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Survival, development and bioaccumulation rate of Calliphora vicina larvae (Diptera: Calliphoridae) to increasing concentrations of metals
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Authors
Advisor(s)
Abstract(s)
Heavy metal poisoning is a serious threat to human health, as heavy metals are highly toxic in low concentrations. Exposure to these substances has the potential to result in chronic or acute poisoning, which can have adverse effects on human health and, in some cases, may ultimately lead to death. The analysis of heavy metals on decaying corpses can be challenging due to the interference of matrix decomposition or the absence of traditional biological samples. In such cases, forensic entomology can be a useful tool, as necrophagous insects may facilitate the detection of these substances. For example, the blowfly Calliphora vicina (C. vicina) is a common early colonizer of decomposing corpses, and thus may be a suitable candidate for use as entomological evidence. Nevertheless, these toxic substances have the potential to impact insect growth and survival rates, which may, in certain circumstances, restrict their use as toxicological markers and for post-mortem interval (PMI) estimations.
The present study sought to ascertain the impact of the most prevalent heavy metals responsible for human poisoning – Arsenic (As), Mercury (Hg), Lead (Pb), and Cadmium (Cd) – on the survival, development, and bioaccumulation rate of C. vicina larvae. To this end, C. vicina larvae were reared in increasing concentrations of each heavy metal for a six-day period. The length and weight of the larvae were measured, and the concentrations were analysed using Wavelength Dispersive X-Ray Fluorescence Spectrometry (WDXRF), Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectroscopy (ICP-OES), and Atomic Absorption Spectroscopy (AAS).
Each heavy metal resulted in elevated mortality rates in a dose-dependent manner, with As being the most toxic for this species. The development of C. vicina larvae was found to be limited by high concentrations of all heavy metals, resulting in a reduction in weight and length, with sizes comparable to that observed in the first and second instars. The findings demonstrate that elevated concentrations of heavy metals can potentially introduce bias in PMI estimations based on entomological evidence. All metals were successfully detected on the larvae and rearing substrate. However, no evidence was established for the bioaccumulation of As, Hg, or Pb from C. vicina larvae. Verification of bioaccumulation was limited to Cd, with larvae concentrations 3 to 4 times higher than those observed in the substrate.
Os metais pesados são uma ameaça séria à saúde humana, uma vez que podem ser tóxicos mesmo em baixas concentrações, e inclusivamente levar à morte. No entanto, a análise de metais pesados em cadáveres em decomposição pode ser desafiante, devido à interferência da decomposição da matriz ou à ausência de amostras biológicas tradicionais. Neste sentido, a entomologia forense pode ser uma ferramenta útil, onde o recurso a insetos necrófagos que consigam bioacumular estas substâncias pode facilitar a sua análise e quantificação. As moscas varejeiras, como a Calliphora vicina (C. vicina), são normalmente as primeiras a colonizar os cadáveres e, por isso, as mais elegíveis a serem utilizadas como evidência entomológica. No entanto, estas substâncias podem afetar a taxa de crescimento e a sobrevivência das larvas necrófagas destes insetos, comprometendo a sua utilidade como marcadores toxicológicos para metais pesados, bem como o seu valor na determinação dos intervalos pós-morte (PMI). Neste projeto, foram estudadas a taxa de sobrevivência, o desenvolvimento e a bioacumulação de larvas de C. vicina em relação aos metais pesados mais associados ao envenenamento humano – Arsénio (As), Mercúrio (Hg), Chumbo (Pb) e Cádmio (Cd). Para tal, as larvas de C. vicina foram expostas a concentrações crescentes de cada um desses metais pesados durante um período de seis dias. O comprimento e o peso das larvas foram medidos, e as concentrações dos metais foram determinados por Espectrometria por Fluorescência de Raios-X Dispersiva em Comprimento de Onda (WDXRF), Espectrometria de Emissão Ótica com Plasma Indutivamente Acoplado (ICP-OES) e Espectrometria de Absorção Atómica (AAS). Todos os metais pesados em estudo induziram um aumento na taxa de mortalidade, sendo o As o mais tóxico para esta espécie. Concentrações elevadas de cada metal pesado limitaram o desenvolvimento das larvas, resultando em peso e comprimento reduzidos, com tamanhos semelhantes aos dos primeiros instares. Estes resultados indicam que concentrações elevadas de metais pesados podem enviesar as estimativas do PMI baseadas em evidências entomológicas. Todos os metais foram detetados com sucesso nas larvas e no substrato; no entanto, não foi observada bioacumulação de As, Hg ou Pb nas larvas de C. vicina. A bioacumulação foi verificada apenas para o Cd, com concentrações 3 a 4 vezes superiores nas larvas em comparação com o substrato.
Os metais pesados são uma ameaça séria à saúde humana, uma vez que podem ser tóxicos mesmo em baixas concentrações, e inclusivamente levar à morte. No entanto, a análise de metais pesados em cadáveres em decomposição pode ser desafiante, devido à interferência da decomposição da matriz ou à ausência de amostras biológicas tradicionais. Neste sentido, a entomologia forense pode ser uma ferramenta útil, onde o recurso a insetos necrófagos que consigam bioacumular estas substâncias pode facilitar a sua análise e quantificação. As moscas varejeiras, como a Calliphora vicina (C. vicina), são normalmente as primeiras a colonizar os cadáveres e, por isso, as mais elegíveis a serem utilizadas como evidência entomológica. No entanto, estas substâncias podem afetar a taxa de crescimento e a sobrevivência das larvas necrófagas destes insetos, comprometendo a sua utilidade como marcadores toxicológicos para metais pesados, bem como o seu valor na determinação dos intervalos pós-morte (PMI). Neste projeto, foram estudadas a taxa de sobrevivência, o desenvolvimento e a bioacumulação de larvas de C. vicina em relação aos metais pesados mais associados ao envenenamento humano – Arsénio (As), Mercúrio (Hg), Chumbo (Pb) e Cádmio (Cd). Para tal, as larvas de C. vicina foram expostas a concentrações crescentes de cada um desses metais pesados durante um período de seis dias. O comprimento e o peso das larvas foram medidos, e as concentrações dos metais foram determinados por Espectrometria por Fluorescência de Raios-X Dispersiva em Comprimento de Onda (WDXRF), Espectrometria de Emissão Ótica com Plasma Indutivamente Acoplado (ICP-OES) e Espectrometria de Absorção Atómica (AAS). Todos os metais pesados em estudo induziram um aumento na taxa de mortalidade, sendo o As o mais tóxico para esta espécie. Concentrações elevadas de cada metal pesado limitaram o desenvolvimento das larvas, resultando em peso e comprimento reduzidos, com tamanhos semelhantes aos dos primeiros instares. Estes resultados indicam que concentrações elevadas de metais pesados podem enviesar as estimativas do PMI baseadas em evidências entomológicas. Todos os metais foram detetados com sucesso nas larvas e no substrato; no entanto, não foi observada bioacumulação de As, Hg ou Pb nas larvas de C. vicina. A bioacumulação foi verificada apenas para o Cd, com concentrações 3 a 4 vezes superiores nas larvas em comparação com o substrato.
Description
Dissertação para obtenção do grau de Mestre no Instituto Universitário Egas Moniz
Keywords
Forensic entomology Heavy metals WDXRF AAS ICP-OES