‐  Thiobarbituric  acid  reactive  substances 

TCA – Trichloroacetic acid  TIFF ‐ Tagged Image File Format 

TTBS ‐ Mixture of Tris‐Buffered Saline and  Tween 20 

UNEP  –  United  Nations  Environment  Programme 

USEPA  ‐  United  States  Environmental  Protection Agency  UTAD‐ Universidade de Trás‐os‐Montes e  Alto Douro  V‐ATP ‐ V‐type H+‐ATPase  WHO ‐ World Health Organization  Wt – Weight  °C ‐ Degree Celsius  12D:12L – 12h dark, 12h light             

(44)

 

XXXIV     

(45)

  TABLE OF CONTENTS 

TABLE OF CONTENTS 

AKNOWLEDGMENTS  I RESUMO  VII ABSTRACT  XIII LIST OF FIGURES  XVII LIST OF TABLES  XXV ABBREVIATIONS  XXIX TABLE OF CONTENTS  XXXV   CHAPTER 1  General Introduction  1 1.1 Test species  3 1.1.1 Nile tilapia (Oreochromis niloticus)  3 1.1.2 Gilthead seabream (Sparus aurata)  6 1.2 Fish osmoregulation  10 1.2.1 General principles  10 1.2.2 Gills and ion transport models  12 1.2.3 Kidney and reabsorption/secretion processes  19 1.3 Cadmium  24 1.3.1 Environmental occurrence  24 1.3.2 Toxicity in aquatic systems  25 1.3.3 Uptake and tissue distribution in fish  27

(46)

 

XXXVI   

(47)

  TABLE OF CONTENTS  Ionoregulation effects  30 Histological effects  31 Endocrine disruption  32 Oxidative damage  33 1.4 Research objectives  35 1.5 References  37   CHAPTER 2  Histological alterations in gills of Nile tilapia Oreochromis niloticus caused  by cadmium  53   CHAPTER 3  Effects of exposure to cadmium on some endocrine parameters in tilapia,  Oreochromis niloticus  65   CHAPTER 4 

Metabolic  and  osmoregulatory  changes  and  cell  proliferation  in  gilthead 

sea bream (Sparus aurata) exposed to cadmium  73

 

CHAPTER 5 

Effects  of  cadmium  injection  on  osmoregulation  and  stress  indicators  in 

freshwater Nile tilapia  85   CHAPTER 6  Effects of cadmium on salinity challenge in Nile Tilapia  97   CHAPTER 7  Concluding remarks  131  

(48)

  XXXVIII           

(49)

                                               

General Introduction

CHAPTER 1

(50)
(51)

  CHAPTER 1    1.1 TEST SPECIES  1.1.1 Nile tilapia (Oreochromis niloticus)  The name tilapia includes many species of the Cichlidae family belonging to the Perciformes  order and Actinopterigii class (Table 1). These fish are endemic to Africa and the Midle East,  but  they  have  been  introduced  into  most  tropical  and  subtropical  countries  for  aquatic  weed  control  and  aquaculture.  There  are  three  major  taxonomic  groups.  Species  of  the  genus  Tilapia  are  substrate  brooders  which  deposit  their  eggs  in  nests  excavated  in  the  sediment.  Species  of  the  genus  Oreochromis  are  maternal  mouth  brooders,  e.g.,  the  females incubate the eggs in their mouths. Species of the genus Sarotherdon are maternal  and paternal mouth brooders (Boyd, 2004).     Table 1: Taxonomic hierarchy of Nile tilapia  Superkingdom  Eukaryota  Kingdom  Metazoa  Phylum  Chordata  Subphylum  Craniata  Superclass  Gnathostomata  Class  Actinopterygii  Superorder  Acanthopterygii  Order  Perciformes  Suborder  Labroidei  Family  Cichlidae  Subfamily  Pseudocrenilabrinae  Genus  Oreochromis  Species  Oreochromis niloticus (Linnaeus, 1758)  Source: NCBI Taxonomy database (USA), Sayers et al. (2009).      

