Made available in DSpace on 2014-10-09T12:52:16Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:00:36Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Tese (Doutoramento) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Os efeitos tóxicos do metil-mercúrio (MeHg) em seres humanos vêm sendo amplamente discutidos, a partir de episódios de contaminação devida a ingestão frequente de peixe contaminado, em Minamata, no Japão, ou ao consumo de pão preparado com cereais tratados com fungicidas a base de metil-mercúrio, no Iraque, indicando que o metil mercúrio pode afetar o sistema nervoso central. A população ribeirinha na região do Pantanal, Brasil, é dependente do peixe, como principal fonte de alimentos e proteínas. Naquela região, o resultado de décadas de mineração de ouro, em pequena escala, foi a contaminação de muitos sistemas aquáticos com mercúrio. Consequentemente, muitas espécies de peixes possuem níveis de MeHg relativamente altos. O objetivo deste trabalho foi avaliar o nível de exposição ao MeHg entre a população ribeirinha do Pantanal. No primeiro artigo, apresentam-se os resultados da validação do método recordatório de 24 horas auto-referido, utilizando-se, como padrão-ouro, o método da pesagem, tendo-se verificado que há aproximadamente um erro de 30% ao estimar a quantidade de peixe consumido por aquela população. Um erro deste pode ser importante em se tratando do consumo de peixes carnívoros, os quais apresentam altos teores de mercúrio. No segundo artigo, ao analisar a associação entre o status neurocognitivo e a concentração de mercúrio no cabelo da população acima, os resultados indicaram que adultos expostos ao metil-mercúrio, através do consumo de peixe, podem ter déficits importantes nas medidas do desempenho neurocomportamental, sem alterações detectáveis no humor ou afetividade. Os efeitos mais importantes do mercúrio, entre os indivíduos analisados, foram detectados nos testes de velocidade e destreza da coordenação motora fina, na inibição da resposta na busca visual, e em tarefas de atenção. No terceiro artigo, considerando-se as associações observadas na concentração de mercúrio no cabelo com alguns desfechos dos testes neuro-psicológicos aplicados, calculou-se a dose-marcadora (BMD) e o limite inferior do intervalo de confiança do BMD (BMDL). Os resultados da dose marcadora e da dose de referência provisória são concordantes com os resultados estimados pelas agências de saúde internacionais.

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:52:16Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:00:36Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Vários estudos mostram que algumas regiões da Amazônia sofrem impacto por mercúrio (Hg), decorrente de processos naturais e antrópicos. O Parque Nacional do Jaú - PNJ, é o único Parque do Brasil que protege toda a bacia de um rio de água escura (Rio Jaú), terras inundáveis e reservas tropicais, condições que favorecem a metilação do Hg na biota aquática, portanto, expondo a população ribeirinha à contaminação e tornando a região passível de impactação natural por Hg. Estudos preliminares de dietas de préescolares de comunidades do PNJ, têm demonstrado concentrações preocupantes de Hg. O presente estudo avaliou as concentrações de Hg total, de micronutrientes (Ca, Fe, K, Na, Se e Zn) e de macronutrientes (proteínas, lipídeos, cinzas, energia e carbohidratos) em dietas de pré-escolares da região do PNJ e outras comunidades próximas. Avaliou-se também os níveis de Hg total e MeHg em amostras de cabelos dessas crianças e também, cabelos de crianças residentes em vários bairros da cidade de Manaus e pescados mais consumidos por essa população. A partir desses resultados, foi possível fazer uma avaliação nutricional das dietas e à exposição ao Hg e MeHg de crianças do PNJ e comunidades próximas, e da cidade de Manaus, AM. A quantificação de Hg total e MeHg foi feita por espectrometria de absorção atômica com geração de vapor frio (CV AAS). A determinação dos micronutrientes foi feita pela técnica de ativação neutrônica (AAN) e os macronutrientes, de acordo com as metodologias preconizadas pela AOAC (USA). Todos os métodos foram desenvolvidos e validados, quanto à precisão e exatidão, por meio da análise de materiais de referência com valores certificados para os elementos determinados. Além disso, foi realizada a avaliação das fontes de incerteza para a determinação de Hg e MeHg sendo calculada a incerteza padrão expandida. Os teores obtidos para Hg total nas amostras de dietas e Hg total e MeHg em cabelos do PNJ, estiveram bem acima dos valores encontrados em diferentes localidades da região Amazônica, bem como de localidades próximas ao PNJ. Para muitas crianças os valores de ingestão para Hg, ultrapassou-se o valor de 5 μg de Hg/kg de peso corpóreo/semana (PTWI). As crianças da cidade de Manaus apresentaram teores muito menores de Hg