The effect of pharmaceuticals on selected components of aquatic food web

Wpływ farmaceutyków na wybrane komponenty sieci troficznej w ekosystemach wodnych.Farmaceutyki są regularnie wykrywane w wodach słodkich na całym świecie. Stałe przedostawanie się farmaceutyków do środowiska naraża organizmy wodne na chroniczną na nie ekspozycję, często stanowiąc dla nich bezpośrednie zagrożenie.W środowisku słodkowodnym leki wykrywane są w stężeniach rzędu nanogramów na litr, natomiast stężenia stosowane w eksperymentach służących poznaniu ich wpływu na organizmy wodne są zazwyczaj znacząco wyższe. Brakuje zatem danych dotyczących wpływu leków w stężeniach rejestrowanych w środowisku na organizmy słodkowodne. Środowiska słodkowodne są systemami złożonymi. Podstawę pelagicznej piramidy troficznej budują glony planktonowe, a toksyczne działanie zanieczyszczeń na organizmy pierwszego poziomu troficznego może pośrednio powodować negatywne skutki dla organizmów wyższych poziomów troficznych. Konsumenci I rzędu jakimi są filtrujące wioślarki planktonowe zajmują centralną pozycję w słodkowodnych sieciach troficznych. Z jednej strony kontrolują one biomasę fitoplanktonu, z drugiej stanowią zasadniczy pokarm ryb planktonożernych. Zmiany któregokolwiek z parametrów biologii wioślarek planktonowych spowodowane bezpośrednim lub pośrednim wpływem farmaceutyków mogą mieć znaczące skutki dla ichtiofauny, a co za tym idzie, dla funkcjonowania całego ekosystemu.Celem rozprawy doktorskiej było określenie bezpośredniego, długotrwałego wpływu leków w dawkach rejestrowanych w środowisku na organizmy wodne z dwóch różnych poziomów troficznych oraz scharakteryzowanie ewentualnego przenoszenia się wpływu leków wzdłuż sieci troficznej. W badaniach wrażliwości organizmów wodnych na leki (cyklofosfamid, fluoksetyne, ibuprofen, propranolol) zastosowano szeroki wachlarz metod i wskaźników. U producentów pierwotnych - glonów (Acutodesmus obliquus, Chlamydomonas reinhardtii i Nannochloropsis limnetica) analizowałam wzrost komórek, zawartość barwników (chlorofilu, karotenoidów), wydajność fotosyntezy i profil tłuszczowy. U konsumentów I rzędu – Daphnia magna, mierzyłam tempo wzrostu, wiek i wielkość przy pierwszej reprodukcji oraz liczbę potomstwa. Analizowałam również zmiany w proteomie spowodowane obecnością farmaceutyku.W pracy zastosowano zarówno tradycyjne (wyznaczenie EC50) jak i nowatorskie (długotrwała ekspozycja na środowiskowe dawki leków) podejście eksperymentalne. Po raz pierwszy w laboratoryjnych badaniach ekotoksykologicznych wykorzystano analizę transportu elektronów w zależności od natężenia światła (phyto PAM), w celu zbadania wpływu leków na fotosyntezą przedstawicieli fitoplanktonu. Po raz pierwszy wykazano że: (i) nawet niskie dawki leków mogą istotnie wpływać na eukariotyczne organizmy wodne z dwóch poziomów troficznych (producentów pierwotnych i konsumentów I rzędu), (ii) wpływ farmaceutyków może przenosić się na kolejne poziomy troficzne (od producentów pierwotnych do konsumentów I rzędu).

The effect of pharmaceuticals on selected components of aquatic food webPharmaceuticals regularly contaminate freshwater ecosystems all over the world. Permanent discharge of pharmaceuticals to the environment causes chronic exposure of aquatic organisms to chemical pollutants, often posing to them the direct threat.In the freshwater environment, drugs are detected in nanograms per liter, while the concentrations used in experiments conducted to investigate their impact on aquatic organisms are usually significantly higher (milligrams per liter). The scarcity of research on the effects of environmentally relevant concentrations of pharmaceuticals on so-called non-target organisms, has remained a problem.Freshwater environments are complex systems, vulnerable to change. Algae constitute an important component of these ecosystems, as they are key primary producers in most aquatic environments, forming the basis of the food web. Toxic effects of contaminants at this level could bring about the negative consequences for organisms from higher trophic levels.Primary consumers such as filter feeding cladocerans, including those of the genus Daphnia, occupy a central position in freshwater trophic networks. Daphnia play a major role in controlling algal biomass. On the other hand, planktonic animals (and Daphnia among them), constitute the essential food for planktivorous fish. Changes in any of parameters related to fitness caused by the presence of pharmaceuticals can affect the dynamics and biomass of planktonic crustaceans, thus, the functioning of the aquatic food webs.The aim of my doctoral thesis was to determine the direct, long-term effects of pharmaceuticals in the concentrations registered in the environment on aquatic organisms from different trophic levels, and to examine the possible transfer of medicines’ effects along the trophic chain. In the study on the sensitivity of aquatic organisms to medicines (cyclophosphamide, fluoxetine, ibuprofen, and propranolol), wide range of methods and indicators was used. In primary producers – algae (Acutodesmus obliquus, Chlamydomonas reinhardtii and Nannochloropsis limnetica), I analyzed cell growth, pigments (chlorophyll, carotenoids) concentrations, photosynthesis and fatty acids profile. In primary consumers - Daphnia, I measured the growth rate, age and size at the first reproduction and number of offspring. Changes in Daphnia proteome caused by the presence of pharmaceutical were also analyzed.In the study of the effects of pharmaceuticals on aquatic organisms from various trophic levels, both traditional (EC50 designation) and innovative (long-term exposure to environmental drug doses) approach was used. For the first time rapid light curves in the Phyto-PAM was used in ecotoxicological study concerning the effect of pharmaceuticals on aquatic biota.It has been for the first time demonstrated that (i) even low doses of medicines can significantly affect eukaryotic aquatic organisms from two trophic levels (primary producers and first-order consumers), (ii) the impact of pharmaceuticals can spread to other trophic levels (from primary producers to first-order consumers).