efeitos da exposição ao chumbo no sistema reprodutivo de

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE - FURG INSTITUTO DE CIÊNCIAS BIOLÓGICAS PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIAS FISIOLÓGICAS: FISIOLOGIA ANIMAL COMPARADA Efeitos da exposição ao chumbo no sistema reprodutivo de Chrysomus ruficapillus (AVES: Icteridae) Danusa Leidens Orientadora Profª Dra. Carine Dahl Corcini Co-orientadora Profª Dra. Cecilia Perez Calabuig Março de 2013 Rio Grande Dissertação defendida no âmbito do Programa de Pós Graduação em Ciências Fisiológicas - Fisiologia Animal Comparada como parte dos requisitos para obtenção do título de MESTRE em Fisiologia Animal Comparada

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Page 1: Efeitos da exposição ao chumbo no sistema reprodutivo de

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE - FURG

INSTITUTO DE CIÊNCIAS BIOLÓGICAS

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIAS FISIOLÓGICAS: FISIOLOGIA

ANIMAL COMPARADA

Efeitos da exposição ao chumbo no sistema reprodutivo

de Chrysomus ruficapillus (AVES: Icteridae)

Danusa Leidens

Orientadora Profª Dra. Carine Dahl Corcini

Co-orientadora Profª Dra. Cecilia Perez Calabuig

Março de 2013

Rio Grande

Dissertação defendida no âmbito do

Programa de Pós Graduação em

Ciências Fisiológicas - Fisiologia

Animal Comparada como parte dos

requisitos para obtenção do título de

MESTRE em Fisiologia Animal

Comparada

Page 2: Efeitos da exposição ao chumbo no sistema reprodutivo de

1

SUMÁRIO

Agradecimentos ............................................................................................................ 2

Resumo ......................................................................................................................... 3

Introdução .................................................................................................................... 4

Justificativa ................................................................................................................. 12

Objetivo ...................................................................................................................... 13

Capítulo 1 ................................................................................................................... 14

Abstract ..................................................................................................................... 16

Introduction ............................................................................................................... 17

Materials and Methods ............................................................................................... 18

Results ....................................................................................................................... 25

Discussion ................................................................................................................. 27

Acknowledgements .................................................................................................... 32

References ................................................................................................................. 32

Table .......................................................................................................................... 37

Legend to Figures ...................................................................................................... 38

Figures ....................................................................................................................... 40

Conclusão e considerações gerais ............................................................................... 44

Referências ................................................................................................................ 45

Page 3: Efeitos da exposição ao chumbo no sistema reprodutivo de

2

I. AGRADECIMENTOS

Primeiramente, gostaria de agradecer aos meus pais e meu irmão pelo carinho e

apoio incondicional em todos os momentos da minha vida.

A minha orientadora Prof. Dra. Carine Dahl Corcini e a minha co-orientadora

Prof. Dra. Cecilia Perez Calabuig pela oportunidade, confiança e pelas inúmeras ajudas

no trabalho de campo.

A Granjas Quatro Irmãos pela oportunidade e disponibilidade de trabalho dentro

de sua propriedade.

Aos professores Dr. Antonio Sergio Varela Junior e Dr. Carlos Eduardo Rosa

pela contribuição e dedicação nos laboratórios.

Aos colegas de campo que foram ajudar nas coletas.

Ao Márcio Alberto Geihs pela amizade e apoio ao meu trabalho.

A Roberta Socoowski Britto, minha sempre colega, que além de colega virou

uma grande amiga, que sempre esteve no meu lado, apoiando na amizade e nas dúvidas

e ajudas no laboratório

As minhas amigas Daiane Sena Kaffer, Jéssica Borges Cantos, Beatriz Sena,

pelo apoio e os momentos de amizade e diversão proporcionados.

A Cynthia Harayashiki, companheira de sempre no laboratório, sempre apoiando

e ajudando nas conversas e trabalho.

Aos amigos da Pós-graduação de Ciências Fisiológicas – Fisiologia Animal

Comparada pela convivência e amizade.

A Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) pelo

auxilio a pesquisa.

Ao Programa de Pós-graduação Ciências Fisiológicas – Fisiologia Animal

Comparada e a FURG, pela disponibilização de todos os meios necessários para

execução desse trabalho.

Obrigada a todos

Page 4: Efeitos da exposição ao chumbo no sistema reprodutivo de

3

RESUMO

O chumbo é um metal pesado que constitui um dos grandes problemas

ambientais em termos de poluição atmosférica, aquática e terrestre. O impacto da

exposição ao chumbo tem consequências nas características morfológicas e bioquímicas

deem aves, porém são escassos os estudos sobre os efeitos no sistema reprodutivo das

aves. O objetivo deste trabalho é avaliar os efeitos do acetato de chumbo em parâmetros

de integridade, histopatologia e bioquímica emnas células espermáticas. Foram

coletadas 36 aves silvestres (Chrysomus ruficapillus) adultos, machos e expostas em

gaiolas. Foi administrada uma dose única de 50 e 100 mg/kg de acetato de chumbo

através de uma injeção intraperitoneal e o grupo controle recebeu uma injeção de

solução salina. Após sete dias da administração das doses, foi realizada a coleta dos

ductos deferentes e testículos para as análises nas células espermáticas. Os resultados

mostraram que houve deterioração na integridade da membrana e DNA, e diminuição

da funcionalidade mitocondrial nos testículos das aves expostas ao acetato de chumbo

nas duas doses do estudo (P<0,05). Na histopatologia foi observada diminuição na

quantidade de células dos estágios de desenvolvimento da espermatogênese, além de

patologias nas mesmas. Observou-se danos oxidativos nas aves tratadas com 100mg/kg

e um aumento da peroxidação lipídica nos testículos. Portanto, o acetato de chumbo

causou efeitos negativos no aparelho reprodutivo de Chrysomus ruficapillius.

Palavras-chave: acetato de chumbo, ave silvestre, sistema reprodutor

Page 5: Efeitos da exposição ao chumbo no sistema reprodutivo de

4

II. INTRODUÇÃO

Os metais são componentes naturais do meio ambiente e, muitos deles, são

micronutrientes essenciais para os organismos vivos, podendo ser encontrados em

sistemas terrestres, aquáticos e também no ar. Podem se concentrar através de redes de

alimentos, de onde as espécies, no topo da cadeia alimentar, podem acumular níveis

elevados de metais (Hernandez et al. 1999, Niecke et al. 1999). Ao contrário de muitos

compostos orgânicos, os metais não podem ser facilmente metabolizados em compostos

menos tóxicos, portanto metais têm longo tempo de permanência no solo podendo

causar efeitos nocivos muito tempo depois de haver ocorrido a poluição pelo próprio

metal (Dauwe et al. 2004, Berglund et al. 2009).

Os seres vivos necessitam de pequenas quantidades de metais, incluindo:

cobalto, cobre, manganês, molibdênio, vanádio, estrôncio e zinco para a realização de

funções vitais no organismo. Porém, níveis excessivos desses elementos podem ser

extremamente tóxicos por serem elementos químicos altamente reativos e os

organismos têm dificuldade em eliminá-los. Outros metais pesados como o mercúrio,

chumbo e cádmio não possuem nenhuma função dentro de organismos vivos e sua baixa

ou alta acumulação pode provocar graves doenças (Pereira & Ebecken 2009). Nos

últimos anos, efeitos tóxicos de metais pesados em organismos vivos, principalmente

como resultado da sua contínua mobilização antropogênica no ambiente, têm atraído

considerável atenção mundial (Schmitt-Jansen et al. 2008, Seebaugh et al. 2005).