nas amostras de cabelo, ao contrário do PNJ, mesmo sendo ecossistemas interligados. Concluise, portanto, que para a população que possui maior capacidade de escolha de produtos alimentícios fornecedores de proteínas, a ingestão de peixe é menor e conseqüentemente a ingestão de Hg também. Os resultados obtidos pela técnica de AAN forneceram valores de concentração confiáveis para elementos nutricionalmente importantes como Ca, Fe, K, Na, Se e Zn, os quais foram comparados aos valores de DRIs (Dietary Reference Intakes). De uma maneira geral, verificou-se prevalência de inadequação com relação aos micronutrientes e déficit protéico-calórico, para as dietas analisadas no presente estudo. Isso vem confirmar o alto nível de risco e a vulnerabilidade dessa população às deficiências nutricionais e à contaminação por Hg. Vários fatores externos podem influenciar a vulnerabilidade da população aos efeitos tóxicos do MeHg, tais como: idade, sexo, estado nutricional e de saúde, ingestão e interação dietética. Objetivando avaliar também a influência do processo de cocção na perda de nutrientes e de Hg total, em uma tentativa de contribuir para futuros estudos nutricionais, avaliou-se o teor de Hg e dos micronutrientes Ca, Fe, K, Na, Se e Zn em espécies de pescados mais consumidos pela população da cidade de Manaus e comunidades próximas, preparadas sob diferentes formas de cocção (in natura, cozido, frito e assado). Verificou-se que a variabilidade na perda dos elementos minerais e do Hg, para cada processo de cocção, parece estar mais em função da espécie do que a forma de preparo. Verificou-se também, que as espécies predadoras apresentaram os maiores teores de Hg e Se, conforme era esperado. Discute-se a correlação entre Hg e Se em peixes. Conclui-se que, embora as pesquisas atuais concordem que possa existir um BG (nível básico) de Hg na Amazônia, a exposição contínua ao Hg pela via alimentar, mesmo considerando os baixos teores do metal encontrados em algumas espécies de peixes, permitem supor que no decorrer do tempo esta situação possa se agravar, principalmente em comunidades cuja dieta não é diversificada apresenta deficiências nutricionais sérias e se constitua principalmente de pescado. O presente estudo pretendeu também, além da avaliação do estado nutricional e da exposição ao Hg de crianças do Parque Nacional do Jaú e da cidade de Manaus, AM, contribuir de forma a subsidiar futuras ações de políticas públicas. / Tese (Doutoramento) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP

Há décadas a exposição ao mercúrio é alvo de estudos toxicológicos devido ao alto potencial de danos a saúde humana. Na região amazônica os primeiros estudos reportavam a exposição ocupacional pelo uso nos garimpos de ouro, entretanto recentemente destacam-se os estudos relacionados a exposição ambiental que ocorre na região decorrente do consumo de peixes contaminados com mercúrio. Muitos estudos se concentram em populações ribeirinhas residentes na região do rio Tapajós, onde o consumo de peixes é frequente e o metil-mercúrio (MeHg) contido nos peixes é o responsável pela exposição dessas pessoas ao metal. O MeHg apresenta efeitos tóxicos relevantes sobre o sistema cardiovascular, e muitos grupos de pesquisa buscam elucidar os mecanismos que expliquem tais efeitos. Alguns estudos apontam uma diminuição significativa na disponibilidade do óxido nítrico (NO) após exposição ao organometal, o que poderia contribuir para uma alteração da fisiologia cardiovascular uma vez que o NO é um modulados desse sistema. O NO é sintetizado pela óxido nítrico sintase endotelial (eNOS) e sua atividade pode ser alterada por vários fatores, dentre eles, os polimorfismos nos genes que codificam essa proteína, são eles: T-786C na região promotora, 27-pb VNTR no intron 4 e Glu298Asp no exon 7. Neste sentido, o presente estudo teve por objetivo avaliar os efeitos dos polimorfismos da eNOS sobre a síntese de NO entre os indivíduos expostos a metilmercúrio. Foram analisadas amostras de sangue de 214 voluntários com idade entre 15 e 84 anos, dos quais 103 homens e 111 mulheres. A concentração de mercúrio no sangue (Hg sangue) total variou de 1,7 a 179,3 µg/L e a concentração plasmática de nitrito variou entre 85,7 e 695,8 M. Foram determinados os valores de pressão arterial sistólica (PAS), pressão arterial diastólica (PAD), índice de massa corporal (IMC) e freqüência cardíaca (FC) de todos os voluntários. A PAS média foi de 119,8 mmHg e a média da PAD foi 71,8 mmHg. O IMC médio foi de 24,5 Kg/m2 e a FC média foi 70,4 batimentos por minuto (bpm). Não foram observadas diferenças entre os grupos, segundo genótipos dos três polimorfismos, quanto às características dos voluntários: idade, PAS, PAD, IMC, FC, Hg sangue e as concentrações plasmáticas de nitrito. Quando os polimorfismos foram estudados isoladamente foi observado que o alelo C na região promotora, o alelo 4b no