Os fungos são decompositores primários e, portanto, ocupam uma posição estratégica na base da cadeia alimentar em diversos ecossistemas, incluindo os terrestres. Por tais características, estes organismos são de especial interesse na aplicação em bioensaios de toxicidade. As metodologias com espécies bioluminescentes são geralmente práticas, economicamente viáveis e de fácil aplicação. Ainda assim, os fungos naturalmente bioluminescentes são ainda pouco estudados para este propósito, em comparação com os organismos aquáticos, como as bactérias. Neste cenário, o presente trabalho apresenta os efeitos de diferentes condições de cultivo sobre o perfil de bioluminescência do fungo Neonothopanus gardneri, buscando o desenvolvimento de um bioensaio de toxicidade utilizando esta espécie. Estudos preliminares foram destinados à redução da variação experimental, à identificação de algumas das características intrínsecas do organismo em cultura e, ainda, à definição de procedimentos de análise e de inoculação do micélio. Em seguida, a emissão de luz foi monitorada variando as temperaturas de incubação, o pH dos meios de cultura e as concentrações das fontes de carbono e de nitrogênio, adotadas como nutrientes. Identificou-se que a incubação a 30ºC em meios com 2% de ágar, 1% de melaço de cana de açúcar, 0,02% de extrato de levedura e pH 6 resultou em um perfil de bioluminescência mais adequado ao propósito de interesse, apesar de não ter resultado na maior emissão de luz possível. Nestas condições de cultivo, foi possível desenvolver um bioensaio de toxicidade. Para isso, foi necessário avaliar o comportamento da luz emitida pelo micélio em contato tanto com ar atmosférico quanto com alguns potenciais diluentes, estabelecendo-se também o tempo de exposição necessário para uma resposta máxima do fungo N. gardneri em contato com soluções de Cu+2 (50 mM) e fenol (10 mM). Neste caso, uma solução aquosa de Triton X-100 na concentração de 0,01% (m:v) tamponada com ácido 2-(N-morfolino)etano sulfônico (MES, 50 mM, pH 5,7) foi adotada para diluir os agentes tóxicos, aos quais o micélio foi exposto durante 24 horas. Posteriormente, a metodologia foi aplicada para testar a toxicidade de dois metais e dois fenóis (Cu+2, Cd+2, fenol e 4-nitrofenol), obtendo-se respectivos valores de EC50 (concentração mediana efetiva) iguais a (0,53 ± 0,09) mM; (8,0 ± 0,5).10-3 mM; (1,7 ± 0,3) mM e (0,34 ± 0,04) mM. Entretanto, em experimentos paralelos, a quantificação espectrofotométrica de fenóis nos meios de cultura indicou que os mesmos são difundidos homogeneamente pelo ágar. Neste caso, os valores de EC50 seriam divididos por 6, para considerar a diluição dos compostos pelos meios. O bioensaio com a espécie N. gardneri possui vantagens, principalmente em relação ao comportamento reprodutível da emissão de luz, à alta intensidade da bioluminescência, ao crescimento rápido do micélio e à sensibilidade aos agentes tóxicos testados. Considerando tais características, a metodologia desenvolvida representa um procedimento viável em bioensaios de toxicidade. Assim, a mesma pode ser aperfeiçoada em trabalhos futuros e aplicada em complemento com outros métodos já desenvolvidos para outros organismos terrestres ou aquáticos. / Fungi are primary decomposers, thus occupying a strategic position at the base of the food chain in many ecosystems, including terrestrial ones. Due to such characteristics, these organisms are of special interest to toxicity bioassays. Bioluminescent-based methods are usually practical, economically viable and easy to perform. Nevertheless, naturally bioluminscent fungi are still poorly studied in this respect, compared to aquatic organisms like bacteria. In the above mentioned scenario, this work presents the effects of different culture conditions on the bioluminescence profile of the fungus Neonothopanus gardneri, aiming at the development of a toxicity bioassay using this species. Preliminary studies were intended to reduce experimental variation, identify some of the intrinsic characteristics of the organism in culture, and also to define the procedures for analysis and mycelium inoculation. Following this, light emission was monitored varying the incubation temperatures; the