Effect of soil contamination with petroleum products on esterase activity in earthworm Lumbricus terrestris

• Autorzy: Kafel A. , Zawisza-Raszka A. , Szulińska E. , Gospodarek J. , Dziubanek G. , Rozpędek K.

Identyfikatory

DOI

10.2428/ecea.2013.20(07)079

Warianty tytułu

PL

Wpływ ropopochodnych zanieczyszczeń glebowych na aktywność esterazową dżdżownic Lumbricus terrestris

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Among biomarkers of exposure the suitability of esterases especially carboxylesterases (CarE), metabolizing wide array of xenobiotics being important for organismal functioning, was very often underlined. Moreover, neurotoxic effects of constituents of petroleum products may be exert by inhibition of cholinesterase (ChE) isozymes in animals. Here, we examined esterase activity toward acetylthiocholine iodide and p-nitrophenyl acetate in earthworms Lumbricus terrestris reared through four weeks on loamy sand soil contaminated with petroleum products (unleaded petrol, used engine oil), in two weeks intervals. Such contamination was simulated in one m3 volume soil containers, at a dose of 6 g · kg–1 of dry soil (experimental field in Mydlniki, Krakow suburb, Poland; 50.0815oN, 19.84730oE). We compared the effects of these contaminants action in soil collected in the year of treatment and one year later. We evaluated also effects of animals rearing on soil unremediated and remediated with “cocktail” of microorganism, and also checked the enzymatic activities response in two weeks intervals. We found lower ChE activity in animals reared on petroleum derivatives contaminated soil when compared with control animals, but only in the case of four weeks rearing on soil collected in the year of treatment. Similar response of ChE in animals reared on soil collected a year after the treatment, but estimated in earlier period of time – after two weeks exposure to petrol unleaded contamination was observed. CarE activity characterized higher variability with time than ChE activity. Generally, the activity of CarE lowered from the beginning to the end of the rearing (in all experimental groups). Animals reared on remediated soil, in most cases, had higher ChE activity than those reared on unremediated soil (control and diesel oil exposed animals).

PL

Spośród biomarkerów ekspozycji szczególnie użyteczne są esterazy, a zwłaszcza karboksylśsterazy (CarE) metabolizujące szeroki zakres ksenobiotyków. Podkreśla się często, że odgrywają one również ważną rolę w funkcjonowaniu organizmów. Co więcej, neurotoksyczne efekty składników substancji ropopochodnych mogą być wywierane również na izśnzymy cholinśsteraz (ChE) u zwierząt. W tym doświadczeniu, w dwutygodniowych interwałach, badaliśmy aktywność esteraz wobec jodku acetylotiocholiny i octanu para-nitrofenylu u dżdżownic Lumbricus terrestris, hodowanych przez cztery tygodnie w glebie gliniasto-piaszczystej zanieczyszczonej produktami ropopochodnymi (benzyną bezołowiową, zużytym olejem silnikowym). Takie zanieczyszczenie symulowano w glebie umieszczonej w kontenerach o pojemności jednego m3 w stężeniu 6 g kg–1 suchej masy gleby (eksperyment prowadzono w Mydlnikach, na przedmieściu Krakowa, 50.0815oN, 19.84730oE). Porównano efekty działania tych zanieczyszczeń w glebie zebranej w roku kontaminacji i rok później. Oceniono także wpływ gleby remediowanej z użyciem „koktajlu” mikroorganizmów i nieremediowanej na hodowane zwierzęta, i sprawdzano u nich zmiany aktywności enzymatycznej, również w dwutygodniowych interwałach. Stwierdzono niższą aktywność ChE u zwierząt hodowanych w glebie skażonej substancjami ropopochodnymi w porównaniu do zwierząt kontrolnych, lecz tylko w przypadku czterotygodniowej hodowli na glebie zebranej w roku kontaminacji. Podobną odpowiedź ChE ustalono u zwierząt hodowanych w glebie skażonej benzyną bezołowiową zebranej rok później, ale w krótszym okresie czasu, już po dwóch tygodniach. Aktywność CarE cechowała się dużą zmiennością w czasie, w porównaniu ze aktywnością AChE. Generalnie, aktywność CarE obniżała się od początku hodowli wraz z upływem czasu (we wszystkich grupach eksperymentalnych). Zwierzęta hodowane w glebie poddanej remediacji w większości przypadków wykazywały się wyższą aktywnością ChE niż te, które były hodowane w glebie nie poddanej remediacji (grupy: kontrolna i eksponowana na zużyty olej silnikowy).

Słowa kluczowe

EN

esterase; petroleum contamination; earthworm; Lumbricus terrestris L

PL

esterazy; zanieczyszczenia ropopochodne; dżdżownica; Lumbricus terrestris L

• Wydawca: Towarzystwo Chemii i Inżynierii Ekologicznej
• Czasopismo: Ecological Chemistry and Engineering. A
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 20, nr 7-8
• Strony: 847--856
• Opis fizyczny: Bibliogr. 32 poz., tab.

