Abstract The thesis consists of regional forest condition studies, using different biomonitors. Heavy metal deposition was investigated in 1985–2000 on the basis of the heavy metal concentrations (As, Cd, Cr, Cu, Fe, Hg, Ni, Pb, V, Zn) in mosses in Finland. A comparison on the suitability of mosses, epiphytic lichens and pine bark as biomonitors of heavy metals was also carried. Bark was also used to study the dispersal of emissions from the Kola Peninsula into northern Finland. The occurrence of green algae on conifers in Finland was investigated in 1985 and 1995. Regional and temporal differences were found in the heavy metal concentrations of mosses in Finland. The concentrations of most metals were the highest in southern Finland, and they decreased towards the north. Some of the major emission source had a noticeable effect on the Cu, Ni and Cr concentrations of mosses in the surroundings of the emission sources. The Pb, Cd and V concentrations decreased the most during the study period. Mosses, lichens and bark gave a relatively similar result for heavy metal deposition in Finland. However, the comparisons indicated that mosses are better suited as biomonitors for regional surveys than epiphytic lichens, because the regional differences in heavy metal deposition were more readily reflected by concentrations in mosses than in lichens. Bark is relatively unsuitable for regional surveys due to the small range of variation in the concentrations. Emissions from the Kola Peninsula had a clear effect on the sulphur and heavy metal concentrations of pine bark. The concentrations in bark were at very high levels close to the smelters, but they rapidly decreased on moving towards the west. The effects of emissions were still clearly visible in north-eastern Lapland. There was strong increase in the abundance of green algae on conifers in southern and central Finland during the period 1985–1995. The increase is probably due to following factors: climate warming, and an increase in nitrogen and a decrease in sulphur in their habitats. Half of each biomonitor sample collected in the surveys has been stored in the specimen bank at Paljakka. The storage of samples offers advantages for monitoring purposes. The availability of long-term sample series makes it possible to construct retrospective time series of the pollutants. The specimen bank is to be further developed in the future by establishing a reputation as a storage facility for samples related to forest ecosystems.

Zinc, copper and cadmium accumulation was measured in two herbivorous gastropod molluscs Austrocochlea constricta and Bembicium auratum from Lake Macquarie NSW an area with a history of trace metal pollution. The investigation consisted of three main parts. The first part examined the influence of organism mass and location within the Lake on whole body tissue metal concentrations. This part of the study also compared the distributions of tissue metal concentrations of populations from Lake Macquarie, a known polluted environment, with those of populations from Jervis Bay NSW, an unpolluted environment, to establish whether either species is a net accumulator of zinc copper or cadmium. The second part of the investigation examined a range of factors which may influence whole body metal concentrations. One location in Lake Macquarie was sampled monthly from August 1995 to July 1996. The factors examined were temporal variation, gender, breeding cycle, and tissue distribution. The final part of the investigation examined the detoxification and storage of excess metals in the gastropods from Lake Macquarie. The mechanisms studied were metallothioneins and granules. The tissue metal concentrations of both species were found to be independent of mass. Location within Lake Macquarie did not significantly influence tissue metal concentrations. Variation between individuals was the most significant contribution to overall variation, resulting in a positive skewing of sample trace metal distributions. B. auratum populations from Lake Macquarie had significantly higher copper and cadmium tissue concentrations and A. constricta populations had significantly higher zinc, copper and cadmium tissue concentrations than the populations from Jervis Bay. This suggests that regulation of these metals is not occurring. A. constricta may therefore be considered a net accumulator of zinc, copper and cadmium and B. auratum of copper and cadmium. Tissue metal concentrations did not vary significantly over time. It is suggested that the organisms are in equilibrium with their environment. B. auratum has higher natural equilibrium concentrations than A. constricta particularly for copper and cadmium, suggesting different routes of exposure, uptake or accumulation for the two species. Gender and breeding cycle did not significantly influence tissue metal concentrations. Most of the variability in total copper and cadmium concentrations of both species was explained by variability in gonad tissue metal concentration, while variability in the gonad and somatic tissues zinc concentration explained about an equal amount of the variability in total zinc concentration. A. constricta and B. auratum were both found to induce a cadmium binding protein which has some features in common with metallothionein. A protein of around 10 000 Da which binds approximately 60% of the soluble cadmium was isolated using gel filtration. This protein was further separated into two isoforms using anion exchange. The first isoform eluted at the same time as MT I and the second at the same time as MT II rabbit liver standard. Large cells containing granular material which stained positive for calcium were observed interspersed among the connective tissue immediately behind the columnar epithelial cells lining the gut wall in both species under a light microscope. Calcium positive granular particles were also observed within the columnar epithelial cells of B. auratum. These species have been shown to be net accumulators of the trace metals investigated, with the exception of zinc in B. auratum. It has also been established that organism mass, gender and reproductive state, the partitioning of metals between tissues, and temporal effects are not confounding factors for the purposes of comparing trace metal concentrations between populations. They should therefore be effective biomonitors of the trace metals investigated, with the exception of zinc in B. auratum.

