Inorganic elements in marine turtles (Lepidochelys olivacea) from "La escobilla" beach (Mexico) and biomarkers related to heavy metal pollutants)

Abstract

The principal objective of this Doctoral Thesis was the evaluation of Lepidochelys olivacea marine turtles regarding the presence and possible effects of inorganic elements (including heavy metals), in a population from Southern Pacific Mexican coast. The specific objectives were: (1) Study the current situation about heavy metals and other inorganic elements in blood and tissues of Olive Ridley turtle (Lepidochelys olivacea) around the world. (2) Biomonitoring inorganic element concentrations in blood from live and different tissues from death turtles from La Escobilla beach (Oaxaca, Mexico), during 3 years (2012 to 2014). (3) Assess biochemical and molecular biomarkers related to inorganic elements. (4) Assess a possible morphological biomarker using the carapace of the turtles.

The first part (introduction) offers both an overview of the topic addressed in the thesis, and a complete insight of the study area and targeted species. It includes an oceanographic and geomorphological description of the natural sanctuary of La Escobilla beach (Mexico), as well as important aspects of the biology and ecology of the targeted species Lepidochelys olivacea.

Chapter I is an in-deep review of metal pollution in the existing seven species of sea turtles. It offers a background information for ongoing and future biomonitoring programs and for the conservation of these species.

Chapters II and III are biomonitoring studies of metal contamination in the endangered turtle L. olivacea from the Pacific coast of Mexico along the period 2012-2014. In these chapters, the largest number of individuals ever analyzed in a single population of marine turtles were studied, including live and dead animals. This allowed to analyze a high number of organs and animal tissues such as blood, liver, kidney, bone, muscle, brain and egg components. Another highlight is the wide set of essential and non-essential inorganic elements analyzed, including emergent and under-studied elements in marine turtles.

The analysis of metal accumulation in turtle tissues is combined with molecular, biochemical and morphological analyses to assess the effects on turtles’ health (Chapters IV, V and VI). The antioxidant defense system of the sampled turtles was studied at the molecular and biochemical levels by analyzing the level of expression of antioxidant related genes as well as the activity of the associated antioxidant enzymes (Chapter IV). Biochemical indicators and their correlation with the metal content in different animal tissues are included in Chapters V and VI. These integrative approaches offer novel and valuable insights about the level of stress produced by the accumulation of metals and metalloids on L. olivacea, and provide a useful tool for improving diagnosis and care of recued turtles.

Finally, Chapter VII proposes a new marine biomarker of pollution based in the asymmetry of the turtles’ carapace, the developmental instability index. It was conducted on the basis of photographs, being therefore non-invasive, and allowing for the characterization of large number of individuals due to the low cost of the technique. Although the proposed index still needs validation, the results issued in this chapter are quite promising.

In summary, Lepidochelys olivacea from La Escobilla beach seem to be very highly contaminated with certain inorganic elements. In particular, the very high Cd concentrations require special attention and follow up studies. Several significant relationships were also detected relating different biomarkers with some elements. These results demonstrated which tissues are preferable in the measurement of different biochemical or molecular markers. This thesis also provided very complete databases for biochemical and molecular parameters and inorganic elements for future research and for assessing the health of rescue individuals in this area. Additionally, we developed a new tool to assess the asymmetry of the carapace of the individuals using just a single photo, an option which greatly simplifies fieldwork in this area. El objetivo principal de esta Tesis Doctoral fue la evaluación de las tortugas marinas Lepidochelys olivacea en cuanto a la presencia y posibles efectos de elementos inorgánicos (incluyendo metales pesados) en una población de la costa mexicana del Pacífico Sur. Los objetivos específicos fueron: (1) Estudiar la situación actual de los metales pesados y otros elementos inorgánicos en la sangre y los tejidos de la tortuga verde (Lepidochelys olivacea) en todo el mundo. (2) Biomonitorización de concentraciones de elementos inorgánicos en sangre de tejidos vivos y diferentes de tortugas mortales de la playa de La Escobilla (Oaxaca, México), durante 3 años (2012 a 2014). (3) Evaluar biomarcadores bioquímicos y moleculares relacionados con elementos inorgánicos. (4) Evaluar un posible biomarcador morfológico utilizando el caparazón de las tortugas.

La primera parte (introducción) ofrece tanto una visión general del tema tratado en la tesis, como una visión completa del área de estudio y de las especies objetivo. Incluye una descripción oceanográfica y geomorfológica del santuario natural de la playa de La Escobilla (México), así como aspectos importantes de la biología y ecología de la especie objetivo Lepidochelys olivacea. El capítulo I es una extensa revisión de la contaminación de metales en las siete especies existentes de tortugas marinas. Ofrece información básica para los programas actuales y futuros de biomonitorización y para la conservación de estas especies.

Los Capítulos II y III son estudios de biomonitorización de contaminación de metales en la tortuga en peligro de extinción L. olivacea de la costa del Pacífico de México a lo largo del período 2012-2014. En estos capítulos, se estudió el mayor número de individuos analizados en una sola población de tortugas marinas, incluyendo animales vivos y muertos. Esto permitió analizar un gran número de órganos y tejidos animales tales como sangre, hígado, riñón, hueso, músculo, cerebro y componentes de huevo. Otro punto destacado es el amplio conjunto de elementos inorgánicos esenciales y no esenciales analizados, incluyendo elementos emergentes y poco estudiados en tortugas marinas.

El análisis de la acumulación de metales en los tejidos de las tortugas se combina con análisis moleculares, bioquímicos y morfológicos para evaluar los efectos sobre la salud de las tortugas (capítulos IV, V y VI). El sistema de defensa antioxidante de las tortugas muestreadas se estudió a nivel molecular y bioquímico analizando el nivel de expresión de los genes relacionados con los antioxidantes, así como la actividad de las enzimas antioxidantes asociadas (Capítulo IV). Los indicadores bioquímicos y su correlación con el contenido de metal en diferentes tejidos animales se incluyen en los capítulos V y VI. Estos enfoques integradores ofrecen novedades y valiosas ideas sobre el nivel de estrés producido por la acumulación de metales y metaloides en L. olivacea, y proporcionan una herramienta útil para mejorar el diagnóstico y el cuidado de las tortugas reentradas.

Por último, el Capítulo VII propone un nuevo biomarcador marino de la contaminación basado en la asimetría del caparazón de las tortugas, el índice de inestabilidad del desarrollo. Se realizó a partir de fotografías, siendo por lo tanto no invasivo, y permitiendo la caracterización de un gran número de individuos debido al bajo coste de la técnica. Aunque el índice propuesto todavía necesita validación, los resultados publicados en este capítulo son bastante prometedores.

En resumen, Lepidochelys olivacea de la playa de La Escobilla parecen estar muy contaminada con ciertos elementos inorgánicos. En particular, las concentraciones de Cd muy altas requieren una atención especial y estudios de seguimiento. También se detectaron varias relaciones significativas relacionando diferentes biomarcadores con algunos elementos. Estos resultados demuestran qué tejidos son preferibles en la medición de diferentes marcadores bioquímicos o moleculares. Esta tesis también proporcionó bases de datos muy completas para los parámetros bioquímicos y moleculares y elementos inorgánicos para la investigación futura y para evaluar la salud de los individuos rescatados en esta área. Así mismo, desarrollamos una nueva herramienta para evaluar la asimetría del caparazón de los individuos con una sola foto, una opción que simplifica enormemente el trabajo de campo en esta área.