(52)

   

 

CHAPTER 1 

The Nile tilapia Oreochromis niloticus (Fig. 1) is a deep‐bodied fish with cycloid scales. Silver  in  color  with  olive/grey/black  body  bars,  the  Nile  tilapia  often  flushes  red  during  the  breeding  season  (Picker  and  Griffiths,  2011).  It  grows  to  a  maximum  length  of  62  cm,  weighing  3.65  kg  (at  an  estimated  9  years  of  age)  (FAO,  2012).  The  average  size  (total  length) of O. niloticus is 20 cm (Bwanika et al., 2004). 

 

Figure 1: Image of the Oreochromis niloticus (Source: FAO, 2012).   

Tilapias  have  traditionally  been  important  in  capture  fisheries,  but  the  culture  of  these  species  has  increased  and  now  exceeds  the  wild  catch.  Nile  tilapia  is  the  predominant  cultured species worldwide (Fig. 2).                Figure 2: Main producer countries of Oreochromis niloticus (FAO Fishery Statistics, 2006).   

(53)

  CHAPTER 1  Data from FAO on world production of Nile tilapia in aquaculture by 2012 are provided in  Figure 3. Aquaculture production increased from about 1 million tonnes in 2000 to over 3  million tonnes in 2012.   Nile tilapia is a tropical species that prefers to live in shallow water. It tolerates a wide range  of values for the main physical and chemical parameters of water. The lower and upper  lethal temperatures for Nile tilapia are 11‐12 °C and 42 °C respectively, although the best  growth  rates  have  been  recorded  in  water  temperatures  between  28  and  32  °C.  The  reproduction of O. niloticus does not occur at temperatures below 20 °C and are inactive  at 16 °C. In fact, this is the minimum required temperature for growth (Ombredane et al.,  1990). 

In  general,  species  of  the  genus  Oreochromis  are  omnivorous  and,  under  natural  conditions, tilapia feed on phytoplankton, zooplankton, detritus, benthic organisms, and  others  (Bowen,  1982).  They  are  popular  as  a  culture  species  because  of  their  ability  to  efficiently use both natural organisms and manufactured feed under crowded conditions  allowing high levels of production (Boyd, 2004). Their feeding activity is primarily diurnal,  although  sometimes  it  can  happen  during  the  night.  Also,  there  are  no  differences  in  feeding behavior between males and females (Toguyeni, 1996).  

(54)

   

 

CHAPTER 1 

Tilapia is a euryhaline teleost more tolerant than most commonly farmed freshwater fish  to  high  salinity,  high  water  temperature,  low  dissolved  oxygen  and  high  ammonia  concentrations (Popma and Masser, 1999). All tilapia are tolerant to brackish water. The  Nile tilapia is the least saline tolerant of the commercially important species, but grows well  at  salinities  up  to  15  ppt  (Fontaínhas‐Fernandes,  2002).  Moreover,  survive  at  dissolved  oxygen (DO) concentrations of less than 0.3 mg/L and in pH ranging from 5 to 10 (Popma  and Masser, 1999) however, the best growth rates were observed in tilapia in water with a  pH ranging between 7 and 8 (Fontaínhas‐Fernandes, 1999). According to this author, tilapia  tolerates  high  levels  of  ammonia,  especially  when  compared  to  salmonids.  The  same  applies to the contents of nitrites. 

In  addition  to  its  interest  for  aquaculture,  tilapias  are  being  increasingly  used  for  other  purposes in fish biology research, including toxicology (Wright et al., 2004). In fact, these  fishes have proven to be very useful, either as sentinel organisms in environmental studies  or in laboratory toxicant assays (Law, 2004). Nile tilapia is  considered a good model for  toxicological  experiments  due  to  its  high  growth  rates,  easy  adaptation  to  commercial  diets,  resistance  to  diseases  and  injury  from  handling  practices,  unproblematic  reproduction  in  captivity  and  good  tolerance  to  a  wide  variety  of  husbandry  conditions  (Fontaínhas‐Fernandes, 1998; Campos‐Mendoza et al., 2004).  