No description available.

No biomonitoramento da poluição atmosférica, as determinações de elementos tóxicos têm sido de suma importância para identificação das suas fontes de emissão e dos efeitos ocasionados com a sua exposição. Consequentemente diferentes técnicas analíticas vêm sendo aprimoradas e aplicadas para essa finalidade, entre elas, a análise por ativação com nêutrons (NAA). Essa técnica apresenta vantagens para a quantificação de elementos poluentes, devido a sua capacidade de análise multielementar e a sua alta sensibilidade, precisão e exatidão dos resultados. Entretanto, nos trabalhos de biomonitoramento, a NAA não tem sido muito utilizada na determinação dos elementos tóxicos As, Cu e Hg. O objetivo deste trabalho foi estabelecer um procedimento adequado de NAA para a determinação de As, Cu e Hg em amostras de biomonitores da poluição atmosférica (liquens, bromélias e cascas de árvores). O procedimento de NAA consistiu em irradiação sob fluxo de nêutrons térmicos alíquotas de amostras juntamente aos padrões sintéticos dos elementos, seguida de espectrometria de raios gama. Foram realizados ensaios preliminares de NAA para definição das condições de irradiação e de medição para determinação desses três elementos e, para isso, foram analisados diversos materiais de referência certificados (MRCs). Os resultados de As, Cu e Hg nos MRCs demonstraram boa exatidão e precisão (HORRAT < 2 e IZscoreI < 2). Isto é, para determinação de As, foi verificado que irradiações de 1 h e tempo de decaimento de 1 d para as medições permitem obter resultados satisfatórios. O As foi encontrado em todas as espécies de biomonitores analisadas e os valores de limites de detecção foram inferiores às suas frações mássicas, demostrando que o procedimento proposto pode ser satisfatoriamente utilizado nas análises de biomonitores. Nas determinações de Cu nos MRCs, foi observado que esse elemento pode ser quantificado por meio das irradiações de 20 s e de 1 h pelas medições de 66Cu e de 64Cu, respectivamente. Entretanto, dependendo da amostra, nas irradiações de 1 h pode ocorrer a interferência da alta atividade do 24Na. Nas análises de biomonitores, os tempos de irradiação de 1 h e de decaimento de 1 d foram mais apropriados que as irradiações de curta duração de 20 s, uma vez que os dados obtidos apresentaram boa precisão e limites de detecção mais baixos que os das irradiações de 20 s. Para determinação de Hg, verificou se que não há perda desse elemento nas irradiações realizadas em invólucros ou cápsulas de polietileno. O invólucro foi escolhido devido ao seu baixo custo e a facilidade de aquisição. O tempo de irradiação de 1 h foi apropriado para evitar os problemas das interferências espectrais do 198Au e 75Se, que foram mais evidentes para 8 h de irradiação. O Hg não foi detectado em nenhum dos biomonitores analisados e os limites de detecção calculados variaram de 0,01 a 6,8 &mu;g g-1. Pelos resultados obtidos neste trabalho, concluiu-se que o procedimento de NAA estabelecido pode ser aplicado no biomonitoramento de As, Cu e Hg da poluição aérea e cabe ainda ressaltar que esses três elementos podem ser determinados por meio de uma única irradiação de 1 h, dependendo dos teores destes elementos nas amostras. / In the atmospheric pollution biomonitoring, the determination of toxic elements has been of major importance to the identification of their emission sources and of the caused effects by their exposure. Consequently, different analytical techniques have been improved and applied for this purpose, among them, the neutron activation analysis (NAA). This technique presents advantages for the quantification of pollutant elements due to its capability of multielemental analyses and its high sensitivity, precision and accuracy of results. However, in biomonitoring works, NAA has not been widely used in the determination of toxic elements As, Cu and Hg. The aim of this study was to establish adequate procedures of NAA for As, Cu and Hg determination in biomonitors of atmospheric pollution (lichens, bromeliads and tree barks). The NAA procedure consisted of irradiation, under thermal neutron flux, aliquots of samples with the elemental synthetic standards, followed by gamma ray spectrometry. Preliminary assays of NAA were carried out to define the irradiation and measurement conditions for these three elements determinations. For this purpose, several certified reference materials (CRMs) were analyzed. Results of As, Cu and Hg obtained in CRMs demonstrated good precision and accuracy of obtained data (HORRAT < 2 and IZ scoreI < 2). For As determination, irradiation time of 1 h and 1 d of decay time for the measurements allowed to obtain satisfactory results. Arsenic was detected in all analyzed samples of biomonitors and the detection limits were lower than its mass fractions, showing that the proposed procedure can be satisfactorily used in the biomonitor analyses. In Cu determination in CRMs, it was verified that this element could be quantified using irradiations of 20 s and of 1 h and by measuring 66Cu and 64Cu, respectively. However, depending on the sample, the interference of high activity of 24Na may occur. In the analyses of biomonitors, irradiation time of 1 h and decay time of 1 d were more appropriate to obtain precise results than the short-term irradiations of 20 s. For Hg determination, loss of this element from polyethylene capsules or involucres was not observed and the involucres were selected due to its low cost and easy acquisition. Irradiation time of 1 h was chosen to avoid the problems of spectral interferences of 198Au and 75Se, which were more evident for 8 h of irradiation. Mercury was not detected in the analyzed biomonitor samples and the detection limits varied from 0.01 to 6.8 &mu;g g-1. Based on the obtained results, it was concluded that the established NAA procedure can be applied in the biomonitoring of As, Cu and Hg of atmospheric pollution, and it should be noted that these three elements could be determined by a single irradiation of 1 h depending on the mass fractions of the elements in the samples.