intron 4 e o alelo Glu no exon 7 apresentaram-se associados a concentrações reduzidas e nitrito plasmático. Quando a população foi estratificada com base na concentração de Hg essa associação desapareceu, provavelmente mascarada pelas altas concentrações do metal. Entretanto quando foram estudados os haplótipos pode ser observada novamente a associação desses mesmos alelos com a diminuição da concentração do nitrito, confirmando os achados iniciais. O haplótipo mais frequente na população combina os alelos selvagens para todos os polimorfismos (T, 4b e G) e o haplótipo menos freqüente combina os alelos variantes. O haplótipo associado à menor concentração plasmática de nitrito combina os alelos selvagens (C, 4b e G), confirmando os primeiros resultados. Essa abordagem haplotípica é muito útil na observação de efeitos mais discretos uma vez que é possível observar os efeitos dos três polimorfismos agindo simultaneamente sobre uma variável, nesse caso o óxido nítrico. O presente estudo sugere que os fatores genéticos exercem grande influência sobre a produção e biodisponibilidade de NO e que esses fatores combinados com a exposição ambiental ao Hg podem agir de maneira sinérgica, aumentando a suscetibilidade aos efeitos cardiotóxicos do metal através da modulação da atividade da eNOS. / The mercury (Hg) exposure has been target of toxicological studies due the high potential of damage to human health. In the Amazon region the first studies reported the occupational exposure due the use in gold mining, however, recently become relevant the studies about the environment exposure due the fish intake in the riparian population. Several studies have been concentrated in the riparian community in the Tapajós river region, where the fish consumption is frequent and the methylmercury content in fish is responsible to exposure of this people. The MeHg presents toxic effects in the cardiovascular system and many researches groups try to elucidate the mechanisms that explain this effects. Some studies report a significant reducing in nitric oxide (NO) production after the Hg exposure, which could contribute to an altered physiology of the cardiovascular system, once the NO is a modulating factor of this system. The NO is produced by the endothelial nitric oxide synthase (eNOS) and its activity can be altered by many factors like polymorphisms in gene that codify this protein, among this: : T-786C in the promoter region, 27-pb VNTR in intron 4 and Glu298Asp in exon 7. In this regard, the present study mean to evaluate the effects of the eNOS polymorphisms over the NO synthesis among the Hg exposed subjects. In this work, the whole blood samples of 214 volunteers were analyzed for determination of Hg concentration, nitrite plasma concentration and genotyping. The age of the volunteers varied between 15 and 84 years old, including 103 men and 111 women. The blood mercury concentration varied between 1.7 and 179.3 µg/L and the nitrite plasma concentration varied between 85.7 and 695.8 M. Was determinate the systolic arterial pressure (SAP), diastolic arterial pressure (DAP), body mass index (BMI) and heart rate (HR). The SAP mean was 119.8 mmHg and the DAP mean was 71.8 mmHg. The BMI mean was 24.5 Kg/m2 and the HR mean was 70.4 beats per minute. There was no difference among the groups of the three polymorphisms according the volunteers characteristics: age, DAP, SAP, BMI, HR, blood Hg concentration and nitrite plasma concentration. When the polymorphisms were observed separately the reduced nitrite plasma concentration was associated with the presence of the alleles: C in promoter region, 4b in intron 4 and G in exon 7, however there is lack of association when the volunteers were grouped according the blood Hg concentration, probably due a mask effect of the high Hg concentration. When these three polymorphisms were observed simultaneously, in analysis of the haplotypes, the association between the same alleles and the nitrite plasma concentration was observed again, confirming the initial findings. The commonest haplotype in the volunteers combine the alleles of the three polymorphisms (T, 4b and G) and the less frequent haplotype combine the three variants alleles. There was an association between the haplotype C, 4b and G and reduced nitrite plasma concentration, according the result of the polymorphisms separately. The haplotype analysis is too interesting to observe discrete effects, once is possible to analyze the effects of the three polymorphisms acting simultaneously above one variable, in this case, nitric oxide production. The present study suggest that genetic factors could exert a relevant influence above the NO production and bioavailability and that this factors combined with environmental Hg exposure can acting synergic, increasing the susceptibility to Hg cardiovascular effects, through the modulation of the eNOS activity.