culture media pH and the concentrations of carbon and nitrogen nutrient sources. It was identified that the incubation at 30ºC in culture media containing 2% agar, 1% sugar cane molasses, 0.02% yeast extract and pH 6 resulted in the most appropriate bioluminescence profile for the purpose of interest, although it has not resulted in the higher light emission. Under these culturing conditions, it was possible to develop a toxicity bioassay. To this end, it was necessary to assess the behavior of light emission from the mycelium in contact with both atmospheric air and some potential diluents, also establishing the exposure time required for a maximum response of N. gardneri in contact with Cu+2 (50 mM) and phenol (10 mM) solutions. In this case, an aqueous solution of Triton X-100 in the concentration of 0.01% (w:v) buffered with 2-(N-Morpholino)ethanesulfonic acid (MES, 50 mM) was chosen to dilute the toxic agents, to which the mycelium was exposed for 24 hours. Thereafter, the methodology was applied to test the toxicity of two metals and two phenols (Cu+2, Cd+2, phenol and 4-nitrophenol), obtaining respective EC50 values (median effective concentration) equal to (0,53 ± 0,09) mM; (8,0 ± 0,5).10-3 mM; (1,7 ± 0,3) mM e (0,34 ± 0,04) mM. Meanwhile, in parallel experiments, the spectrophotometric quantification of phenols in culture media indicated that they are evenly diffused through agar. In this case, the EC50 values would be divided by 6, in order to consider the dilution of compounds by the media. The toxicity bioassay with N. gardneri species has advantages, manly in relation to the reproducible behavior of light emission, high intensity of bioluminescence, rapid growth of mycelium and sensitivity to the tested toxic agents. Considering these characteristics, the developed methodology represents a viable procedure for a toxicological bioassay. Accordingly, it can be improved in future work and performed in addition to other methods already developed for other terrestrial or aquatic organisms.

Os fungos são decompositores primários e, portanto, ocupam uma posição estratégica na base da cadeia alimentar em diversos ecossistemas, incluindo os terrestres. Por tais características, estes organismos são de especial interesse na aplicação em bioensaios de toxicidade. As metodologias com espécies bioluminescentes são geralmente práticas, economicamente viáveis e de fácil aplicação. Ainda assim, os fungos naturalmente bioluminescentes são ainda pouco estudados para este propósito, em comparação com os organismos aquáticos, como as bactérias. Neste cenário, o presente trabalho apresenta os efeitos de diferentes condições de cultivo sobre o perfil de bioluminescência do fungo Neonothopanus gardneri, buscando o desenvolvimento de um bioensaio de toxicidade utilizando esta espécie. Estudos preliminares foram destinados à redução da variação experimental, à identificação de algumas das características intrínsecas do organismo em cultura e, ainda, à definição de procedimentos de análise e de inoculação do micélio. Em seguida, a emissão de luz foi monitorada variando as temperaturas de incubação, o pH dos meios de cultura e as concentrações das fontes de carbono e de nitrogênio, adotadas como nutrientes. Identificou-se que a incubação a 30ºC em meios com 2% de ágar, 1% de melaço de cana de açúcar, 0,02% de extrato de levedura e pH 6 resultou em um perfil de bioluminescência mais adequado ao propósito de interesse, apesar de não ter resultado na maior emissão de luz possível. Nestas condições de cultivo, foi possível desenvolver um bioensaio de toxicidade. Para isso, foi necessário avaliar o comportamento da luz emitida pelo micélio em contato tanto com ar atmosférico quanto com alguns potenciais diluentes, estabelecendo-se também o tempo de exposição necessário para uma resposta máxima do fungo N. gardneri em contato com soluções de Cu+2 (50 mM) e fenol (10 mM). Neste caso, uma solução aquosa de Triton X-100 na concentração de 0,01% (m:v) tamponada com ácido 2-(N-morfolino)etano sulfônico (MES, 50 mM, pH 5,7) foi adotada para diluir os agentes tóxicos, aos quais o micélio foi exposto durante 24 horas. Posteriormente, a metodologia foi aplicada para testar a toxicidade