Uranium bioaccumulation, potential biomagnification and dispersion by freshwater insects

Abstract

Uranium is found naturally on Earth as uranium oxides (UO2, U2O5), but mining activities may release this and other metals and metalloids in soils and natural waters, potentially affecting the aquatic biota. Although uranium impairments in stream dwelling invertebrates and leaf-litter decomposition by aquatic hyphomycetes have been studied, uranium trophic transfer and biodispersion have not. The aim of this thesis was to investigate how uranium affects the physiological processes of benthic macroinvertebrates and aquatic hyphomycetes, and whether it is transferable across trophic levels. In Chapter I, I tested the survivorship (96-h acute toxicity test) of three species of macroinvertebrates at increasing uranium concentrations (0-262 mg·L-1): Schizopelex festiva, Proasellus sp. and Theodoxus fluviatilis, and performed sublethal toxicity assays at 25 µg·L-1 (feeding, growth, respiration rates, source of bioaccumulation) in caddisflies larvae. S. festiva survived in all concentrations, whereas LC50-96 h for the other two species was above 24 mg·L-1 in the acute assays. In sublethal assays, S. festiva had 47% of reduction in growth at 25 µg·L-1, a concentration found in some polluted streams; consumption and respiration rates did not differ between treatments, and the uranium accumulation in caddisflies resulted from both water and ingested food. In Chapter II, I investigated how environmental and sublethal uranium concentrations up to 100 µg·L-1 affected the enzyme activities and growth of S. festiva. Activities of acetylcholinesterase (AChE), glutathione-S transferase (GST) and catalase (CAT) were reduced with time under laboratory conditions (from 24 h to 32 d). Na+K+ATPase activity diminished after 32 d in specimens exposed to 100 µg·L-1. None of the enzymes GST, CAT or AChE enzymes changed their activities as a response to uranium exposure. The growth rates of S. festiva under laboratory conditions did not differ among uranium treatments. In Chapter III, I analysed uranium effects on fungal growth, sporulation, biomass and leaf- litter decomposition using four aquatic hyphomycete species (Articulospora tetracladia, Heliscus lugdunensis, Varicosporium elodeae, Tricladia splendens) and six strains of Heliscus lugdunensis sampled from polluted and unpolluted sites. Mycelial growth on solid media differed among species, strains and uranium concentrations. The growth inhibition of H. lugdunensis strains in solid media at concentrations up to 262 mg·L-1 was independent from uranium concentrations in streams where fungi were isolated. In microcosms, sporulation was the most sensitive parameter with inhibition from 1 mg·L-1 of uranium, compared with litter decomposition and biomass, which were inhibited from 16 mg·L-1. Finally, in Chapter IV I investigated how uranium in the environment affects the abundance, richness, and composition of aquatic macroinvertebrates and whether uranium flows along trophic levels and is biodispersed to land by invertebrate emergence. I sampled aquatic and terrestrial organisms (aerial stages of aquatic macroinvertebrates and spiders), water and sediment at a reference point and downstream (four locations) of recovered uranium mines. The macroinvertebrate assemblage composition differed among stream sites. Macroinvertebrate diversity in the stream site with the highest levels of uranium in the water and sediments was lower than the less impacted site, but not different from the reference. Uranium concentrations in all organisms increased linearly with uranium concentration in the stream water. The highest uranium concentration among the invertebrates was found in scrapers, shredders and predators, whereas in adult insects and spiders it did not differ among sites. Uranium accumulation in the organisms decreased with the increase in the δ15N values, suggesting that uranium was not biomagnified along trophic levels, nor biodispersed by the emergence of insects in the aerial stage. Overall, environmental and sublethal concentrations of uranium (25 – 50 µg·L-1) may cause reductions in growth and alterations in the cell-membrane-associated enzyme activities in freshwater invertebrates. Aquatic hyphomycetes were more tolerant to uranium than invertebrates, and the bioaccumulation in aquatic organisms was correlated to water and sediment contamination. Despite this, uranium was not biomagnified along trophic levels.

