Assessing the spatial pattern of a river water quality in southern Brazil by multivariate analysis of biological and chemical indicators / Avaliação do padrão espacial da qualidade da água de um rio no Sul do Brasil por meio da análise multivariada de indicadores biológico e químicos

Abstract This study assessed the genotoxicity and chemical quality of the Rio dos Sinos, southern Brazil. During two years, bimonthly, cuttings of Tradescantia pallida var. purpurea with flower buds were exposed to river water samples from Caraá, Santo Antônio da Patrulha, Taquara and Campo Bom, which are municipalities located in the upper, middle and lower stretches of the Rio dos Sinos basin. Simultaneously, chemical parameters were analyzed, rainfall data were surveyed and negative (distilled water) and positive (0.1% formaldehyde) controls were made. Micronuclei (MCN) frequencies were determined in tetrads of pollen grain mother cells. From the upper stretch toward the lower, there was an increase in the frequency of MCN and in concentrations of chemical parameters. Cadmium, lead, copper, total chromium and zinc were present at the four sites and a concentration gradient was not demonstrated along the river. The multivariate analysis revealed that two principal components exist, which accounted for 62.3% of the observed variances. Although genotoxicity was observed in Santo Antônio da Patrulha, the water presented higher mean values for most of the assessed parameters, in the lower stretch, where urbanization and industrialization are greater. The spatial and temporal pattern of water quality observed reinforces the importance of considering the environmental factors and their effects on organisms in an integrated way in watercourse monitoring programs.

Resumo Este estudo avaliou a genotoxicidade e a qualidade química do Rio dos Sinos, Sul do Brasil. Durante dois anos, com periodicidade bimensal, ramos de Tradescantia pallida var. purpurea com botões florais foram expostos a amostras de água do rio de Caraá, Santo Antônio da Patrulha, Taquara e Campo Bom, municípios localizados nos trechos superior, médio e inferior da Bacia do Rio dos Sinos. Simultaneamente, foram analisados parâmetros químicos, levantados dados de precipitação e realizados controles negativos (água destilada) e positivos (0,1% formaldeído). Frequências de micronúcleos (MCN) foram determinadas em tétrades de células-mãe de grão de pólen. Do trecho superior em direção ao inferior, foi observado aumento da frequência de MCN e na concentração de parâmetros químicos. Cádmio, chumbo, cobre, cromo total e zinco estiveram presentes nos quatro pontos amostrais, sem apresentar um gradiente de concentração ao longo do rio. A análise multivariada demonstrou a existência de dois componentes principais que explicaram 62,3% das variâncias observadas. Embora em Santo Antônio da Patrulha tenha sido observada genotoxicidade, a água do Rio dos Sinos apresentou valores médios superiores para a maioria dos parâmetros avaliados no trecho inferior, onde a urbanização e a industrialização são maiores. O padrão espacial e temporal de qualidade da água observado reforça a importância de considerar os fatores ambientais e seus efeitos nos organismos de forma integrada em programas de monitoramento de cursos hídricos.

Integrated Environmental Assessment of streams in the Sinos River basin in the state of Rio Grande do Sul, Brazil / Avaliação Ambiental Integrada de arroios da bacia do Rio dos Sinos no Estado do Rio Grande do Sul, Brasil

The deterioration of environmental quality in the Sinos River basin is directly associated with the impacts of intense industrialization and urbanization. An integrated environmental assessment (IEA) was conducted in July and September of 2012, in areas along the sources of the EstânciaVelha/Portão, Pampa and Schmidt streams using physical, chemical and biological methods. The water in the three sampling sites was not proper for human consumption, presented a low toxic contamination index (TCI) and mesotrophic characteristics. One site was included in Class 4, and two, in Class 3, according to current legislation. The rapid assessment protocol (RAP) indicated a natural environmental condition for habitat diversity and environmental impact in the three sites. The Tradescantia pallida (Rose) D.R. Hunt var. purpurea Boom biomarker showed water genotoxicity in two of the sites. The integrated diagnosis of water quality in these streams is fundamentally important to ensure the sustainable management of water resources and their multiple uses, as well to estimate their contribution to pollution in this river basin.

