Ecotoxicity of plant extracts

Since ancient times, plants have been used by mankind as an important source of bioactive compounds with different uses ranging from traditional medicine, food, perfumery, and cosmetics. Currently, its use spreads to almost all economic sectors and new applications keep emerging. One of the great applications of compounds that can be extracted from plants is obtained in the form of essential oil. Plants that produce essential oils do it naturally and this production is linked to many factors such as response to stress, as a defence against pathogen attacks and even as a way to attract pollinators that play an important role in the reproduction of the plant, being also linked to the environmental and ecological conditions of the area in which the plant grows. These essential oils are obtainable industrially from the plants that produced them by a distillation process or in certain cases by a mechanical process. During the distillation process to obtain essential oils, another economically interesting product can be attained: hydrolates, which are generally composed of more hydrosoluble molecules that remain in the distillation water. Another product that can be obtained from plants are extracts, which are extracted by treating parts of a plant with a solvent. Global essential oil production has been continuously increasing over the last decade and it is expected to continue rising over the next years. This growing production can be linked to the ever-bigger demand by consumers for natural products. From an academic point of view, it can also be said that research for new compounds and new applications of products extracted from plants has been increasing. In this way, the “InovEP Project – Innovation with Plant Extracts” has the goal to connect the university and the industry, providing scientific knowledge that can be used by companies linked to the production of essential oils and other plant extracts, as well as companies that want to use these products to develop new applications based in scientific evidence. Among the studies performed, one of the goals is to study the environmental safety of these products. The work described in this dissertation focused on the ecotoxicological evaluation of essential oils, hydrolates and extracts obtained from several plants studied in the project: Cistus ladanifer; Cupressus lusitanica, Echinacea purpurea, Eucalyptus globulus, Hamamelis virginiana, Helichrysum italicum, Humulus lupulus, Matricaria chamomilla, Ocimum basilicum, Thymbra capitata, Thymus citriodorus and Syzygium aromaticum. The tests performed focused on the acute toxicity towards aquatic organisms using the cladoceran Daphnia magna as model organism. Commonly called “water-flea”, D. magna is one of the recommended organisms to perform toxicity tests in aquatic systems by several international organizations such as the European Union (EU), Organization for Co-operation and Economic Development (OECD), the American Society for Testing and Materials (ASTM), and the International Organization for Standardization (ISO). The results, in general, show that essential oils can cause effects at lower concentrations when compared to the studied extracts and hydrolates. The S. aromaticum essential oil caused effects at lower concentrations, followed by the T. capitata essential oil, E. globulus essential oil and C. ladanifer essential oil. Of all the essential oils, only the one from H. italicum did not cause effects up to the highest concentration tested. Of all the H. lupulus extracts tested, immobilisation of the test organisms was only observed with high concentrations of the chloroform extract, obtained from the flowers. All the other extracts did not cause immobilisation up to the highest concentrations tested, and the same trend was observed with all the hydrolates tested. In terms of classification of the acute toxicity of essential oils, extracts and hydrolates, the GHS (Globally Harmonized System for Classification and Labelling of Chemicals) proposed by the United Nations was followed, which is also used in the European Union. Thus, the S. aromaticum essential oil can be classified as toxic to aquatic systems under the “Acute 2” category, and the T. capitata and E. globulus essential oils under the “Acute 3” category. The essential oils from C. ladanifer, H. italicum and all the extracts and hydrolates tested can not be classified, being considered not toxic, as the obtained results are above the classification limits proposed in the GHS. The S. aromaticum, T. capitata and E. globulus essential oils can cause acute adverse effects in aquatic systems, particularly in organisms in the same trophic level as D. magna, and so, precautions should be taken to avoid accidental or intentional contaminations of aquatic systems. For the other essential oils, extracts and hydrolates, the same precautions should be taken since, although they can not be classified as toxic, the effects that they can cause in organisms from different trophic levels remain unknown.Desde a antiguidade, as plantas têm sido utilizadas pela Humanidade como uma importante fonte de compostos bioativos com diversas utilizações desde a medicina tradicional, passando