Contaminants in deep-sea glass squids (Cranchiidae) from the eastern tropical Atlantic oxygen minimum zone

Tese de mestrado em Ecologia Marinha, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2017O oceano constitui grande parte do planeta, acomodando cerca de 1 368 milhões Km3 de água, providencia mais espaço que todos os habitats terrestres. Apesar da maioria da biodiversidade marinha se encontrar na zona fótica e menos profundas, uma grande variedade vive nas partes mais profundas e sem luz. Em algumas partes do oceano, entre os 10 e os 1 300m, existem zonas de oxigénio mínimo (ZOM). Estes habitats pelágicos apresentam condições estáveis de níveis baixos e persistentes de oxigénio e baixas temperaturas ao longo de vastas áreas. Estes habitats resultam de uma combinação de uma fraca ventilação assim como pouca circulação da água. A maioria das ZOM exibe um perfil de oxigénio semelhante, mas os níveis de oxigénio, espessura e a profundidade de ocorrência podem variar regionalmente. No Atlântico Tropical Oriental, a uma profundidade entre os 200m a 800m, existe uma zona mínima de oxigénio localizada entre o sistema da Corrente Equatorial (a Sul) e a Corrente Equatorial Norte (a Norte). Aqui, o perfil de oxigénio tem dois mínimos a cerca de 70m e 400m de profundidade, com o mínimo mais proeminente entre o Senegal e a Ilha de Cabo Verde. Os cefalópodes (classe Cephalopoda) podem ser encontrados em todos os oceanos do mundo, desde águas costeiras ao mar profundo, e algumas espécies conseguem viver em condições extremas, como as fontes hidrotermais e as ZOM. A maioria destes moluscos são predadores oportunistas com altas taxas de crescimento, uma única época de reprodução e uma esperança média de vida curta nas zonas costeiras. No mar profundo, estas características biológicas são bastante diferentes, dado que as suas capacidades locomotoras e requisitos metabólicos são mais reduzidos. De uma forma geral, os cefalópodes desempenham um papel fundamental nos ecossistemas marinhos, uma vez que são uma fonte primária de alimento para muitos predadores marinhos, como peixes, mamíferos marinhos ou aves marinhas. Os cranchídeos (família Cranchiidae) estão entre as lulas mais abundantes do mundo, de grande diversidade morfológica em ambientes pelágicos. A maioria delas têm uma aparência transparente (por isso designadas também por lulas de vidro) dado possuírem grandes cavidades celómicas cheias de fluido amoniacal neutro e de baixa densidade, que lhes confere flutuabilidade neutra. Embora a sua morfologia e anatomia estejam bem estudadas, e de serem muito abundantes, pouco se sabe sobre a sua biologia e ecologia. Muitas das espécies de cranchídeos passam grande parte de sua vida em águas onde quase não há luz ou em completa escuridão. A maioria desses pequenos animais não depende da velocidade para escapar de predadores, mas sim de outras estratégias defensivas, - a sua transparência, que sob condições de iluminação adequadas, as tornam praticamente invisíveis. A poluição marinha tornou-se um problema muito grave durante as últimas décadas, devido aos seus impactos na biodiversidade e no funcionamento dos ecossistemas. A presença de concentrações acima do normal de contaminantes já foi detetada em vários tipos de habitats marinhos, nomeadamente no mar profundo, onde a preocupação tem vindo a aumentar devido à possibilidade de este, devido à sua dimensão, se poder tornar no maior depósito para tais elementos. A bioacumulação tem sido amplamente estudada em muitos organismos marinhos e demonstrou-se que os moluscos, como os cefalópodes, têm a capacidade de acumular altos níveis de contaminantes. As maiores concentrações determinadas são o carbono, hidrogénio, azoto, oxigénio e enxofre, que são elementos estruturais. Outros elementos encontrados podem ser essenciais, cujo papel biológico é conhecido, como ferro, cobre, zinco, iodo, manganês, selénio ou flúor. Os não essenciais, não têm um papel conhecido nas funções fisiológicas, como ocorre com mercúrio, chumbo e cádmio. Embora existam estudos sobre a acumulação de elementos em cefalópodes, a maioria está focada em espécies comerciais. Entre essas espécies, foram geralmente registados altos níveis de metais, como o cádmio, o cobre e o zinco, tornando os cefalópodes uma potencial via de transporte de contaminantes para níveis tróficos superiores. A absorção de contaminantes por organismos marinhos pode ocorrer a partir da água, incluindo partículas em suspensão, alimentos e sedimentos. Outros fatores, como a disponibilidade de elementos na água, período de exposição, temperatura, tamanho, sexo, estágio de maturidade e local de