Use of omic tools for environmental risk assessment of emerging contaminants in marine species of commercial interest

La presente tesis doctoral busca evaluar los posibles efectos toxicológicos que pueden tener los contaminantes ‘emergentes’ (CE) en los organismos marinos expuestos a ellos. En concreto, se han evaluado dos filtros solares, un repelente de insectos y un biocida, todos ellos presentes en productos de cuidado personal (PCP). Estas sustancias llegan a los sistemas marinos a través de los vertidos de aguas residuales, así como las entradas directas procedentes de actividades recreativas, tales como la natación y el baño. La exposición a estos contaminantes se hace a muy bajas concentraciones y de forma crónica, por tanto, evaluar sus posibles efectos a nivel molecular resulta un paso clave para determinar su toxicidad. Las tecnologías “ómicas” permiten el estudio global de los diferentes niveles biológicos (transcriptoma, proteoma, metaboloma…) desde un punto de vista holístico e integrado. La integración de datos ómicos, junto con la fusión de datos de bioconcentración y toxicocinética, es un método extremadamente útil para dilucidar el modo de acción (MoA) de los contaminantes. De este modo, en la presente tesis doctoral se ha implementado el uso y la integración de herramientas ómicas (metabolómica y transcriptómica) para evaluar el efecto toxicológico de dos filtros solares (4-metilbencilideno alcanfor (4-MBC) y sulisobenzona (BP-4)), un repelente de insectos (N,N-Dietil-meta-toluamida (DEET)) y un biocida (triclosán (TCS)) en dos especies marinas de interés comercial, la dorada (Sparus aurata) y la almeja japonesa (Ruditapes philippinarum). Adicionalmente se realizaron estudios de bioconcentración y toxicocinética. Primero, se realizaron siete experimentos de exposición con los contaminantes y organismos anteriormente mencionados usando un flujo continuo para reproducir escenarios de exposición ambiental bajo condiciones controladas de laboratorio. Tras la aplicación de técnicas analíticas y de alto rendimiento, se observó que la bioacumulación de los contaminantes es superior en la almeja que en los peces. Esto evidencia la importancia de tener en cuenta organismos de distintos niveles tróficos para evaluar el potencial de bioacumulación de los contaminantes ambientales. Además, se observó que el filtro solar 4-MBC presentó el factor de bioacumulación (BCF) más alto (368 565 L Kg -1) y la tasa de eliminación más baja (61.65%) que, junto con la persistencia de este compuesto en el medio, son probablemente indicativos de un riesgo potencial para el medio acuático marino que puede llegar a magnificarse a través de la red alimentaria. También se observó que este compuesto sufría varias biotransformaciones (reducción, oxidación, hidroxilación…) con el fin de ser excretado, afectando al metabolismo de las drogas y xenobióticos y al del glutatión, llegando a producir estrés oxidativo. Por otro lado, se observó que, aunque el TCS y BP-4 tenían altos BCF en la almeja (1309 y 850 L Kg -1 respectivamente), sus tasas de eliminación también eran altas (97.12 y 99.99%). Sin embargo, la exposición a estos contaminantes produjo, entre otros, alteraciones en el metabolismo de los lípidos lo que puede deberse a su capacidad como disruptores endocrinos. El DEET presentó el BCF más bajo en la almeja (9.9 L Kg -1) y una alta tasa de eliminación (98.85%). El principal impacto de la exposición de este compuesto a nivel transcriptómico se observó en el metabolismo de biodegradación de xenobióticos y en el de los carbohidratos, lo que sugiere que se estaba realizando un gran consumo energético para poder llevar a cabo la excreción del compuesto. En el músculo de la dorada se observó que tanto el DEET como la BP-4 presentaban bajos BCF (2.6 y 0.7 L Kg -1 respectivamente) mientras que el TCS presentaba un BCF de 113 L Kg -1. Sin embargo, los análisis transcriptómicos en el hígado de las doradas revelaron que tras la exposición a DEET y BP-4, se expresaron 250 y 371 genes diferencialmente, mientras que no se encontraron genes diferencialmente expresados en la dorada tras la exposición a TCS. Tras la integración con los datos metabolómicos realizados en las mismas muestras, se determinó que el DEET causaba en la dorada agotamiento energético a través de la alteración de los metabolismos de carbohidratos y aminoácidos, estrés oxidativo que daba lugar a daños en el ADN, peroxidación lipídica y daños en la membrana celular y apoptosis. También se observó la activación del metabolismo de los xenobióticos, así como una reacción inmune-inflamatoria. Finalmente, la integración de datos multiómicos reveló que la BP-4 causaba en la dorada impacto en el metabolismo energético y oxidación lipídica, así como, impacto en la biosíntesis de las hormonas esteroideas y tiroideas y en el metabolismo de los nucleótidos. En conclusión, esta tesis muestra la utilidad de integrar datos a distintos niveles biológicos y demuestra que el enfoque multiómico desarrollado y aplicado supone una gran ventaja para dilucidar modos de acción de los compuestos estudiados que, con enfoques diferentes, como el uso de una sola herramienta ómica, podrían haberse pasado por alto