Urânio é um elemento naturalmente encontrado na crosta terrestre como óxidos de urânio, tais como UO2, U2O5. No entanto, atividades de mineração liberam este e outros metais e semimetais nos solos e nas águas superficiais, podendo afetar a biota aquática. Alterações na fisiologia de macroinvertebrados e na decomposição do folhiço pelos fungos aquáticos devido à contaminação por metais têm sido estudadas, mas os efeitos do urânio nos organismos e sua transferência trófica e dispersão não foi completamente compreendida. O objetivo desta tese foi verificar se o urânio afeta a fisiologia de macroinvertebrados, as atividades de fungos aquáticos e se ocorre transferência entre os níveis tróficos. No Capítulo I, eu testei a sobrevivência (teste de toxicidade aguda de 96 h) de três espécies de macroinvertebrados sob crescentes concentrações de urânio (0-262 mg·L-1): Schizopelex festiva, Proasellus sp. e Theodoxus fluviatilis, e testei os efeitos crônicos deste contaminante (25 µg·L-1) nas taxas de consumo, crescimento e respiração, bem como as vias de bioacumulação nas larvas de tricópteros da espécie S. festiva. Os espécimens de S. festiva sobreviveram a todas as concentrações testadas, enquanto que os valores de CL50-96 h para as outras duas espécies estiveram acima de 24 mg·L-1 nos testes de toxicidade aguda. Nos ensaios de toxicidade crônica, S. festiva teve seu crescimento reduzido em 47% sob 25 µg·L-1, concentração esta encontrada em rios poluídos; as taxas de consumo e respiração não diferiram entre os tratamentos, e a bioacumulação de urânio nos tricópteros foi resultado da água contaminada e do alimento ingerido. No Capítulo II, eu investiguei como as atividades enzimáticas e o crescimento de S. festiva são afetados por concentrações ambientais e subletais de urânio (0 - 100 µg·L-1). As atividades da acetilcolinesterase (AChE), glutationa-S transferase (GST) e catalase (CAT) foram reduzidas ao longo do tempo (de 24 h para 32 d) sob condições de laboratório. Os espécimens expostos à concentração de 100 µg·L-1 apresentaram uma diminuição da atividade da Na+K+ATPase após 32 d. As enzimas GST, CAT e AChE não alteraram as suas atividades em função da exposição ao urânio. As taxas de crescimento de S. festiva não diferiram entre os tratamentos testados. No Capítulo III, eu analisei os efeitos do urânio no crescimento, esporulação, biomassa e decomposição de discos foliares por quatro espécies de hifomicetos aquáticos (Articulospora tetracladia, Heliscus lugdunensis, Varicosporium elodeae, Tricladia splendens) e seis estirpes de H. lugdunensis amostradas de locais poluídos e não-poluídos. O crescimento micelial em meio sólido diferiu entre espécies, estirpes e concentrações de urânio. A inibição do crescimento das estirpes de H. lugdunensis sob concentrações acima de 262 mg·L-1 foi independente das concentrações de urânio nos ribeiros de onde elas foram isoladas. Nos microcosmos, a esporulação foi o parâmetro mais afetado, com inibição a partir de 1 mg·L-1, em comparação com a decomposição dos discos foliares e biomassa, os quais foram inibidos a partir de 16 mg·L-1. No Capítulo IV, eu investiguei como o urânio presente no ambiente afeta a abundância, riqueza e composição dos macroinvertebrados e se sua concentração aumenta ao longo dos níveis tróficos e se dispersa para o ambiente terrestre através da emergência dos insetos aquáticos. Eu amostrei organismos aquáticos e terrestres (insetos em estágio aéreo e aranhas), água e sedimento em locais de referência e à jusante (quatro pontos) de minas de urânio em vias de recuperação ambiental. A composição dos macroinvertebrados diferiu entre os locais amostrados. A diversidade destes no local com maior concentração de urânio na água e no sedimento foi mais baixa que a do local menos contaminado, mas não diferiu do local de referência. As concentrações de urânio em todos os organismos aumentaram linearmente com a concentração de urânio nas águas do ribeiro. Fragmentadores, raspadores e predadores acumularam as maiores concentrações de urânio, enquanto que a acumulação nos insetos terrestres e aranhas não diferiu entre os locais. A acumulação de urânio nos organismos diminuiu com o aumento de δ15N, indicando que não houve biomagnificação ao longo dos níveis tróficos nem dispersão pela emergência de insetos com estágio aéreo. Em geral, concentrações subletais e ambientais de urânio (25 – 50 µg·L-1) provocam redução no crescimento de invertebrados aquáticos e alterações no funcionamento de enzimas associadas com as membranas celulares (Na+K+ATPase). Os hifomicetos foram mais tolerantes ao urânio do que os invertebrados, e a bioacumulação nos organismos aquáticos foi relacionada com a contaminação da água e do sedimento nos ribeiros amostrados. No entanto, o urânio não apresentou indícios de biomagnificação ao longo dos níveis tróficos.