O Chumbo (Pb) é um metal não essencial, tóxico, encontrado em todos os

compartimentos da biosfera e em diversas formas químicas. Suas principais fontes

naturais são as emissões vulcânicas e o intemperismo. Entre as fontes antropogênicas

encontram-se as fábricas de baterias de automóveis, as ligas metálicas, os pigmentos de

Page 6: Efeitos da exposição ao chumbo no sistema reprodutivo de

5

tinta, munição, mineração, fundição e a gasolina (ATSDR 2007, Fisher et al. 2006),

constituindo-se assim um dos grandes problemas em termos de poluição atmosférica. O

chumbo é o segundo na lista das 275 substâncias perigosas - Lista Prioritária da Lei de

Responsabilidade, Compensação e Resposta Ambiental (ATSDR 2007).

Durante alguns séculos o Pb foi amplamente utilizado em diversas indústrias,

por ter propriedades de baixo ponto de fusão, durabilidade, ductibilidade e facilidade em

formar ligas metálicas, (Florea & Busselberg 2006). Desde meados do século XX, as

quantidades de Pb liberadaos no meio ambiente têm aumentado, devido ao acelerado

crescimento populacional que levou ao desenvolvimento industrial, urbanização e

aumento na oferta de transportes (ATSDR 2007). Até aproximadamente 1970, quase

toda a gasolina utilizada no mundo continha chumbo como um de seus aditivos (UNEP

1999), e mesmo com a eliminação do chumbo acrescentado à gasolina, o mesmo

constitui-se um grave problema de saúde ocupacional e ambiental (ATSDR 2007).

Outra fonte de contaminação por chumbo no meio ambiente é a tinta a base de chumbo,

o envenenamento com a tinta ainda é um problema no interior de muitas cidades e em

ambientes aquáticos em geral (Tajkarimi et al. 2008).

Vanz et al. (2003), analisando o chumbo proveniente das precipitações sólidas

atmosféricas na cidade do Rio Grande e São José do Norte, constataram que as maiores

concentrações de chumbo encontravam-se nas áreas próximas a cidade do Rio Grande e

na região estuarina ao redor. Isto ocorre devido a poeira do ar da cidade do Rio Grande

conter chumbo que pode variar de 4,0 à 1.165,0 mg.m3 dependendo da área da cidade.

A maior concentração da deposição atmosférica seca, nas margens do estuário da área

industrial da cidade, tem como fontes a área de permanência de pescadores (devido às

chumbadas), a parte da cidade antiga (tintas a base de chumbo) e a zona industrial

(deposição atmosférica) (Mirlean et al. 2005).

Page 7: Efeitos da exposição ao chumbo no sistema reprodutivo de

6

A absorção do chumbo por parte dos seres vivos é determinada por suas

propriedades físico-químicas, pela dose, frequência, duração e via da exposição,

podendo ser influenciada por fatores como idade, sexo, estilo de vida, estado fisiológico

e nutricional e ainda pela susceptibilidade individual do organismo exposto (Alexander

et al. 1998). O chumbo é distribuído de acordo com sua afinidade pelos tecidos, em

casos de exposição crônica, cerca de 95% da carga corpórea de chumbo acumula-se nos

ossos, o tecido ósseo constitui o principal sítio de estocagem de longa vida do chumbo

(Smith et al. 1995). A quantidade de chumbo no esqueleto não é distribuída

homogeneamente, pois ele também se distribui e acumula em outros órgãos, tais como

fígado, rim e cérebro (Pain, 1995).

O chumbo (Pb) após entrar na cadeia alimentar através do ar, água e do solo,

pode ter uma bioacumulação em todos os organismos que estão no topo da cadeia

alimentar. É bem conhecido que o Pb tem efeito nocivo para os organismos vivos, com

efeitos adversos para a saúde, causando danos fisiológicos e comportamentais e,

potencialmente, a morte.

Estudos mostraram os efeitos da exposição por chumbo aguda e crônica

associados a danos graves neurocomportamentais (Burger & Gochfeld 2005),

hematológicos (Pain et al. 2007), nefrotóxicos (Cory-Slechta & Schaumburg 2000) e

reprodutivos (Telišman et al. 2007) em seres humanos e outros animais. No modelo

animal, uma série de estudos tem avaliado o impacto da exposição ao chumbo com

consequências nas características morfológicas, bioquímicas e nos hormônios

reprodutivos.

A interação do organismo com o chumbo pode levar a consequências graves

entre os componentes do eixo reprodutivo, o que pode ocasionar anomalias

reprodutivas. Os efeitos adversos do chumbo sobre a fertilidade masculina em animais

Page 8: Efeitos da exposição ao chumbo no sistema reprodutivo de

7

podem ocorrer nos órgãos reprodutivos e/ou no sistema endócrino, incluindo alterações

na motilidade dos espermatozoides, presença de espermatozoides imaturos, diminuição

da espermatogênese, redução da fertilidade, e outras funções dependentes da integridade

do sistema reprodutor masculino (Garu et al. 2011). O acetato de chumbo em altas

dosagens reduziu a percentagem de espermatozoides móveis e aumentou a percentagem

de espermatozoides anormais em camundongos (Wadi & Ahmad 1999). Outros

trabalhos descreveram alterações histológicas nos tubos seminíferos, incluindo

desorganização da espermatogênese, danos na membrana e presença de vacúolos nas

células de ratos tratados com chumbo (50 e 200 mg/kg) durante três meses (Batra et al.

2001). Lesões histopatológicas são importantes, pois recolhem dados pertinentes ao

estado de saúde, dados gerados que são uteis em fornecer informações complementares

para apoiar os marcadores bioquímicos e celulares baseados, como aqueles usados em

programas de monitoramento ambiental (Shaw et al. 2011).

Os efeitos dos metais pesados sobre a reprodução podem estar relacionados com

a agressão causada às membranas celulares dos gametas e/ou ovos embrionados

(Brooks 1997). Almeida (2001) sugere que metais pesados podem apresentar tal efeito

pelo seu grande potencial de oxirredução, em função da liberação de radicais livres que

contém oxigênio, conhecidos como espécies reativas de oxigênio (ROS). Os organismos

desenvolveram mecanismos para se proteger contra compostos orgânicos e inorgânicos,

como os metais. Um dos mecanismos mais importantes contra compostos tóxicos é de

defesa antioxidante, o qual é capaz de desintoxicar e remover tóxicos prejudiciais do

corpo. Tem sido sugerido que os efeitos tóxicos de metais são parcialmente devido ao

metal induzida por stress oxidativo (Ercal et al. 2001). Processos oxidativos são normais

para o metabolismo de defesa imunológica do organismo todos os dias e são

compensados por uma variedade de sistemas antioxidantes (Isaksson et al. 2005).

