Dott.ssa Alessandra Notti DOTTORATO DI RICERCA IN BIOLOGIA

Dott.ssa Alessandra Notti
DOTTORATO DI RICERCA IN BIOLOGIA ED ECOLOGIA MARINA V CICLO NUOVA
SERIE: “Accumulo e metabolismo dell’arsenico nel polichete Mediterraneo Sabella
spallanzanii”.
RIASSUNTO:
In questa tesi è stato affrontato lo studio del bioaccumulo e della speciazione chimica
dell’arsenico nel polichete Mediterraneo Sabella spallanzanii.
L’interesse per l’arsenico è legato alla sua ampia diffusione nell’ambiente marino e al
diverso grado di reattività biologica delle forme chimiche con cui si può presentare. Le molecole
più tossiche sono quelle inorganiche, arsenito (AsIII) ed arsenato (AsV), principalmente distribuite
nelle matrici abiotiche come acqua e sedimento; un più moderato grado di tossicità è attribuito alle
molecole metilate monometilarsina (MMA), dimetilarsina (DMA), trimetilarsina (TMA) e
tetrametilarsina (TETRA). I composti organici più complessi, arsenobetaina (AsB), arsenocolina
(AsC) ed arsenozuccheri (AsS), sono considerati non tossici e rappresentano le forme chimiche
prevalentemente accumulate nei tessuti degli organismi marini.
Nella prima parte del lavoro di tesi è stata condotta una caratterizzazione dei i livelli basali
di arsenico e del profilo delle sue molecole in numerose specie marine scelte tra bivalvi, crostacei e
pesci, provenienti da differenti aree geografiche. I risultati hanno rivelato l’esistenza di un’elevata
variabilità interspecifica dei livelli di arsenico; non sono state riscontrate differenze significative in
funzione dell’area di provenienza, ad eccezione dei crostacei Mediterranei con concentrazioni di
arsenico sempre superiori a quelle misurate nelle specie Caraibiche. Le analisi di speciazione
chimica hanno confermato che AsB e AsC rappresentano le molecole di arsenico predominanti in
tutte le specie analizzate.
Un successivo approfondimento ha riguardato i policheti, evidenziando caratteristiche
inusuali per alcune specie che si sono dimostrate in grado di accumulare elevati livelli di arsenico,
in alcuni casi addirittura in forma tossica o moderatamente tossica. Le marcate differenze tra i livelli
o le forme chimiche di arsenico ritrovate tra le varie specie non sono relazionabili all’origine
geografica, a somiglianze filogenetiche, ad abitudini trofiche o a caratteristiche ecologiche, ma
piuttosto rappresentano peculiarità specie-specifiche nel metabolismo di questo metallo.
Tra le specie analizzate, il polichete Mediterraneo S. spallanzanii accumula elevati livelli di
arsenico soprattutto nella corolla branchiale dove questo elemento risulta presente a concentrazioni
superiori a 1000 µg/g, e prevalentemente sottoforma di DMA.
Per meglio comprendere i fattori che possono influenzare il bioaccumulo di arsenico totale e
di DMA in questa specie, è stato condotto uno studio stagionale su una popolazione proveniente dal
sito di riferimento di Portonovo (Ancona). Gli organismi sono stati campionati con cadenza
bimestrale per un anno, ed analizzati per il contenuto di arsenico totale e la distribuzione delle
diverse forme chimiche. I risultati hanno confermato gli elevati livelli di arsenico totale nella
corolla branchiale compresi tra 1000 e 3000 µg/g, e marcatamente superiori a quelli misurati nel
torace (30-60 µg/g). In entrambi i tessuti le concentrazioni hanno mostrato un andamento crescente
nei mesi caldi e la DMA è sempre risultata la molecola predominante con contributo percentuale di
circa il 90% del livello di arsenico totale.
Risultati simili sono stati ottenuti in una popolazione di S. spallanzanii proveniente dal porto di
Adelaide (Australia) che hanno confermato gli elevati livelli di DMA nelle corolle branchiali e le
significative differenze nei livelli di arsenico durante i periodi invernali ed estivi.
Per approfondire l’origine della DMA nei tessuti di S. spallanzanii, sono stati effettuati
esperimenti di laboratorio in cui gli organismi sono stati esposti all’arsenico sottoforma di molecole
chimiche diverse (AsV, DMA, TMA e AsB). Il tasso di bioaccumulo è risultato fortemente
influenzato dalla forma chimica utilizzata e l’arsenato il più rapido ed elevato accumulo di arsenico
totale rispetto agli altri composti. Per la prima volta è stato inoltre dimostrato che S. spallanzanii è
in grado di effettuare reazioni di biotrasformazione e produrre DMA sia metilando l’arsenico
inorganico che demetilando le specie trimetilate. L’AsB è l’unica molecola ad essere accumulata
principalmente nel torace con una degradazione a TMA che suggerisce un coinvolgimento
microbico, particolarmente attivo nel tratto intestinale. La capacità di produrre DMA e le elevate
concentrazioni nelle corolle branchiali permettono di ipotizzare un ruolo di difesa nei tessuti più
vulnerabili.
