INFLUENCE OF ORGANIC AND METALLIC POLLUTION ON ANTIOXIDANT ENZYME LEVELS 

OF THE MEDITERRANEAN MUSSEL MYTILUS GALLOPROVINCIALIS

Fernandez B., Benedicto J. and Campillo J.A.*

Instituto Español de Oceanografía. IEO. 30740. San Pedro del Pinatar. Murcia. Spain - bea.fernandez@mu.ieo.es

Abstract

The aim of this study was to evaluate the usefulness of antioxidant enzyme levels as a biomarker of exposure to environmental pollutants

in Mediterranean mussel, Mytilus galloprovincialis. The relation of antioxidant enzymes with contaminant body burden (PAHs, PCBs,

DDTs and heavy metals) were determined. The examined biological responses included the activities glutatione reductase (GRx),

selenium-dependent glutathione peroxidase (Se-GPx), non-selenium-dependent glutathione peroxidase (total-GPx), catalase (CAT),

superoxide dismutase (SOD) and DT-diaphorase (DTD).

Keywords: Mediterranean Sea, Mytilus galloprovincialis, antioxidant enzymes

Rapp. Comm. int. Mer Médit., 37,2004

194

Introduction

Bivalve molluscs, and in particular mussel, are widely used as

sentinels for pollution monitoring in coastal environments. These

filter-feeding sedentary species are known to accumulate high levels

of contaminants in their tissues.

Several studies have been carried out to identify alterations which

could represent useful diagnostic biomarkers of exposure to

contaminants or toxicity induced by selected classes of toxicants. In

this context, the accumulation of contaminants in mussels tissues

could enhance the levels of reactive oxygen species. Specific

antioxidant enzymes such as CAT, SOD or DTD function to prevent

the formation of oxyradicals, thus protecting the organisms from

oxidative stress. This work examines the effects of environmental

levels of organic and metallic pollutants on antioxidant enzymes in

Mytilus galloprovincialis, to support the use of this biochemical

responses as biomarkers of exposure in monitoring pollution studies.

Material and methods

Mussels, Mytilus galloprovincialis(3-4 cm) were sampled in May-

June 2001 from fifteen sites of the Iberian Mediterranean Coast

(Fig.1). Animals were collected and their digestive glands dissected

out for biochemical analysis and frozen in liquid nitrogen. 

Fig. 1.

Map of

study 

area and

sampling

sites.

Enzyme measurements were carried out on cytosolic fractions

prepared by differential centrifugation (1), on five pools constituted

by the organs of eight individuals. CAT, SOD, GRx, Se-GPx and total-

Se-GPx activities were measured essentially as described by Regoli

and Principato (2); DTD activity was assayed as reported by Benson

et al.(3). 

The chemical data (PCBs, PAHs and heavy metals) used for

correlation studies were determined in whole mussel tissues and

belong to the chemical monitoring study made by IEO. 

Results and discussion

The results of the correlation analysis showed a significant positive

correlation between the different enzymatic activities studied (Fig. 2).

GRx activity correlated with antioxidant activities SOD, DTD and

CAT, while Se-GPx activity showed an important correlation with

total-GPx activity. These correlations indicate a similar induction

pattern in the different mussel populations. 

Comparisons between the chemical and biochemical data were

made in order to establish the in?uence of PAHs, PCBs and metals

concentrations on the enzymatic responses (Fig. 2). Zinc was

positively correlated to CAT, SOD and GRx activities, while cadmium

levels were correlated to SOD activity. However, no significant

relationship was observed between Cu and the biochemical responses.

By the contrary, several studies with transplanted and Cu-exposed

mussels showed a decrease of antioxidant activities in digestive gland

(2). This finding suggests that the induction of the antioxidant

activities is an adaptation mechanisms in mussels chronically exposed

to Zn and Cd. 

Fig. 2.

Correlation

matrix of

enzymatic

activities,

organic

contami-

nants and

metals.

These activities were also markedly in?uenced by environmental

levels of organic pollutants. GRx and CAT activities displayed a

negative correlation with PAHs, PCBs and DDTs concentrations,

while DTD and SOD activities showed a similar negative correlation

with PAHs and DDTs, respectively. These results agree with the

decrease on antioxidant enzymes detected in transplanted mussels to

areas contaminated by PAHs, PCBs and DDT (4). 

Conclusion

This study shows an important relationship between antioxidant

enzymes and exposure to organic contaminants and heavy metals.

Whereas Cu and Zn exposure increased some of these enzymatic

activities, the accumulation of organic contaminants depressed the

antioxidant defences. This general decrease of the antioxidant

parameters may reveal a toxic effect on these organisms. Thus, this

results support the use of antioxidant enzymes as biomarkers of the

biological effects of pollutants in marine environment.

References

1-Stegeman J.J., 1985. Benzo(a)pyrene oxidation and microsomal

enzyme activity in the mussel (Mytilus edulis) and other bivalve mollusc

species from the Western North Atlantic. Mar. Biol., 89:21-30.

2-Regoli F. and Principato G., 1995. Glutathione, glutathione-dependent

and antioxidant enzymes in mussel, Mytilus galloprovincialis, exposed to

metals under field and laboratory conditions: Implications for the use of

biochemical biomarkers. Aquat.Toxicol., 31:143-164.

3-Benson A.M., Hunkeler M.J. and Talalay P., 1980. Increases of

NAD(P)H: quinone reductase by dietary antioxidants. Possible role in

protection against carcinogenesis and toxicity. Proc. Natl Acad. Sci., 77:

5216-5220.

4-Cossu C., Doyotte A., Babut M., Exinger A. and Vasseur P., 2000.

Antioxidant biomarkers in freshwater bivalves, Unio tumidus, in response

to different contamination profiles of aquatic sediments. Ecotoxicol.

Environ Saf., 455:106-121