Twórcy

autor

Kafel A.

• Department of Animal Physiology and Ecotoxicology, University of Silesia, ul. Bankowa 9, 40–007 Katowice, Poland

autor

Zawisza-Raszka A.

• Department of Animal Physiology and Ecotoxicology, University of Silesia, ul. Bankowa 9, 40–007 Katowice, Poland

autor

Szulińska E.

• Department of Animal Physiology and Ecotoxicology, University of Silesia, ul. Bankowa 9, 40–007 Katowice, Poland

autor

Gospodarek J.

• Department of Agricultural Environment Protection, Agricultural University of Krakow, al. A. Mickiewicza 21, 31–120 Kraków, Poland

autor

Dziubanek G.

• Department of Environmental Health, Medical University of Silesia in Katowice

autor

Rozpędek K.

• Department of Animal Physiology and Ecotoxicology, University of Silesia, ul. Bankowa 9, 40–007 Katowice, Poland

Bibliografia

• [1] Cermak JH, Stephenson GL, Birholz D, Wang Z, Dixon DG. Toxicity of petroleum hydrocarbon distillates to soil organisms. Environ Toxicol Chem. 2010;29:2685-1694. DOI: 10.1002/etc.352.
• [2] Tang J, Wang M, Wang F, Sun Q, Zhou Q. Eco-toxicity of petroleum hydrocarbon contaminated soil. J Environ Sci. 2011;23:845-851.
• [3] Schaefer M, Petersen SO, Filser J. Effects of Lumbricus terrestris, Allolobophora chlorotica and Eisenia fetida on microbial community dynamics in oil-contaminated soil. Soil Biol Biochem. 2005;37:2065-2076. DOI:10.1016/j.soilbio.2005.03.010.
• [4] Schaefer M, Juliane F. The influence of earthworms and organic additives on the biodegradation of oil contaminated soil. Appl Soil Ecol. 2007;36:53-62. DOI:10.1016/j.apsoil.2006.11.002.
• [5] Hyunh CK., Savolainen H, Vu-Duc TG, Guillemin M, Iselin F. Impact of thermal proofing of a church on its indoor air quality: the combustion of candles and incence as a source of pollution. Sci Total Environ. 1991;102:241-251. DOI:10.1016/0048-9697(91)90318-9.
• [6] Walsh P, Adloudi C, Mukhopadhyay MJ, Viel G, Nadeau D, Poirier GG. Postlabeling determination of DNA adducts in the earthworm Lumbricus terrestris exposed to PAH-contaminated soils. Bull Environ Contam Toxicol. 1995;54:654-661. DOI:10.1007/BF00206095.
• [7] Wcislo E. Soil contamination with polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in Poland – a review. Pol J Environ Stud. 1998;7:267-272.
• [8] ATSRD USPHS Agency for Toxic Substances and Disease Registry. Toxicological Profile for total petroleum hydrocarbons (TPH). 1998, Atlanta GA: Report TP-123.
• [9] Haritash AK, Kaushik CP. Biodegradation aspects of Polycyclic Aromatic hydrocarbons (PAHs): A review. J Hazard 2009;169:1-15. DOI: 10.1016/j.hazmat.2009.03.137.
• [10] Zanette J, de Almaida EA, Zaccaron da Silva A, Guzenski J, Ferreira JF, Di Mascio P, Marques MRF, Celso A, Bainy D. Salinity influences glutathione S-transferase activity and lipid peroxidation responses in the Crassostrea gigas oyster exposed to diesel oil. Sci Total Environ. 2011; 409:1976-1983. DOI:10.1016/j.scitotenv.2011.048.
• [11] Salanitro JP, Dorn PB, Huesemann MH, Moore KO, Rhodes IA, Rice Jackson LM, Vipond TE, Western MM, Wisniewski H. Crude oil hydrocarbon bioremediation and soil ecotoxicity assessment. Environ Sci Technol. 1997;31:1769-1776.
• [12] Mariano AP, de Arruda Geraldes Kataoka AP, de Franceschi de Angelis D, Bonotto DM. Laboratory study on the bioremediation of diesel oil contaminated soil from a petrol station. Brazil J Microbiol. 2007;38:346-353. DOI:10.1590/S1517-83822007000200030.
• [13] Gan S, Lau EV, Ng HK. Remediation of soils contaminated with polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs). J Hazard Mater. 2009;172:532-549. DOI:10.1016/j.jhazmat. 009.07.118.
• [14] Wheelock CE, Philips BM, Anderson BS, Miller JL, Miller MJ, Hammock BD. Applications of carboxylesterase activity in environmental monitoring and toxicity identification evaluations (TIEs). Rev Environ Contam Toxicol. 2008;195:117-178. DOI:10.1007/978-0-387-77030-7_5.
