BIOCHEMICAL BIOMARKERS RESPONSES TO SUSPENDED AND RE-SUSPENDED PARTICLES IN SITU

Efthimia Cotou

1*

, Maria Koutsodimou

1

and Artemis Nikolaidou

2

1

Hellenic Centre for Marine Research (HCMR), 46.7 km, Athinon-Souniou Ave., P.O.Box 172, 190 13 Anavyssos – Greece 

* ecotou@ncmr.gr

2

Zoological laboratory, University of Athens, Panepistimiopolis, Athens 15771, Greece

Abstract 

Three biomarkers [acetylcholinesterase (AChE), glutathione S-transferase (GST) and metallothioneins (MTs)] were measured in Mytilus

galloprovincialisexposed to suspended and re-suspended particles in situ. Results provided not only temporal evidence that contaminants

have been sorbed in suspended and re-suspended particles which were bioavailable, but also indicated significant difference of biomarkers

responses between suspended and re-suspended particles.

Key-words: biomarker, AChE, GST, metallothionein, resuspension

Rapp. Comm. int. Mer Médit., 37,2004

183

Introduction

Contaminants that are present in marine environment are typically

free or bound on suspended particles and sedimentary materials where

they represent a source of chronic contamination and threat to pelagic

and benthic organisms. Sedimentary material may periodically

subjected to re-suspension processes resulting from natural events

such as storm occurrences or bioturbation and human activities like

dredging, shipping or trawling [1, 2]. The Mediterranean coastal

zones experience such events either by near-bed current activity and

breaking of internal waters or intense trawling operations resulting to

significant re-suspension release of nutrients, pollutants or other toxic

elements [3, 4]. Although these processes have been identified as

being significant only little work has been devoted to their effects on

biota [5]. The last decade biological effects are detected with tools

that can provide early warning signals caused by the wide variety of

contaminants present in the marine environment. Such tools are called

biomarkers and are indicative of contaminant exposure and/or effect.

The importance of measuring several biomarkers at the same time in

the same organism may enables not only a pertinent approach to

evaluating the effects of contaminants on individuals and the

bioavailability of toxicants, but also the source of the exposure. This

study was undertaken as a step in using biochemical biomarkers to

determine responses caused by contaminants sorbed in suspended and

re-suspended particlesin situ. 

Material and methods

A mooring device of a mud-hook, an auto-releaser and two bunches

of nets with 50 mussels (Mytilus galloprovincialis) each, was placed

in Thermaikos Gulf (northeastern Aegean Sea) and was exposed to

suspended and re-suspended matter for 20 days during September and

February 2001. The months correspond to periods of low and high re-

suspension events occurred in the area. Net bunches were connected

and suspended on a rope. One net was suspended at 10 m depth from

the surface while the second 5 m above the sea-bottom level (50m).

After collection, mussels were transferred to the lab and were stored

at –80

o

C till analysis. Three biochemical biomarkers were measured:

acetylcholinesterase (AChE), glutathione S-transferase (GST)

activities and metallothioneins (MTs) concentration. AChE as

indicative for organophosphorous and carbamates since it is inhibited

by their presence [6]. GST as indicative for organic compounds like

organochlorine pesticides and PCBs as inhibited in their presence [7]

and MTs concentration which increase in the presence of heavy

metals. Determinations were carried out as have been previously

described. AChE and GST were measured in the gills in the post-

mitochondrial fraction (S9). AChE was measured according to [8] as

modified by [9]. GST activity was determined according to [10]. MTs

concentrations were determined in the digestive gland of mussels

according to [11] and expressed as µg of MTs per gram tissue. AChE

and GST activities were expressed as nmoles/min/mg of S9 protein

(mg P). Protein concentration was determined according to [12]. 

Results and discussion

Results (average and standard deviation) of biomarkers responses

measured in the gills and digestive gland of mussels are shown in

Table 1. During the two periods (September, February), AChE

activities and MTs concentration values for samples placed near to the

surface level were slight decreased, and GST activities for similar

samples were increased. These results were mainly related to the

seasonal variation and to the different life cycle of the mussels which

have also been reported by others [7, 9, 11]. It is however notable for

samples placed near to the bottom level during February since

biomarkers responses were significantly decreased compared to all the

other samples. Decreases of approximately 37%, 25% and 7% were

indicated for AChE, GST and MTs, respectively. It is clear from the

data shown that biomarker responses provided not only temporal

evidence that contaminants have been sorbed in suspended and re-

suspended particles and were bioavailable but also indicated the

source of the exposure (i.e. suspended and/or re-suspended particles). 

Table 1. Biochemical biomarker responses of Mytilus galloprovincialis

exposed to suspended and re-suspended particles in situ.

References

1-Campbell P.G.C., Lewis A.G., Chapman P.M., Crowder A.A., Fletcher

W.K., Imber B., Luoma S.N., Stokes P.M., Winfrey M., 1988. Biologically

available metals in sediments. National Research Council of Canada, Publ.

No. NRCC 27694, Ottawa, Ontario, Canada.

2-Smart M.M., Rada R.G., Nielsen D.N., Cla?in T.O., 1985. The effect

of commercial and recreational traffic on the resuspension of sediment in

Navigation Pool 9 of the upper Mississippi River. Hydrobiologia,126:

263-274.

3-Puig P., Palanques A., 1998. Nepheloid structure and hydrographic

control on the Barcelona continental margin, northwestern Mediterranean.

Marine Geology,149: 39-54.

4-Chronis G., Lykousis V., Georgopoulos D., Zervakis V., Stavrakakis S.,

Poulos S., 2000. Suspended particulate matter and nepheloid layers over

the southern margin of the Cretan Sea (N.E. Mediterranean): seasonal

distribution and dynamics. Prog. Oceanog.,46: 163-185. 

5-Fichet D., Radenac G., Miramand P., 1998. Experimental studies of im-

pacts of harbour sediments resuspension to marine invertebrates larvae: bio-

availability of Cd, Cu, Pb and Zn and toxicity. Mar. Poll. Bull.,36: 509-518.

6-Galgani F., Bocquene G., 1989. A method for routine detection of

organophosphates and carbamates in sea water. Environ. Technol. Lett., 10:

311-322.

7-Fitzpatrick P.J., O’Halloran J., Sheeham D., Walsh A.R., 1997.

Assessment of glutathione S-transferase and related proteins in the gill and

digestive gland of Mytilus edulis(L) as potential organic pollution

biomarkers. Biomarkers,2:51-56.

8-Ellman G.L., Courtney K.D., Andreas V., Featherstone R.M., 1961. A

new and rapid colorimetric determination of AChE activity. Biochem.

Pharmacol., 7:88-95.

9-Galgani F., Bocquene G., 1991. Semi-automated colorimetric and

enzymatic assays for aquatic organisms using microplate readers. Water

Res., 25:147-150.

10-Habig W.H., Pabst M.J., Jakobi W.B., 1974. Glutathione S-

transferases: the first enzymatic step in mercapturic acid formation. J.

Biol. Chem., 249:7130-7139.

11-Viarengo A., Ponzano E., Dondero F., Fabbri R., 1997. A simple

spectrophotometric method for metallothionein evaluation in marine

organisms: an application to Mediterranean and Antarctic mollusks. Mar.

Environ. Research,44: 69-84. 

12-Bradford M., 1979. A rapid and sensitive method for the

quantification of microgram quantities of protein utilizing the principle of

protein-dye binding. Anal. Biochem., 72:248-254.