We sat down with Adrian Pang, RMC Research Assistant and Doctoral Candidate to talk about the effects of anthropogenic contaminants to native plant and soil invertebrate species
Tell us about the research you are doing?
My research investigates the effects of anthropogenic contaminants to native plant and soil invertebrate species. Currently, my work is focused on the main constituents of crude oil, petroleum hydrocarbons. Petroleum hydrocarbon pollution is ubiquitous worldwide and is often difficult to predict its toxicity due to the fact that it is a complex mixture containing thousands of different compounds. Depending on the source of the contamination, the composition of the mixture can vary, as well as its relative toxicity. For example, one study using distilled crude oil observed 50% reductions in soil invertebrate reproduction at 338 mg/kg, whereas another study using lubricating oil observed 50% reductions in reproduction at 1680 mg/kg. Hence, the best approach to assess the associated risks at petroleum hydrocarbon contaminated sites is to use site-specific toxicity tests, which measures the performance of species exposed to the contaminated soils. For plants, we can measure growth endpoints, including biomass and length, and for soil invertebrates, we can measure mortality and reproduction rates. However, these traditional endpoints are time- and resource-intensive, so I am now working on developing alternative methods to assess petroleum hydrocarbon toxicity that can be used in a more expedient manner. RNA-sequencing, which analyses the expression rates of different genes within an organisms, has become more readily accessible in the last decade, and may provide researchers the ability to identify new biomarkers to assess toxicity. My latest project investigated the effects of petroleum hydrocarbons on the transcriptome of a model springtail species, Folsomia candida.
Your research has taken a bit of a turn since you first started – tell us about that shift.
Initially, my project started as a site-specific risk assessment of a petroleum hydrocarbon contaminated site in North Western Canada. This involved assessing the effects on six plant and four soil invertebrate species exposed to three different pairs of contaminated soils. Using traditional toxicity tests, I found that natural weathering processes had reduced the burden of volatile compounds and reduced the bioavailability of residual compounds, rendering the contaminated soils non-toxic. This process took quite a long time as some species required six weeks of exposure for optimal plant growth. Which brought me to think about alternative methods to assess toxicity and how molecular biomarkers may be a strong candidate to replace traditional tests. Changes in gene expression rates of organisms exposed to contaminants can be measured following four days of exposure. By developing biomarkers for model organisms exposed to petroleum hydrocarbons, assessment of contaminated sites can be performed much more rapidly, which is especially important as there are thousands of petroleum hydrocarbon contaminated sites in Canada, many of which still require risk assessments.
How long have you been working on this?
I have been working on the biomarkers studies for two years now, but more work is required before these biomarkers can be successfully implemented in ecological risk assessment studies. Currently, I have identified potential candidate biomarkers that can be used, but I will need to validate them in a separate study and determine how they respond in a dose- and time-dependant manner.
What made you decide to conduct this research at RMC?
I chose to conduct my research at RMC under the supervision of Dr. Barbara Zeeb and Dr. Allison Rutter due to their expertise in the field of petroleum hydrocarbon remediation. When I was searching for graduate programs, I found their work of high interest to me and offered well-equipped facilities to help me accomplish my goals.
What have you learned so far in doing your research?
As I mentioned earlier, prediction of risks at petroleum hydrocarbon contaminated sites is very difficult. Generic guidelines for petroleum hydrocarbon-impacted soils are well suited for freshly contaminated soils, however, they may be too conservative for legacy sites, which have undergone natural weathering processes. Despite exceeding federal petroleum hydrocarbon guidelines, the soils at the site in North Western Canada are not having an adverse effect on the native plant and soil invertebrate species. Attempts to remediate the soils to federal guidelines may actually cause more disturbance than the recalcitrant contaminants themselves. Some petroleum hydrocarbon remediation techniques require site owners to excavate the soils, which also inadvertently removes existing microorganisms, invertebrates and plants living in the soil. Other techniques may require the addition of chemical solvents, which may also affect soil microorganisms or soil physiochemical properties. Hence, at heavily weathered sites, remediation may not be required even though concentrations exceed petroleum hydrocarbon guidelines.