• [15] Vejares SG, Sabat P, Sanchez-Fernandez JC. Tissue-specific inhibition and recovery of esterase activities in Lumbricus terrestris experimentally exposed to chlorpyrifos. Comp Biochem Physiol. Part C, 2010;151:351-359. DOI:10.1016/j.cbpc.2009.12.008.
• [16] Caselli F, Gastaldi L, Gambi N, Fabbri E. In vitro characterization of cholinesterases in the earthworm Eisenia andrei. Comp Biochem Physiol C Toxicol Pharmacol. 2006;143:416-421. DOI:10.1016/j.cbpc.2006.04.003.
• [17] Ljungquist A, Augustinsson KB. Purification and properties of two carboxylesterases from rat-liver microsomes. Eur J Biochem. 1971;23:303-313.
• [18] Ellman GI, Courthney D, Andres V, Feathrstone RM. A new and rapid colorimetric determination of acetylcholinesterase activity. Biochem Pharmacol. 1961;7:88-95. DOI:10.1016/0006-29-2(61)90145-9.
• [19] Bradford MM. A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilising the principle of protein-dye binding. Anal Biochem. 1976;72:248-254.
• DOI:10.1016/0003-2697(76)90527-3.
• [20] Walker CH. Organic pollutants an ecotoxicological perspective. New York: Taylor and Francis; 2001.
• [21] Wilczek G, Babczyńska A, Migula P, Wencelis B. Activity of esterases as biomarkery of metal exposure in spiders from metal polluted gradient. Pol J Environ Stud. 2003;12:765-771.
• [22] Moreira S, Moreira dos Santos M, Ribeiro R, Guilhermino L. The ‘Coral Bulker’ fuel oil spill on the North coast of Portugal: spatial and temporal biomarker responses in Mytillus galloprovincialis. Ecotoxicology. 2004;13:619-630.
• [23] Alpuche-Gual L, Gold-Bouchot G. Determination of esterase activity and characterization of cholinesterases in the reef fish Haemulon plumier. Ecotox Environ Saf. 2008;71:787-797. DOI:10.1016/j.ecoenv.2008.01.024.
• [24] Kopecka-Pilarczyk J, Correia A. Effects of exposure of PAHs on brain AChE In gilthead seabream, Sparus aurata L, under laboratory conditions. Bull Environ Contam Toxicol. 2011; 86:379-383. DOI:10.1007/zs00128-011-0234-4.
• [25] Sanchez –Hernandez JC, Wheelock CE. Tissue distribution, isozyme abundance and sensitivity to chlorpyrifos-oxon of carboxylesterases in the earthworm Lumbricus terrestris. Environ Pollut. 2009;157:264-272. DOI:10.1016/j.envpol.2008.06.041.
• [26] Sinha RK, Chandran V, Brijal KS, Patel U, Ghosh A. Earthworms: nature‘s chemical managers and detoxifying agents in the environment: an innovative study on treatment of toxic wastewaters from the pertroleum industry by vermifiltration techonology. Environmentalist. 2012;32:445-452. DOI:10.1007/s10669-012-9409-2.
• [27] Baggi G. Ecological implication of synergistic and antagonistic interaction among growth and non growth analogs present in mixture. Ann Microbiol. 2000;50:103-115.
• [28] Stroomberg GJ, Zappy H, Steen RJCA, van Gestel CAM, Ariese F, Velthorst NH, van Straalen NM. PAH biotransformation in terrestrial invertebrates – a new phase II metabolite in isopods and springtails. Comp Biochem Physiol part C. 2004;138:129-137. DOI:10.1016/j.cca.2004.06.004.
• [29] Singh MP, Ram KR, Mishra M, Shrivastava M, Saxena DK, Kar Chowdhuri DK. Effects of co-exposure of benzene, toluene,and xylene to Drosophila melanogaster: Alteration in hsp70, hsp60, hsp83, hsp26, ROS generation and oxidative stress markers. Chemosphere. 2010;79:577-587. DOI:10.1016/j.chemosphere.2010.01.054.
• [30] Jokanovic M. Biotransformation of organophosphorous compounds. Toxicology 2001;166:139-160. DOI:10.1016/S0300-483X(01)00463-2.
• [31] Wheelock CE, Shan G, Ottea J. Overview of carboxylesterases and their role in the metabolism of insecticides. J Pestic Sci. 2005;30:75-83.
• [32] Hubalek T, Vosahlova S, Mateju V, Kovacova N, Novotny C. Ecotoxicity monitoring of hydrocarbon--contaminated soil during bioremediation: a case study. Arch Environ Contam Toxicol. 2007;52:1-7. DOI:10.1007/s00244-006-0030-6.