Shallow coastal habitats are commonly exposed to multiple stressors including pollution from point and non-point sources, fluctuations in temperature and salinity that can interactively affect the performance and health of keystone marine organisms including benthic ecosystem engineers such as the mussels. Engineered nanoparticles (nZnO) from multiple sources are contaminants of emerging concern (CECs) in coastal habitats especially in the closed inland basins such as the Baltic Sea. Toxicity of nanoparticles have raised concerns about their potential effects on coastal ecosystems, yet the mechanisms of the nanoparticle toxicity and their interactions with common abiotic stressors such as temperature and salinity are not well understood. The blue mussels of the genus Mytilus play important ecological and economical roles in temperate to subarctic coastal ecosystems and are biological indicator species for ecosystem health. Mussels can accumulate nanomaterials and are sensitive to their toxicity due to their filter-feeding habit. The aim of our present study was to investigate the combined effects of seasonal warming, acclimation at elevated temperatures and salinity stress on bioenergetics, immune and general cellular stress responses to nZnO nanoparticles pollution in the blue mussels M. edulis. To achieve this aim, we determined the combined effects of seasonality (winter and summer), warming (+5 °C above the season-specific ambient temperature), different salinity regimes (normal salinity 15, low salinity 5 and fluctuating salinity 5-15) as well as exposure to the environmentally relevant concentrations of nZnO (10 and 100 µg/l) for 21 days on key fitness-related traits including bioenergetics, innate immunity, and cellular stress response in the M. edulis from the Baltic Sea. Exposure to dissolved Zn was used to test whether the toxic effects of nZnO might be due to the potential release of Zn ions. Our study shows that nZnO exposures regulate the expression of immune-related genes and the immune-related functions in hemocytes, negatively affect the bioenergetics and cellular energy allocation in the whole soft tissue, and induce oxidative stress and apoptosis in gill and digestive gland in the mussels M. edulis, and that the immunomodulatory effects, bioenergetics responses and cellular stress responses of nZnO are strongly regulated by the elevated temperatures and the season as well as the environmental salinity regimes. Furthermore, the multi-biomarker analysis shows that the toxic effect of nZnO has different mechanisms and might be stronger than the effect of the equivalent concentrations of dissolved Zn in the mussels. Our study provided new insights into the bioenergetics, immunomodulation and cellular stress mechanisms underlying the combined effects of temperature and salinity variations with nZnO toxicity in the mussels and their implications for the survival and performance of the mussels’populations in polluted coastal areas.
Flache Küstenlebensräume sind häufig mehreren Stressoren ausgesetzt, darunter Verschmutzung sowie Temperatur- und Salzgehaltsschwankungen, die die Leistung und Gesundheit wichtiger Meeresorganismen, einschließlich benthischer Ökosystemingenieure wie Muscheln, interaktiv beeinflussen können. Technisch hergestellte Nanopartikel (nZnO) sind neu auftretende besorgniserregende Schadstoffe (Contaminants of Emerging Concern, CECs), insbesondere in geschlossenen Binnenbecken wie der Ostsee. Die Toxizität von Nanopartikeln hat Bedenken hinsichtlich ihrer potenziellen Auswirkungen auf Küstenökosysteme geweckt, doch die Mechanismen der Nanopartikeltoxizität und ihre Wechselwirkungen mit häufigen abiotischen Stressoren wie Temperatur und Salzgehalt sind nicht gut bekannt. Die Miesmuscheln der Gattung Mytilus sind ökologisch und ökonomisch wichtige Organismen in gemäßigten bis subarktischen Küstenökosystemen sowie Bioindikatorarten für die Ökosystemgesundheit. Muscheln können Nanomaterialien anreichern und sind aufgrund ihrer Filter-Fressgewohnheiten empfindlich gegenüber ihrer Toxizität. Das Ziel dieser Studie war es, die kombinierten Auswirkungen von Temperatur- und Salzstress auf die Bioenergetik, das Immunsystem und allgemeine zelluläre Stressreaktionen auf die nZnO-Nanopartikel bei der Miesmuschel M. edulis zu untersuchen. Dafür wurden die Muscheln der kombinierten Auswirkungen von Saisonalität (Winter und Sommer), Erwärmung (+5 °C über der jahreszeitspezifischen Umgebungstemperatur), verschiedenen Salzgehaltsregimen (normaler Salzgehalt 15, niedriger Salzgehalt 5 und schwankender Salzgehalt 5-15) sowie der umweltrelevanten Konzentrationen von nZnO (10 und 100 µg/l) für 21 Tage ausgesetzt, und die wichtige fitnessbezogene Merkmale, einschließlich Bioenergetik, angeborene Immunität und zelluläre Stressreaktion wurden gemessen. Die Exposition gegenüber gelöstem Zn wurde verwendet, um zu testen, ob die toxischen Wirkungen von nZnO auf die mögliche Freisetzung von Zink-Ionen zurückzuführen sein könnten. Unsere Studie zeigt, dass nZnO-Expositionen die Expression von immunbezogenen Genen und immunbezogenen Funktionen in Hämozyten ändern, die Bioenergetik und zelluläre Energieallokation im Körper negativ beeinflussen und oxidativen Stress und Apoptose in Kiemen und Verdauungsdrüsen von den Muscheln auslösen. Die immunmodulatorischen und bioenergetische Stresswirkungen von nZnO sind stark durch die erhöhten Temperaturen, Salinität und Saisonalität modifiziert. Darüber hinaus zeigt die Multi-Biomarker-Analyse, dass die toxische Wirkung von nZnO anders und teilweise stärker als die Wirkung auf die äquivalenten Konzentrationen von gelöstem Zn ist. Diese Arbeit liefert neue Erkenntnisse über die Bioenergetik, die Immunmodulation und die zellulären Stressmechanismen, die den kombinierten Auswirkungen erhöhter Temperatur- und Salzgehaltsschwankungen mit nZnO-Toxizität in den Muscheln zugrunde liegen, und deren Bedeutungen für die Lebensfähigkeit der Muschelpopulationen in verschmutzten Küstengebieten.