Thousands of organic micropollutants and their transformation products occur in water. Although often present at low concentrations, individual compounds contribute to mixture effects. Cell-based bioassays that target health-relevant biological endpoints may therefore complement chemical analysis for water quality assessment. The objective of this study was to evaluate cell-based bioassays for their suitability to benchmark water quality and to assess efficacy of water treatment processes. The selected bioassays cover relevant steps in the toxicity pathways including induction of xenobiotic metabolism, specific and reactive modes of toxic action, activation of adaptive stress response pathways and system responses. Twenty laboratories applied 103 unique in vitro bioassays to a common set of 10 water samples collected in Australia, including wastewater treatment plant effluent, two types of recycled water (reverse osmosis and ozonation/activated carbon filtration), stormwater, surface water, and drinking water. Sixty-five bioassays (63%) showed positive results in at least one sample, typically in wastewater treatment plant effluent, and only five (5%) were positive in the control (ultrapure water). Each water type had a characteristic bioanalytical profile with particular groups of toxicity pathways either consistently responsive or not responsive across test systems. The most responsive health-relevant endpoints were related to xenobiotic metabolism (pregnane X and aryl hydrocarbon receptors), hormone-mediated modes of action (mainly related to the estrogen, glucocorticoid, and antiandrogen activities), reactive modes of action (genotoxicity) and adaptive stress response pathway (oxidative stress response). This study has demonstrated that selected cell-based bioassays are suitable to benchmark water quality and it is recommended to use a purpose-tailored panel of bioassays for routine monitoring.

Diclofenac, a nonsteroidal anti-inflammatory drug, is widely detected in surface waters and can potentially cause deleterious effects in fish. Here, we investigated the biological effects of 21-day exposure to waterborne diclofenac at environmentally relevant concentrations (0, 0.5, 1, 5, and 25 μg/L) in rainbow trout. Accumulation of diclofenac in the bile was measured and responses in selected tissues were assessed via changes in the expression of selected genes (cytochrome P450 (cyp) 1a1, cyclooxygenase (cox) 1 and 2, and p53) involved in metabolism of xenobiotics, prostaglandin synthesis, and cell cycle control, respectively, together with histopathological alterations in these tissues. Diclofenac accumulated in the bile by a factor of between 509 ± 27 and 657 ± 25 and various metabolites were putatively identified as hydroxydiclofenac, diclofenac methyl ester, and the potentially reactive metabolite hydroxydiclofenac glucuronide. Expression levels of both cox1 and cox2 in liver, gills, and kidney were significantly reduced by diclofenac exposure from only 1 μg/L. Expression of cyp1a1 was induced in the liver and the gills but inhibited in the kidney of exposed fish. Diclofenac exposure induced tubular necrosis in the kidney and hyperplasia and fusion of the villi in the intestine from 1 μg/L. This study demonstrates that subchronic exposure to environmental concentrations of diclofenac can interfere with the biochemical functions of fish and lead to tissue damage, highlighting further the concern about this pharmaceutical in the aquatic environment.

Here, we discuss several key issues in the recent microplastic risk assessment conducted by Hataley et al. (2023. Can. J. Fish. Aquat. Scie 80 (10): 1669-1678) for the Great Lakes ecosystem. First, we note that the risk characterizations are incorrect due to errors in parameterizations of the calculations necessary to align exposure and effects data, as well as the corrections for bioaccessibility cutoffs. Second, the lack of quantification of uncertainty in the risk assessment raises concerns. Previous assessments that employed similar methods addressed uncertainties arising from the calculations, revealing that the probabilistic uncertainty inherent in risk characterization can span significant magnitudes. Third, we highlight the problematic use of species sensitivity distributions (SSDs) designed for marine systems in a freshwater context. We emphasize the importance of utilizing SSDs that incorporate relevant freshwater species data, and identify recent studies that provide such data for use in future risk assessments. Based on a previously published assessment, we suggest initiating measures to reduce the release of plastic debris into the watershed and advise research, monitoring, and mitigative strategies to address potential threats to water quality.