Page 9: Efeitos da exposição ao chumbo no sistema reprodutivo de

8

Estresse oxidativo é uma condição em que há um desequilíbrio entre a defesa

antioxidante e a produção de espécies reativas de oxigénio, de modo que a defesa é

superado pela formação de radicais causando danos oxidativos em biomoléculas

(Halliwell & Gutteridge 2007). O dano oxidativo está geralmente relacionado com a

produção de espécies reativas de oxigénio (ROS) por metais, e, portanto a defesa

antioxidante tem um papel importante na proteção de organismos contra o stress

oxidativo induzido. Com a contaminação do metal, a manutenção de uma elevada

capacidade antioxidante em células pode aumentar a tolerância contra os diferentes

tipos de stress ambiental (Thomas et al. 1999 ). Quando a produção de ROS ocorre em

grandes quantidades podem ser prejudiciais para biomoléculas, causando dano

oxidativo ao DNA, proteínas e lipídios de membrana, bem como alterações nas enzimas

antioxidantes (Finkel & Holbrook 2000, Valavanidis et al. 2006).

A patogenia da intoxicação por chumbo nos espermatozoides não está

totalmente elucidada e múltiplos mecanismos de ação são fornecidos para explicar este

efeito. Estudos recentes sugerem que a contaminação por chumbo perturba o equilíbrio

pró-oxidante / antioxidante e pode contribuir, pelo menos em parte, a este elemento de

toxicidade, afetando os sistemas de defesa antioxidante diminuindo a integridade das

membranas e de DNA espermático (Hsu & Guo 2002). De fato, um aumento de

espécies reativas de oxigénio (ROS) foi observada após exposição ao chumbo no

espermatozoide e nos órgãos do sistema reprodutivo, em ratos (Acharya et al.

2003, Marchlewicz et al. 2007) e em humanos (Kasperczyk et al. 2008). Este aumento

foi associado a diminuição da concentração e a queda da motilidade espermática

(Kasperczyk et al. 2008), além de ter elevado o percentual de patologias nos

espermatozoides (Acharya et al. 2003).

Na natureza, os animais podem desempenhar um papel de bioindicadores por

Page 10: Efeitos da exposição ao chumbo no sistema reprodutivo de

9

fornecer aviso de potenciais efeitos adversos para os organismos em si, para os

organismos que atacam sobre eles, e como indicadores da exposição e os efeitos para os

seres humanos (Burger & Gochfeld 2004). Dessa forma, torna-se cada vez mais

importante desenvolver modelos através de animais selvagens para entender os

potenciais riscos ecológicos como indicadores de riscos para a saúde humana.

A contaminação e o posterior envenenamento de aves pelo chumbo estão bem

documentados em várias situações e por diferentes meios. Há estudos que detectaram

contaminação de aves nos órgãos ou em penas, que estavam em locais próximos a

fundições e minas, depósitos de resíduos e áreas industriais (García-Fernández et al.

1995, Berglund 2010). Ainda, a contaminação de diferentes espécies de aves tem sido

relacionada com a contaminação do sedimento em regiões com história de caça

(Guillemain et al. 2007 ) ou antigas minas (Blus et al. 1995).

Aves terrestres e aquáticas, podem contaminar-se pela ingestão de munições de

chumbo ou pelos fragmentos de bala alojados em seus corpos (Fisher et al.

2006 ). Fragmentos de munições com chumbo foram encontradas no estômago e no

fígado de algumas aves mortas (Blus et al. 1995 e Beyer et al. 1998), a morte por

envenenamento de aves de rapina têm se atribuído à ingestão de presas mortas

jácontaminadas (Kendall et al. 1996). Resíduos de tintas a base de chumbo (lascas)

foram encontradas em aves envenenadas, tanto de cativeiro como a Grus

canadensis (Kennedy et al. 1977), como em aves silvestres Phoebastria immutabilis

(Finkelstein et al. 2003). O depósito de lodo proveniente de estações de tratamento de

esgoto em terras agrícolas pode ser uma fonte de chumbo que consequentemente causa

a contaminação de organismos que usam esses locais (Pain et al. 1995).

Page 11: Efeitos da exposição ao chumbo no sistema reprodutivo de

10

A probabilidade de se tornar uma ave contaminada está relacionada com o

tempo, frequência e histórico de exposição ao chumbo, e fatores como o estado

nutricional e estresse ambiental ao qual essa ave está exposta (Pattee & Pain 2003).

Apesar da detecção de níveis maiores de chumbo principalmente nos ossos e fígado,

muito estudos têm demonstrando que o chumbo causa efeitos em vários órgãos,

particularmente nos testículos, em seres humanos e animais selvagens (Fair & Ricklefs

2002, Snoeijs et al. 2004). A maioria dos estudos sobre os efeitos do chumbo na

fisiologia reprodutiva foram desenvolvidos em mamíferos em laboratório e são poucos

os estudos relacionando os efeitos do chumbo no sistema reprodutivo de aves (Partyka

et al. 2012).

O Chrysomus ruficapillus é uma espécie de ave silvestre amplamente distribuída

na América do Sul. Esta espécie está presente em uma variedade de habitats, incluindo

pântanos naturais, canaviais, valas na estrada, estações de tratamento de esgoto,

pequenas plantações de eucaliptos e campos agrícolas (Jaramillo & Burke 1999). Pode

ser encontrada em grandes bandos durante praticamente todo o ano. Durante a

reprodução, entre o período de agosto a março, separa-se em pequenos grupos, isso

ocorre em banhados naturais ou nas lavouras de arroz (Fallavena 1988).

Nas plantações de arroz, o Garibaldi (C.ruficapillus) é, muitas vezes,

considerado uma praga (Silva et al. 1997a). Pelo menos no Rio Grande do Sul, seu

alcance e abundância aumentaram ao longo do século XX com o aumento do cultivo de

arroz irrigado (Belton 1994). Grandes bandos dessa espécie são observados após a

colheita em arrozais e comendo os grãos de arroz que vão sendo perdidos durante o

transporte da colheita (Silva et al. 1997b). O crescimento populacional da espécie pode

ser devido ao aumento da oferta alimentar que permite uma alta taxa de sobrevivência

para jovens e adultos (Silva et al. 1997a). Dessa forma, têm entrado em processo de

Page 12: Efeitos da exposição ao chumbo no sistema reprodutivo de

11

expansão populacional ao encontrar nas lavouras de arroz as condições propícias de

abrigo, alimentação e reprodução (Cirne & López-Iborra 2005).

Apesar do conhecimento do uso de pesticidas contendo chumbo, da fabricação

de tintas a base de chumbo durante o século XX e da ampla cultura de caça que o Rio

Grande do Sul possui, são escassos os estudos sobre os efeitos do chumbo associado às

aves silvestres que frequentam ambientes expostos à contaminação com chumbo. Dessa

forma, a proposta do estudo é entender os efeitos do chumbo sobre o sistema

reprodutivo de aves usando o Garibaldi como modelo.

Page 13: Efeitos da exposição ao chumbo no sistema reprodutivo de

12

III. JUSTIFICATIVA

As aves vêm sendo usadas como indicadores da condição ambiental porque são

particularmente sensíveis a mudanças de origem antrópica (Primack & Rodrigues

2002). Este estudo escolheu uma espécie silvestre e de fácil acesso para estudar o efeito

do chumbo, que possui uma elevada importância devido ao seu alto nível de toxicidade,

que pode causar uma série de problemas nos organismos dos animais afetados.

