Oxidative stress effects in the Arctic amphipod Gammarus oceanicus after exposure to the two pharmaceuticals carbamazepine and ibuprofen

Abstract

Legemidler slippes ut i det Arktiske miljøet gjennom avløpsvann og har blitt detektert i Nordishavet og er påvist i invertebrater og plankton i Arktis. Fokuset for denne studien er å finne ut om eksponering av de to legemidlene karbamazepin og ibuprofen forårsaker oksidativt stress i amfipoden Gammarus oceanicus. G. oceanicus ble fanget i fjæra i Ny-Ålesund på Svalbard, Norge. De ble så eksponert for karbamazepin eller ibuprofen for 72 eller 96 timer i to separate eksponeringsforsøk med vanntemperatur på 6°C tilsvarende vannet i fjorden utenfor laboratoriet. Konsentrasjonene brukt i eksponerings forsøket med karbamazepin var 0, 50 og 1000 ng/L, mens forsøket med ibuprofen ble utført med eksponerings konsentrasjoner på 0, 10, 100 og 1000 ng/L. Biomarkørene som ble analysert var katalase (CAT), glutathione (GSH), glutathione-S-transferase (GST), glutathione peroksidase (GPx) og maldondialdehyd (MDA). I karbamazepin eksponerings forsøket ble en signifikant økning i GSH funnet med eksponering for 50 ng/L sammenlignet med kontroll. Men, generelt var det ikke forskjeller mellom ueksponerte og eksponerte individer hverken i karbamazepin eller i ibuprofen forsøket. Det ble også undersøkt forskjeller mellom hannene og hunnene. En signifikant økning i SOD ble funnet når hannene ble eksponert for 10 ng/L ibuprofen sammenlignet med kontroll. En signifikant forskjell ble også funnet i GST-aktivitet mellom 10 ng/L og 100 ng/L eksponeringen for ibuprofen der 10 ng/L eksponering førte til signifikant lavere GST-aktivitet. I karbamazepin forsøket ble det funnet en høy positiv korrelasjon mellom SOD, GSH og GST. SOD, CAT, GSH og GST hadde høy positiv korrelasjon i ibuprofen forsøket. I både karbamazepin og ibuprofen eksponerings forsøket hadde SOD og GSH høy korrelasjon med hverandre og med enten CAT eller GST. I karbamazepin forsøket var MDA nivåene høyere enn i ibuprofen forsøket, men GSH nivåene var høyere i kontrollgruppen i ibuprofen forsøket enn i kontrollgruppen i karbamazepin forsøket. Disse forskjellene mellom de to eksponeringsforsøkene kan skyldes de ulike eksponerings varighetene eller ulikt antall individer per tank i de to forsøkene. Men, de individuelle forskjellene var ganske store, så forskjellene kunne til en viss grad vært forårsaket av individuelle forskjeller. Få studier har fokusert på oksidativt stress med amfipoder eksponert for karbamazepin eller ibuprofen. I studiene med amfipoder har de fleste fokusert på effekter relatert til olje, oljedispereringsmidler og PAH-er. Flere studier har blitt gjort med bivalver der ulike effekter på CAT, GSH, GST, GPx og MDA har blitt funnet. Effektene varierte mye mellom studiene, noe som indikerer at det kan være store artsforskjeller på effekten av disse biomarkørene. I denne studien ga ikke høyere eksponeringsdoser nødvendigvis større effekter, noe som også har blitt funnet i mange andre studier. Veldig få eksponeringsstudier har blitt gjennomført i et miljø relevant for Arktis. Sammenlignbare studier har stort sett blitt gjennomført i temperaturer på 15-20°C, noe som er mye høyere enn temperaturene brukt i denne studien. I miljøet har karbamazepin og ibuprofen blitt funnet i relativt høye nivå i sjøvann ved Svalbard, der det også har blitt funnet i invertebrater og plankton. Resultatene av denne studien indikerer at det ikke er umiddelbar risiko for at G. oceanicus skal streve på grunn av oksidativt stress fra eksponering for karbamazepin eller ibuprofen. Men, det er ikke avklart hvordan effektene kan være etter mer langvarig eksponering noe som bør undersøkes i framtidige studier.

Pharmaceuticals are released into the Arctic environment through wastewater treatment and have been detected in the Arctic Ocean, invertebrates and plankton in the Arctic. The focus of the present study is to investigate oxidative stress effects in the amphipod Gammarus oceanicus after exposure to the two pharmaceuticals carbamazepine and ibuprofen. G. oceanicus individuals were collected by the shoreline at Ny-Ålesund at Svalbard, Norway. The gammarids were then exposed to carbamazepine or ibuprofen for 72 or 96 hours respectively in two separate exposure experiments at a water temperature of 6°C to simulate relevant Arctic water temperature. The exposure concentrations for the carbamazepine exposure experiment were 0, 50 and 1000 ng/L, while 0, 10, 100 and 1000 ng/L were used for the ibuprofen exposure experiment. The biomarkers analysed were catalase (CAT), glutathione (GSH), glutathione-S-transferase (GST), glutathione peroxidase (GPx) and malondialdehyde (MDA). Generally, only a few effects were found in exposed individuals compared to the control group for both the carbamazepine and ibuprofen exposures. In the carbamazepine exposure experiment, a significant increase in GSH levels at 50 ng/L exposure compared to the control was found. Differences between males and females were also investigated. In males, there was a significant increase in SOD at 10 ng/L exposure compared to the control group after exposure to ibuprofen. A significant difference was also found in GST activity between 10 and 100 ng/L ibuprofen exposure in males, where the 10 ng/L exposure led to significantly lower GST activity than 100 ng/L exposure. In the carbamazepine exposure experiment, a high positive correlation between SOD, GSH and GST was found. SOD, CAT, GSH and GST were positively correlated in the ibuprofen exposure. In both the carbamazepine and ibuprofen exposure experiment, SOD and GSH were well correlated with each other and with CAT or GST. In the carbamazepine exposure experiment, the MDA levels were significantly higher than in the ibuprofen exposure experiment. GSH levels were significantly higher in the control group of the ibuprofen exposure experiment than in the carbamazepine exposure experiment. The differences in MDA and GSH levels in the carbamazepine and ibuprofen exposure could be due to the different exposure times and number of individuals used in the exposure tanks for the two experiments. Few studies have investigated oxidative stress using amphipods exposed to carbamazepine or ibuprofen. In studies with amphipods, most studies have investigated effects related to oil, oil dispersants and PAHs. However, multiple studies have been performed with bivalves where various effects on CAT, GSH, GST, GPx and MDA have been detected after exposure to carbamazepine or ibuprofen. The effects of these two pharmaceuticals varied a lot between studies indicating that there can be substantial species differences in the effects of these biomarkers. In the present study, higher exposure concentrations did not necessarily lead to stronger effects, which have been found in several other studies. Very few exposure studies have been performed in Arctic-relevant environments. Comparable studies have mostly been performed in temperatures of 15-20°C, which is much higher than the exposure temperatures in the present study. Even though carbamazepine and ibuprofen have been detected at relatively high concentrations in seawater, invertebrates and plankton by Svalbard, the result of the present study suggests that there is no immediate risk for G. oceanicus due to oxidative stress caused by exposure to carbamazepine or ibuprofen. However, it is unknown how the effects would be at more long-term exposure and other populations, which should be investigated in future studies.