O urânio (U) é considerado um elemento poluente do ambiente devido à sua toxicidade química e radiológica, com propriedades cumulativas em seres humanos, podendo causar diversos tipos de doenças no organismo. Consequentemente, há um grande interesse na determinação de U em amostras ambientais devido às ações antrópicas como as emissões desse elemento na mineração, nas indústrias e em acidentes nucleares que ocasionam alterações dos seus teores no meio ambiente. Dentre as diversas metodologias analíticas para a determinação de U em amostras ambientais, destaca-se a análise por ativação com nêutrons devido à sua alta sensibilidade e rapidez na análise. O objetivo deste trabalho foi validar o método para a determinação de U em amostras de biomonitores de cascas de árvores e bromélias, por meio dos procedimentos de análise instrumental por ativação com nêutrons térmicos (INAA) e análise por ativação com nêutrons epitérmicos (ENAA) ambos com irradiações de curta e longa duração no reator nuclear IEA-R1. Para a validação dos resultados com relação à precisão e à exatidão, foram analisados 11 materiais de referência certificados (MRCs), cujos dados foram avaliados por meio dos valores de Z score e de HorRat. Os procedimentos experimentais consistiram na irradiação térmica e epitérmica de amostras e de padrões de U por períodos de curta e longa duração, seguida de espectrometria de raios gama usando detector de Ge hiperpuro de alta resolução. Os resultados obtidos para a estimativa da incerteza padrão combinada da fração mássica de U, em uma amostra de casca de árvore, mostraram que a fonte de incerteza que mais contribuiu foi a estatística de contagem e o procedimento que apresentou a menor incerteza nos resultados foi a ENAA de longa duração. Os resultados dos MRCs apresentaram, na maioria dos casos, boa precisão e exatidão e as frações mássicas de U determinadas nas cascas de árvores e bromélias apresentaram resultados reprodutíveis. Dentre os quatro procedimentos estudados, a ENAA de longa e curta duração permitiu, em geral, a quantificação de U nas amostras dos materiais analisados. A INAA de longa e de curta duração nem sempre foi efetiva na determinação de U devido ao problema de interferência espectral e do alto valor de limite de detecção. Os limites de detecção determinados pelos procedimentos estudados foram comparados e os menores valores foram obtidos pela ENAA de longa duração. Em virtude dos fatos mencionados, o procedimento mais indicado para a determinação de U nas amostras ambientais analisadas nesse trabalho foi a ENAA de longa duração devido aos seus baixos limites de detecção, boa precisão e exatidão dos resultados e redução do problema de interferência nas análises. / Uranium (U) is an element considered pollutant in the environment due to its radiological and chemical toxicity. This element may cause several kinds of diseases since it presents cumulative properties in the organism. Consequently, there is a great interest in the U determination in environmental samples that are affected by anthropic actions such as mining, industry and nuclear accidents. Among several analytical methodologies for U determination, neutron activation analysis is considered a sensitive and rapid method. The aim of this study was to validate the method of U determination using the procedures of thermal and epithermal neutron activation analysis (INAA and ENAA) with short and long period of irradiation in the IEA-R1 nuclear reactor for the analysis of biomonitor samples of tree barks and bromeliads. To validate the precision and accuracy of the results, 11 certified reference materials (CRMs) were analyzed. Experimental procedure consisted on irradiating aliquots of the samples and U synthetic standard for short and long period irradiations using thermal and epithermal neutrons, followed by gamma ray spectrometry. Results obtained on the evaluation of the sources of uncertainty showed that statistic of the counting rates was the most relevant in the combined uncertainty of the results. The ENAA using long period irradiation showed the lowest uncertainty. Results obtained in the CRMs showed good precision and accuracy for most of results. In the same way, outcomes obtained for bromeliad and tree bark samples also indicated good reproducibility. Among four procedures of neutron activation analysis, the ENAA using short and long irradiations, in general, allowed to quantify U in the samples analyzed in this study. The INAA using short and long irradiations did not always allow determining U due to the problem of spectral interference and high detection limits. The lowest detection limits for U determination were obtained by ENAA with long period of irradiation. By considering such facts, we conclude that the most appropriate method to determine U in environment sample was ENAA. This is due its low detection limits, good precision, accuracy and also because this method reduce interference in analysis.