A deterioração da qualidade ambiental da bacia do Rio dos Sinos está diretamente associada a impactos oriundos da intensa industrialização e urbanização. A avaliação ambiental integrada (AAI) foi realizada nos meses de julho e setembro de 2012, em áreas junto às nascentes dos arroios Estância Velha/Portão, Pampa e Schmidt por meio de metodologias que utilizam parâmetros físicos, químicos e biológicos. Os três sítios amostrais apresentaram águas impróprias para o consumo humano, baixo índice de contaminação por tóxicos (ICT) e características mesotróficas. Um sítio foi enquadrado na Classe 4 e dois na Classe 3, segundo a legislação vigente. Os resultados da aplicação do protocolo de avaliação rápida (PAR) indicaram uma situação ambiental natural, quanto à diversidade de habitats e aos impactos ambientais, nos três sítios amostrados. O biondicador Tradescantia pallida (Rose) D.R. Hunt var. purpurea Boom evidenciou genotoxicidade da água em dois sítios amostrados. O diagnóstico integrado da qualidade das águas destes arroios é de fundamental importância para assegurar o gerenciamento sustentado dos recursos hídricos e seus múltiplos usos, além de estimar sua contribuição à poluição desta bacia hidrográfica.

Biomonitoring of water genotoxicity in a Conservation Unit in the Sinos River Basin, Southern Brazil, using the Tradescantiamicronucleus bioassay / Biomonitoramento da genotoxicidade da água em uma Unidade de Conservação na Bacia do Rio dos Sinos, Sul do Brasil, utilizando o bioensaio de micronúcleo em Tradescantia

The Tradescantia micronucleus (Trad-MCN) bioassay was used to investigate genotoxicity of water bodies in the Parque Municipal Henrique Luís Roessler (PMHLR), a conservation unit in the city of Novo Hamburgo, Southern Brazil, from November 2010 to October 2011. Every month, cuttings with young inflorescences of Tradescantia pallida var. purpurea were exposed for 24 hours to water collected at three sites in the park: (S1) head of the main stream; (S2) head of a secondary stream; (S3) a point past the junction of the two water bodies in which S1 and S2 were located. As a negative control, cuttings were exposed to distilled water for 24 h every quarter. Micronuclei (MCN) frequency was determined in young tetrads of pollen mother cells and described as MCN/100 tetrads. Rainfall data were also recorded. In nine months at S1 and S2, and in eleven months at S3, micronuclei frequencies were significantly higher than in quarterly controls, in which frequencies varied from 1.19 to 1.62.

During sampling, no significant differences were found in MCN frequencies at S1, which ranged from 2.2 to 3.6. At the other sampling sites, there were significant differences between the months evaluated, and MCN frequencies ranged from 1.3 to 6.5 at S2 and from 2.3 to 5.2 at S3. There were no associations between rainfall and MCN frequencies at the three sampling sites. Tradescantia pallida var. purpureaconfirmed genotoxicity in the water bodies of the PMHLR, even at the head of the streams, which suggests that actions should be promoted to control anthropogenic effects in the streams of this conservation unit.