With the transcriptomics study, links between effects at the individual level (e.g., growth, reproduction, etc) and the molecular level (e.g., gene expression rates) were investigated. Aside from induction of oxidative stress response, petroleum hydrocarbons exposure were causing energy constraints in F. candida. These results help explain why the growth and reproduction rates of F. candida exposed to petroleum hydrocarbons are significantly reduced.
What is your end goal? What do you hope to accomplish?
My aims for this current project are to further validate the potential biomarkers so that they can efficiently and reliably be used as a high-throughput screening test for contaminated sites. This will allow land owners to save time and make land management decisions in a more expedient manner. Although my current project is focused on petroleum hydrocarbons, investigation into the transcriptome of F. candida exposed to other contaminants, such as metals, could help identify biomarkers that are discriminative to certain classes of pollutants. This would be useful for screening contaminated sites for contaminants of concern when the site history is not fully known.
Parlez-nous de vos recherches, si vous le voulez bien.
Mes recherches portent sur les effets des contaminants anthropogéniques sur les plantes indigènes et les espèces d’invertébrés du sol. Actuellement, mes travaux se concentrent sur les principaux constituants du pétrole brut, les hydrocarbures pétroliers. La pollution par les hydrocarbures pétroliers est omniprésente dans le monde et il est souvent difficile de prévoir leur toxicité, car il s’agit d’un mélange complexe contenant des milliers de composés différents. Selon la source de la contamination, la composition du mélange peut varier, de même que sa toxicité relative. Par exemple, une étude utilisant du pétrole brut distillé a observé une réduction de 50 % de la reproduction des invertébrés du sol à 338 mg/kg, tandis qu’une autre étude utilisant de l’huile de graissage a observé une réduction de 50 % de la reproduction à 1 680 mg/kg. Par conséquent, la meilleure approche pour évaluer les risques associés aux sites contaminés par les hydrocarbures pétroliers consiste à utiliser des tests de toxicité adaptés au site, qui mesurent la performance des espèces exposées aux sols contaminés. Pour les plantes, nous pouvons mesurer les paramètres de croissance, y compris la biomasse et la longueur, et pour les invertébrés du sol, nous pouvons mesurer les taux de mortalité et de reproduction. Toutefois, ces paramètres conventionnels demandent beaucoup de temps et de ressources, si bien que je travaille actuellement à la mise au point d’autres méthodes d’évaluation de la toxicité des hydrocarbures pétroliers qui peuvent être utilisées de manière plus rapide. Le séquençage de l’ARN, qui analyse les taux d’expression de différents gènes au sein d’un organisme, est devenu plus facilement accessible au cours de la dernière décennie et pourrait permettre aux chercheurs de trouver de nouveaux biomarqueurs pour évaluer la toxicité. Mon dernier projet portait sur les effets des hydrocarbures pétroliers sur le transcriptome d’une espèce modèle de collembole, Folsomia candida.
Vos recherches ont quelque peu évolué depuis vos débuts. Parlez-nous de cette évolution.
Au départ, mon projet consistait en une évaluation des risques propres à un site contaminé par des hydrocarbures pétroliers dans le nord-ouest du Canada. Il s’agissait d’évaluer les effets sur six espèces de plantes et quatre espèces d’invertébrés du sol exposés à trois paires différentes de sols contaminés. En utilisant des tests de toxicité classiques, j’ai constaté que les processus naturels d’altération avaient réduit la charge des composés volatils et la biodisponibilité des composés résiduels, rendant les sols contaminés non toxiques. Ce processus était chronophage, certaines espèces nécessitant six semaines d’exposition pour une croissance optimale des plantes. J’ai donc réfléchi à d’autres méthodes d’évaluation de la toxicité et à la manière dont les biomarqueurs moléculaires peuvent être un candidat de choix pour remplacer les tests traditionnels. Les changements dans les taux d’expression des gènes des organismes exposés aux contaminants peuvent être mesurés après quatre jours d’exposition. En mettant au point des biomarqueurs pour les organismes modèles exposés aux hydrocarbures pétroliers, l’évaluation des sites contaminés peut être réalisée beaucoup plus rapidement. C’est particulièrement important étant donné qu’il existe des milliers de sites contaminés par les hydrocarbures pétroliers au Canada, dont beaucoup nécessitent encore une évaluation des risques.