No biomonitoramento da poluição atmosférica, as determinações de elementos tóxicos têm sido de suma importância para identificação das suas fontes de emissão e dos efeitos ocasionados com a sua exposição. Consequentemente diferentes técnicas analíticas vêm sendo aprimoradas e aplicadas para essa finalidade, entre elas, a análise por ativação com nêutrons (NAA). Essa técnica apresenta vantagens para a quantificação de elementos poluentes, devido a sua capacidade de análise multielementar e a sua alta sensibilidade, precisão e exatidão dos resultados. Entretanto, nos trabalhos de biomonitoramento, a NAA não tem sido muito utilizada na determinação dos elementos tóxicos As, Cu e Hg. O objetivo deste trabalho foi estabelecer um procedimento adequado de NAA para a determinação de As, Cu e Hg em amostras de biomonitores da poluição atmosférica (liquens, bromélias e cascas de árvores). O procedimento de NAA consistiu em irradiação sob fluxo de nêutrons térmicos alíquotas de amostras juntamente aos padrões sintéticos dos elementos, seguida de espectrometria de raios gama. Foram realizados ensaios preliminares de NAA para definição das condições de irradiação e de medição para determinação desses três elementos e, para isso, foram analisados diversos materiais de referência certificados (MRCs). Os resultados de As, Cu e Hg nos MRCs demonstraram boa exatidão e precisão (HORRAT < 2 e IZscoreI < 2). Isto é, para determinação de As, foi verificado que irradiações de 1 h e tempo de decaimento de 1 d para as medições permitem obter resultados satisfatórios. O As foi encontrado em todas as espécies de biomonitores analisadas e os valores de limites de detecção foram inferiores às suas frações mássicas, demostrando que o procedimento proposto pode ser satisfatoriamente utilizado nas análises de biomonitores. Nas determinações de Cu nos MRCs, foi observado que esse elemento pode ser quantificado por meio das irradiações de 20 s e de 1 h pelas medições de 66Cu e de 64Cu, respectivamente. Entretanto, dependendo da amostra, nas irradiações de 1 h pode ocorrer a interferência da alta atividade do 24Na. Nas análises de biomonitores, os tempos de irradiação de 1 h e de decaimento de 1 d foram mais apropriados que as irradiações de curta duração de 20 s, uma vez que os dados obtidos apresentaram boa precisão e limites de detecção mais baixos que os das irradiações de 20 s. Para determinação de Hg, verificou se que não há perda desse elemento nas irradiações realizadas em invólucros ou cápsulas de polietileno. O invólucro foi escolhido devido ao seu baixo custo e a facilidade de aquisição. O tempo de irradiação de 1 h foi apropriado para evitar os problemas das interferências espectrais do 198Au e 75Se, que foram mais evidentes para 8 h de irradiação. O Hg não foi detectado em nenhum dos biomonitores analisados e os limites de detecção calculados variaram de 0,01 a 6,8 &mu;g g-1. Pelos resultados obtidos neste trabalho, concluiu-se que o procedimento de NAA estabelecido pode ser aplicado no biomonitoramento de As, Cu e Hg da poluição aérea e cabe ainda ressaltar que esses três elementos podem ser determinados por meio de uma única irradiação de 1 h, dependendo dos teores destes elementos nas amostras. / In the atmospheric pollution biomonitoring, the determination of toxic elements has been of major importance to the identification of their emission sources and of the caused effects by their exposure. Consequently, different analytical techniques have been improved and applied for this purpose, among them, the neutron activation analysis (NAA). This technique presents advantages for the quantification of pollutant elements due to its capability of multielemental analyses and its high sensitivity, precision and accuracy of results. However, in biomonitoring works, NAA has not been widely used in the determination of toxic elements As, Cu and Hg. The aim of this study was to establish adequate procedures of NAA for As, Cu and Hg determination in biomonitors of atmospheric pollution (lichens, bromeliads and tree barks). The NAA procedure consisted of irradiation, under thermal neutron flux, aliquots of samples with the elemental synthetic standards, followed by gamma ray spectrometry. Preliminary assays of NAA were carried out to define the irradiation and measurement conditions for these three elements determinations. For this purpose, several certified reference materials (CRMs) were analyzed. Results of As, Cu and Hg obtained in CRMs demonstrated good precision and accuracy of obtained data (HORRAT < 2 and IZ scoreI < 2). For As determination, irradiation time of 1 h and 1 d of decay time for the measurements allowed to obtain satisfactory results. Arsenic was detected in all analyzed samples of biomonitors and the detection limits were lower than its mass fractions, showing that the proposed procedure can be satisfactorily used in the biomonitor analyses. In Cu determination in CRMs, it was verified that this element could be quantified using irradiations of 20 s and of 1 h and by measuring 66Cu and 64Cu, respectively. However, depending on the sample, the interference of high activity of 24Na may occur. In the analyses of biomonitors, irradiation time of 1 h and decay time of 1 d were more appropriate to obtain precise results than the short-term irradiations of 20 s. For Hg determination, loss of this element from polyethylene capsules or involucres was not observed and the involucres were selected due to its low cost and easy acquisition. Irradiation time of 1 h was chosen to avoid the problems of spectral interferences of 198Au and 75Se, which were more evident for 8 h of irradiation. Mercury was not detected in the analyzed biomonitor samples and the detection limits varied from 0.01 to 6.8 &mu;g g-1. Based on the obtained results, it was concluded that the established NAA procedure can be applied in the biomonitoring of As, Cu and Hg of atmospheric pollution, and it should be noted that these three elements could be determined by a single irradiation of 1 h depending on the mass fractions of the elements in the samples.