O bioensaio de micronúcleo em Tradescantia (Trad-MCN) foi utilizado para investigar a genotoxicidade de corpos d'água no Parque Municipal Henrique Luís Roessler (PMHLR), uma Unidade de Conservação no município de Novo Hamburgo, Sul do Brasil, de novembro de 2010 a outubro de 2011. Mensalmente, ramos com inflorescências jovens de Tradescantia pallida var. purpurea foram expostos por 24 horas a amostras de água coletadas em três pontos de cursos d’água no interior do parque: (S1) nascente do principal curso d’água; (S2) nascente de um curso d’agua secundário; (S3) ponto situado após a junção dos corpos d’água em que S1 e S2 estavam localizados. Como controle negativo, ramos foram expostos à água destilada por 24 h, com periodicidade trimestral. Frequências de micronúcleos (MCN) foram determinadas em tétrades jovens de células-mãe de grãos de pólen e expressas como MCN/100 tétrades. Dados de precipitação também foram registrados durante o experimento. Foram observadas frequências de MCN significativamente superiores em nove meses em S1 e S2 e em onze meses em S3 quando comparadas às frequências nos controles trimestrais, que variaram de 1,19 a 1,62. Durante o período de amostragem, não foram encontradas diferenças significativas nas frequências de MCN em S1, que variaram de 2,2 a 3,6. Nos demais pontos amostrais, houve diferenças significativas entre os meses avaliados para as frequências de MCN, que variaram de 1,3 a 6,5, em S2, e de 2,3 a 5,2, em S3. Não foi verificada relação entre a pluviosidade e as frequências de MCN observadas nos três pontos amostrais. Tradescantia pallida var. purpurea indicou haver genotoxicidade nos corpos hídricos do PMHLR, inclusive junto às nascentes, indicando a necessidade de ações que visem ao controle do efeito antropogênico sobre a água nesta unidade de conservação.

Genotoxicity on Tradescantia pallida var. purpurea plants exposed to urban and rural environments in the metropolitan area of Porto Alegre, southern Brazil / Genotoxicidade em plantas de Tradescantia pallida var. purpurea expostas a ambientes urbano e rural na área metropolitana de Porto Alegre, Região Sul do Brasil

The Trad-MCN bioassay was used to investigate the genotoxicity on Tradescantia pallida var. purpurea plants exposed to variations in the environmental conditions in urban and rural sites in the metropolitan area of Porto Alegre, southern Brazil, over a one-year period. In spring 2009 and in summer, autumn and winter 2010, potted plants of T. pallida var. purpurea were exposed at two sites with different characteristics: the urban area of the municipality of Estância Velha, with leather and footwear industrial activity, and a Site of Special Environmental Interest in the rural area of the municipality of Novo Hamburgo. Other plants comprised the control group and were kept indoors. Frequencies of micronuclei (MCN) were determined in early tetrads of pollen mother cells and expressed as MCN/100 tetrads. Climate data were also registered during the experiment. MCN frequencies in the urban area were significantly higher (up to 8.13) than those found in the rural area (up to 1.26) and in the control group (up to 1.10), which did not differ statistically from each other over the year. The higher MCN frequencies observed in the urban site can be attributed to air pollution, but also may have been influenced by microclimatic and daily thermal variation differences between sites. Higher temperatures recorded in spring and summer may have influenced MCN frequencies observed in the urban site. No clear relation was observed between rainfall and MCN frequencies. Similar and high relative humidity percentages were registered over the period of the study. Considering that the bioindicator plant presents an integrated response to abiotic factors such as pollutants and weather conditions, it can be used as an additional tool that can point to synergistic effects of environmental variables on organisms.

