Αλληλεπίδραση βαρέων μετάλλων και πρωτεϊνών σε θαλάσσιους βενθικούς οργανισμούς

Abstract

The pollution of the marine environment from human activities increased during the past decades, with serious consequences to ecosystems and humans. Heavy metals are major pollutants, some of which (e.g. Ni, Fe, Cu) in small concentrations assist in the organisms’ metabolism, while others do not (e.g. Cd, Cr, Hg, Pb, etc.). Organisms have developed defense mechanisms to minimize the effects of toxic metals to them. A multiparametric study is very important in order to understand the toxicity mechanisms of heavy metals in each organism as well as the defense mechanisms organisms have developed in order to evaluate the ''health'' of ecosystems. This Thesis aims to study the effect of heavy metals in benthic organisms and particularly the development of their defense mechanisms. During its implementation, experiments were performed with different organisms (Mytilus galloprovincialis, Callista chione, Venus verrucosa) which were collected from their natural environment, cultivated in aquariums under controlled conditions and then exposed to high concentrations of heavy metals (Pb, Cd, Ni). Their bioaccumulation was determined in the gills, mantle, digestive system and body. Isolation and identification of proteins induced by heavy metals in these tissues followed. Perhaps, the most important defense mechanism of the exposed organisms was the expression of large amounts of metallothioneins. In addition, it was found that under these conditions of stress, cells overexpressed or inactivated enzymes that normally help in cells’ function. The levels of lipid peroxidation, acetylcholinesterase, glutathione S transferase, glutathione reductase and catalase were studied. It was found that metallothionein, enzyme and lipid peroxidation levels depend on the type of metal, the exposure concentration, the duration of exposure and the tissue under study.

Η ρύπανση του θαλάσσιου περιβάλλοντος από ανθρωπογενείς δραστηριότητες ολοένα εντείνεται, με σημαντικές συνέπειες για το οικοσύστημα αλλά και τον ίδιο τον άνθρωπο. Ένας από τους σημαντικούς ρυπογόνους παράγοντες είναι τα βαρέα μέταλλα, ορισμένα εκ των οποίων (π.χ. Ni, Fe, Cu) σε μικρές συγκεντρώσεις βοηθούν στο γενικότερο μεταβολισμό των οργανισμών, ενώ άλλα όχι (π.χ. Cd, Cr, Hg, Pb, κλπ). Οι οργανισμοί έχουν αναπτύξει αμυντικούς μηχανισμούς για την ελαχιστοποίηση της επίδρασης των τοξικών μετάλλων σε αυτούς. Η πολύπλευρη μελέτη για την κατανόηση των μηχανισμών της τοξικής δράσης των μετάλλων σε κάθε οργανισμό και των μηχανισμών άμυνάς τους είναι πολύ σημαντική για την εκτίμηση της ‘’υγείας’’ των οικοσυστημάτων. Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή στοχεύει στη μελέτη της επίδρασης των βαρέων μετάλλων σε βενθικούς οργανισμούς και ιδιαίτερα στην ανάπτυξη των αμυντικών μηχανισμών τους. Κατά την υλοποίησή της πραγματοποιήθηκαν πειράματα με διαφορετικούς οργανισμούς (Mytilus galloprovincialis, Callista chione, Venus verrucosa) οι οποίοι συλλέχθηκαν από το φυσικό τους περιβάλλον, καλλιεργήθηκαν σε ενυδρεία υπό ελεγχόμενες συνθήκες και αφού εκτέθηκαν σε υψηλές συγκεντρώσεις βαρέων μετάλλων (Pb, Cd, Ni), προσδιορίστηκε ο βαθμός και ο ρυθμός βιοσυσσώρευσής τους στα βράγχια, το μανδύα, το πεπτικό σύστημα και το σώμα τους. Κατόπιν έγινε απομόνωση και προσδιορισμός των πρωτεϊνών που επάγονται από τα βαρέα μέταλλα στους ιστούς αυτούς. Ο σημαντικότερος ίσως μηχανισμός άμυνας των οργανισμών που εκτέθηκαν στις παραπάνω συνθήκες είναι η έκφραση μεγάλων ποσοτήτων μεταλλοθειονινών. Παράλληλα με την υπερέκφραση μεταλλοθειονινών, βρέθηκε ότι υπό αυτές τις συνθήκες στρες, τα κύτταρα υπερέκφραζαν ή αδρανοποιούσαν κάποια ένζυμα τα οποία υπό φυσιολογικές συνθήκες βοηθούν στην ομαλή λειτουργία του κυττάρου. Μελέτηθηκαν τα επίπεδα της λιπιδικής υπεροξείδωσης καθώς και τα ένζυμα: ακετυλοχολινεστεράση, S μεταφοράση της γλουταθειόνης, αναγωγάση της γλουταθειόνης και καταλάση. Βρέθηκε ότι οι μεταλλοθειονίνες, τα ένζυμα αλλά και η λιπιδική υπεροξείδωση εξαρτώνται από το είδος του μετάλλου, την συγκέντρωση έκθεσης, τον χρόνο έκθεσης αλλά και τον υπό μελέτη ιστό.