de dois metais e dois fenóis (Cu+2, Cd+2, fenol e 4-nitrofenol), obtendo-se respectivos valores de EC50 (concentração mediana efetiva) iguais a (0,53 ± 0,09) mM; (8,0 ± 0,5).10-3 mM; (1,7 ± 0,3) mM e (0,34 ± 0,04) mM. Entretanto, em experimentos paralelos, a quantificação espectrofotométrica de fenóis nos meios de cultura indicou que os mesmos são difundidos homogeneamente pelo ágar. Neste caso, os valores de EC50 seriam divididos por 6, para considerar a diluição dos compostos pelos meios. O bioensaio com a espécie N. gardneri possui vantagens, principalmente em relação ao comportamento reprodutível da emissão de luz, à alta intensidade da bioluminescência, ao crescimento rápido do micélio e à sensibilidade aos agentes tóxicos testados. Considerando tais características, a metodologia desenvolvida representa um procedimento viável em bioensaios de toxicidade. Assim, a mesma pode ser aperfeiçoada em trabalhos futuros e aplicada em complemento com outros métodos já desenvolvidos para outros organismos terrestres ou aquáticos. / Fungi are primary decomposers, thus occupying a strategic position at the base of the food chain in many ecosystems, including terrestrial ones. Due to such characteristics, these organisms are of special interest to toxicity bioassays. Bioluminescent-based methods are usually practical, economically viable and easy to perform. Nevertheless, naturally bioluminscent fungi are still poorly studied in this respect, compared to aquatic organisms like bacteria. In the above mentioned scenario, this work presents the effects of different culture conditions on the bioluminescence profile of the fungus Neonothopanus gardneri, aiming at the development of a toxicity bioassay using this species. Preliminary studies were intended to reduce experimental variation, identify some of the intrinsic characteristics of the organism in culture, and also to define the procedures for analysis and mycelium inoculation. Following this, light emission was monitored varying the incubation temperatures; the culture media pH and the concentrations of carbon and nitrogen nutrient sources. It was identified that the incubation at 30ºC in culture media containing 2% agar, 1% sugar cane molasses, 0.02% yeast extract and pH 6 resulted in the most appropriate bioluminescence profile for the purpose of interest, although it has not resulted in the higher light emission. Under these culturing conditions, it was possible to develop a toxicity bioassay. To this end, it was necessary to assess the behavior of light emission from the mycelium in contact with both atmospheric air and some potential diluents, also establishing the exposure time required for a maximum response of N. gardneri in contact with Cu+2 (50 mM) and phenol (10 mM) solutions. In this case, an aqueous solution of Triton X-100 in the concentration of 0.01% (w:v) buffered with 2-(N-Morpholino)ethanesulfonic acid (MES, 50 mM) was chosen to dilute the toxic agents, to which the mycelium was exposed for 24 hours. Thereafter, the methodology was applied to test the toxicity of two metals and two phenols (Cu+2, Cd+2, phenol and 4-nitrophenol), obtaining respective EC50 values (median effective concentration) equal to (0,53 ± 0,09) mM; (8,0 ± 0,5).10-3 mM; (1,7 ± 0,3) mM e (0,34 ± 0,04) mM. Meanwhile, in parallel experiments, the spectrophotometric quantification of phenols in culture media indicated that they are evenly diffused through agar. In this case, the EC50 values would be divided by 6, in order to consider the dilution of compounds by the media. The toxicity bioassay with N. gardneri species has advantages, manly in relation to the reproducible behavior of light emission, high intensity of bioluminescence, rapid growth of mycelium and sensitivity to the tested toxic agents. Considering these characteristics, the developed methodology represents a viable procedure for a toxicological bioassay. Accordingly, it can be improved in future work and performed in addition to other methods already developed for other terrestrial or aquatic organisms.