O bioensaio Trad-MCN foi utilizado para investigar a genotoxicidade em plantas de Tradescantia pallida var. purpurea expostas a variações nas condições ambientais, em uma área urbana e uma área rural, na região metropolitana de Porto Alegre, Região Sul do Brasil, durante o período de um ano. Na primavera de 2009 e no verão, no outono e no inverno de 2010, plantas de T. pallida var. purpurea em vasos foram expostas em dois pontos amostrais, com diferentes características: a área urbana do município de Estância Velha, com atividade industrial do setor coureiro calçadista, e uma Área de Especial Interesse Ambiental (AEIA), na zona rural do município de Novo Hamburgo. Outras plantas compuseram o grupo controle e foram mantidas em ambiente interno. Frequências de micronúcleos (MCN) foram determinadas em tétrades jovens de células-mãe de grãos de pólen e expressas como MCN/100 tétrades. Dados climáticos também foram registrados durante o experimento. As frequências de MCN na área urbana foram significantemente superiores (até 8,13) àquelas encontradas na área rural (até 1,26) e no grupo controle (até 1,10), as quais não diferiram estatisticamente entre si ao longo do ano. As maiores frequências de MCN observadas na área urbana podem ser atribuídas à poluição atmosférica, mas também podem ter sido influenciadas por diferenças microclimáticas e de variação térmica diária entre áreas. Temperaturas mais altas registradas na primavera e no verão podem ter influenciado as frequências de MCN observadas na área urbana. Não foi observada uma clara relação entre a pluviosidade e as frequências de MCN. Similares e altas porcentagens de umidade relativa foram registradas ao longo do período de estudo. Considerando‑se que a planta bioindicadora apresenta uma resposta integrada a fatores abióticos, tais como poluentes e condições climáticas, esta pode vir a ser utilizada como uma ferramenta adicional, que pode apontar para efeitos sinérgicos de variáveis ambientais sobre os organismos.

Ability of Allium cepa L. root tips and Tradescantia pallida var. purpurea in N-nitrosodiethylamine genotoxicity and mutagenicity evaluation

N-nitroso compounds, such as N-nitrosodiethylamine (NDEA), can be formed by the reaction of secundary amines with nitrosating agents, and are suspected to be involved in tumors in humans. NDEA has been considered a weak carcinogen in genotoxic assays probably due to the inefficient nitrosamine activation system that is used and/or to the efficient repair system. In this work, we evaluated the sensibility of Allium cepa L. root tips and Tradescantia stamen hair mutation assay (Trad-SH) using Tradescantia pallida var. purpurea for NDEA (0.1; 0.5; 5 and 25mM) genotoxicity and mutagenicity induction. Allium cepa L. was treated with different NDEA concentrations for 3h, for 3 consecutive days, including negative control (distilled water) and positive control maleic hydrazide (MH 30mg/mL). After treatment, the roots were hydrolyzed, squashed, and the mitotic index (MI) and cytological abnormalities were scored. The results revealed a cytostatic effect of NDEA (0.5 and 5mM), showing a significant reduction in the MI. Chromosome stickiness suggests a NDEA toxic effect. T. pallida purpurea did not respond to mutagens with a dose-dependent pattern. In conclusion, our study indicates that the root tips of Allium cepa L. have sensibility to detect NDEA genotoxicity, but not for Trad-SH test.

Nitrocompostos, como N-nitrosodietilamina (NDEA), podem ser formados pela reação entre uma amina secundária e agentes nitrosantes e são suspeitos de estarem envolvidos na formação de tumores em humanos. NDEA é considerada um carcinógeno fraco e ensaios genotóxicos provavelente pela utilização de um sistema de ativação ineficiente e/ou pela utilização de um eficiente sistema de reparo. Neste trabalho, nós avaliamos a sensibilidade de ensaios com Alliu cepa L. e Tradescantia pallida var. purpurea (Trad-SH) à genotoxicidade e mutagenicidade induzidas por diferentes concentrações de NDEA (0,1; 0,5; 5 e 25mM) por 3h, por 3 dias consecutivos, incluindo controle negativo (água destilada) e controle positivo, hidrazida maleica (MH 30mg/mL). Depois do tratamento, as raízes foram hidrolizadas, esmagadas e o índice mitótico (IM) e anormalidades citológicas foram contadas. Os resultados revelaram um efeito citostático de NDEA (0,5 e 5mM), pela significante redução do IM. Chromosome stickiness sugere um efeito citotóxico de NDEA. T pallida purpurea não respondeu ao mutágeno com um padrão dose dependente. Em conclusão, nossos estudos indicaram que raízes de Allium cepa L. possue sensibilidade na detecção genotóxica de NDEA, mas não para o ensaio Trad-SH.