Regarding  their  physiological  characteristics  and  due  to  their  low  maintenance  and  bioassay  costs,  Nile  tilapia  (Oreochromis  niloticus)  were  chosen  as  animal  model,  in  the  present work. 

 

1.1.2 Gilthead seabream (Sparus aurata) 

The gilthead sea bream (Sparus aurata, L.) is a marine teleost that belongs to the family  Sparidae  (Table  2).  It  presents  a  body  with  an  oval  shape,  very  high  and  laterally  compressed. The head profile is convex with small eyes (Fig. 4). The cheeks are covered  with scales and the pre‐opercular bone is scaleless. The gilthead seabream colour is silver‐ grey with a big dark spot at the beginning of the lateral line that covers also the upper part  of the opercular bone. A gold and a black band is found between the eyes, the golden one 

(55)

  CHAPTER 1  always narrow in the central part. The dorsal fin is blue‐grey with a median black line. The  caudal fin is grey‐greenish white with black tips.    Table 2: Taxonomic hierarchy of Gilthead seabream.  Source: NCBI Taxonomy database (USA), Sayers et al. (2009).           Figure 4: Image of the Sparus aurata (Source: FAO 2012).    Sparus aurata is commonly distributed in the Mediterranean Sea, present in the Eastern  Atlantic and rarely encountered in the Black Sea. This species together with the seabass are  the  two  marine  fish  species  which  have  characterized  the  development  of  marine  aquaculture in the Mediterranean basin over the last decades. The substantial increase in  production  levels  has  been  possible  thanks  to  the  progressive  improvement  of  the 

Superkingdom  Eukaryota  Kingdom  Metazoa  Phylum  Chordata  Subphylum  Craniata  Superclass  Gnathostomata  Class  Actinopterygii  Superorder  Acanthopterygii  Order  Perciformes  Suborder  Percoidei  Family  Sparidae  Genus  Sparus  Species  Sparus aurata (Linnaeus, 1758) 

(56)

   

 

CHAPTER 1 

technologies  involved  in  the  production  of  fry  in  hatcheries.  At  present  the  farmed  production of S.aurata derived from hatchery produced fry is far greater than the supply  coming from capture fisheries (Moretti, 2005). Data from FAO on main producer countries  and global aquaculture production of Sparus aurata are present in Figures 5 and 6. In 2012  the world production in aquaculture reached about 160 000 tonnes.       

As  an  euryhaline  species,  gilthead  sea  bream  inhabits  marine  or  brackish  water  environments of seagrass beds, sandy or rocky bottoms, and can reach from 30 to 150 m  depth as an adult. It is mainly carnivorous, predating on shellfish, crustaceans and fish, and  accessorily herbivorous. It is a protandrous hermaphrodite with a breeding period ranging  from  October  to  December  depending  on  social,  environmental  (photoperiod,  water  temperature) and genetic factors For the first two years gilthead sea bream is a functional  male and at sizes over 30 cm it turns to female (Moretti et al., 2005; Zohar et al., 1978).  

(57)

  CHAPTER 1    Due to the great importance of gilthead seabream for the marine aquaculture an increasing  number of scientific papers exploring its physiology, nutrition, immune response, growth  performance, reproduction and genetics have been produced (for review, see Pavlidis and  Mylonas, 2011).  Human activities in coastal areas of the Mediterranean and Southern Europe result in high  concentrations of contaminants. The investigation of metal toxicity in marine species and  studies about interaction of salinity and Cd toxicity are scarce. For these reasons and due  to the great importance of gilthead seabream for the marine aquaculture this species was  chosen as animal model in the present work.        Figure 6: Global aquaculture production of Sparus aurata (FAO Fishery Statistic). 