captura, também são importantes na acumulação de metais nos tecidos destes organimsos. É importante referir que dado que os cefalópodes apresentam uma vida curta e uma alta acumulação de contaminantes, estes organismos podem refletir as condições actuais do ambiente onde vivem e serem utilizados como indicadores de contaminação ambiental. Embora não haja informações sobre contaminantes nos cranchídeos, existe informação sobre outras espécies de cefalópodes, incluindo outras lulas oceânicas. A maioria dos estudos mostrou a capacidade dos cefalópodes de concentrar Zn, Cu e Cd na glândula digestiva mesmo em ambientes com baixa disponibilidade. Neste contexto, o objetivo desta dissertação, foi determinar, pela primeira vez, as concentrações de alguns elementos (V, Cr, Co, Ni, Cu, Zn, As, Se, Cd e Pb) nos tecidos (glândula digestiva, manto e tentáculos) de nove espécies de cranchídeos, da ZOM de Cabo Verde. As lulas foram apanhadas na zona económica exclusiva de Cabo Verde, em oito estações de amostragem, através da utilização de redes pelágicas MOCNESS e IKMT em diferentes profundidades. Os indivíduos capturados foram identificados até à espécie (quando possível) e preservados em azoto líquido abordo do RV Maria S. Merian e depois transferidas para -80ºC no laboratório. Os indivíduos foram dissecados de modo a separar o manto, os tentáculos e a glândula digestiva. Neste trabalho, foram detectadas diferenças significativas entre espécies de cranchídeos e entre os diferentes tecidos analisados. De uma forma geral, os elementos na glândula digestiva variaram entre os 0,070 e 17 μg g-1 peso seco, com as concentrações variando da seguinte forma decrescente: Zn > Cd > As > Cu > V > Se > Co > Cr > Ni > Pb. No manto variaram entre os 0,070 e 28 μg g-1 peso seco, com as concentrações variando da seguinte forma decrescente: Zn > Cu > Cr > As > V > Ni > Se > Cd > Pb > Co. Nos tentáculos, os contaminantes variaram entre os 0,13 e os 24 μg g-1 peso seco, com as concentrações variando da seguinte forma decrescente: Se > Zn > As > Cu > Cr> Ni > V > Cd > Co > Pb. Estes resultados em comparação com os de outros grupos de cefalópodes (nomeadamente chocos, polvos e outras lulas pelágicas) mostraram que as espécies pelágicas (lulas) apresentavam menores concentrações de Cd do que as espécies bentónicas (polvos) ou nectobentónicas (chocos). Essas diferenças podem ser atribuídas às diferentes concentrações de Cd nas suas presas, uma vez que as presas bentônicas (crustáceos e bivalves) têm maiores concentrações de Cd, do que os peixes que são presas preferenciais de espécies pelágicas. Em relação às espécies nectobentónicas e bentónicas, os sedimentos também podem ser uma via de acumulação - embora a transferência direta seja menor, podem atuar como uma fonte indireta de contaminantes. Por último, as diferenças com os nautilus podem estar relacionadas com diferentes tempos de vida, uma vez que os nautilus vivem entre os 10 e os 15 anos, enquanto os Coleoids (choco, lulas e polvos) vivem entre 1 a 3 anos. Embora a expectativa de vida da maioria dos cranchídeos não seja conhecida, não é provável que os indivíduos estudados atinjam essas idades. É importante notar que os músculos dos cranchídeos apresentaram maior variação e uma maior concentração do que as outras espécies de cefalópodes. Estes resultados não eram esperados e levanta a questão porque é que os cranchídeos concentram elevados níveis de alguns elementos nestes tecidos. A capacidade dos cefalópodes para concentrar altos níveis de metais sem um sinal de toxicidade, está associada a eficientes processos de desintoxicação que permitem reter os elementos de forma não metabolicamente disponível, limitando assim a sua toxicidade. Neste contexto, a glândula digestiva é um órgão complexo envolvido em várias funções, como digestão, secreção e desintoxicação (entre outros). Por ser considerado um tecido de armazenamento, é também um órgão-chave para a desintoxicação. Não surpreendentemente, mas com algumas exceções (por exemplo, Hg e As), a maioria dos contaminantes são encontrados em concentrações mais elevadas neste tecido. Pensa-se que inicialmente os contaminantes estão ligados a proteínas solúveis, o que implica que as células da glândula digestiva provavelmente estarão envolvidas na desintoxicação dos contaminantes. Esta associação com proteínas citosólicas, inibe as interações tóxicas de iões metálicos com locais de ligação sensíveis (proteínas, moléculas ou estruturas celulares). Além disso, uma vez que os metais como Ag, Cd, Cu, Hg e Zn têm uma alta afinidade para as metalotioninas, pensa-se que estas desempenham um papel fundamental