O estudo pretendeu verificar os efeitos sobre os órgãos reprodutivos das aves

testadas e compará-las com aves capturadas paralelamente sem administração de acetato

de chumbo (aves controle). Este estudo proporcionou conhecimento sobre as mudanças

fisiológicas de aves que podem sofrer expostas a doses de chumbo e identificou se o

chumbo interfere no seu aparelho reprodutivo.

Page 14: Efeitos da exposição ao chumbo no sistema reprodutivo de

13

IV. OBJETIVOS

2.1 Geral

- Determinar as alterações sobre o aparelho reprodutivo de Chrysomus ruficapillus

(Garibaldi) após sua exposição a doses não letais de chumbo.

2.2 Específicos

a) Avaliar a integridade e funcionalidade da célula espermática de Garibaldi dosados

com chumbo com as de Garibaldi do grupo controle;

b) Avaliar a histopatologia dos testículos de Garibaldi expostos a doses de chumbo com

as do grupo controle;

c) Verificar a capacidade antioxidante total contra peroxi-radicais nos testículos de aves

expostas as doses de chumbo;

d) Avaliar as espécies reativas de oxigênio nos testículos de aves expostas as doses de

chumbo;

e) Verificar dano oxidativo em termos de peroxidação lipídica nos testículos de aves

expostas as doses de chumbo.

Page 15: Efeitos da exposição ao chumbo no sistema reprodutivo de

14

V. CAPITULO 1

Lead accumulation and effects in testis of the fowl Chrysomus ruficapillus (Fowl:

Icteridae)

Submetido à revista Reproductive Toxicology

Page 16: Efeitos da exposição ao chumbo no sistema reprodutivo de

15

Lead accumulation and effects in testis of the fowl Chrysomus ruficapillus (Fowl:

Icteridae)

Danusa Leidensa,b

, Adalto Bianchinia, Antonio Sergio Varela Junior

b, Carlos Eduardo

Rosaa, Cecilia Perez Calabuig

c, Carine Dahl Corcini

a,d*

aPrograma de Pós-Graduação em Ciências Fisiológicas - Fisiologia Animal Comparada

Instituto de Ciências Biológicas, Universidade Federal do Rio Grande, Rio Grande, RS,

Brazil. ([email protected]; [email protected]; [email protected] )

bReprodução Animal Comparada (RAC), Instituto de Ciências Biológicas, Universidade

Federal do Rio Grande, Rio Grande, RS, Brazil. ([email protected] )

cDepartamento de Ciências Animais, Universidade Federal Rural do Semiárido,

Mossoró, RN, Brazil. ([email protected] )

dReproPel – Reprodução Animal, Departamento de Patologia, Faculdade de Veterinária,

Universidade Federal de Pelotas, Pelotas, RS, Brazil ([email protected] )

* Corresponding author: Carine Dahl Corcini

Universidade Federal do Rio Grande - FURG

Instituto de Ciências Biológicas (ICB)

Av Itália km 8 s/n - Caixa Postal 474

CEP 96200-970

Rio Grande, RS, BRAZIL

Phone: 55 5332759167

E-mail: [email protected]

Page 17: Efeitos da exposição ao chumbo no sistema reprodutivo de

16

Abstract

In the present study, lead (Pb) effects on sperm quality parameters, as well as testis

histology and biochemistry were evaluated in male adult fowls (Chrysomus

ruficapillus). Wild fowls were captured, maintained in captivity and treated with a

single intraperitoneal injection of saline solution (control) or saline solution containing

Pb acetate (50 or 100 mg Pb/Kg). Seven days after injection, samples were collected

from the ductus deferens and testes for analyses. Increased in both blood and testis of

fowls injected with both doses of Pb acetate. Histological analysis revealed the presence

of pathological alterations. In sperm cells, Pb exposure induced loss of membrane

integrity, mitochondrial functionality, and DNA integrity. Also, oxidative damage was

observed in testes of fowls injected with 100 mg Pb/Kg. Taken altogether, these

findings indicate that Pb is highly accumulated in testis of the fowl C. ruficapillius,

inducing severe morphological and biochemical damages that could compromise the

reproductive performance of male fowls.

Key words: histological, fowl, lead toxicity, oxidative damage, reproduction, spermatic

cells.

Page 18: Efeitos da exposição ao chumbo no sistema reprodutivo de

17

1. Introduction

Lead (Pb) is a nonessential and toxic metal that can be found in all compartments of

the biosphere under different chemical forms. The main natural sources of Pb are

volcanic emissions and weathering. Anthropogenic sources include car batteries, metal

alloy, paint pigments, ammunition, mining, casting and gasoline [1] and [2].

Uncontrolled discharge of Pb represents a global environmental issue, concerning

atmospheric, aquatic and terrestrial ecosystems. In fact, Pb is the second chemical listed

among the 275 most dangerous substances in the Priority List of Hazardous Substances

[2].

Adverse effects of Pb exposure on male fertility can be a result of its direct

interaction with the reproductive organs and/or the endocrine system. These effects

include altered sperm motility and maturation, reduced spermatogenesis and

testosterone level, as well as disturbances of other functions depending on the integrity

of the male reproductive system [3] and [4]. For example, studies with administration of

Pb (as Pb acetate) in captive fowls have reported neurobehavioural effects on growth

[5], [6] and [7]. [8] evaluated the effects of the oral administration of Pb (4-110 mg as

ammunition) on fertility of adult male turtle doves (Streptophelia risoria). In this case,

significant testicular degeneration and absence of sperm in the seminiferous tubules

were observed.

Fowls have been used as biomonitors of environmental contamination with organic

pollutants and heavy metals [7] and [9]. In fact, they are top predators sensitive to

environmental changes, being exposed to many sources of environmental pollutants

[10]. Therefore, it is important to evaluate the effects of environmental contaminants on

Page 19: Efeitos da exposição ao chumbo no sistema reprodutivo de

18

this wild bird species to better understand the potential risks to the ecosystem and

human health.

The fowl Chrysomus ruficapillus is widely distributed in South America. This bird

species is present in a variety of habitats, including natural marshes, reed beds, roadside

ditches, sewage treatment site, small eucalyptus plantations and farmland [11]. In rice

fields, they enter into the process of population expansion because they find safe shelter,

food and optimal conditions for reproduction [12].

Despite of the widespread use of Pb-containing pesticides and Pb-based paints

during the twentieth century, as well as the increased hunting practices in some

countries, there are only few studies on Pb effects on wild fowls inhabiting areas

subjected to these sources of contamination. In light of this, the aim of the present study

was to evaluate the effects of Pb exposure on reproductive parameters in the male fowl

C. ruficapillus.

2. Materials and Methods

2.1. Fowls capture and maintenance

Experiments performed in the present study were approved by the Ethics

Committee of the Federal University of Rio Grande (license #23116.006225/2011-39).

Adult male fowls C. ruficapillus (body mass: 36.1 ± 2.79 g; n = 50) were captured

in the wild during the reproductive period (October/2012) using mist nets (SISBIO,

capture license #30228-1). Fowls were randomly divided into two groups: (1) birds

sampled immediately after capture and transfer to the laboratory, as described below

(field group: n = 5); and (2) birds kept in captivity, treated, and sampled, as described

below (n = 45).