O presente trabalho tem por objetivo analisar o efeito do metilmercúrio na retina de peixe tropical Hoplias malabaricus (Traíra) através de baixas doses agudas. As intoxicações foram realizadas, por meio de injeção intraperitoneal, nas doses de 0,01, 0,05, 0,1 e 1,0 g/g, com um período de quinze dias de depuração do MeHg. Após o término do período de depuração, os olhos foram enucleados e as retinas isoladas foram fixadas em PFA 4% por 3 horas. As retinas foram conservadas, até o momento do uso (ou por no mínimo 9 horas), em tampão PB 0,1M a 4ºC. Após os procedimentos imunohistoquímicos para marcação de células bipolares do tipo ON com estratificação na sublâmina b da CPI, as retinas foram aplanadas para confecção de montagens planas para a análise quantitativa de células bipolares ON imunorreativas a proteína cinase C _. A análise quantitativa das células da camada de células ganglionares (CCG) também foi realizada. Células da CCG foram coradas pela técnica de Nissl, as retinas foram aplanadas em lâminas gelatinizadas e submetidas a uma bateria de desidratação (com diferentes concentrações alcoólicas) e coloração, utilizando cresil violeta como corante. Estas análises foram realizadas em 3 ou 4 retinas para cada dose testada. Análises idênticas foram realizadas nas retinas controle. Todas as retinas foram dividas nos quadrantes dorsal, ventral, nasal, temporal e em centro e periferia. Campos foram fotografados por toda a retina com intervalos de 1 mm, com auxilio do programa Axio Vision por meio de uma câmera digital e um microscópio acoplados a um computador. Os campos amostrados foram contados com o auxilio do programa NIH Scion Imagem 2.0. A densidade média de células foi estimada para cada retina e os grupos intoxicados foram comparados com o grupo controle (Teste T-student). A partir dos dados de densidade celular, mapas de isodensidade foram confeccionados, além de permitir estimar o poder de resolução teórico da acuidade visual de cada um dos animais experimentais utilizados para análise de células da CCG a partir da densidade máxima de células. Evidenciamos que as baixas doses agudas testadas não causam diminuição na densidade célular de células bipolares ON e células da CCG, comparado ao grupo controle. Não houve reduções significativas na densidade de células para ambos os tipos celulares analizados em nenhuma das regiões retinianas nas doses de MeHg testadas. Assim, a intoxicação de MeHg por baixas doses agudas não alterou o poder de resolução teorio da acuiade visual dos animais testados / This study aims to examine the effects of low acute doses of methylmercury (MeHg) on the retina of the tropical fish Hoplias malabaricus (Thraira). Four levels of MeHg intoxication were induced by intraperitoneal injection of doses of either 0.01, 0.05, 0.1 or 1.0 g MeHg/g of body weight, followed by a fifteen day period of depuration of MeHg. After the depuration period, the eyes were harvested, and the retinas were isolated and fixed in 4% paraformaldehyde for 3 hours. The retinas were then stored (for at least for 9 hours) in 0.1 M sodium phosphate PB buffer at 4°C until the time of analysis. ON bipolar cells in sublamina b of the inner plexiform layer immunoreactive to protein Kinase C_ were immunohistochemically labeled, and the retinas were flattened to make whole mounts for quantitative analysis of ON bipolar cell densities. Quantitative analysis of cells in the retinal ganglion cell layer (GCL) was also performed. GCL cells were Nissl stained, and the retinas were flattened on gelatinized slides and subjected to another battery of dehydration (with different alcohol concentrations) and staining using cresyl violet. These analyses were carried out in 3 or 4 retinas for each dose tested. Identical analyses were performed on the control retinas. All retinas were divided into regions: dorsal, ventral, nasal, temporal, center and periphery. Sample retinal fields were photographed throughout the retina at intervals of 1 mm, with a digital camera attached to a microscope using Axio Vision software coupled to a computer. ON bipolar and GCL cells within the fields were counted with the help of the NIH Scion Image 2.0 software. The average density (mm2) of both types of cells was estimated for each retina and the data from each of the four MeHgintoxicated groups were compared with the control group values (Student t-test). From the density data we derived isodensity maps, permitting us to estimate the theoretical resolving power (maximum visual acuity) of each of the experimental animals used from the maximum density of cells in the ganglion cell layer. We showed that low acute doses of MeHg/g do not decrease cell densities of either ON bipolar cells or cells in the GCL, compared to controls. There were no significant decreases in cell density (counts) for either cell type in any of the retinal regions, for any of the MeHg doses tested. Thus, acute low-dose MeHg intoxication did not degrade the estimates of the animals theoretical resolving power

