Toxicokinetics of Zn, Ni and Cd in the ground beetle Pterostichus oblongopunctatus

Toksyczny wpływ substancji chemicznych zależy od ich stężenia wewnątrz organizmu, które jest wypadkową procesów asymilacji i eliminacji, dystrybucji oraz, w przypadku substancji organicznych, ich metabolizowania przez organizm. Procesy te mogą zmieniać się w czasie, zatem i samo stężenie substancji wewnątrz organizmu może być zmienne w czasie. Do opisu tych zmian służą modele toksykokinetyczne. W niniejszej pracy porównano toksykokinetykę trzech metali: cynku i niklu zaliczanych do mikroelementów oraz kadmu powszechnie uznawanego za ksenobiotyk, u chrząszcza Pterostichus oblongopunctatus (Coleoptera: Carabidae). Ze względu na powszechne występowanie tych pierwiastków w środowisku i ich szczególnie wysokie poziomy notowane na terenach zindustrializowanych, np. w pobliżu hut i kopalń, kinetyka tych metali była już wcześniej badana u różnych gatunków bezkręgowców. Jednakże w dotychczasowych pracach zwierzęta eksponowano na medium (np. pokarm, gleba) zawierające różne stężenia dla każdego z metali, co uniemożliwiało bezpośrednie porównanie toksykokinetyki tych pierwiastków. W celu wykazania, czy za regulację wewnętrznych stężeń pierwiastków o odmiennej roli w organizmie odpowiadają te same procesy, w niniejszej pracy dla każdego metalu użyto takich samych stężeń molowych (40 mM metalu × kg-1 suchej masy) w pokarmie, na który eksponowano chrząszcze przez 28 dni (faza kontaminacji). Następnie chrząszcze przestawiono na pokarm czysty na kolejne 14 dni (faza dekontaminacji). Do opisu zmian stężenia wewnętrznego metali użyto klasycznego modelu jednoprzedziałowego z dwoma fazami. Stwierdzono, że kinetyka badanych metali różni się. Istotne statystycznie różnice wystąpiły pomiędzy kadmem i niklem oraz kadmem i cynkiem w przypadku tempa asymilacji, natomiast nie wykryto istotnych różnic w tempie eliminacji badanych metali. Mikroelementy regulowane były w bardzo podobny sposób: na początku fazy kontaminacji nastąpił szybki wzrost stężenia tych pierwiastków, po czym jeszcze w trakcie ekspozycji na pokarm skażony, ich stężenie wewnętrzne w organizmach chrząszczy zmalało. Pod koniec fazy dekontaminacji stężenie wewnętrzne metali wróciło do tego sprzed ekspozycji. W przypadku kadmu kinetyka była nieco odmienna: w fazie kontaminacji stężenie metalu stabilizowało się już po kilku dniach i utrzymywało się na zbliżonym poziomie przez cały okres karmienia zwierząt pokarmem skażonym. W fazie dekontaminacji, poziom kadmu w chrząszczach osiągnął wartości zbliżone do tych sprzed fazy kontaminacji. Odmienne procesy regulacji metali mogą być rezultatem różnych biologicznych funkcji jakie spełniają one w organizmie. Cynk i nikiel, które są mikroelementami, były regulowane w podobny sposób, a jednocześnie odmienny od kadmu. Chociaż już wcześniejsze prace sugerowały odmienną kinetykę badanych metali, to jednak niniejsze badania są najprawdopodobniej pierwszymi, które pozwoliły na formalne zweryfikowanie wcześniejszych obserwacji. Bezpośrednie porównanie mechanizmów odpowiedzialnych za regulację Ni, Zn i Cd było możliwe dzięki eksponowaniu chrząszczy na te same ilości jonów każdego z metali.

Toxic effect of a chemical depends on its internal body concentration, which is a net result between its assimilation and elimination rates, distribution and, in case of organic substances, biotransformation inside the body. All abovementioned processes may change with time, thus the internal body concentration also changes over time. Toxicokinetics models are used to describe these changes mathematically. Here, toxicokinetics of three metals (zinc and nickel which are essential metals and cadmium, which generally is recognized as nonessential metal) were compared in the ground beetle Pterostichus oblongopunctatus (Coleoptera: Carabidae). Due to their relatively high concentrations which can be found in the environment, especially in industrial areas in the vicinity of mines and smelters, kinetics of these elements has already been studied in a number of invertebrate species. However, different concentrations of metals in medium or food were used for different metals so far, making direct comparison of kinetics (and processes responsible for regulation of internal concentration) of different elements impossible. Thus, I used the same molar concentration (40 mM × kg-1 dry weight) of each metal in my study. The beetles were exposed to metals via food during 28 days (contamination phase) and then they were offered uncontaminated food for the next 14 days (decontamination phase). Changes in internal body concentrations of studied metals over time were described by using classical one-compartment model for the experiment with two phases: contamination and decontamination. The kinetics differed among the studied metals. In case of the assimilation rates, statistically significant differences were found between beetles exposed to zinc and cadmium as well as between those exposed to nickel and cadmium. At the same time, no significant differences between metals were detected for elimination rates. Both essential metals (i.e., Ni and Zn) were regulated in a similar way: the rapid increase in internal body concentration was observed shortly after the exposure started, followed by partial decrease at a later stage of the contamination phase, and by final elimination upon transfer to an uncontaminated food in the decontamination phase. Cadmium kinetics was different: after the initial concentration increase in the contamination phase, the concentration stabilized and only after switching animals to uncontaminated food the concentration of cadmium decreased to values close to those from the beginning of the experiment. The results obtained in this study suggest that metals with similar biological functions in an organism are regulated in similar manner, what was already suggested by other authors. Nevertheless, to my knowledge, the presented study is the only one which formally tested the previous observations. The direct comparison of mechanisms responsible for Ni, Zn and Cd regulation in beetles was possible thanks to using the same amount of ions for each metal in food offered to the beetles.