Occurrence and Effects of Antimicrobials Drugs in Aquatic Ecosystems

Currently, thanks to the development of sensitive analytical techniques, the presence of different emerging pollutants in aquatic ecosystems has been evidenced; however, most of them have not been submitted to any regulation so far. Among emerging contaminants, antimicrobials have received particular attention in recent decades, mainly due to the concerning development of antibiotic resistance observed in bacteria, but little is known about the toxicological and ecological impact that antimicrobials can have on aquatic ecosystems. Their high consumption in human and veterinary medicine, food-producing animals and aquaculture, as well as persistence and poor absorption have caused antimicrobials to be discharged into receiving waters, with or without prior treatment, where they have been detected at ng-mg L-1 levels with the potential to cause effects on the various organisms living within aquatic systems. This review presents the current knowledge on the occurrence of antimicrobials in aquatic ecosystems, emphasizing their occurrence in different environmental matrixes and the effects on aquatic organisms (cyanobacteria, microalgae, invertebrates and vertebrates)

Multi-omic approach to evaluate the response of gilt-head sea bream (Sparus aurata) exposed to the UV filter sulisobenzone

Sulisobenzone (BP-4) is one of the benzophenone type UVfiltersmost frequently detected in aquatic ecosystems. As a suspected endocrine disrupting compound, scarce information is available yet about other molecular effects and its mechanismof action. Here, we used an integrated transcriptomic and metabolomic approach to improve the current understanding on the toxicity of BP-4 towards aquatic species. Gilt-head sea bream individualswere exposed at environmentally relevant concentrations (10 μg L-1) for 22 days. Transcriptomic analysis revealed 371 differentially expressed genes in liver while metabolomic analysis identified 123 differentially modulated features in plasma and 118 in liver. Integration of transcriptomic and metabolomic data showed disruption of the energy metabolism(>10 pathways related to the metabolismof amino acids and carbohydrateswere impacted) and lipid metabolism (5 glycerophospholipids and the expression of 3 enzymes were affected), suggesting oxidative stress.We also observed, for the first time in vivo and at environmental relevant concentrations, the disruption of several enzymes involved in the steroid and thyroid hormones biosynthesis. DNA and RNA synthesis was also impacted by changes in the purine and pyrimidine metabolisms. Overall, the multiomic workflow presented here increases the evidence on suspected effects of BP-4 exposure and identifies additional modes of action of the compounds that could have been overlooked by using single omic approaches. ©2021 The Authors. Published by Elsevier B.V.This research was supported by the Spanish Ministry of Economy, Industry and Competitiveness (MINECO) (CTM2015-70731-R) and the FPI fellowship (BES-2016-078593). The authors also would like to acknowledge the Laboratory of Aquaculture at the Faculty of Marine and Environmental Sciences (University of Cádiz), Thibaut Dumas and David Rosain (UMR HydroSciences, Université Montpellier, France) for their support

Proteomic analysis in the brain and liver of sea bream (Sparus aurata) exposed to the antibiotics ciprofloxacin, sulfadiazine, and trimethoprim

Antibiotics, frequently detected in aquatic ecosystems, can negatively impact the health of resident organisms. Although the study on the possible effects of antibiotics on these organisms has been increasing, there is still little information available on the molecular effects on exposed non-target organisms. In our study we used a label free proteomic approach and sea bream, Sparus aurata, to evaluate the effects of exposure to environmentally relevant concentrations of the antibiotic compounds ciprofloxacin (CIP), sulfadiazine (SULF) and trimethoprim (TRIM) produced at the protein level. Individuals of sea bream were exposed to single compounds at 5.2 ± 2.1 μg L− 1 of CIP, 3.8 ± 2.7 μg L− 1 of SULF and 25.7 ± 10.8 μg L− 1 of TRIM for 21 days. After exposure, the number of differentially expressed proteins in the liver was 39, 73 and 4 for CIP, SULF and TRIM respectively. In the brain, there was no alteration of proteins after CIP and TRIM treatment, while 9 proteins were impacted after SULF treatment. The differentially expressed proteins were involved in cellular biological, metabolic, developmental, growth and biological regulatory processes. Overall, our study evidences the vulnerability of Sparus aurata, after exposure to environmentally relevant concentrations of the major antibiotics CIP, SULF and TRIM and that their chronic exposure could lead to a stress situation, altering the proteomic profile of key organs such as brain and liver.Ministerio de Economía y Competitividad (MINECO), Spain Universidad de Cádiz, Spain Asociación Universitaria Iberoamericana de Postgrado, Spain Ministerio de Asuntos Económicos y Transformación Digital, Gobierno de España, Spain Latin American Association of Postgraduates13 página

Contaminants of Emerging Concern in the Marine Environment: Current Challenges in Marine Pollution. Chapter: Personal care products in the marine environment

Personal care products (PCPs) enter the marine environment through different sources, mainly wastewater discharges and direct inputs related to recreational activities. Monitoring of this group of contaminants of emerging concern (CECs) allows knowing their fate and distribution. To date, wide ranges of concentrations have been measured in the aquatic environment, from undetected to several parts per billion; however, there is very little information about marine systems in this respect, especially regarding more complex matrices (e.g., biota and sediment). Depending on the physicochemical properties, environmental conditions, and frequency of use, different distribution patterns have been observed for PCPs, with higher levels detected in areas impacted by anthropogenic pressures. Moreover, their bioaccumulation has also been demonstrated in marine organisms, which can be used as a proxy of the dispersion of these chemicals. In this regard, biological effects have also been evidenced for some PCPs at environmental levels