Page 20: Efeitos da exposição ao chumbo no sistema reprodutivo de

19

Fowls were kept in cages (2 birds/m2) with covered floor to avoid environmental

contamination. Cages were provided with shrubs and trees, with shade, water mirror and

feeder following the criteria established by the Federal Normative Instruction 04/2002

issued by the Brazilian Institute of Environment (IBAMA). Food and water were

completely renewed every day over the whole experimental period (7 days).

2.2. Laboratory procedures

Fowls from the field group were weighed (body mass) and measured (total culmen,

bill height, bill width, tarsus, tail and wings). Blood samples were collected by puncture

of the tarsal vein using disposable syringes and needles. Fowls were then euthanized by

cervical dislocation (Report of the AVMA Panel on Euthanasia, 2007) and had their

testes collected through laparotomy. Whole-blood and testis samples were immediately

stored in Eppendorf-type tubes and frozen (-80oC) until Pb content determination, as

described below

Fowls kept in captivity were weighed (body mass), measured (total culmen, bill

height, bill width, tarsus, tail and wings), tagged with leg rings, and randomly divided

into three groups: (1) fowls treated with a single intraperitoneal injection (1 mL) of

saline (0.9% NaCl) solution (control group; n = 12); (2) fowls treated with a single

intraperitoneal injection (1 mL) of saline (0.9% NaCl) solution containing Pb acetate

(50 mg Pb/Kg group; n = 15); and (3) fowls treated with a single intraperitoneal

injection (1 mL) of saline (0.9% NaCl) solution containing Pb acetate (100 mg Pb/Kg

group: n = 18).

Seven days after treatment, whole-body samples were collected and fowls were

euthanized by cervical dislocation, as described above for the field group. Ductus

deferens and testes were collected through laparotomy. Isolated ductus deferens were

Page 21: Efeitos da exposição ao chumbo no sistema reprodutivo de

20

sectioned longitudinally, individually immersed in saline solution, and kept at room

temperature (~20oC) for 10 min to allow sperm migration to the incubation medium.

Seminal quality parameters were evaluated immediately after semen dilution, as

described below. Regarding testes, one testis was fixed in 4% paraformaldehyde for

histological analysis, as described below, while the other was immediately divided into

three subsamples. One subsample was kept on ice (2-4ºC) for reactive oxygen species

(ROS) and antioxidant capacity against peroxyl radicals (ACAP) analysis, as described

below. The other two subsamples were stored in ultra-freezer (-80°C) for further

analyses of lipid peroxidation (LPO) and Pb content, as described below.

2.3. Semen quality analysis

The following quality parameters were evaluated in sperm cells: membrane

integrity, mitochondrial functionality and DNA integrity. A total of 200 sperm cells

were assessed in each sample slide.

Plasma membrane integrity was evaluated using the fluorescent probes

carboxyfluorescein diacetate (CFDA) (Sigma, St. Louis, MO, USA) and propidium

iodate (PI) (Sigma, St. Louis, MO, USA), as described by [13]. Samples were evaluated

under epifluorescence microscope (400x magnification) (Olympus BX 51, América,

São Paulo, SP) equipped with WU filter with excitation between 450-490 nm and

emission at 516 (CFDA) or 617 nm (PI). Green-stained cells were considered viable

whereas red and red-green stained cells were considered damaged. Data were expressed

as percentage of cells showing membrane integrity.

Mitochondrial functionality was assessed by rhodamine 123 (Rh123) staining

(Sigma, St. Louis, MO, USA) according to [14]. Semen aliquots (100 μL) were placed

in 1.5 mL microtubes and 5 μL of formaldehyde (1.7 mM), 5 μL of PI (7.3 mM) and 5

Page 22: Efeitos da exposição ao chumbo no sistema reprodutivo de

21

μL of Rh123 (0.2 mM) were then added. Cells were evaluated under the epifluorescence

microscope (400x magnification; excitation: 450-490 nm; emission: 516–617 nm). Cells

with intense green fluorescence were considered as containing functional mitochondria

whereas those not showing intense green staining were considered as containing non-

functional mitochondria. Data were expressed as percentage of cells showing

mitochondrial functionality.

Sperm DNA integrity was assessed using acridine orange (Sigma, St. Louis,

MO, USA) staining in dried slides. Analysis was performed under the epifluorescence

microscope (400x magnification; excitation: 525 nm). Sperm cells exhibiting green

fluorescence were considered normal (bicatenary DNA) whereas red- or yellow-stained

sperm cells were considered abnormal, with denatured DNA (monocatenary DNA).

Data were expressed as percentage of sperm cells showing DNA integrity.

2.4. Histological analysis

Testes were fixed in 4% paraformaldehyde for 2 h. They were then processed in

an automated vacuum processor (ASP 200, Leica, Germany) according to standard

histological techniques. Samples were impregnated and embedded in ParaplastXtra®

(Sigma, St. Louis, MO, USA). Glass slides with tissue sections (7-μm thickness) were

stained with hematoxylin and eosin [15]. Histological analysis was performed under

bright-field light microscope BX51 equipped with a DP73 camera (Olympus, Japan).

For all samples, histological alterations were quantified using blind analysis. The

abundance or absence of the different cell types of the seminiferous epithelium was

scored.

Page 23: Efeitos da exposição ao chumbo no sistema reprodutivo de

22

2.5. Reactive oxygen species (ROS) determination

Testis samples freshly collected were weighed and homogenized (1:20 w/v) in

phosphate buffered saline (PBS) (8 g/L NaCl, 0.2 g/L KCl, 0.2 g/L KH2PO4, 1.15 g/L

Na2HPO4.7H2O; pH 7.6). Homogenized samples were centrifuged (10,000 xg) at 4°C

for 20 min. The supernatant was collected for ROS determination [16]. Protein

concentration in the supernatant was determined using a commercial reagent kit (Doles,

Goiânia, GO, Brazil) based on the Biuret method. ROS measurement was performed

using 2',7'–dichlorofluorescein diacetate (H2DCF-DA, Molecular Probes, USA). The

H2DCF-DA cleavage by cellular esterases from the homogenized supernatant in the

presence of ROS generates a fluorochrome, which fluorescence can be detected at

excitation and emission wavelengths of 488 and 525 nm, respectively. The assay was

performed using white bottom microplates. Fluorescence reading was done every 5 min

up to 60 min using a fluorescence microplate reader (Victor2 Perkin-Elmer,

USA). Fluorescence area was calculated integrating fluorescence units (FU) over time,

adjusting FU data to a second order polynomial function. ROS content was expressed as

FU per milligram protein in the homogenized supernatant.

2.6. Antioxidant capacity against peroxyl radicals (ACAP)

Supernatants obtained during ROS determination, as described above, were used

for ACAP determination, which was assessed following procedures described by [17].

Briefly, an aliquot of 10 µL from each homogenized supernatant was transferred to a

white-bottom 96-wells microplate. Each sample was tested in six different wells. The

reaction buffer (127.5 µL) containing 30 mM HEPES (pH 7.2), 200 mM KCl and 1 mM

MgCl2 was added to the wells with samples. In three wells of each sample, 7.5 mL of

Page 24: Efeitos da exposição ao chumbo no sistema reprodutivo de

23

2,2 '-azo-bis-di-hidrocloretomethylpropionamidine2 (ABAP, 4 mM; Aldrich, USA)

were added. The same volume of ultrapure water was then added to the remaining three

wells of the corresponding sample. The fluorescence of the reaction mixture was read

using the fluorescence microplate reader at 37°C to determine the sample background.