Os metais são de grande importância para os seres vivos em geral e particularmente para o homem. Alguns metais são essenciais ao metabolismo em pequenas quantidades, mas em maiores concentrações tornam-se tóxicos. Com o aumento da população humana e o desenvolvimento tecnológico, a poluição pelos metais tem se tornado um problema mundialmente grave. Nesta pesquisa foi investigada a toxicidade aguda, de forma isolada e em misturas, de quatro metais comuns na face da Terra, o cobre, o cádmio, o mercúrio e o manganês, os quais são muito utilizados e reconhecidamente tóxicos a diversos organismos, sobre a sobrevivência dos invertebrados tropicais, Tramea cophysa (Odonata), Chlamydotheca sp. e Strandesia trispinosa (Ostracoda). A sobrevivência das espécies expostas a uma série de concentrações de cada metal foi avaliada e a sensibilidade comparada entre as espécies estudadas e entre diferentes espécies de regiões tropicais e temperadas por meio de curvas de distribuição das sensibilidades (SSDs). O manganês foi o metal menos tóxico dentre aqueles testados, possivelmente devido à imobilização deste na cutícula das espécies-teste. T. cophysa esteve entre as espécies mais tolerantes aos metais e S. trispinosa entre as espécies mais sensíveis, quando comparadas a outros invertebrados utilizados em testes ecotoxicológicos. Pelas respostas observadas nos testes com os compostos isolados concluiu-se que as espécies selecionadas são organismos adequados para avaliações de toxicidade. Para as combinações dos compostos sulfato de cobre/cloreto de cádmio o modelo da Adição da Concentração foi o que melhor explicou a toxicidade sobre a sobrevivência de S. trispinosa indicando ajuste antagonístico. Para sulfato de cobre/cloreto de mercúrio e sulfato de cobre/sulfato de manganês, o modelo da Adição da Concentração também foi o que melhor explicou a toxicidade sobre a sobrevivência de S. trispinosa, mas indicando sinergismo quando o sulfato de cobre predominou na mistura e antagonismo quando o cloreto de mercúrio e o sulfato de manganês predominaram nas misturas. Já para a mistura cloreto de cádmio/cloreto de mercúrio, o modelo que melhor explicou os efeitos da mistura sobre a sobrevivência de S. trispinosa foi o de Ação Independente, sendo o melhor ajuste aos dados dado pelo desvio sinergístico. Um outro aspecto da toxicidade dos metais avaliados foram os efeitos da exposição de Tramea cophysa e de Chlamydotheca sp. a concentrações sub-letais dos quatro metais. Foi verificado que a taxa de predação de T. cophysa diminuiu quando exposta a concentrações crescentes de sulfato de cobre, cloreto de cádmio e cloreto de mercúrio, enquanto para Chamydotheca sp. houve um aumento na taxa de predação para a maioria das concentrações dos metais testados. Portanto, para entender como os metais afetam as comunidades, é preciso avaliar a toxicidade para cada espécie tanto aguda quanto crônica. Enfrentar esse desafio na Ecotoxicologia é essencial para a compreensão do modo como os contaminantes podem afetar desde o comportamento de indivíduos a comunidades ecológicas. / Metals are very important for live beings in general and particularly for men. Some metals are essential to metabolismo in small amounts, but in higher concentrations they become toxic. With the exponencial increase of human population and technological development, metal pollution has become a severe world-wide problem. In this study we investigated the acute toxicity of isolately and in mixture combinations of four common metals on Earth, which are widely used, but well recognized as toxicants to both, terrestrial and aquatic organisms. The acute toxicity of copper, cadmium, mercury and manganese on the survival of tropical invertebrates, Tramea cophysa (Odonata), Chlamydotheca sp. and Strandesia trispinosa (Ostracoda) was evaluated for each metal isolately and as binary mixtures. The survival of this species exposed to a series of concentrations of each metal was evaluated and their sensitivity compared among the species studied and with different species of tropical and temperate regions by constructing Species Sensitivity Distribution curves (SSDs). Manganese was the least toxic compared to other tested metals, possibly due to its immobilization in the cuticle of the test species. T. cophysa was among the species more tolerant to these metals and S. trispinosa among the most