O urânio (U) é considerado um elemento poluente do ambiente devido à sua toxicidade química e radiológica, com propriedades cumulativas em seres humanos, podendo causar diversos tipos de doenças no organismo. Consequentemente, há um grande interesse na determinação de U em amostras ambientais devido às ações antrópicas como as emissões desse elemento na mineração, nas indústrias e em acidentes nucleares que ocasionam alterações dos seus teores no meio ambiente. Dentre as diversas metodologias analíticas para a determinação de U em amostras ambientais, destaca-se a análise por ativação com nêutrons devido à sua alta sensibilidade e rapidez na análise. O objetivo deste trabalho foi validar o método para a determinação de U em amostras de biomonitores de cascas de árvores e bromélias, por meio dos procedimentos de análise instrumental por ativação com nêutrons térmicos (INAA) e análise por ativação com nêutrons epitérmicos (ENAA) ambos com irradiações de curta e longa duração no reator nuclear IEA-R1. Para a validação dos resultados com relação à precisão e à exatidão, foram analisados 11 materiais de referência certificados (MRCs), cujos dados foram avaliados por meio dos valores de Z score e de HorRat. Os procedimentos experimentais consistiram na irradiação térmica e epitérmica de amostras e de padrões de U por períodos de curta e longa duração, seguida de espectrometria de raios gama usando detector de Ge hiperpuro de alta resolução. Os resultados obtidos para a estimativa da incerteza padrão combinada da fração mássica de U, em uma amostra de casca de árvore, mostraram que a fonte de incerteza que mais contribuiu foi a estatística de contagem e o procedimento que apresentou a menor incerteza nos resultados foi a ENAA de longa duração. Os resultados dos MRCs apresentaram, na maioria dos casos, boa precisão e exatidão e as frações mássicas de U determinadas nas cascas de árvores e bromélias apresentaram resultados reprodutíveis. Dentre os quatro procedimentos estudados, a ENAA de longa e curta duração permitiu, em geral, a quantificação de U nas amostras dos materiais analisados. A INAA de longa e de curta duração nem sempre foi efetiva na determinação de U devido ao problema de interferência espectral e do alto valor de limite de detecção. Os limites de detecção determinados pelos procedimentos estudados foram comparados e os menores valores foram obtidos pela ENAA de longa duração. Em virtude dos fatos mencionados, o procedimento mais indicado para a determinação de U nas amostras ambientais analisadas nesse trabalho foi a ENAA de longa duração devido aos seus baixos limites de detecção, boa precisão e exatidão dos resultados e redução do problema de interferência nas análises. / Uranium (U) is an element considered pollutant in the environment due to its radiological and chemical toxicity. This element may cause several kinds of diseases since it presents cumulative properties in the organism. Consequently, there is a great interest in the U determination in environmental samples that are affected by anthropic actions such as mining, industry and nuclear accidents. Among several analytical methodologies for U determination, neutron activation analysis is considered a sensitive and rapid method. The aim of this study was to validate the method of U determination using the procedures of thermal and epithermal neutron activation analysis (INAA and ENAA) with short and long period of irradiation in the IEA-R1 nuclear reactor for the analysis of biomonitor samples of tree barks and bromeliads. To validate the precision and accuracy of the results, 11 certified reference materials (CRMs) were analyzed. Experimental procedure consisted on irradiating aliquots of the samples and U synthetic standard for short and long period irradiations using thermal and epithermal neutrons, followed by gamma ray spectrometry. Results obtained on the evaluation of the sources of uncertainty showed that statistic of the counting rates was the most relevant in the combined uncertainty of the results. The ENAA using long period irradiation showed the lowest uncertainty. Results obtained in the CRMs showed good precision and accuracy for most of results. In the same way, outcomes obtained for bromeliad and tree bark samples also indicated good reproducibility. Among four procedures of neutron activation analysis, the ENAA using short and long irradiations, in general, allowed to quantify U in the samples analyzed in this study. The INAA using short and long irradiations did not always allow determining U due to the problem of spectral interference and high detection limits. The lowest detection limits for U determination were obtained by ENAA with long period of irradiation. By considering such facts, we conclude that the most appropriate method to determine U in environment sample was ENAA. This is due its low detection limits, good precision, accuracy and also because this method reduce interference in analysis.