Afterwards, 10 µl of H2DCF-DA were added to each microplate well at a final

concentration of 40 μM. Thermal decomposition of ABAP at 37ºC produces peroxy

radicals which in contact with fluorochromes generates fluorescence. Fluorescence

emission was determined using the fluorescence microplate reader (excitation: 488 nm;

emission: 525 nm). Readings were performed every 5 min up to 60 min. FU were

integrated over time after adjusting data to a second order polynomial function. Results

were calculated as the difference in FU area per min in the same sample with and

without ABAP, and then normalized to ROS area without ABAP (background area).

The relative difference between ROS area with and without ABAP was considered a

measurement of antioxidant capacity. Therefore, antioxidant capacity decreases as the

relative area increases.

2.7. Lipid peroxidation (LPO)

Lipid peroxidation in testis samples of the wild fowl C. ruficapillus was

determined using the FOX method [18]. This method is based on the Fe2+

oxidation by

lipid hydroperoxides under acid pH in the presence of xylenol orange (Sigma, St. Louis,

MO, USA) which forms a complex with Fe3+

. Testis samples were weighed,

homogenized (1:20 w/v) in 100% methanol (4°C) and centrifuged (1,000 xg) at 4°C, for

5 min. The supernatant was used for the spectrophotometric assay (580 nm). Cumene

hydroperoxide (CHP; Sigma, St. Louis, MO, USA) was used as standard. Results were

expressed as nmoles CHP per gram of wet tissue.

Page 25: Efeitos da exposição ao chumbo no sistema reprodutivo de

24

2.8. Tissue Pb content

Pb content in the whole-blood and testis of fowls from the 4 groups (field,

control, 50 mg Pb/Kg, and 100 mg Pb/Kg) was determined by absorption atomic

spectrophotometry (AAS-932 Plus, GBC, Australia), following the procedures and

quality assurance controls as described by [19]. Briefly, blood and testis samples were

thawed at room temperature, dried at 60oC for 72 h, weighed (dry weight), and

completely digested with concentrated nitric acid (65% HNO3, SupraPur, Merck, São

Paulo, SP, Brazil). After complete digestion, samples were diluted (1:2) with Milli-Q

water and Pb concentration was determined by AAS. Measurement accuracy and

standard curves were obtained using a standard Pb solution (Standard Reference

Material 3114; National Institute of Standards & Technology, Gaithersburg, MD, USA).

Percentages of metal recovery based on standard reference material (European

Reference Material ERM-CE278, Geel, Belgium) prepared as described for tissue

samples was 98.3%. Results were expressed as mg Pb/g dry weight.

2.9. Statistical analysis

Continuous data were tested for normal distribution using the Shapiro-Wilk test.

All dependent variables with normal distribution were subjected to analysis of variance

(ANOVA) followed by the Tukey multiple comparison test. Treatment was considered

as the independent variable while biometric, membrane integrity, mitochondrial

functionality, DNA integrity, ROS content, LPO, ACAP, and Pb content data were

considered as dependent variables. Data from histological examination were compared

using the chi-square test. All analyses were performed using the software Statistix 9.0

(Analitical Software, Tallahassee, FL, USA).

Page 26: Efeitos da exposição ao chumbo no sistema reprodutivo de

25

3. Results

3.1. Mortality

Regarding fowls kept in captivity, no mortality was observed in those from the

control and 50 mg Pb/Kg groups. However, two days after treatment, three fowls from

the 100 mg Pb/Kg group were found dead.

3.2. Biometry

No significant difference in body weight, total culmen, bill height, bill width,

tarsus, and wing and tail length was observed among the fowl groups (P>0.05) (Table

1).

3.3. Tissue Pb content

No detectable level of Pb was observed in the whole-blood of fowls from the

field and control groups. However, high levels of accumulated Pb were observed in

blood and testis of fowls injected with 50 and 100 mg Pb/Kg. In fact, a ~5-6-fold

increase in Pb accumulation was observed in both whole-blood and testis of these fowls.

Pb content was ~10-fold higher in testis than in blood of Pb-exposed fowls (Fig. 1).

3.4. Histological analysis

Moderate to severe testicular atrophy was observed in fowls injected with 50 mg

Pb/Kg (67% atrophy or with 100 mg Pb/Kg (89% atrophy). Also, vacuoles were

observed in Pb-exposed fowls (50 mg Pb/Kg: 98%; 100 mg Pb/Kg: 67%). Moderate to

severe decrease in the number of germinal cells was observed. Results for fowls injected

Page 27: Efeitos da exposição ao chumbo no sistema reprodutivo de

26

with 50 and 100 mg Pb/Kg were 25 and 44% for spermatogonia; 83 and 77% for

spermatocytes; 75 and 100% for spermatids; 83 and 100% for spermatozoa; and 16 and

33% for Leydig cells (Fig. 2).

3.5. Semen quality analysis

It was observed a significant decrease (P<0.05) in membrane integrity and

mitochondrial functionality in Pb-exposed fowls compared to those from the control

group. However, no significant difference was observed between fowls injected with 50

and 100 mg Pb/Kg. Regarding DNA integrity of spermatic cells, a significant decrease

(P<0.05) was observed in fowls injected with 100 mg Pb/Kg when compared to those

from the control group or those injected with 50 mg Pb/Kg. No significant difference

was observed between control fowls and those injected with 50 mg Pb/Kg (P>0.05)

(Fig.3).

3.6. Biochemical analysis

No significant difference in ROS content was observed between control and Pb-

exposed fowls (P>0.05). However, a significantly lower (P<0.05) ROS content was

observed in fowls injected with 100 mg Pb/Kg than in those injected with 50 mg Pb/Kg.

ACAP was significantly reduced (P<0.05) in fowls injected with 100 mg Pb/Kg when

compared to those from the control group. No significant difference was observed

between control fowls and those injected with 50 mg Pb/Kg. Also, no significant

difference was observed between fowls injected with Pb (50 and 100 mg Pb/Kg

groups). A significantly higher (P<0.05) lipid peroxidation level was observed in fowls

injected with 100 mg Pb/Kg when compared to those from the control and 50 mg Pb/Kg

groups. No significant difference (P>0.05) was observed between control fowls and

Page 28: Efeitos da exposição ao chumbo no sistema reprodutivo de

27

those injected with 50 mg Pb/Kg (Fig. 4).

4. Discussion

Data on Pb content showed non-detectable levels of the metal in the blood of field

and control fowls. However, Pb was found to accumulate in testis of fowls from both

groups. In fact, it is known that after entering the systemic circulation, Pb acetate

crosses the blood-testis barrier and accumulates in the testis of animals and humans [20]

and [21]. It is important to note that similar Pb content was found in testis of field and

control fowls. These findings indicate that no additional Pb contamination was

introduced through water or food provided during fowl maintenance in captivity over

the experimental period.

