Accumulation of Gadolinium in organs of lumpfish (Cyclopterus lumpus)

Abstract

Sjeldne jordarter, også kjent som rare earth elements (REE) er grunnstoffer som vekker økende bekymring som forurensningskilder. Økt menneskelig bruk av REE har ført til rapportering av økte REE konsentrasjoner i naturen, mens kunnskapen om mulige effekter og toksisitet er begrenset. Gadolinium (Gd) er en REE, og benyttes hovedsakelig som kontrastmiddel i magnetresonansundersøkelser. Økte konsentrasjoner av Gd har blitt rapportert i flere urbane områder. Kunnskap om mulig toksisitet og bioakkumulering av Gd i marine arter er svært begrenset. Formålet med denne studien var å undersøke bioakkumulering, og mulige forskjeller i akkumulering, i ulike organer hos rognkjeks (Cyclopterus lumpus). Organismene ble eksponert for 1.3 µg/L (lav) og 130 µg/L (høy) av Gd i en uorganisk forbindelse (GdCl3) og som en organisk forbindelse i form av en Gadolinium– basert kontrastvæske (GBCA). Eksponeringene ble gjennomført over en periode på 10 dager, med daglige eksponeringsintervaller på 2 timer under statiske forhold. Eksponeringsperioden ble etterfulgt av en restitusjonsperiode, for å undersøke endring av konsentrasjoner og utskillelse av organisk og uorganisk Gd. Prøvetaking ble gjennomført etter hver 10–dagers periode, hvor gjeller, lever, nyrer og hjerner ble tatt ut av organismene for å analysere Gd– konsentrasjonene. Resultatene viste høyest grad av Gd akkumulering i fisk som ble eksponert for høy konsentrasjon av GdCl3, etterfulgt av høy konsentrasjon av GBCA, i alle organene. Konsentrasjoner av Gd var høyest i gjeller, etterfulgt av nyrer, så lever, og til slutt hjernen. Resultatene indikerer også utskillelse av Gd under restitusjonsperioden for alle eksponeringer og organer, med unntak i nyrer og hjernen til fisk som ble eksponert for GdCl3 høy. Disse fiskene hadde høyere Gd– konsentrasjoner i nyrene og hjernen etter restitusjonsperioden, som indikerer endringer i bioakkumulering og organfordeling av uorganisk Gd over tid. Funnene i denne studien viser at både uorganisk og organisk form av Gd er biologisk tilgjengelig for marine fisker, samt understreker nødvendigheten av mer forskning for å forstå effekter av Gd på marine arter.

Rare earth elements (REE) are contaminants of emerging concern as anthropogenic enrichment in natural environments has been reported, yet the knowledge of potential effects is limited. Gadolinium (Gd) is one of the REEs and is mainly used in the medical field, as a contrast agent in magnetic resonance imaging (MRI). Elevated Gd concentrations have been found in waters around urban areas. However, knowledge about the potential toxicity and bioaccumulation of Gd in marine species is still limited. This study aimed to investigate bioaccumulation and organotropism of Gd in lumpfish (Cyclopterus lumpus). Organisms were exposed to (nominally) 1.3 µg/L (low) and 130 µg/L (high) of a chelated Gd in the form of a gadoliniumbased contrast agent (GBCA) and to GdCl3 as ionic/inorganic Gd. Exposures were performed as pulsed exposure, with a daily exposure duration of 2 hours in static conditions, for 10 days. Following the exposure period was a 10–day recovery period to investigate changes in organotropism and excretion rates of Gd. Following each period (exposure and recovery), sampling of gills, kidneys, livers, and brains was conducted, and Gd concentrations were analysed. Results showed the highest Gd accumulation in fish exposed to GdCl3 high, followed by GBCA high, considering all organs. Concentrations in organs were highest in gills, followed by kidneys, then livers, and least in brains. Results also indicated excretion of Gd during a period of recovery for all treatments and all organs, except for kidneys and brains of fish exposed to GdCl3 high, where recovered groups had higher concentrations of Gd than exposed groups. This indicates a change in organotropism of ionic Gd over time. Results of this study show that Gd is bioavailable to marine fish in both inorganic and organic forms, highlighting that more research is needed to understand the effects of Gd on marine species.