na homeostasia dos metais essenciais, bem como um papel importante na tolerância dos organismos a elementos não-essenciais. Estudos anteriores mostraram que não é só o Cd, mas também outros contaminantes, como Co, Cr, Ni e V, são encontrados em concentrações mais elevadas na glândula digestiva do que no músculo. No entanto, nos cranchídeos, e apesar de o Co ter apresentado concentrações mais elevadas na glândula digestiva, o V, Cr e Ni apresentaram valores mais elevados no manto. Quanto às diferenças entre manto e tentáculos, estas podem ser devido a diferentes composições proteicas e respectivos sistemas enzimáticos, podendo explicar os resultados obtidos com os cranchídeos Em suma, o fato das lulas de vidro, que prosperam em ambientes pelágicos profundos, exibirem concentrações de contaminantes semelhantes aos encontrados nos cefalópodes costeiros (cujos habitats estão sujeitos a uma maior intervenção humana), é inesperado. Estes dados corroboram a ideia corrente de que esses ambientes remotos estão-se a tornar o principal acumulador de contaminantes no planeta.Trace elements are persistent and have been detected in a wide range of environments, including the deep-sea, where the concern is increasing, as it might act as a global sink for them. One group of cephalopods that thrive in such harsh environments, including the mesopelagic oxygen minimum zones, are the cranchiid (glass) squids. Although their anatomy and morphology is well understood, little is known about their biology and ecology. Elemental bioaccumulation has been greatly studied in many marine organisms and it has been shown that cephalopods have the ability to accumulate high levels of elements. The uptake of trace elements can occur from water, including suspended particulate matter, food and sediments. Because cephalopods display a short life span and high accumulation of trace elements, these characteristics may clearly reflect the ambient life conditions and indicators of environmental contamination. Yet, up to our knowledge, there is no information about trace elements in the deep cranchiid squids. Within this context, the aim of the present dissertation was to determined, for the first time, the concentrations of V, Cr, Co, Ni, Cu, Zn, As, Se, Cd and Pb in the digestive gland, mantle and tentacles of nine different cranchiid squids from the Cape Verde Exclusive Economic Zone in the Eastern Atlantic Ocean. Concomitantly, a comprehensive comparison with trace elements obtained in shallow-living cephalopod species (including cuttlefish, octopods and other squids) was also conducted. In general, trace elements in cranchiid digestive gland ranged between 0.07 and 17 μg-1 dw, with the following average concentrations in descending order: Zn > Cd > As > Cu > V > Se > Co > Cr > Ni > Pb. In the mantle ranged between 0.07 and 28 μg g-1 dw, with the following average concentrations in descending order: Zn > Cu > Cr > As > V > Ni > Se > Cd > Pb > Co. In the tentacles, trace elements ranged between 0.13 and 24 μg g-1 dw, with the following average concentrations in descending order: Se > Zn > As > Cu > Cr> Ni > V > Cd > Co > Pb. The high Cd levels in cranchiid squids may be related to the enriched environment around Cape Verde islands, with dissolved Cd being reinjected in the water column by the upwelling of subsurface waters. Additionally, another route of contamination could be from the Saharian dust deposition, which represents an important source of trace elements (Co, Ni, Zn and Cd) into the Atlantic Ocean. In the present work, it also became evident that benthic cephalopod species showed higher concentrations of Cd than the pelagic conspecifics. These differences could be attributed to distinct trophic ecologies (different trace elements concentrations on their preys). Previous studies have also shown that not only the Cd but also other trace elements, like Co, Cr, Ni and V are found at higher concentrations in the digestive gland (the major storage site and a key organ for detoxification) than in the muscle. These findings were not corroborated here, since while Cd and Co levels were higher concentrations in the digestive gland, V, Cr and Ni have higher concentration values in the mantle. Last, it is worth noting that the fact that glass (transparent) squids that thrive in deep pelagic environments display trace elements concentrations as high as those found in coastalcephalopods, which live in habitats exposed to enhanced anthropogenic forcing, is quite surprising. These findings corroborate the on-going notion that such remote environments are now the major global sink for contaminants in the planet