An adverse outcome pathway (AOP) is a conceptual framework that organizes existing knowledge concerning biologically plausible, and empirically supported, links between molecular-level perturbation of a biological system and an adverse outcome at a level of biological organization of regulatory relevance. Systematic organization of information into AOP frameworks has potential to improve regulatory decision-making through greater integration and more meaningful use of mechanistic data. However, for the scientific community to collectively develop a useful AOP knowledgebase that encompasses toxicological contexts of concern to human health and ecological risk assessment, it is critical that AOPs be developed in accordance with a consistent set of core principles. Based on the experiences and scientific discourse among a group of AOP practitioners, we propose a set of five fundamental principles that guide AOP development: (1) AOPs are not chemical specific; (2) AOPs are modular and composed of reusable components—notably key events (KEs) and key event relationships (KERs); (3) an individual AOP, composed of a single sequence of KEs and KERs, is a pragmatic unit of AOP development and evaluation; (4) networks composed of multiple AOPs that share common KEs and KERs are likely to be the functional unit of prediction for most real-world scenarios; and (5) AOPs are living documents that will evolve over time as new knowledge is generated. The goal of the present article was to introduce some strategies for AOP development and detail the rationale behind these 5 key principles. Consideration of these principles addresses many of the current uncertainties regarding the AOP framework and its application and is intended to foster greater consistency in AOP development.

Organization of existing and emerging toxicological knowledge into adverse outcome pathway (AOP) descriptions can facilitate greater application of mechanistic data, including those derived through high-throughput in vitro, high content omics and imaging, and biomarker approaches, in risk-based decision making. The previously ad hoc process of AOP development is being formalized through development of internationally harmonized guidance and principles. The goal of this article was to outline the information content desired for formal AOP description and some rules of thumb and best practices intended to facilitate reuse and connectivity of elements of an AOP description in a knowledgebase and network context. For example, key events (KEs) are measurements of change in biological state that are indicative of progression of a perturbation toward a specified adverse outcome. Best practices for KE description suggest that each KE should be defined as an independent measurement made at a particular level of biological organization. The concept of "functional equivalence" can help guide both decisions about how many KEs to include in an AOP and the specificity with which they are defined. Likewise, in describing both KEs and evidence that supports a causal linkage or statistical association between them (ie, a key event relationship; KER), best practice is to build from and contribute to existing KE or KER descriptions in the AOP knowledgebase rather than creating redundant descriptions. The best practices proposed address many of the challenges and uncertainties related to AOP development and help promote a consistent and reliable, yet flexible approach.

ABSTRACT Toxicity testing is under transformation as it aims to harness the potential of New Approach Methods (NAMs) as alternative test methods that may be less resource intensive (i.e., fewer animals, cheaper costs, quicker assays) than traditional approaches while also providing more data and information. While many stakeholders are of the opinion that this unfolding transformation holds significant promise as a more efficient and ethical way forward, few studies have compared the resources required for NAMs versus those needed for traditional animal-based toxicity tests, particularly in the field of ecotoxicology. The objective was to compare resources needed for traditional animal-based ecotoxicity tests versus alternative tests using emergent NAMs. From a bibliometric review, we estimate that traditional tests for a single chemical cost $118,000 USD, require 135 animals, and take 8 weeks. In comparison, alternative tests cost $2,600, require 20 animals (or none), and take up to 4 weeks to test 16 (to potentially hundreds of) chemicals. Based on our analysis we conclude that NAMs in ecotoxicology can be more advantageous than traditional methods in terms of resources required (i.e., monetary costs, number of animals needed, and testing times). We note, however, that the evidence underpinning these conclusions is relatively sparse. Moving forward, groups developing and applying NAMs should provide more detailed accounts of the resources required. In addition, there is also a need for carefully designed case studies that demonstrate the domain of applicability of NAMs (and make comparisons to traditional tests) to ultimately build confidence among the user community.