Le développement des activités industrielles et agricoles du siècle dernier a eu pour conséquence le rejet de substances chimiques dans l’environnement, qui contaminent les écosystèmes, et peuvent s’accumuler dans les plantes, les sédiments, et le long des chaînes alimentaires. Il apparait primordial d’effectuer une évaluation du risque écologique associé à la présence de ces composés dans les milieux naturels et les espèces sentinelles sont des outils judicieux pour déterminer l’exposition des individus et évaluer les conséquences sur les organismes. Les amphibiens et les reptiles possèdent des caractéristiques écologiques et biologiques qui les rendent potentiellement intéressants en tant qu’espèces sentinelles. L’objectif des études présentées dans cette thèse est de déterminer la disponibilité de certaines substances dans l’environnement, et d’évaluer les effets de la contamination environnementale sur les organismes en utilisant plusieurs espèces de reptiles et d’amphibiens, (i) en mesurant les niveaux de polluants accumulés dans les tissus d’espèces de reptiles ; (ii) en évaluant l’influence d’un habitat contaminé sur la morphologie d’adultes de crapaud commun (Bufo bufo) ; (iii) en mesurant de manière expérimentale l’impact d’une molécule fréquemment retrouvée dans l’environnement sur le développement de têtards de crapaud commun. Nos résultats montrent d’une part que les reptiles accumulent efficacement les polluants organiques et les éléments traces métalliques dans leurs tissus, et permettent d’évaluer efficacement la contamination globale d’une zone, mais aussi de mettre en évidence des pollutions ponctuelles localisées. D’autre part, nos travaux montrent une influence de l’habitat agricole sur la morphologie du crapaud commun, potentiellement causé par la présence de contaminants dans ces milieux. Enfin, nous avons pu mettre en évidence un effet de concentrations faibles d’AMPA, métabolite principal du glyphosate, sur le développement de têtards de crapaud commun. Les amphibiens constituent donc des organismes efficaces pour étudier l’impact de la contamination de l’environnement sur les caractéristiques individuelles. Nos travaux montrent ainsi l’utilité de certaines espèces de reptiles et d’amphibiens comme espèces sentinelles de la présence de contaminants dans l’environnement et de leur impact potentiel sur les organismes. Les travaux en écotoxicologie qui portent sur ces organismes restent trop rares, et il est impératif de développer la recherche dans ce domaine, pour participer de manière efficace à l’évaluation du risque environnemental. / The development of industrial and agricultural activities over the last century has resulted in the release of chemicals into the environment, which contaminate ecosystems and can accumulate in plants, sediments and across food webs. As such, it is essential to conduct an assessment of the ecological risk associated with the presence of these compounds in natural environments. Achieving this can be aided through the study of sentinel species, which can be used to determine exposure rates of individuals and assess how these subsequently impact wildlife. Amphibians and reptiles display ecological and biological characteristics that may make them particularly attractive as sentinel species. The collection of studies presented in this thesis aims to determine the availability of contaminants in the environment and estimate the effects of this on individual traits of living organisms. Across several species of reptiles and amphibians we, (i) measured levels of pollutants accumulated in the tissues of several reptile species ; (ii) assessed how contaminated habitats impact the morphology of adult common toads (Bufo bufo) ; and (iii) experimentally measured the influence of a molecule frequently detected in the environment on common toad tadpoles’ growth. Results show that reptiles efficiently accumulate organic pollutants and metal trace elements in their tissues, and thereby allow efficient evaluation of the global contamination of an area, as well as the occurrence of localized pollution events. In addition, our work shows an influence of the agricultural habitat on the morphology of adult common toads, which is potentially a consequence of the presence of chemicals in these environments. Finally, we were able to demonstrate an effect of low concentrations of AMPA, the main metabolite of glyphosate, on the development of common toad tadpoles. Amphibians are therefore efficient organisms to study the impact of environmental contamination on individual characteristics. Our work shows the usefulness of certain species of reptiles and amphibians as sentinel species for the presence of contaminants in the environment, and their potential impact on organisms. Ecotoxicological studies on these organisms remain too scarce, and it is imperative to develop research in this field, to participate effectively in the assessment of environmental risk.

