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Sediment ecotoxicology [Elektronische Ressource] : identification of hazard factors and ecotoxicological risks in the Tiet^e River Basin (Brazil) / vorgelegt von Paula Suares Rocha

De
223 pages
Sediment ecotoxicology: Identificationof hazard factors and ecotoxicologicalrisks in the Tietê River Basin (Brazil)Paula Suares RochaSediment ecotoxicology: Identificationof hazard factors and ecotoxicologicalrisks in the Tietê River Basin (Brazil)INAUGURAL-DISSERTATIONzur Erlangung der Doktorwürde derMathematisch-Naturwissenschaftlichen Gesamtfakultätder Ruprecht-Karls-UniversitätHeidelberg vorgelegt vonMaster of Science in Environmental GeosciencesPaula Suares Rochaaus Andradina – SP, BrasilienHeidelberg, im Oktober 2009Gutachter:Prof. Dr. Dr. h.c. Volker StorchProf. Dr. Thomas BraunbeckTag der mündlichen Prüfung: 11.12.2009You and I have memorieslonger than the roadthat stretches out ahead...Lennon and McCartneywe are going home ...To my beloved husband Georgeto my lovely familyATypesetted using LT XEContentsSummary xiKurzfassung xiiiSumário xv1 Introduction 11.1 Structure of this thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Ecotoxicology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2.1 Ecotoxicology and fresh water aquatic sediments . . . . . . 31.3 Research questions and outline of this thesis . . . . . . . . . . . . 121.4 The studied areas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.4.1 Tietê River Basin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141.5 sediment ecotoxicology of Tietê River . . . . . . . . . . . . . . . . . 191.6 Overview of the techniques applied . . . . . .
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Sediment ecotoxicology: Identification
of hazard factors and ecotoxicological
risks in the Tietê River Basin (Brazil)
Paula Suares RochaSediment ecotoxicology: Identification
of hazard factors and ecotoxicological
risks in the Tietê River Basin (Brazil)
INAUGURAL-DISSERTATION
zur Erlangung der Doktorwürde der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Gesamtfakultät
der Ruprecht-Karls-Universität
Heidelberg vorgelegt von
Master of Science in Environmental Geosciences
Paula Suares Rocha
aus Andradina – SP, Brasilien
Heidelberg, im Oktober 2009
Gutachter:
Prof. Dr. Dr. h.c. Volker Storch
Prof. Dr. Thomas Braunbeck
Tag der mündlichen Prüfung: 11.12.2009You and I have memories
longer than the road
that stretches out ahead...
Lennon and McCartney
we are going home ...To my beloved husband George
to my lovely family
ATypesetted using LT XEContents
Summary xi
Kurzfassung xiii
Sumário xv
1 Introduction 1
1.1 Structure of this thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Ecotoxicology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2.1 Ecotoxicology and fresh water aquatic sediments . . . . . . 3
1.3 Research questions and outline of this thesis . . . . . . . . . . . . 12
1.4 The studied areas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.4.1 Tietê River Basin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.5 sediment ecotoxicology of Tietê River . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.6 Overview of the techniques applied . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.6.1 Assessment of genotoxicity and mutagenicity . . . . . . . . 21
1.6.2 Assessment of acute cytotoxicity and AhR-mediated toxicity 23
1.6.3 Whole-fish embryo exposure to solid-phase sediments . . . . 26
1.6.4 Fractionation of selected toxic samples and effect-directed
analyses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2 Sediment genotoxicity in the Tietê River 41
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.2 Materials and methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.2.1 Sediment sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.2.2 Cell culture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.2.3 Comet assay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.2.4 Fish blood sampling and micronucleus assay . . . . . . . . 47
2.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.3.1 Comet assay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.3.2 Concentration-dependant induction factor (CDI) . . . . . . 49
2.3.3 Micronucleus assay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50ii CONTENTS
2.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3 AhR-mediated toxicity in Tietê River 63
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.2 Material and Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.2.1 Sediment sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.2.2 Cell culture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.2.3 Neutral red (NR) assay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.2.4 Ethoxyresofin-O-deethylase (EROD) assay . . . . . . . . . 68
3.2.5 Bio-TEQ calculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.2.6 Chemical analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.2.7 PAH-TEQ calculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.3.1 Cytotoxicity (neutral red assay) . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.3.2 Ah receptor agonist activity (EROD assay) . . . . . . . . . 71
3.3.3 Chemical Analyses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.3.4 CorrelationbetweenBio-TEQsandchemicalanalyses(PAH-
TEQs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4 Sediment-Contact Fish embryo toxicity assay 87
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.2 Materials and methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.2.1 Sediment sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.2.2 Oxygen measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.2.3 Sediment contact assay with D. rerio . . . . . . . . . . . . . 92
4.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.3.1 Oxygen measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.3.2 Sediment contact assay with Danio rerio . . . . . . . . . . . 94
4.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5 Effect-directed analysis in Brazilian sediments 111
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
5.2 Material and Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
5.2.1 Sediment sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
5.2.2 Accelerated membrane-assisted Clean-up of sediment extracts 115
5.2.3 Fractionation procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5.2.4 Cell culture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116CONTENTS iii
5.2.5 Comet assay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.2.6 Concentration-dependant Induction factor (CDI) . . . . . . 118
5.2.7 Ethoxyresorufin-O-deethylase (EROD) assay . . . . . . . . 119
5.2.8 Bio-TEQ calculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
5.2.9 Chemical analysis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
5.2.10 PAH-TEQs calculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.3.1 Comet assay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.3.2 Ethoxyresofin-O-deethylase (EROD) assay . . . . . . . . . 122
5.3.3 Chemical Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
5.3.4 CorrelationbetweenBio-TEQsandchemicalanalyses(PAH-
TEQs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
5.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
5.5 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
6 Final discussion and conclusions 139
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
Appendices 151
A Rocha et al. 2006 153
B Jernbro et al. 2006 157
B.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
B.2 Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
B.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
B.4 Discussion and conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
C Sediment genotoxicity in the Danube River 165
C.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
C.2 Material and Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
C.2.1 Samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
C.2.2 In vitro tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
C.2.3 Field studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
C.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
C.3.1 Comet assay in RTL cells exposed to sediment extracts in vitro174
C.3.2 Micronucleus test in RTL-W1 cells exposed in vitro . . . . . 174
C.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
C.4.1 In vitro test systems: comet assay versus micronucleus test 178
C.4.2 In situ genotoxicity - the micronucleus test in Danube River
fish . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
C.4.3 Correlation between findings in the in vitro and in situ tests 182iv CONTENTS
C.5 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
D Publications related to this thesis 191
Acknowledgements 195

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