Abstract Pharmaceuticals in aquatic environments pose threats to aquatic organisms because of their continuous release and potential accumulation. Monitoring methods for these contaminants are inadequate, with targeted analyses falling short in assessing water quality's impact on biota. The present study advocates for integrated strategies combining suspect and targeted chemical analyses with molecular biomarker approaches to better understand the risks posed by complex chemical mixtures to nontarget organisms. The research aimed to integrate chemical analysis and transcriptome changes in fathead minnows to prioritize contaminants, assess their effects, and apply this strategy in Wascana Creek, Canada. Analysis revealed higher pharmaceutical concentrations downstream of a wastewater‐treatment plant, with clozapine being the most abundant in fathead minnows, showing notable bioavailability from water and sediment sources. Considering the importance of bioaccumulation factor and biota–sediment accumulation factor in risk assessment, these coefficients were calculated based on field data collected during spring, summer, and fall seasons in 2021. Bioaccumulation was classified as very bioaccumulative with values >5000 L kg –1 , suggesting the ability of pharmaceuticals to accumulate in aquatic organisms. The study highlighted the intricate relationship between nutrient availability, water quality, and key pathways affected by pharmaceuticals, personal care products, and rubber components. Prioritization of these chemicals was done through suspect analysis, supported by identifying perturbed pathways (specifically signaling and cellular processes) using transcriptomic analysis in exposed fish. This strategy not only aids in environmental risk assessment but also serves as a practical model for other watersheds, streamlining risk‐assessment processes to identify environmental hazards and work toward reducing risks from contaminants of emerging concern. Environ Toxicol Chem 2024;00:1–22. © 2024 SETAC

Abstract N-(1,3-Dimethylbutyl)-N’-phenyl-p-phenylenediamine-quinone (6PPD-q) is a rubber-tire derivative which leaches into surface waters from roadway runoff, from tire particles and has been identified as a possible driver of urban runoff mortality syndrome in coho salmon. Sensitivity to this toxicant is highly variable across fish species and life stages. With environmental concentrations meeting or exceeding toxicity thresholds in sensitive fishes, the potential for ecologically relevant effects is significant. There is currently no data regarding the sensitivity of lake trout ( Salvelinus namaycush ) to 6PPD-q. As early-life stages of fishes are typically more sensitive than adults, the goal of these studies was to evaluate the acute and sub-chronic toxicity of 6PPD-q to early-life stage lake trout. Alevins exposed from hatch until 45 days post hatch (dph) to time-weighted average 6PPD-q concentrations ranging from 0.22-13.5 μg/L exhibited a 45-day median lethal dose (LC 50 ) of 0.39 μg/L. Deformities throughout growth were observed, with a unique pooling of blood observed in the caudal fin and eye. A subsequent acute study with exogenously feeding lake trout fry determined a 96-hr LC 50 of 0.50 μg/L. From these studies we can conclude that lake trout alevins and exogenously feeding fry are sensitive to 6PPD-q, which underscores the relevance of this chemical to inland freshwater ecosystems.

Abstract Crude oil can affect the normal eye development and swimming behavior of fish embryos. In this study 0-4 hours post fertilization (hpf) zebrafish ( Danio rerio ) embryos were exposed to low, sublethal concentrations of water-accommodated fractions (WAF) of a naphthenic North Sea crude oil alone and in combination with a third-generation chemical dispersant. Effects on eye development and function at the transcript, histological, morphological, and behavioral level were assessed relative to untreated control specimen at 119 hpf. Exposed embryos swam significantly less during the dark phases of the light/dark transition test. Eye size of zebrafish embryos was significantly smaller in groups exposed to crude oil WAFs. Zebrafish retina histology revealed that, among other structural alterations, the outer nuclear layer, containing photoreceptor cells relevant for normal visual functioning, was significantly thinner in exposed embryos. Transcriptome analysis revealed that several genes involved in eye development and function (opsins and crystallins) were dysregulated upon oil exposure. The molecular effects on gene expression and eye histology results form a novel line of evidence that explains the observed effects of crude oil on the swimming activity of exposed fish embryos. The present study is in line with recent findings highlighting the importance of ocular toxicity in developing embryos exposed to petroleum samples at environmentally relevant and non-lethal concentrations without visible malformations. The study suggests that oculotoxicity should be considered as a major toxicity pathway alongside to the well-established cardiotoxicity.