Submitted by Biblioteca de Pós-Graduação em Geoquímica BGQ (bgq@ndc.uff.br) on 2016-09-20T18:44:32Z No. of bitstreams: 1 Tese Nafisa Rizzini Ansari.pdf: 8620069 bytes, checksum: 16d148c878ee2d9445629dc9780642f5 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-09-20T18:44:32Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Tese Nafisa Rizzini Ansari.pdf: 8620069 bytes, checksum: 16d148c878ee2d9445629dc9780642f5 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Universidade Federal Fluminense. Instituto de Química. Programa de Pós-Graduação em Geociências - Geoquímica. Niterói, RJ / Os objetivos do presente estudo foram avaliar a anêmona-do-mar Bunodosoma caissarum como espécie biomonitora da contaminação por metais para a Baía de Guanabara (Rio de Janeiro, Brasil) e a região insular adjacente, comparando-a com uma espécie tradicionalmente utilizada na região: o mexilhão Perna perna; além de investigar a bioacumulação de Cd, Hg e Zn por B. caissarum e P. perna por meio de experimentos de incubação em laboratório. A Baía de Guanabara é uma baía eutrófica contaminada por diversos metais. A região insular adjacente é considerada menos impactada por metais, porém esta é influenciada por aportes antrópicos, como os efluentes dos emissários submarinos e a disposição de material dragado em locais próximos a esta região. Bivalves, como o P. perna, são amplamente utilizados para o biomonitoramento de metais na Baía de Guanabara. No entanto, a anêmona B. caissarum pode ser uma alternativa em ambientes onde os mexilhões não são abundantes ou não existem. Neste estudo, mediram-se as concentrações de metais nos tecidos de B. caissarum e P. perna amostrados na Baía de Guanabara e na região insular adjacente em 2013 e estas foram comparadas com concentrações medidas nos mesmos locais em 2009. Os elementos Al, As, Ba, Cd, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Sn, Ti, V e Zn foram determinados por espectrometria de massa com fonte de plasma indutivamente acoplado (ICP-MS). Foi observada uma grande variabilidade espacial e temporal nas concentrações dos metais nos tecidos de B. caissarum e P. perna. No entanto, ambas as espécies foram capazes de bioacumular todos os elementos estudados. Devido à abundância de B. caissarum na área de estudo e a sua capacidade de bioacumular os metais estudados, sugere-se seu uso como biomonitor de metais e seu potencial uso como biomonitor complementar para estudos de biomonitoramento com mais de uma espécie de invertebrado, como P. perna. Com esta finalidade, deve-se estudar melhor as características de bioacumulação de metais de interesse ambiental e ecotoxicológico, como Hg, Cd e Zn, por B. caissarum para possibilitar seu uso. Com este intuito, realizaram-se incubações com Hg, Cd e Zn em microcosmos com B. caissarum e P. perna. Os espécimes foram incubados com isótopos destes metais em aquários e as concentrações foram monitoradas durante o período de incubação. O experimento com Hg investigou como B. caissarum afeta a distribuição, metilação e volatilização de Hg adicionando-se o radiotraçador 203Hg a microcosmos com e sem B. caissarum. Mediu-se o Hg total e o metilmercúrio (MeHg) por espectrometria gama e cintilação líquida respectivamente. Os espécimes apresentaram um fator de bioconcentração de 70. Observou-se a produção de MeHg em todos os microcosmos e uma maior volatilização de Hg nos microcosmos com B. caissarum. Nos experimentos com Cd e Zn, spikes enriquecidos em 116Cd ou 68Zn foram adicionados aos microcosmos com B. caissarum ou P. perna e as concentrações foram medidas através do monitoramento de razões isotópicas. Os fatores de bioconcentração para B. caissarum e P. perna expostos a 0,9 μg L-1 de 116Cd foram respectivamente 80,5 e 850 e em espécimes expostos a 1,4 μg L-1, 6,9 μg L-1 e 34,7 μg L-1 de 68Zn foram respectivamente 243, 398 e 340 em B. caissarum e 1789, 1238 e 621 em P. perna. As proteínas citosólicas associadas ao Cd e ao Zn foram extraídas dos tecidos dos espécimes incubados e analisadas por cromatografia de exclusão por tamanho e