In the fowl C. ruficapillus kept and treated with Pb in captivity, we also observed

that Pb (as Pb acetate) has effectively reached the blood after being injected into the

peritoneum. As mentioned above, no detectable levels of Pb were observed in the

whole-blood of field and captive fowls non-exposed to Pb. In contrast, Pb was

significantly accumulated in the whole-blood of fowls seven days after being treated

with a single injection of Pb acetate. Fowls injected with a single dose of 100 mg Pb/Kg

reached a mean value as high as 0.68 mg Pb/g dw in the blood. A similar result was

observed in fowls injected with a single dose of 50 mg Pb/Kg. As expected, after

reaching the blood, Pb crossed the blood testis-barrier and accumulated in the testis of

the fowl C. ruficapillus. Again, similar results were observed with both Pb doses tested

(50 and 100 mg Pb/Kg). These findings indicate that tissue (blood and testis) Pb level

was already saturated with the lower dose applied.

Page 29: Efeitos da exposição ao chumbo no sistema reprodutivo de

28

Regarding the biological effects, findings from the present study clearly

demonstrate that acute exposure to Pb induced severe damage to the male reproductive

tract in the wild fowl C. ruficapillus. This statement is based on the fact that fowls

showed reduced semen quality seven days after being treated with a single

intraperitoneal injection of saline solution containing Pb acetate (50 and 100 mg

Pb/Kg).Reduced sperm quality was evidenced by a lower frequency of cells showing

membrane integrity, mitochondrial functionality, and DNA integrity. These findings are

in complete agreement with those reported by [22]. These authors reported an increased

percentage of sperm pathologies and a reduced percentage of motile sperm in rats

intraperitoneally injected with 100 mg Pb/Kg, one of the doses tested in the present

study. It is important to note that similar results of membrane integrity and

mitochondrial functionality were observed with a lower dose (50 mg Pb/Kg) of Pb in

the fowl C. ruficapillus, which is in complete agreeing with data on Pb accumulation in

the fowl testis.

Sperm parameters evaluated in the present study are very important for the whole

reproductive process in vertebrates, since the observed decrease in membrane integrity

reduces sperm viability [13]. Furthermore, membrane lesions induced by Pb exposure

would facilitate the metal access into the cells and its interaction with organelles and

nucleus, bringing them more susceptible to Pb-induced damages. In fact, a significant

reduction in mitochondrial functionality and DNA integrity was observed in Pb-exposed

fowls. It is important to stress that a reduced mitochondrial functionality would decrease

the amount of energy available for sperm motility. Regarding DNA, [23] also observed

a high frequency (60%) of sperm cells with DNA lesion after treating mice with a high

dose of Pb acetate. In fact, these authors demonstrated that Pb can be incorporated into

Page 30: Efeitos da exposição ao chumbo no sistema reprodutivo de

29

sperm nuclei during development in the testis or during maturation in the epididymis.

Therefore, Pb effects on sperm quality (membrane integrity, mitochondrial functionality

and DNA integrity) in the fowl C. ruficapillus seems to result from a direct interaction

of the metal with the testis and sperm nuclei, as previously suggested by [20] and [21].

Considering the Pb effects described above on sperm quality, a lower reproductive

potential would be expected in male fowls acutely exposed to Pb. In fact, male fowls

exposed to both doses of Pb acetate showed a reduced number of spermatogonia,

spermatocytes, spermatids and spermatozoa. Therefore, it is clear that Pb exposure is

negatively interfering on fowl spermatogenesis, leading to a reduced availability of all

spermatogenic cells types. Furthermore, Leydig cells responsible for testosterone

synthesis were also reduced in fowls exposed to both doses of Pb. A similar result was

observed in mice treated with Pb acetate [24]. This finding suggests that a lower level of

circulating testosterone would be occurring in Pb-exposed fowls, thus affecting germ

cells.

The observed decreased number and function of Leydig in mice treated with

different doses of Pb acetate was suggested to be resulting from LPO induced by an

increased oxidative stress. It is known that increased ROS production without a

corresponding increase in tissue total antioxidant capacity or a reduced amount of non-

enzymatic antioxidant agents and/or lower activity of the enzymes involved in the

antioxidant defence system can lead to the oxidative stress condition and LPO [17]. For

example, increased ROS levels were observed after injection of Pb acetate (40 mg

Pb/Kg) and associated with testicular germ cells destruction, membrane damage and

significant decrease in sperm count in mice [25].

In the present study, a dose-dependent increase in LPO was observed in testis of the

fowl C. ruficapillus exposed to a single dose o Pb acetate. Indeed, testis of fowls

Page 31: Efeitos da exposição ao chumbo no sistema reprodutivo de

30

injected with 100 mg Pb/Kg showed a significantly higher LPO than those from the

control group. This finding clearly point out the Pb-induced oxidative stress as a

reasonable explanation for damages observed in the testis of the fowl C. ruficapillus,

especially that associated with the membrane integrity of sperm cells. In fact, the sperm

membrane of birds is rich in poly-unsaturated fatty acids (PUFAs), thus being subject to

LPO in the presence of ROS [26]. Peroxidation of PUFAs in sperm cell membrane is an

autocatalytic, self-propagating reaction that can cause cell dysfunction with loss of

membrane integrity, leading to a decrease in sperm fertilizing capacity [27]. Actually,

the oxidative degradation of PUFAs has been considered as the main cause of

membrane fluidity and permeability loss, inducing damage to germ cells and sperm

[28]. Therefore, the higher LPO level observed in testis of fowls exposed to the higher

dose tested (100 mg Pb/Kg) can be a reasonable explanation for the lower integrity of

cell and nuclear membrane, as well as the consequently reduced sperm quality observed

in fowls subjected to this experimental condition.

Although an increased LPO level was observed in Pb-exposed fowls, no significant

change in ROS content was observed in testis of these fowls. This lack of change in

ROS content could be explained by considering a Pb-induced increase in the capacity of

the antioxidant system to scavenge the ROS generated. In fact, a dose-dependent

decrease in ACAP was observed in fowls exposed to Pb, being significantly higher in

fowls treated with 100 mg Pb/Kg than in those from the control group. Therefore, the

lack of change in ROS content paralleled with the reduced ACAP observed after fowl

treatment with Pb acetate can easily explain the damages reported for sperm cells and

discussed above. Also, it can be at the basis of the structural disorder and atrophy

observed in testis of fowls exposed to Pb, as discussed below.

Page 32: Efeitos da exposição ao chumbo no sistema reprodutivo de

31

In a broad view, damages observed in sperm cells were also reflected at a higher

level, i.e., cellular structural disorder and testis atrophy. Actually, vacuole formation

was observed in more than 50% of testis from Pb-exposed fowls analyzed. These

finding is in complete agreement with data reported for rats. Exposure of adult rats to a

low dose of Pb acetate (20 mg Pb/Kg) caused testicular lesion while exposure to higher

doses induced lesions that included spermatogenesis disorder and disruption with

accumulation of immature cells in the tubular lumen, as well as lesions such as atrophy

and vacuoles [29]. Similar findings were also reported in adult male of the quail

Coturnix coturnix exposed to Pb acetate in drinking water (0.1, 0.25, 0.5 and 1%), for 1

to 6 months [30]. In this case, chronic exposure induced histopathological alterations

including spermatic cells hyperplasia, Leydig cells degeneration, decreased

spermatocyte number and tubular atrophy. Taken altogether, these findings suggest that

damages observed in testis of the fowl C. ruficapillus are certainly related to the

observed loss of sperm function and viability discussed above.