(58)

      CHAPTER 1  10    1.2 FISH OSMOREGULATION    1.2.1 General Principles   

The  salinity/osmolarity  of  aquatic  habitats  can  be  quite  variable.  Fish  have  developed  mechanisms  for  maintaining  fluid  and  electrolyte  homeostasis  across  a  wide  range  of  salinities.  Marine  teleosts,  freshwater  teleosts,  and  marine  elasmobranchs  all  utilize  different  physiologic  strategies  for  osmoregulation.  Elasmobranchs  are  slightly  hyperosmotic (relative to seawater) by using urea as an osmolyte but maintain a lower NaCl  content by active NaCl secretion via the rectal gland. Teleost fishes maintain the osmolality  of  their  extracellular  body  fluids  relatively  constant  at  approximately  300  mosmol  kg−1  (which  is  isosomotic  to  9  g  kg−1  salinity),  independent  of  environmental  salinity  (Kültz,  2015). 

While  most  fishes  are  stenohaline  and  thus  unable  to  move  between  freshwater  and  seawater, remarkably 3‐5% of fishes are euryhaline and thus capable of surviving in a wide  range of salinities, being important model species for elucidating the mechanisms of salt  and water balance and other physiological processes (Edwards and Marshall, 2013). As it  stated in the previous section, in the present work, freshwater (FW) and seawater (SW)  euryhaline species were used as animal models: Oreochromis niloticus and Sparus aurata,  respectively.  The physiology of euryhaline fish changes dramatically depending on whether the fish is  located  in  FW,  which  is  hypoosmotic  to  the  extracellular  fluids  of  the  animal,  or  in  SW,  which is hyperosmotic to its internal environment (Evans and Claiborne, 2008; Evans et al.,  1999). FW fishes face diffusive ion loss and osmotic gain of water across the gill epithelium  and other permeable external surfaces. To counter this, the animal produces large volumes  of  dilute  urine  and  gain  ions  via  active  transport  of  both  Na+  and  Cl  across  the  gill  epithelium from water and via the intestine from ingested food (Fig 7A). SW teleosts face  osmotic loss of water across their gills and other permeable external surfaces. They drink 

(59)

  CHAPTER 1  seawater to maintain osmotic balance, absorbing water and salts but excreting the excess  salts. The site for absorption of ingested water and salts is the esophagus and intestine.  The salt load is transported via the blood to gills and skin, where it is excreted (Fig. 7B).  Also, any excess uptake of divalent ions is excreted by the kidney (Edwards and Marshall,  2013).                                       

From  the  above,  it  is  understood  that  the  gill  and  kidney  are  important  organs  of  osmoregulation  in  fish.  Although  other  sites  like  alimentary  tract,  rectal  gland  (elasmobranchs)  and  the  urinary  bladder  are  equally  important  sites  for  maintaining  osmotic homeostasis, the gill and the kidney were subject of study in our work and for that  reason, in this review, we will focus these organs.  Figure 7: Schematic of water and salt exchange in freshwater (A) and seawater (B) fishes (Adapted  from Edwards and Marshall, 2013). 

(60)

      CHAPTER 1  12  1.2.2 Gills and ion transport models  The fish gill is the predominant site for osmotic and ionic regulation, acid‐base regulation,  and removal of nitrogenous wastes, as well as the major site of gas exchange. The entire  cardiac output perfuses the gill vasculature before re‐entering the systemic circulation. The  afferent arteriole feeds the posterior side of each filament and supplies the lamellae, which  are the site of gas exchange. The oxygenate blood is carried by the efferent arterioles to a  central sinus and filament vessels that, in turn, supply the ion‐transporting cells of filament  epithelium.  The  gills  of  FW  teleosts  are  the  major  site  of  ion  uptake  from  the  dilute  environment, whereas the gills in marine teleosts are the major site of salt secretion (Evans  et al., 2005). 