espectrometria de massa com fonte de plasma indutivamente acoplado. Frações citosólicas associadas ao Cd e ao Zn foram detectadas em ambas as espécies. Em todos os experimentos B. caissarum expeliu secreções mucosas que continham os isótopos adicionados. Estes estudos possibilitaram uma melhor compreensão das características de bioacumulação de Hg, Cd e Zn pelas espécies estudadas e fornecem subsídios para sua aplicação em estudos de biomonitoramento destes metais. / The objectives of this study were to evaluate the sea anemone Bunodosoma caissarum as a biomonitor species for metal contamination in Guanabara Bay (Rio de Janeiro, Brazil) and an adjacent island region, by comparing it with another species traditionally used in the region: the mussel Perna perna. It was also to investigate the uptake of Cd, Hg and Zn through laboratory incubation experiments with both species. Guanabara Bay is an eutrophic bay contaminated by several metals. The adjacent island region is considered less impacted by metals, although that region is influenced by anthropic inputs, such as the effluents of submarine outfalls and the disposal of dredged material from surrounding sites. Bivalves, such as P. perna, are widely used for biomonitoring metal contamination in Guanabara Bay. However the sea anemone B. caissarum can be an alternative in sites where the mussels are not abundant or do not exist. In this study, metal concentrations were measured in the tissues of B. caissarum and P. perna sampled in Guanabara Bay and adjacent islands in 2013 and were compared to previous measurements in the same sites in 2009. The elements Al, As, Ba, Cd, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Sn, Ti, V and Zn were determined by inductively coupled plasma-mass spectrometry (ICP-MS). There was a great spatial and temporal variability of metal concentrations in the tissues of B. caissarum and P. perna. Yet both species were able to bioaccumulate all the studied elements. Due to the abundance of B. Caissarum in the studied area and its capacity to bioaccumulate the studied elements, its use as a biomonitor of metals is suggested and its potential use as a complementary biomonitor. For this purpose, it is necessary to better understand the bioaccumulation characteristics of metals of environmental and ecotoxicological concern by B. caissarum. So, incubations were carried out with Hg, Cd and Zn in microcosms with B. caissarum and P. perna. Specimens were incubated with isotopes of these metals in aquariums and concentrations were monitored during an incubation period. The Hg experiment investigated how B. caissarum affects Hg distribution, methylation and volatilization by adding the radiotracer 203Hg to microcosms with and without the sea anemone. Total Hg and methylmercury (MeHg) were measured respectively by gamma spectrometry and liquid scintillation. Specimens presented a bioconcentration factor of 70. There was MeHg production in all microcosms and a higher Hg volatilization occurred in microcosms with B. caissarum. In Cd and Zn experiments, enriched 116Cd or 68Zn spikes were added to microcosms with B. caissarum or P. perna and concentrations were measured by monitoring isotope ratios. Bioconcentration factors for B. caissarum and P. perna exposed to 0.9 μg L-1 of 116Cd were respectively 80.5 and 850. In specimens exposed to 1.4 μg L-1, 6.9 μg L-1 and 34.7 μg L-1 of 68Zn those factors were respectively 243, 398 and 340 in B. caissarum and 1789, 1238 and 621 for P. perna. Cytosolic proteins associated with Cd and Zn from the tissues of the incubated specimens were extracted and analyzed by sizeexclusion chromatography and inductively coupled plasma-mass spectrometry. Cd and Zn-accumulating cytosolic fractions were detected in both species. In all experiments B. caissarum expelled mucus secretions that contained the added isotopes. These studies enabled a better understanding of the bioaccumulation characteristics of Hg, Cd and Zn by the studied species and can contribute to their use in biomonitoring studies with these metals.