Toxic and Genotoxic Effects of Ibuprofen and PFOS, singly and in combination. Evaluated in Allium cepa Root Chromosomal Aberration Assay

Abstract

Vannforurensning er i dag en alvorlig miljøtrussel. Til tross for sterk regulering, slippes millioner av tonn giftige stoffer ut i naturlige vannkilder hver dag, noe som forårsaker massiv vannforurensning. De mest relevante stoffene som slippes ut til vannmiljøet er organisk materiale, sur nedbør, næringsstoffer og giftige mikroforurensninger som biocider, per- og polyfluoralkylstoffer (PFAS), legemidler, tensider, personlig pleieprodukter (PCP), tungmetaller, persistente organiske forurensninger (POP), hormonforstyrrende kjemikalier (EDC) og desinfeksjon biprodukter (DBP). Ibuprofen har blitt anerkjent som en stor farmasøytisk komponent i akvatiske økosystemer, fra ng/L til mg/L, på grunn av tilgjengeligheten for reseptfrie kjøp, betydelig reseptbruk og høy utskillelsesrate (rundt 70-80 % av den terapeutiske dosen). På den andre siden, tilstedeværelsen av PFAS er funnet langt fra deres poteniselle kilder, dette antyder en betraktelig transportetappe for PFAS distribuering til de akvatiske miljøer. Spesielt PFOS, som for det meste er regulert, er funnet i store mengder i drikkevann, grunnvann og overflatevann, fra ng/L til μg/L. I denne studien ble ibuprofen, som representerer legemiddelgruppen, og perfluoroktansulfonat (PFOS), som representerer PFAS-gruppen, enkelt og kombinert eksponering, utsatt for fytotoksisitet, cytotoksisitet og genotoksisitetsanalyse på Allium cepa rotmeristem. PFOS-løsninger ble laget til 500 000, 5 000 000, 50 000 000 og 200 000 000 ng/L, og ibuprofen-løsninger var 500, 2 000, 4 250, 8 500, 20 000, 40 000, 1 700 000, 5 000 000 og 10 000 000 ng/L. Den negative kontrollen var Milli-Q vann og den positive kontrollen var MMS (10 mg/L). Statistiske analyser som ble brukt i denne studien var enveis ANOVA etterfulgt av Duncans Multiple Range Test (DMRT), og Pearson-korrelasjonsanalysen. Statistisk signifikans for korrelasjon ble vurdert ved å bruke en p < 0,05 terskel. Alle statistiske analyser ble utført ved bruk av R-programvaren. Det ble konkludert med at PFOS-eksponering resulterte i å være mer genotoksisk enn eksponering for ibuprofen, og det ble antydet at PFOS er hovedkomponenten for å produsere genotoksiske effekter av blandingen på rotmeristemcellene. Dette er fordi PFOS-eksponering resulterte i ringdannelse, ikke observert i ibuprofeneksponering, og en høyere prosentandel av broer, «laggards» og mikrokjernedannelse i forhold til kontrollen, noe som tyder på at PFOS er mer klastogent og aneugenisk enn ibuprofen. Ulike interaksjoner ble observert fra blandinger av PFOS og ibuprofen, fra ingen interaksjon til synergistiske og antagonistiske effekter. Videre var det en rotvekststimulering ved eksponering for høye konsentrasjoner av ibuprofen og en rotveksthemming ved den høyeste konsentrasjonen av PFOS. Ved miljørelevante konsentrasjoner, viste ingen av løsningene fytotoksiske effekter. Blandingseksponeringen resulterte i rotvekststimulering. Det var ingen cytotoksiske effekter etter eksponering for ibuprofen, PFOS og blandinger, bortsett fra eksponering for den høyeste PFOS-konsentrasjonen.

Water pollution is currently a serious environmental threat. Despite regulatory requirements, millions of tons of toxic compounds are discharged into natural water streams every day, causing massive water pollution. The most pertinent compounds discharged to the aquatic environment are organic matter, acid rain, nutrients, and toxic micropollutants like biocides, per- and poly-fluoroalkyl substances (PFAS), pharmaceuticals, surfactants, personal care products (PCPs), heavy metals, persistent organic pollutants (POPs), endocrine disrupting chemicals (EDCs), and disinfection by-products (DBPs). Ibuprofen has been recognized as a major pharmaceutical component in aquatic ecosystems, ranging from ng/L to mg/L, due to its availability for over-the-counter purchase, significant prescription usage, and a high excretion rate (around 70-80% of the therapeutic dose). On the other hand, the presence of PFAS far from their potential sources, suggests that long-range atmospheric transport is an important route for PFAS distribution in the aquatic environment. PFOS, in particular, which is mostly regulated, has been found in large quantities in drinking water, groundwater, and surface water, ranging from ng/L to μg/L. In the present study, ibuprofen, representing the pharmaceuticals group, and perfluorooctane sulfonate (PFOS), representing the PFAS group, single and combined exposure, were subjected to phytotoxicity, cytotoxicity, and genotoxicity analysis on Allium cepa root meristems. PFOS solutions were prepared to 500 000, 5 000 000, 50 000 000, and 200 000 000 ng/L, and ibuprofen solutions were 500, 2 000, 4 250, 8 500, 20 000, 40 000, 1 700 000, 5 000 000 and 10 000 000 ng/L. The negative control was Milli-Q water and the positive control was MMS (10 mg/L). The statistical analysis used in this study was one-way ANOVA followed by Duncan’s Multiple Range Test (DMRT), and the Pearson correlation analysis. Statistical significance for correlation was assessed using a p < 0.05 threshold. All statistical analyses were performed using the R software. It was concluded that PFOS exposure resulted in being more genotoxic than ibuprofen exposure and it was suggested that PFOS is the main agent in producing genotoxic effects within the mixture on the root meristem cells. This is because PFOS exposure resulted in ring formation, not observed in ibuprofen exposure, and a higher percentage of bridges, laggards, and micronuclei formation relative to the control, which suggests that PFOS is more clastogenic and aneugenic than ibuprofen. Mixed interactions were observed between the mixture of PFOS and ibuprofen, from no interaction to synergistic and antagonistic effects. Furthermore, there was a root growth stimulation at higher concentrations of ibuprofen exposure and a root growth inhibition at the highest concentration of PFOS. Then at environmentally relevant concentrations, neither showed phytotoxic effects. The mixture exposure resulted in root growth stimulation. There were no cytotoxic effects after ibuprofen, PFOS, and mixture exposure, except for exposure of the highest PFOS concentration.