Depuis combien de temps travaillez-vous sur ce projet?
Je travaille sur les études de biomarqueurs depuis maintenant deux ans, mais il reste encore du travail à faire avant que ces biomarqueurs puissent être mis en œuvre avec succès dans les études d’évaluation des risques écologiques. Actuellement, j’ai recensé des biomarqueurs candidats potentiels qui peuvent être utilisés, mais je devrai les valider dans une étude distincte et déterminer comment ils réagissent en fonction de la dose et du temps.
Qu’est-ce qui vous a amené à poursuivre vos recherches au CMR?
J’ai choisi de mener mes recherches au CMR sous la supervision de Barbara Zeeb et d’Allison Rutter en raison de leur expertise dans le domaine de l’assainissement des hydrocarbures pétroliers. Quand j’ai cherché des programmes d’études supérieures, j’ai découvert que leurs travaux m’intéressaient beaucoup et que le CMR disposait d’installations bien équipées pour m’aider à atteindre mes objectifs.
Qu’avez-vous appris jusqu’ici dans le cadre de vos recherches?
Comme je l’ai mentionné précédemment, il est très difficile de prévoir les risques sur les sites contaminés par des hydrocarbures pétroliers. Les lignes directrices génériques pour les sols contaminés par les hydrocarbures pétroliers sont bien adaptées aux sols fraîchement contaminés, mais elles peuvent être trop conservatrices pour les sites anciens, qui ont subi des processus naturels d’altération. Bien qu’ils dépassent les recommandations fédérales en matière d’hydrocarbures pétroliers, les sols du site du nord-ouest du Canada n’ont pas d’effet néfaste sur les plantes indigènes et les espèces d’invertébrés du sol. Les tentatives d’assainissement des sols pour les rendre conformes aux directives fédérales peuvent en fait causer plus de perturbations que les contaminants récalcitrants eux-mêmes. Certaines techniques d’assainissement des hydrocarbures pétroliers exigent des propriétaires de sites qu’ils excavent les sols, ce qui a pour effet d’éliminer les microorganismes, les invertébrés et les plantes vivant dans le sol. D’autres techniques peuvent nécessiter l’ajout de solvants chimiques, qui peuvent également nuire aux microorganismes ou aux propriétés physiochimiques du sol. Par conséquent, sur les sites fortement altérés, l’assainissement peut ne pas être nécessaire même si les concentrations dépassent les seuils en matière d’hydrocarbures pétroliers.
L’étude transcriptomique a permis d’étudier les liens entre les effets au niveau individuel (croissance, reproduction, etc.) et au niveau moléculaire (taux d’expression des gènes). Outre l’induction d’une réponse au stress oxydatif, l’exposition aux hydrocarbures pétroliers entraîne des contraintes énergétiques chez F. candida. Ces résultats permettent d’expliquer pourquoi les taux de croissance et de reproduction de F. candida exposé aux hydrocarbures pétroliers sont considérablement réduits.
Quel est votre objectif à terme? Qu’espérez-vous accomplir?
Mes objectifs pour ce projet actuel sont de valider davantage les biomarqueurs potentiels afin qu’ils puissent être utilisés de manière efficace et fiable comme test de dépistage à haut débit pour les sites contaminés. Les propriétaires fonciers pourront ainsi gagner du temps et prendre des décisions plus rapides en matière de gestion des terres. Bien que mon projet actuel soit axé sur les hydrocarbures pétroliers, l’étude du transcriptome de F. candida exposé à d’autres contaminants, comme les métaux, pourrait permettre de recenser des biomarqueurs discriminants pour certaines classes de polluants. Cette démarche pourrait s’avérer utile pour le dépistage des contaminants préoccupants dans les sites contaminés dont l’historique n’est pas entièrement connu.