Exposure to contaminant mixtures from industrial legacy sites presents unique challenges that require novel approaches such as effects-directed toxicity assessment. This study characterized the target organ toxicity of groundwater from a legacy contaminated pesticide plant in male and female Sprague Dawley rats exposed to low impact (10% v/v) groundwater, high impact (0.01% v/v, 0.1% v/v, 1% v/v, and 10% v/v) groundwater or tap water (control) for 60 days. Rats exposed to high impact (1% and 10%) and 10% low impact groundwater mixture showed statistically significant increases in liver necro-inflammation relative to control. A statistically significant reduction in plasma albumin of exposed rats (except 0.01% high impact) and alpha 2 macroglobulin (all exposed) when compared to the control. All groundwater-exposed rats showed glomerulopathy, but there were sex-specific differences in acute tubular necrosis. Testes showed germinal cell vacuolation, necrosis, reduced seminiferous epithelial height, and Sertoli syndrome in exposed rats, accompanied by reduced plasma testosterone and increased testicular malondialdehyde. Taken together, this sub-chronic oral exposure to groundwater from a contaminated industrial site caused dose-dependent hepatic and testicular toxicity, while nephrotoxicity was both sex-dependent and dose-dependent. This study provides support for the essentiality of using effects-driven approaches in the risk assessment of complex mixtures.

ABSTRACT N-(1,3-Dimethylbutyl)-N’-Phenyl-P-Phenylenediamine-Quinone (6PPD-Q) is a recently identified contaminant that originates from the oxidation of the tire anti-degradant 6PPD. 6PPD-Q is acutely toxic to select salmonids at environmentally relevant concentrations, while other fish species display tolerance to concentrations surpassing those measured in the environment. The reasons for these marked differences in sensitivity are presently unknown. The objective of this research was to explore potential toxicokinetic drivers of species sensitivity by characterizing biliary metabolites of 6PPD-Q in sensitive and tolerant fishes. For the first time, we identified an O -glucuronide metabolite of 6PPD-Q using high-resolution mass spectrometry. The semi-quantified levels of this metabolite in tolerant species or life stages, including white sturgeon ( Acipenser transmontanus ), chinook salmon ( Oncorhynchus tshawytscha ), westslope cutthroat trout ( Oncorhynchus clarkia lewisi ) and non-fry life stages of Atlantic salmon ( Salmo salar ), were greater than those in sensitive species, including coho salmon ( Oncorhynchus kisutch ), brook trout ( Salvelinus fontinalis ), and rainbow trout ( Oncorhynchus mykiss ), suggesting that tolerant species might more effectively detoxify 6PPD-Q. Thus, we hypothesize that differences in species sensitivity are a result of differences in basal expression of biotransformation enzyme across various fish species. Moreover, the semi-quantification of 6PPD-Q metabolites in bile extracted from wild-caught fish might be a useful biomarker of exposure to 6PPD-Q, thereby being invaluable to environmental monitoring and risk assessment.

Current toxicity screening approaches to evaluate the vast number of environmental chemicals that require assessment are hampered due to their significant costs, time requirements, and reliance on live animal testing. The aim of the present study was to develop an adverse outcome pathway (AOP)-anchored transcriptome analysis (AATA) catalogue to expedite the discovery of environmental toxicants. 437 AOPs from the AOPwiki (https://aopwiki.org/) and 2280 transcriptomics data sets from NCBI Gene Expression Omnibus (GEO) and EMBL-EBI ArrayExpress (AE) repositories were comprehensively reviewed and analyzed. By using the differentially expressed molecular key event (mKE) genes as connection nodes, we created a large-scale environmental substance─target gene (mKE)─predicted adverse outcomes (SGAs) network that included 78 substances, 1099 genes, and 354 adverse outcomes (AOs). To validate the reliability of the network, comprehensive literature verification was conducted. We demonstrated that 164 of the 354 AOs identified have been previously characterized in the literature. The results for 136 of these AOs were consistent with the predictions of the AATA catalogue, representing an accuracy rate of 82.9%. Besides, distinct patterns in molecular KEs and AOs among categories of substances, such as biocides and metals, were demonstrated. Some representative substances, including atrazine and copper, pose significant risks to fish at various levels of biological organization. Moreover, experimental verification of the AATA predictions was conducted, including exposures of zebrafish to perfluorooctanesulfonate, cresyl diphenyl phosphate, and lanthanum. Results demonstrated consistency with predictions of the AATA catalogue, with an accuracy rate of 92.3%. Collectively, the present findings support the AATA catalogue as an efficient and promising platform for identifying environmental toxicants to fish and thereby provide novel insights into the understanding of potential risks of environmental contaminants.