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Organoselenium compounds have been proposed as potential pharmacological agents in the treatment of diseases associated with the oxidative stress. Particularly, ebselen and diphenyl diselenide has been demonstrated as potential antioxidant agents in a variety of experimental models. Thus, the aims of the present study were: to evaluate the effect of ebselen and diphenyl diselenide, as well as, their combination with guanosine on the oxidative stress induced by glutamate in different regions of rat brains (article 1), to test the effects of diphenyl diselenide on mitochondrial dysfunction induced by methylmercury (MeHg) in rat s liver slices (manuscript 1), and investigate the effects of MeHg (5 mg/ kg/ day, i.g.) and/ or diphenyl diselenide (1 mg/ kg /day, i.p.) on mitochondrial dysfunction, thioredoxin reductase (TrxR) activity, mercury levels and locomotor activity after 21 days of treatment in rats (manuscript 2). In article 1, the organoselenium compounds (ebselen and diphenyl diselenide) and guanosine were able to reduce the glutamate-induced reactive oxygen species (ROS) production in cortex, striatum and hippocampus of rat when used isolated or in combination. Guanosine also prevented glutamate uptake in the regions of rat brains tested. The combination of guanosine with organoselenium compounds was more effective against glutamate-induced ROS production than the individual compounds alone. The results in manuscript 1, show that diphenyl diselenide, at low concentrations (0.5 μM), protected against the MeHg-induced mitochondrial dysfunction in liver slices, which may be associated with the interaction between diphenyl diselenide s selenol intermediate and MeHg, with the formation of inert complex(es), as well as, with the antioxidant properties of the selenophenol intermediate. In manuscript 2, it was observed that diphenyl deiselenide protected against thiol depletion by MeHg in cerebral and hepatic mitochondria, but it didn t prevent the mitochondrial dysfunction induced by MeHg in brain and liver, nor protected from TrxR activity inhibition by MeHg in brain, liver and kidney. Moreover, the co-treatment with MeHg and diphenyl diselenide caused an increase in mercury deposition in brain and liver, increased the motor deficits and the loss of body weight. Taken together, the results present here reinforce the central role of the mitochondrial dysfunction on the toxicity induced by MeHg both in vivo and in vitro, and the role of TrxR as a molecular target for MeHg in rats. Moreover, the results indicate that organoselenium compounds, such as ebselen and diphenyl diselenide, are promising agents against the oxidative damage induced by both glutamate and MeHg in vitro, however, caution must be taken on the extrapolation of these results to in vivo situations, since the co-treatment with diphenyl diselenide and MeHg increased the neurotoxicity in rats. . / Os compostos orgânicos de selênio têm sido propostos como potenciais agentes farmacológicos para o tratamento de patologias associadas ao estresse oxidativo. Em particular, o disseleneto de difenila e o ebselen têm sido demonstrados como potentes agentes antioxidantes em uma variedade de modelos experimentais. Dessa forma, os objetivos do presente estudo foram: avaliar os efeitos do ebselen e do disseleneto de difenila, bem como, da sua combinação com a guanosina, sobre o estresse oxidativo induzido por glutamato em diferentes regiões do cérebro de rato (artigo 1); testar os efeitos do disseleneto de difenila frente à disfunção mitocondrial induzida por metilmercúrio (MeHg) em fatias de fígado de rato (manuscrito 1); e investigar os efeitos do MeHg (5 mg/ kg/ dia, i.g.) e/ ou disseleneto de difenila (1 mg/ kg /dia, i.p.) sobre a disfunção mitocondrial, a atividade da tioredoxina redutase (TrxR), os níveis de mercúrio, e a atividade locomotora após 21 dias de tratamento em ratos (manuscrito 2). No artigo 1 foi observado que os compostos orgânicos de selênio (ebselen e disseleneto de difenila) e a guanosina foram capazes de reduzir a produção de espécies reativas de oxigênio (EROS) induzida por glutamato em fatias de córtex, estriado e hipocampo de rato quando usados isolados ou combinados. A guanosina também preveniu a inibição da captação de glutamato nas regiões do cérebro testadas. A combinação dos compostos orgânicos de selênio com a guanosina foi mais efetiva na proteção contra a produção de EROS induzida por glutamato do que cada composto separadamente. Os resultados do manuscrito 1 mostram que o disseleneto de difenila na concentração mais baixa (0,5 μM) preveniu contra a disfunção mitocondrial induzida por MeHg em fatias de fígado de rato, a qual pode estar associada com a interação do intermediário selenol do disseleneto de difenila com o MeHg formando um complexo inerte, bem como com as propriedades antioxidantes do intermediário selenofenol. No manuscrito 2, foi observado que o co-tratamento com disseleneto de difenila protegeu contra a depleção de tióis pelo MeHg em mitocôndrias de cérebro e fígado de rato mas, não preveniu a disfunção mitocondrial cerebral e hepática induzida por MeHg, nem protegeu contra a inibição da atividade da TrxR por MeHg em cérebro, fígado e rim. Além disso, o co-tratamento com disseleneto de difenila causou um maior acúmulo de Hg no cérebro e fígado, e aumentou os déficits motores e a perda de peso corporal. Em conjunto, os resultados apresentados aqui reforçam o papel central da disfunção mitocondrial na toxicidade induzida pelo MeHg tanto in vitro quanto in vivo e o papel da TrxR como um alvo molecular para o MeHg em ratos. Além disso, os resultados indicam que os compostos orgânicos de selênio, como o ebselen e o disseleneto de difenila, são agentes promissores contra o dano oxidativo induzido tanto por glutamato quanto por MeHg in vitro, no entanto deve-se ter muita cautela ao extrapolar estes resultados para situações in vivo, uma vez que o co-tratamento com disseleneto de difenila e MeHg aumentou a neurotoxicidade em ratos. .