sensitive species when compared to other invertebrates used in ecotoxicological tests. From the responses observed in the tests with the isolated compounds it was concluded that the selected species are adequate to toxicity evaluations. For the combinations of the copper sulfate/cadmium chloride compounds the Concentration Addition model was the one which best explained the toxicity on S. trispinosa survival indicating antagonistic adjustment. For copper sulphate and mercury chloride mixture and copper sulphate and manganese sulphate, the Concentration Addition model also best explained the toxicity of S. trispinosa survival, but indicating synergism when copper sulphate predominated in the mixture and antagonism when mercury chloride and manganese sulphate predominated in the mixtures. For the mixture of cadmium chloride andmercury chloride, the model that best explained the effects of the mixture on the survival of S. trispinosa was that of Independent Action, being the best fit to the data given by the synergistic deviation. Other aspects of the toxicity of the evaluated metals were the effects of the exposure of Tramea cophysa and Chlamydotheca sp. to sub-lethal concentrations of the four metals. It was verified that the predation rate of T. cophisa decreased when exposed to increasing concentrations of copper sulphate, cadmium chloride and mercury chloride, whereas for Chamydotheca sp. there was an increase in the rate of predation for most concentrations of the metals tested. Therefore, to understand how metals affect communities, it is necessary to assess the toxicity for each species both acute and chronic. Addressing this challenge in Ecotoxicology is essential for understanding how contaminants can affect from the behavior of individuals to ecological communities.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:29:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 5307.pdf: 3018065 bytes, checksum: 4a4ed79b44dafeeb1204798dc8f70256 (MD5) Previous issue date: 2013-06-03 / Universidade Federal de Sao Carlos / This thesis aimed to evaluate the use of cholinesterases (ChE) of the cladoceran species Pseudosida ramosa and Daphnia magna as a biochemical biomarker of the presence and effects of anatoxin-a(s) at different levels of biological organization (molecular, individual and population), besides the combined effects of the mixtures of the hepatotoxic (microcystins) and neurotoxic (anatoxin-a(s)) extracts in D. magna. A microplate assay was adapted and optimized for measuring the ChE activity of P. ramosa, in order to produce an assay protocol for this species. The analysis on the performance of ChE assays in P. ramosa showed that these are suitable for the quantifying of enzymatic activity in this species. P. ramosa showed to be an adequate alternative to the exotic cladoceran D. magna. Thus, it was proposed an assay protocol, which it meets the best combination of parameters for the using of ChE activity of P. ramosa as a biochemical biomarker. The ChE activity of P. ramosa and D. magna were specific for the indication of the presence of anatoxin-a(s), since no effect on the enzymatic activity of these species was observed when they were exposed to the microcystins. In the acute exposures (48-h) to the anatoxin-a(s) extract and to the paraoxon-methyl, P. ramosa was more sensitive than D. magna for ChE activity and survival endpoints. Also, P. ramosa was more sensitive than D. magna when exposed to the anatoxin-a(s) extract for 7 days. When the relationships between the ChE inhibition and individual and populational endpoints were evaluated, different responses were observed for the studied species. The ChE inhibition in P. ramosa had a very close relationship with the survival in the acute exposures to the anatoxin-a(s) extract and to the paraoxon-methyl. For D. magna, on the other hand, this relationship was not linear, being high levels of ChE inhibition associated with almost no mortality. The ChE activity in P. ramosa was also a good predictor of the chronic effects of anatoxin-a(s) extract at higher levels of biological organization, since ChE inhibition (48 h) was linearly linked to the sub-lethal effects on the reproduction (21 days) and on