Specific ionocytes, the mitochondrion‐rich (MR) cells (formerly called chloride cells), are  the major cells in fish gills that actively transport ions. These ionocytes secrete and absorb  ions  in  SW  and  FW  environments  respectively,  in  addition  to  carrying  out  acid‐base  regulation and ammonia excretion functions (Evans, 2008; Evans et al., 2005; Gilmour and  Perry, 2009; Hirose et al., 2003; Hwang, 2009; Hwang and Lee, 2007; Hwang and Perry,  2010; Marshall and Grosell, 2005; Perry and Gilmour, 2006; Perry et al., 2003).  

The  epithelial  ionocytes  of  SW  teleost  fish  gill  was  first  described  by  Keys  and  Willmer  (1932).  It  has  distinct  basolateral  infoldings,  significant  Na+/K+‐ATPase  activity  and  numerous  mitochondria.  According  to  Evans  et  al.  (2005),  ionocytes  are  commonly  localized  in  interlamelar  regions  of  the  gill  filament  epithelium,  with  a  concave  apical  membrane recessed below the surface of surrounding pavement cells (PVCs) to form an  apical crypt. In fact, PVCs are closely joined to one another and to neighboring ionocytes  by numerous desmosomes and deep tight junctions at the apical surface. SW ionocytes  always exist as a complex with other ionocytes and accessory cells (ACs). These last cells  project cytoplasmatic processes into the apical membrane of the ionocyte, forming leaky  junctions  that  are  not  extensive  and  provide  a  paracellular  pathway  for  Na+  extrusion  (Edwards  and  Marshall,  2013).  Ionocytes  in  the  SW  teleost  gill  primarily  excrete  NaCl  through passive transport of Na+, coupled to the secondary active transport of Cl (Evans et  al.,  2005).  The  current  ion‐transporting  system  depicted  in  the  working  model  for  NaCl  secretion  (Fig.8)  includes  the  ouabain‐inhibit  Na+/K+‐ATPase  (NKA)  and  bumetanide‐

(61)

  CHAPTER 1 

sensitive Na+/K+/2Cl cotransporter (NKCC) located in the basolateral membrane; the anion  channel  cystic  fibrosis  transmembrane  conductance  regulator  (CFTR)  in  the  apical  membrane;  and  the  tight‐junction  proteins,  claudins  and  occludins,  located  between  adjacent epithelial cells (Hwang et al., 2011). The basolateral NKCC mediates the entry of  Na+ and Cl into the cellular compartment down the electrochemical gradient provided by  NKA, followed by passive exit of Cl‐ and Na+, respectively, through the apical channel CFTR  and paracellular tight‐junctions pathway (Evans et al., 2005; Hirose et al., 2003; Hwang and  Lee, 2007; Marshall and Grosell, 2005). In addition, basolateral recycling of K+ is achieved  by  an  inwardly  rectifying  K+  channel,  which  has  an  increased  expression  in  gills  of  SW‐ acclimated cells (Suzuki et al., 1999; Tse et al., 2006). Also, the independent Ca2+ absorptive  pathway (that is the essentially the same in seawater and in freshwater) is shown in the  Fig. 8. The process involves apical Ca2+ entry via channels and exit via a basolaterally located  Na+/Ca2+ exchanger and Ca2+‐ATPase pump.  

                            Figure 8: Current model for the mechanisms of NaCl secretion by the teleost gill mitochondria‐rich  cell  (MRC).  AC,  accessory  cell;  CFTR,  cystic  fibrosis  transmembrane  conductance  regulator;  Kir, 

Na+ Na+  PV AC PV NKCC MRC ATP Cl‐  Cl‐ K+ Na+ Na+ K+ K+ Ca2+ Ca2+ Ca2+ Ca2+ Na+ CFTR Kir

SW

Blood 

(62)

      CHAPTER 1  14  Freshwater teleosts face diffuse ion loss, which is countered in part, by active ion uptake  across the gills. Two distinct populations of branchial epithelial cells are associated with ion  transport in FW fishes: the ionocytes and the PVCs. Pavement cells form an epithelial layer  that  is  continuous  along  the  lamellae  and  interlamellar  junctions,  and  are  connected  to  each  other  and  adjacent  ionocytes  by  tight  junctions.  While  PVCs  lack  the  metabolic  machinery to drive ion transport (Evans et al., 2005), immunohistochemistry has localized  several ion transport proteins in PVCs of FW‐adapted fishes (Edwards et al., 1999; Wilson  et al., 2000), suggesting a role in ion transport.  