This study examined mercury and methylmercury concentrations in shark species in order to determine differences between shark species and between locations. Stable isotope ratios were determined to see if interaction existed between approximate trophic level and mercury concentrations. Sharks were sampled from Florida Bay where muscle tissue biopsies and blood samples were extracted upon capture. Stable isotope ratios for carbon-13 (δ13C) and nitrogen-15 (δ15N) from freezedried blood samples were compared with levels of organic and inorganic mercury species from tissue samples in seven different shark species, focusing on blacknose, blacktip, bull, and lemon sharks. Pre-caudal length (PCL) was strongly correlated to mercury concentration and δ13C but not with δ15N. Ratios of δ15N between shark species were in agreement with observed trophic-level behavior of blacktip sharks feeding on blacknose sharks, indicated by greater values for δ15N ratios in blacktip sharks. Calculated length-normalized stable isotope ratio values correlated strongly to values for mercury concentrations in blacktip sharks, indicating a potential method for forecasting inorganic or organic mercury concentrations without the use of more expensive mercury tests. This calculation also provided validity for a new metric involving the use of stable carbon isotope ratio divided by length (PCL) to be compared with other metrics. Correlations between δ15N values and mercury values indicate some level of interaction between trophic level and quantity of mercury contaminants in shark muscle tissue.

Monomethylmercury, MeHg, is formed under anoxic conditions in waters, sediments and soils and then bioaccumulated and biomagnified in aquatic food webs, negatively effecting both human and wildlife health. It is generally accepted that precipitation of mercury, Hg, and adsorption of Hg to e.g. organic matter and mineral surfaces are important processes limiting the reactivity of Hg mobilized in the environment by natural and anthropogenic activities. However, knowledge concerning the role of different solid and adsorbed chemical forms of Hg for MeHg formation, evasion and bioaccumulation is missing. Such information is vital for the understanding of environmental processes controlling MeHg formation and bioaccumulation, as well as for predicting how changes in e.g. loading rates of atmospheric Hg and the outcome of climate change scenarios and anthropogenic land use could alter Hg concentrations in biota. In this thesis, a novel experimental approach, using isotopically enriched solid and adsorbed phases of inorganic Hg, HgII, as tracers, was developed. Using this approach, we successfully determined rates of MeHg formation from solid and adsorbed Hg species in sediment slurries and in mesocosm systems under conditions closely resembling those in field. We conclude that the solid/adsorbed phase speciation of HgII is a major controlling factor for MeHg net formation rates. Microcosm experiments revealed that newly formed MeHg was a major contributor to the evasion of MeHg from the water‒sediment system, emphasizing the importance of MeHg formation rate, rather than MeHg concentration, in the sediment for this process. From mesocosm systems, we provide experimental evidence, as well as quantitate data, for that terrestrial and atmospheric sources of HgII and MeHg are more available for methylation and bioaccumulation processes than HgII and MeHg stored and formed in sediments. This suggests that the contribution from terrestrial and atmospheric sources to the accumulation of Hg in fish may have been underestimated. As a consequence, in regions where climate change is expected to further increase land runoff, terrestrial MeHg sources may have even higher negative effects on biota than previously thought. Data and concepts presented in this thesis lay the basis for unprecedented in-depth modeling of processes in the Hg biogeochemical cycle that will improve our understanding and the predicting power on how aquatic ecosystems may respond to environmental changes or differences in loading rates for atmospheric Hg. / Monometylkvicksilver, MeHg, bildas under anoxiska förhållanden i naturliga vatten, sediment och jordar och bioackumuleras och magnifieras därefter i den akvatiska näringskedjan med negativa effekter på djur och människor som följd. Det är generellt vedertaget att utfällning av Hg och adsorption av Hg till exempelvis organiskt material och mineralytor begränsar tillgängligheten för biogeokemiska reaktioner av Hg som mobiliserats i miljön via naturliga och antropogena processer. Kunskap om betydelsen av speciationen av Hg i fasta och adsorberade faser för bildning, avgång och bioackumulering av MeHg är dock bristfällig. Denna information är kritisk för att förstå vilka processer som kontrollerar bildning och bioackumulering av MeHg samt för att kunna prediktera hur olika ekosystem kan förväntas svara på exempelvis ändrad deposition av atmosfäriskt Hg eller hur klimatförändringar kan påverka koncentrationerna av Hg i fisk. I denna avhandling har en experimentell metod utvecklades, där isotopanrikade fasta och adsorberade kemiska former av oorganiska tvåvärt Hg, Hg II används som s.k. "tracers". Denna metod användes för att bestämma MeHg bildningshasigheter i homogeniserade sediment prover samt i mesokosmsystem där förhållandena efterliknar de som förväntas i naturliga