the population growth rate (21 days). For D. magna, these relationships could not be established, possibly due to species-specific differences in the affinities of both acetylcholinesterase and pseudocholinesterases to the toxicants. Thus, for the using of ChE as a biochemical biomarker in the risk assessments of neurotoxic cyanobacteria blooms in tropical regions, it is recommended the use of native species, especially of P. ramosa, since the model species D. magna could overestimate the risk to the local species. When the effects of the mixtures of the hepatotoxic and neurotoxic extracts were evaluated on the survival and feeding rates of D. magna, additive and synergistic responses were only observed on the feeding rates. Therefore, since different types of cyanotoxins are found in the natural environments in combination, the risks of these toxins on the zooplanktonic community should be evaluated not only individually, but also as mixtures. / Esta tese teve como objetivo avaliar o uso das colinesterases (ChE) das espécies de cladóceros Pseudosida ramosa e Daphnia magna como um biomarcador bioquímico da presença e dos efeitos de anatoxina-a(s) em diferentes níveis de organização biológica (molecular, individual e populacional), além dos efeitos combinados das misturas dos extratos hepatotóxicos (microcistinas) e neurotóxicos (anatoxina-a(s)) em D. magna. Um ensaio de microplacas foi adaptado e otimizado para medir a atividade de ChE da P. ramosa, a fim de produzir um protocolo de ensaio para esta espécie. A análise sobre o desempenho dos ensaios de ChE em P. ramosa mostrou que estes são adequados para a quantificação da atividade enzimática nesta espécie. P. ramosa mostrou ser uma alternativa adequada para o cladócero exótico D. magna. Assim, foi proposto um protocolo de ensaio, o qual reúne a melhor combinação de parâmetros para a utilização da atividade de ChE da P. ramosa como um biomarcador bioquímico. A atividade de ChE da P. ramosa e da D. magna foram específicas para a indicação da presença de anatoxinaa( s), uma vez que nenhum efeito sobre a atividade enzimática dessas espécies foi observado quando elas foram expostas às microcistinas. Nas exposições agudas (48 h) ao extrato de anatoxina-a(s) e ao paraoxon-metil, P. ramosa foi mais sensível do que D. magna para os parâmetros atividade de ChE e sobrevivência. Também, P. ramosa foi mais sensível do que D. magna quando exposta ao extrato de anatoxina-a(s) por sete dias. Quando as relações entre a inibição de ChE e os parâmetros individuais e populacionais foram avaliados, diferentes respostas foram observadas para as espécies estudadas. A inibição de ChE em P. ramosa teve uma relação muito próxima com a sobrevivência nas exposições agudas ao extrato de anatoxina-a(s) e ao paraoxon-metil. Para D. magna, por outro lado, esta relação não foi linear, sendo níveis altos de inibição de ChE associados com quase nenhuma mortalidade. A atividade de ChE em P. ramosa foi também um bom preditor dos efeitos crônicos do extrato de anatoxina-a(s) em níveis mais elevados de organização biológica, uma vez que a inibição de ChE (48 h) foi associada linearmente aos efeitos sub-letais na reprodução (21 dias) e na taxa de crescimento populacional (21 dias). Para D. magna, essas relações não puderam ser estabelecidas, possivelmente devido a diferenças espécie-específicas nas afinidades da acetilcolinesterase e das pseudocolinesterases aos tóxicos. Assim, para a utilização de ChE como um biomarcador bioquímico nas avaliações de risco de florescimentos de cianobactérias neurotóxicas em regiões tropicais, recomenda-se o uso de espécies nativas, especialmente da P. ramosa, uma vez que a espécie modelo D. magna poderia superestimar o risco para as espécies locais. Quando os efeitos das misturas dos extratos hepatotóxicos e neurotóxicos foram avaliados sobre a sobrevivência e as taxas alimentares da D. magna, respostas aditivas e sinergísticas foram observadas apenas nas taxas alimentares. Portanto, uma vez que diferentes tipos de cianotoxinas são encontrados nos ambientes naturais em combinação, os riscos dessas toxinas sobre a comunidade zooplanctônica deveriam ser avaliados não apenas individualmente, mas também como misturas.