In summary, data reported in the present study clearly show that Pb can accumulate

in testis of the fowl C. ruficapillus after a single intraperitoneal injection of Pb acetate

and induce toxicity. Toxic effects on the reproductive tract of male fowls included loss

of membrane integrity, mitochondrial functionality and DNA integrity in sperm cells, as

wells as cellular structural disorder and testis atrophy. The observed effects were quite

severe and likely resulting from an oxidative stress condition induced by Pb exposure.

These effects indicate that Pb can negatively affect testis function and sperm quality in

adult male fowl C. ruficapillus, being a potential threat to reproduction of these wild

birds.

Page 33: Efeitos da exposição ao chumbo no sistema reprodutivo de

32

Acknowledgements - The present study was financially supported by the Brazilian

“Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)”. A.

Bianchini is a research fellow from the Brazilian CNPq (Proc. # 304430/2009-9) and

supported by the International Canada Research Chair Program from IDRC. Authors are

grateful to “Granjas Quatro Irmãos” for all the assistance provided

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Page 38: Efeitos da exposição ao chumbo no sistema reprodutivo de

37

Table 1. Biometric parameter (mm) of wild fowls (Chrysomus ruficapillus) injected

with 1 mL of saline solution (control) or with 1 mL of saline solution containing Pb

acetate (50 or 100 mg Pb/Kg). Data are expressed as mean ± standard error. No

significant difference was observed among groups for all parameters analyzed (P<0.05).

Group

Parameter Field

(n = 5)

Control

(n = 12)

50 mg Pb/Kg

(n = 15)

100 mg Pb/Kg

(n = 15)

Body weight 38.18 ± 3.22 36.15 ± 2.79 36.94 ± 2.41 37.07 ± 2.33

Total culmen 17.06 ± 0.68 17.33 ± 1.21 17.65 ± 1.23 17.48 ± 0.85

Bill height 9.57 ± 0.26 9.35 ± 0.25 9.23 ± 0.55 9.37 ± 0.43

Bill width 8.71 ± 0.13 8.74 ± 0.31 8.71 ± 0.25 8.73 ± 0.43

Tarsus 34.83 ± 1.73 34.56 ± 1.25 34.91 ± 2.05 34.65 ± 2.15

Tail 69.43 ± 2.88 73.00 ± 2.86 71.56 ± 3.43 73.03 ± 3.39

Wing 92.00 ± 3.00 94.36 ± 3.80 94.50 ± 3.49 93.30 ± 3.42

Page 39: Efeitos da exposição ao chumbo no sistema reprodutivo de

38

Legend to Figures

Fig.1. Pb content in whole-blood and testis of the fowl Chrysomus ruficapillus. Data are

expressed as mean ± standard error (n = 5 for each group). Pb content in the blood of

fowls from the field and control groups was below the detection limit of the technique

employed. Different letters indicate significant difference (P<0.05) among experimental

groups for each tissue.

Fig. 2. Histological analysis in testis of the fowl Chrysomus ruficapillus. (A) Testis of

control fowls showing normal organization of seminiferous tubules and all stages of

spermatogenic and Leydig cells (HE; 100x magnification). (B) Testis of fowls from the

50 mg Pb/Kg group showing severe atrophy, low sperm cell density and vacuolization

(HE; 100x magnification). (C) Testis of fowls from the 100 mg Pb/Kg group showing

total disorganization of seminiferous tubules with many vacuoles, low sperm cell

density, cell disorganization and few Leydig cells (HE; 100x magnification). -

spermatogonia, - spermatocyte, - spermatozoa, - Leydig cell and - vacuole.

Fig. 3. Sperm quality parameters in the fowl Chrysomus ruficapillus seven days after

injection of 1 mL of saline solution (control group) or 1 mL of saline solution

containing Pb acetate (50 or 100 mg Pb/Kg groups). Data are expressed as mean ±

standard error (control group: n = 12; 50 and 100 mg/Kg groups: n = 15). MI:

membrane integrity; MF: mitocondrial functionality; DI: DNA integrity. Different

letters indicate significant difference (P<0.05) among experimental groups for each

parameter.

Page 40: Efeitos da exposição ao chumbo no sistema reprodutivo de

39

Fig. 4. Reactive oxygen species (ROS), total antioxidant capacity (ACAP), and lipid

peroxidation (LPO) in testis of the wild fowl Chrysomus ruficapillus seven days after

injection of 1 mL of saline solution (control group) or 1 mL of saline solution

containing Pb acetate (50 or 100 mg Pb/Kg). Data are expressed as mean ± standard

error (control group: n = 12; 50 and 100 mg/Kg groups: n = 15). Different letters

indicate significant different mean values among experimental groups (P<0.05) for each

parameter.

Page 41: Efeitos da exposição ao chumbo no sistema reprodutivo de

40

Figure 1

Blood T estis

Blo

od

Pb

co

nte

nt

(mg

/g d

w)

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

Te

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)

0

2

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8

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C ontro l

Pb-exposed (50 m g Pb/Kg)

Pb-exposed (100 m g Pb/Kg)

a a

b

aa

b

b

b

Page 42: Efeitos da exposição ao chumbo no sistema reprodutivo de

41

Figure 2

Page 43: Efeitos da exposição ao chumbo no sistema reprodutivo de

42

Figure 3

M I M F D I

Fre

qu

en

cy

(%

)

0

20

40

60

80

100

120

C ontro l

Pb-exposed (50 m g Pb/Kg)

Pb-exposed (100 m g Pb/Kg)

a

b bbb

a a

a

b

Page 44: Efeitos da exposição ao chumbo no sistema reprodutivo de

43

Figure 4

R O S AC AP LPO

RO

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ten

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luo

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ce

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nit

s/m

g p

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0

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6x10 5

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an

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PO

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w)

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1

2

3

4

5

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175

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225

250

C ontro l

Pb-exposed (50 m g Pb/Kg)

Pb-exposed (100 m g Pb/Kg)

ab

b

a

b

ab

a

a

ab

b

Page 45: Efeitos da exposição ao chumbo no sistema reprodutivo de

44

VI. CONCLUSÃO E CONSIDERAÇÕES GERAIS

Concluiu-se que a exposição crônica ao chumbo causa efeitos nas células

espermáticas e no aparelho reprodutivo masculino em Chrysomus ruficapillus adultos

que afetará o desempenho reprodutivo dessas aves silvestres. O chumbo é um dos

contaminantes ambientais mais comuns, com alta toxicidade para homens e animais,

que pode causar mortalidade ou interferir nas populações através de seus efeitos tóxicos.

Estudos relacionando a exposição de metais e seus compostos com o trato reprodutivo

têm sido associados a um aumento de anormalidades morfológicas, baixa motilidade

espermática e infertilidade masculina. Aves terrestres selvagens estão expostas a

inúmeras formas de contaminação, frequentam vários ambientes e tem uma diversidade

alimentar, sendo animais mais sensíveis e mais susceptíveis a doenças, por isso, são

consideradas bioindicadores ambientais. Porém, estudos com aves terrestres ainda são

escassos devido a manutenção e custos de manter elas em laboratório, e pela

manipulação para conseguir os tecidos. Torna-se necessário aprofundar conhecimentos

no que diz a respeito à influência do acetato de chumbo no sistema reprodutivo e como

esse interage na fisiologia reprodutiva, os mecanismos de ação e que danos causam,

pois esses conhecimentos podem fornecer informações para a saúde pública e

ambiental.

Page 46: Efeitos da exposição ao chumbo no sistema reprodutivo de

45

VII. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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