ekosystem. Från dessa drar vi slutsatsen att speciationen av HgII i fast/adsorberad fas är en viktig kontrollerande faktor som begränsar nettobildningen av MeHg. Mikrokosmexperiment visade att i första hand nyligt bildad MeHg avgick till gasfas vilket understryker betydelsen av MeHg bildningshastighet, snarare än koncentration, i sedimentet för denna process. Från mesokosmexperimenten visar vi, med kvantitativa data, att terrestra och atmosfäriska källor av HgII och MeHg är mer tillgängliga för bildning och bioackumulering av MeHg än HgII och MeHg lagrat eller bildat i sedimenten. Orsaken till detta är framförallt skillnad i speciationen av Hg i fasta/adsorberade faser. Detta innebär att bidraget från MeHg från terrestra och atmosfäriska källor till koncentrationen av Hg i fisk kan ha underskattats, samt att de negativa effekterna på MeHg exponering i områden där exempelvis klimat-förändringar förväntas leda till ökad terrest avrinning kan bli mer allvarliga än vad som tidigare predikterats. Data som presenteras i denna avhandling möjliggör modellering av Hg’s biogeokemiska cykel på en ny detaljnivå samt möjliggör säkrare prediktioner av hur olika ekosystem kan förväntas svara mot miljöförändringar eller ändrad deposition av atmosfäriskt Hg. / <p>Till Finansiärer skall också följande läggas till: Kempe stiftelsen (SMK-2942, SMK-2745, JCK-2413).</p>

Les barrages au fil de l’eau devraient tripler dans la prochaine décennie en réponse à la transition mondiale vers les énergies renouvelables. Or, contrairement aux barrages à réservoir dont les impacts sur le cycle du mercure (Hg) sont bien connus, très peu d’études ont évalué l’impact des barrages au fil de l’eau sur la mobilisation et la transformation du Hg en méthylmercure (MeHg), une neurotoxine bioaccumulable et bioamplifiable le long de la chaîne trophique. Malgré la surface limitée d’inondations créée par ces petits ouvrages comparés aux barrages avec réservoirs, les retenues d’eau créées en amont pourraient tout de même contribuer à créer des conditions propices à la méthylation du Hg. Cette étude a été conduite sur la rivière St.Maurice (QC, Canada) présente dans un paysage soumis à la construction récente de deux barrages au fil de l’eau et de milieux humides artificiels et à la présence concomitante de perturbations du paysage: un feu de forêt et de la coupe de bois. Les résultats montrent une augmentation du pourcentage de méthylmercure (%MeHg) de 2 à 3 fois dans les zones inondées comparées aux sites références ou en aval des barrages. De plus, une augmentation des concentrations en mercure total (THg) et en matière organique (MO) est observée dans ces mêmes zones inondées soumises aux perturbations du paysage. Cela suggère que les feux de forêt et la coupe de bois auraient contribué au transfert de MO lié au Hg en provenance du bassin versant vers la rivière, comme indiqué par la corrélation positive entre le ratio C/N et le % MeHg. L’accumulation de MO et Hg dans les retenues d’eau créées par les barrages au fil de l’eau seraient alors des lieux propices à la stimulation de la communauté procaryotique méthylatrice dont le gène marqueur hgcA a été détecté à tous les sites avec une composition très diverse, dominée par les méthanogènes, les sulfato-réducteurs et les fermenteurs dans ce système. A la lumière de ces résultats, nous proposons que les futures études concernant les barrages au fil de l’eau intègrent le paysage dans son ensemble et établissent un suivi des concentrations de Hg avant, pendant et après la construction. / Run-of-river dams (RoRs) are expected to triple in the next decade in response to the global transition to renewable energy. However, unlike reservoir dams whose impacts on the mercury (Hg) cycle are well known, very few studies have evaluated the impact of RoRs on the mobilization and transformation of Hg into methylmercury (MeHg), a bioaccumulative and bioamplifiable neurotoxin along the trophic chain. Despite the limited area of flooding created by these small structures compared to reservoir dams, the pondages created upstream could still contribute to creating conditions conducive to the methylation of Hg. This study was carried out on the St. Maurice River (QC, Canada) located in a riverscape recently influenced by to the recent construction of two RoRs and artificial wetlands and to the concomitant presence of disturbances in the landscape. The results show an increase in the percentage of methylmercury (% MeHg) from 2 to 3 times in the flooded areas compared to the reference sites or downstream sites. In addition, an increase in total mercury (THg) and organic matter (MO) concentrations are observed in these same flooded areas subject to landscape disturbances: forest fire and logging. It suggests that forest fires and logging are contributing to the transfer of MO bound to Hg from the watershed to the river, as indicated by the positive correlation between the C / N ratio and % MeHg. The accumulation of MO and Hg in the pondages are likely favorable to the stimulation of the prokaryotic methylating community whose hgcA marker gene was detected at all sites with a very diverse composition, dominated by methanogens, sulfate-reducers and fermenters in this system. In the light of these results, we suggest that future studies on RoRs integrate the landscape as a whole and establish a monitoring of Hg concentrations before, during and after construction.