Since the late '30s that it is accepted that freshwater fishes extract needed NaCl from the  environment via parallel Na+/NH

4+ and Cl‐/HCO3‐ exchangers (Krogh, 1937, 1938). According  to this researcher the Cl‐ uptake was independent of the cation (Na+, K+, NH

4+ and Ca2+) and  the uptake of Na+ was independent of the anion (Cl, Br, HCO

3‐ and NO3‐). Since then, these  Na+/Cl linked acid/base transport mechanism have been examined, and the results are still  being  debated  among  different  species  and  various  external  water  conditions  to  the  present (Marshall, 2002; Hirose et al., 2003; Perry et al., 2003b; Evans et al., 2005). Besides,  there is still considerable discussion on the cellular localization and molecular supporting  of  these  transport  processes  (Hwang  and  Lee,  2007).  A  current  working  model  for  ionic  exchangers,  channels  and  pumps  mediating  the  uptake  of  Na+  and  Cl  by  the  fish  gill  epithelium in freshwater is presented in Figure 9. 

Na+ uptake. At least two models have been proposed for the apical transport of Na+ in FW  fish gill cells: (1) an apical V‐type H+‐ATPase electrically linked with Na+ absorption via the  epithelial Na+ channel (ENaC) and (2) an electroneutral exchange of Na+ and H+ via an apical  Na+/H+ exchanger (NHE) (Hwang and Lee, 2007).  

NHE transports Na+ from the water into the cell in exchange for proton (or NH

4+). Other  studies have suggested that un‐ionized NH3 combines with proton to produce NH4+, which  is trapped after leaving the cell, thus preventing the back flux of H+ (Hwang and Lee, 2007;  Perry et al., 2003a,b; Tresguerres et al., 2005). Moreover, this Na+ and proton exchange  (either H+ directly or H+ that is chemical combined with NH

3) is electro‐neutral, depending  solely  on  the  predominant  electrochemical  gradients  for  both  Na+  entry  and  proton  excretion. There is a thermodynamic argument that an Na+/H+ exchange could not function 

Imagem

Figure 1: Image of the Oreochromis niloticus (Source: FAO, 2012). 
Figure 3: Global aquaculture production of Oreochromis niloticus (FAO Fishery Statistic). 
Figure 5: Main producer countries of Sparus aurata (FAO Fishery Statistics, 2006). 
Figure 9: Current working model for ionic exchangers, channels and pumps mediating the uptake of  Na +  and Cl ‐  by the fish gill epithelium in freshwater.  Two mitochondrion‐rich cells are diagrammed,  but the actual distribution and nomenclature of the 
+7

Referências

Documentos relacionados

To accompany the new hardware, HP has also introduced two new software suites: 3D Process Control and HP 3D Center. The former helps to optimize the dimensional accuracy

Deste modo, um sistemas de refrigeração por absorção com recurso à energia solar como fonte térmica de acionamento do ciclo de baixo custo torna-se

The current law defines family foster care as the attribution of trust of a child or young person to a singular person or family, qualified for this purpose, that can

[r]

a teoria semiótica nos permite penetrar no próprio movimento interno das mensagens, no modo como elas são engendradas, nos procedimentos e recursos nelas

Host and environmental factors modulate the exposure of free-ranging and farmed red deer (Cervus elaphus) to Coxiella

Aos 35 dias após a aplicação (DAA), foram determi- nados a altura das plantas, a área foliar das folhas dos ramos, o diâmetro do caule, a matéria seca de folhas do caule principal e

Comparative and documentary analysis: In the first Cardoso’s plan of government, four approaches are related to the reform of the government and of the state proposed by the