E’ stata infine effettuata una caratterizzazione preliminare del contenuto e delle variazioni
stagionali di numerosi metalli in traccia (Cr, Cu, Fe, Hg, Mn, Ni, Pb, V e Zn) e degli idrocarburi
policiclici aromatici nei tessuti di S. spallanzanii. Questo studio è stato condotto sia sugli organismi
campionati da Portonovo che, come confronto, su una popolazione da Capo Miseno (Napoli)
un’area sottoposta ad una maggiore pressione antropica. I risultati hanno evidenziato un accumulo
più elevato di metalli e idrocarburi policiclici aromatici nel torace rispetto alla corolla branchiale,
contrariamente a quanto precedentemente osservato per l’arsenico. Le concentrazioni di alcuni
elementi seguono inoltre un profilo stagionale, con livelli crescenti in autunno ed inverno che
suggeriscono l’influenza di fattori sia naturali che biologici. Fluttuazioni temporali sono state
evidenziate anche nella popolazione di policheti di Capo Miseno in cui i più elevati livelli di alcuni
metalli e degli IPA confermano un maggiore impatto di natura antropogenica. I risultati ottenuti
rappresentano un importante contributo nell’ottica di un possibile utilizzo di S. spallanzanii come
organismo sentinella per monitorare la comparsa di eventi di disturbo ambientale in alcune aree
costiere del Mediterraneo.
Dott.ssa Alessandra Notti
DOTTORATO DI RICERCA IN BIOLOGIA ED ECOLOGIA MARINA V CICLO NUOVA
SERIE: “Accumulo e metabolismo dell’arsenico nel polichete Mediterraneo Sabella
spallanzanii”.
ABSTRACT:
This Doctoral Thesis investigated bioaccumulation and chemical speciation of arsenic in the
Mediterranean fan-worm Sabella spallanzanii. The general interest for arsenic is related to its wide
distribution in the marine environment and the different biological reactivity of various chemical
forms. The most toxic arsenic compounds are the inorganic arsenite (AsIII) and arsenate (AsV) wich
predominate in abiotic matrices such as water and sediments. Methylated molecules,
monomethylarsine (MMA), dimethylarsine (DMA), trimethylarsine (TMA) and tetramethylarsine
(TETRA) are moderately toxic while more complex organic compounds, as arsenobetaine (AsB),
arsenocholine (AsC), and arsenosugars (AsS) are non toxic an normally accumulated in tissues of
marine organisms.
The first aim of this Thesis was to extend our knowledge on natural levels and chemical
speciation of arsenic in several species (bivalves, crustaceans, fish) from different geographical
areas (polar, temperate an tropical latitudes). Organisms exhibited marked differences in the levels
of arsenic in tissues and species-specific characteristics more than environmental factors appeared
to modulate basal arsenic bioaccumulation; only for crustaceans a latitudinal effect could be
hypothesized with Mediterranean species always showing more elevated concentrations compared
to tropical counterparts. Chemical speciation of arsenic revealed the great predominance of organic
molecules AsB and AsC, corroborating the general tendency of organisms to bioaccumulate non
toxic As-compounds.
A further investigation was carried on polychaetes, revealing that some species can
concentrate extremely high levels of arsenic in their tissues often as inusual arsenic compounds.
Also for polychaetes an elevated interspecific variability was observed for both total levels and
chemical forms of arsenic which could not be explained by geographic distribution, phylogenetic
similarities, trophic habits or ecological features, thus suggesting species-specific characteristics
and inherent peculiarities in arsenic metabolism.
Among the analyzed polychaetes, the Mediterranean Sabella spallanzanii is characterized
by elevated concentrations of arsenic in branchial crowns, always higher 1000 µg/g and mostly
represented (85-90%) by DMA, a moderately toxic compound.
To better understand bioaccumulation of arsenic and DMA in S. spallanzanii a field
investigation was carried out to characterize seasonal variations of arsenic total content and
chemical molecules in a population from the reference site of Portonovo (Ancona). Organisms were
sampled on a bimonthly frequency throughout 1 year and obtained results confirmed arsenic levels
ranging between 1000 and 3000 µg/g in branchial crowns much greater than those measured in
body portions (30-60 µg/g). In both the tissues, arsenic concentrations increased especially in spring
and summer periods and DMA always represented the most abundant molecule, approximately 90%
of total arsenic. The same results were obtained in S. spallanzanii collected from the harbour of
Adelaide (Australia) which confirmed the elevated levels of DMA in branchial tissues, and the
significant differences in arsenic content between winter and summer months.
To further investigate the origin of DMA in tissues of S. spallanzanii, organisms were
exposed in laboratory conditions to different arsenic compounds including AsV, DMA, TMA and
AsB. The accumulation of arsenic was greatly influenced by the chemical form of arsenic
administered to polychaetes and exposure to arsenate caused the most rapid and highest increase of
arsenic concentrations.
Obtained results represented also the first experimental evidence that S. spallanzanii has the
capability to operate biotransformation reactions of arsenic producing DMA through both
methylation of inorganic arsenic and de-methylation of tri-methylated arsenic compounds. Only
AsB was not accumulated in branchial crowns but only in body portions were degradation to TMA
suggested the involvement of a microbial activity.
Overall, the extremely high levels of arsenic accumulated as a moderately toxic compound
(DMA) in branchial tissues of S. spallanzanii support the biological role of this element as an
adaptative mechanism against predation in more exposed tissues.
The last objective of this Thesis was to provide a preliminary characterization of the content
and seasonal variability of several trace elements (Cr, Cu, Fe, Hg, Mn, Ni, Pb, V and Zn) and
polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in tissues of S. spallanzanii. Polychaetes were collected
from the reference site of Portonovo and, for comparison, from Capo Miseno (Gulf of Naples), an
area more subjected to anthropogenic pressure. Results generally revealed more elevated levels of
trace metals and PAHs in body tissues than in branchial crowns and several elements exhibited
seasonal variation with higher levels of several metals and PAHs confirming a more elevated
anthropogenic impact in this site. This study provided an useful contribution for a potential use of S.
spallanzanii as sentinel organism for monitoring the environmental disturbance in some
Mediterranean coastal areas.