Les réservoirs hydroélectriques contribuent à la remise en suspension du mercure (Hg) inorganique terrestre et de la matière organique suite à l’inondation des terres lors de la construction d’un barrage. Le développement de zones anoxiques dû à l’augmentation de la colonne d’eau et à la dégradation de matière organique inondée est une condition propice pour la méthylation du Hg par les communautés bactériennes aquatiques, le rendant neurotoxique et bioamplifiable. Les résultats de cette étude, conduite dans le complexe de réservoirs hydroélectriques de la rivière Romaine, démontrent que le pourcentage du mercure total (THg) étant du méthylmercure (MeHg) retrouvé dans les zones inondées est en moyenne 10 fois plus élevé que dans les systèmes naturels avoisinants et dans la portion de la rivière en amont de la série de barrages. Les concentrations en MeHg demeurent toutefois relativement faibles comparativement à d’autres réservoirs au Québec et ailleurs dans le monde. Des patrons de l’amont vers l’aval ont pu être observés, où le MeHg augmente de façon concomitante au dioxyde de carbone (CO2) à travers les réservoirs, les deux ayant des valeurs plus élevées au printemps, suite à la fonte des glaces, qu’en été, suggérant qu’une production sous la glace est probable due à une anoxie partielle avant que le retrait des glaces ne revienne oxygéner la colonne d’eau. De plus, les concentrations de mercure total ainsi que les patrons des composantes de matière organique dissoute et du carbone organique dissous demeurent très peu variables entre les sites inondés et naturels. Cela suggère que les réservoirs hydroélectriques agissent plutôt comme réacteurs de transformation du mercure inorganique terrestre en méthylmercure que comme mobilisateurs de mercure nouvellement importé dans le système, et que les processus opérant des centaines de kilomètres en amont et des mois auparavant sont importants pour les dynamiques de carbone et de mercure observées dans ce système hautement connecté. / Following the flooding of soil during the construction of hydroelectric reservoirs, terrestrial inorganic mercury (Hg) and organic matter typically increase in concentrations in the aquatic environment. The anoxia developed due to the deepening of the water column and the degradation of organic matter due to aquatic microbial communities create new conditions in the system that are prone to the methylation of mercury into its neurotoxic and bioaccumulative form : methylmercury (MeHg). Results from this study, led in the hydroelectric complex of reservoirs of the Romaine River, showed that the percentage of total mercury which is methylmercury in the flooded area is on average 10 times higher than in surrounding natural systems from the watershed and in the upstream section of the river. MeHg concentrations in the Romaine River, however, remain relatively low when compared to other reservoirs in Quebec and worldwide. Upstream to downstream patterns have been observed, where MeHg increases along with carbon dioxide (CO2) throughout the series of reservoirs and where both showed higher values in June than in August, following the snowmelt and the melting of the ice cover. Concentrations were lower in the summer campaign, suggesting there was under-ice production due to the development of partial anoxia before the water column is mixed and oxygenated in spring. Moreover, the distribution of total mercury concentrations, dissolved organic carbon and dissolved organic matter components remained stable between flooded and natural sites. This suggests that hydroelectric reservoirs act as reactors for the transformation of terrestrial inorganic Hg in MeHg rather than as mobilizers of newly imported Hg and that processes occurring several kilometers upstream and months prior to sampling affect the carbon and Hg dynamics of this inter-connected system.