pela alimentação, perfumaria e cosmética. Atualmente, a sua utilização distribui-se por quase todos os setores económicos e novas aplicações continuam a emergir. Algumas das mais importantes aplicações de compostos bioativos extraídos de plantas são realizadas recorrendo a óleos essenciais. Plantas que produzem óleos essenciais fazem-no naturalmente e esta produção está ligada a diversos fatores como resposta a stress, defesa contra ataques de agentes patogénicos e até como forma de atrair polinizadores que desempenham um papel fundamental na reprodução da planta, estando também ligada às condições ambientais e ecológicas em que a planta cresce. Estes óleos essenciais são obtidos industrialmente das plantas que os produzem por um processo de destilação ou em certos casos por um processo mecânico. Durante o processo de destilação para a obtenção de óleos essenciais, outro produto com interesse económico pode ser obtido: os hidrolatos, que são geralmente compostos por moléculas mais hidrossolúveis que permanecem na água de destilação. Outro produto que pode ser obtido das plantas são os extratos, que são obtidos através do tratamento de partes específicas de uma planta com um solvente. A produção global de óleos essenciais tem crescido continuamente ao longo da última década e estima-se que esta tendência continue nos próximos anos. Esta crescente produção pode ser ligada à cada vez maior preocupação por parte dos consumidores na utilização de compostos naturais. Do ponto de vista académico, também podemos afirmar que a pesquisa por novos compostos e novas aplicações de produtos extraídos de plantas tem mostrado uma tendência crescente. Desta forma, o Projeto “InovEP – Inovação com Extratos de Plantas” tem como objetivo fazer a ligação entre a academia e a indústria, produzindo conhecimento científico que possa ser utilizado por empresas ligadas à produção de óleos essenciais e outros extratos de plantas, assim como empresas que queiram utilizar estes produtos para desenvolver novas aplicações baseando-se em evidências científicas. Entre os vários estudos efetuados, um deles tem como objetivo o estudo da segurança ambiental destes produtos. O trabalho descrito na presente dissertação focou-se em avaliar os efeitos ecotoxicológicos de óleos essenciais, hidrolatos e extratos obtidos de várias plantas estudadas no projeto: Cistus ladanifer; Cupressus lusitanica, Echinacea purpurea, Eucalyptus globulus, Hamamelis virginiana, Helichrysum italicum, Humulus lupulus, Matricaria chamomilla, Ocimum basilicum, Thymbra capitata, Thymus citriodorus e Syzygium aromaticum. Os testes realizados focaram-se na toxicidade aguda em organismos aquáticos utilizando como organismo modelo o cladócero Daphnia magna. Popularmente chamada de “pulga de água”, é um dos organismos preferenciais para a realização de testes de toxicidade em ambiente aquático e é recomendada por várias organizações internacionais como a União Europeia (UE), a Organização para a Cooperação e Desenvolvimento Económico (OCDE), a Sociedade Americana para a Testagem e Materiais (ASTM) e a Organização Internacional para Padronização (ISO). De uma forma geral, os resultados obtidos demostraram que os óleos essenciais são capazes de causar efeitos em concentrações mais baixas comparativamente aos extratos e aos hidrolatos estudados. O óleo essencial de S. aromaticum foi o que causou efeitos a concentrações mais baixas, seguido pelo óleo essencial de T. capitata, óleo essencial de E. globulus e óleo essencial de C. ladanifer. De todos os óleos essenciais apenas o de H. italicum não causou efeitos até à máxima concentração testada. De todos os extratos de H. lupulus testados, apenas se verificou imobilização dos organismos teste com o extrato clorofórmico, obtido das flores da planta, a altas concentrações. Todos os outros extratos não causaram imobilização até às máximas concentrações testadas, verificando-se a mesma tendência com todos os hidrolatos testados. Em termos de classificação da toxicidade aguda dos óleos essenciais, extratos e hidrolatos testados foi seguido o sistema GHS (Globally Harmonized System for Classification and Labelling of Chemicals) proposto pelas Nações Unidas e utilizado também na União Europeia. Assim o óleo essencial de S. aromaticum pode ser classificado como tóxico para sistemas aquáticos na categoria “Agudo 2”, e os óleos essenciais de T. capitata e E. globulus na categoria “Agudo 3”. Os óleos essenciais de C. ladanifer, H. italicum, tal como todos os extratos e hidrolatos testados não podem ser classificados, sendo considerados não tóxicos, uma vez que os resultados obtidos são superiores aos limites de classificação propostos pela GHS. Os óleos essenciais de S. aromaticum, T. capitata e E globulus podem causar efeitos agudos adversos em sistemas aquáticos, particularmente em organismos do mesmo nível trófico que D. magna e precauções devem ser tomadas de forma a evitar contaminações acidentais ou intencionais de sistemas aquáticos. Para os restantes óleos essenciais, extratos e hidrolatos, as mesmas precauções devem ser tomadas uma vez que, apesar de não serem classificados como tóxicos, os efeitos que podem causar em organismos de outros níveis tróficos são ainda desconhecidos