Поєднання експериментів зі швидкістю годування на місці та хімічного аналізу обтяжень тіла для оцінки впливу мікрозабруднювачів у стічних водах на Gammarus pulex

Сара Кенеманн

1 Департамент екосистемного аналізу, Інститут екологічних досліджень, RWTH, Ахенський університет, Воррінгервег 1, 52074 Аахен, Німеччина; [email protected] (Y.M.); [email protected] (D.T.); [email protected] (S.S.)

2 Відділ екологічної токсикології, Швейцарський федеральний інститут водних наук і технологій, Eawag, Überlandstrasse 133, 8600 Dübendorf, Швейцарія

Івонна Мюллер

Даніель Ченчер

Мартін Краус

3 Відділ направленого аналізу, Інститут досліджень довкілля імені Гельмгольца, UFZ, Permoserstrasse 15, 04318 Лейпциг, Німеччина; [email protected] (M.K.); [email protected] (P.A.I.)

Педро А. Іностроза

4 Кафедра біологічних та екологічних наук, Університет Гетеборга, PO BOX 461, 40530 Гетеборг, Швеція

Іра Брюкнер

5 Waterboard Eifel-Rur, Eisenbahnstrasse 5, 52353 Düren, Німеччина; [email protected]

Йоганнес Піннекамп

6 Інститут екологічної інженерії RWTH, Ахенський університет, Міс-ван-дер-Рое-Штрассе 1, 52074 Аахен, Німеччина; ed.nehcaa-htwr.asi@pmakennip

Сабріна Шиві

Геннер Холлерт

Пов’язані дані

Анотація

1. Вступ

Метою цього дослідження було біоаналітично оцінити екотоксикологічний стан річки Вурм та визначити екотоксикологічний вплив очищених стічних вод, що викидаються переважно очисними спорудами Аахен-Соерс та меншими ПСОВ Ейлендорф у приймаючі потоки. Тому в цьому дослідженні експеримент гальмування годівлі in situ поєднувався з кількісною оцінкою мікрозабруднюючих речовин у екстрактах цілого тіла гаммаридів, які збирали на місцях вздовж досліджуваних річок.

2. Матеріал і методи

2.1. Територія дослідження та дизайн

2.2. Інгібування швидкості годування

Для визначення впливу скиданих стічних вод на ефективність подрібнення прісноводних амфіпод G. pulex використовували тест на гальмування швидкості подачі in situ. До експериментів будували клітини, готували листові диски та збирали досліджувані організми (детальнішу інформацію див. У Додатковій інформації (Додаткові матеріали, розділ 1). У перший день експерименту рівномірний G. pulex приблизно 1,5 см розміщували окремо в пронумерованих клітках, які містили два листові диски. На кожній ділянці було розгорнуто 25 клітин. Щоб врахувати біотичні та абіотичні фактори, які можуть змінити масу листя, п’ять клітин містили лише листові диски З метою зменшення невизначеності та мінливості наборів даних у жовтні та грудні 2015 року, січні та липні 2016 року та липні, серпні та жовтні 2017 року було проведено сім незалежних експериментів тривалістю по один тиждень. Експерименти, створені у травні 2017 та квітні 2018 були виключені через погану погоду та умови потоку води, під час яких клітки були втрачені.

З липня 2016 року температуру реєстрували в кожному місці відбору проб, щоб оцінити можливі наслідки для швидкості годівлі, спричинені зміною температури води. У 2017 році три додаткові місця відбору проб (H1, H2 та W1) були додані в якості експериментальних з метою отримання інформації про попередній вплив приток на річку Вурм.

2.2.1. Розрахунок норми годування

Швидкість годівлі С, виражену як суха маса гаммаридів на суху вагу листя на добу, була розрахована відповідно до Maltby et al. [42]:

L1 - початкова суха маса листкового диска в мг, L2 - суха маса залишкового листового матеріалу в мг, W - суха маса досліджуваного організму в мг, CL - поправочний коефіцієнт і T - час розгортання (7 днів). Останній розраховували з використанням

де С1 являє собою суху масу контрольних листків у мг до розгортання, а С2 означає суху масу контрольних листків у мг після випробування. N - загальна кількість контрольних листків на кожній ділянці.

2.2.2. Статистичний аналіз

Статистичний аналіз проводили за допомогою SigmaPlot (версія 12, Systat Software Inc., Сан-Хосе, Каліфорнія, США). Дані перевіряли на нормальність за допомогою критерію Шапіро-Вількса та на однорідність дисперсії за допомогою критерію Левена. Якщо зразки були нормально розподіленими та однорідними за відхиленням, проводили односторонню ANOVA з корекцією Бонферроні. В іншому випадку використовувався тест Крускала-Уолліса або двосторонній ANOVA на ранги (для детальної інформації див. Додаткові матеріали, розділ 1.5).

2.3. Аналіз біоти

Всього для аналізу внутрішньої концентрації було відібрано 60 аналітів з гідрофобністю від log KOW −0,2 до log KOW 5,5 на основі їх присутності у зразках води та осадах. Для кількісної оцінки органічних мікрозабруднювачів було зібрано 900 мг гаммаридів із місць відбору проб W3, W4 та W5 (лютий 2016 р.) Та W3, W4, W5 та H1 (травень 2017 р.) Відповідно. Екстракти готували за методом багатоцільового скринінгу, розробленим Inostroza et al. [43] (для детальної інформації див. Додаткові матеріали, розділ 2.2). Екстракти аналізували за допомогою рідинної хроматографії у поєднанні з мас-спектрометрією високої роздільної здатності (LC-HRMS, Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, США; детальна інформація в додаткових матеріалах, розділ 2.1). Через відсутність організмів у W1, W2 та H2 органічні мікрозабруднювачі не вимірювались у біоти з цих місць відбору проб.

Токсичний тиск

Для перекладу хімічних концентрацій в екотоксикологічно значущі та порівнянні значення для кожної сполуки, яку кількісно визначали хімічним аналізом, визначали властиву токсичність, виражену в токсичних одиницях (ТУ). TU розраховували шляхом ділення виміряної концентрації на гострий ЕС50 (48 год) для G. pulex або, якщо даних про вплив немає, Daphnia magna (Додаткові матеріали, таблиця S8). Однак, оскільки значення EC50 майже виключно базуються на концентраціях води, а не на внутрішніх концентраціях, виміряні внутрішні концентрації були перетворені у їх вільно розчинені форми (C fd) (мкг/л) відповідного мікрозабруднювача (рівняння 3) [44]. Для оцінки C fd загальну виміряну концентрацію (C t, G) у гаммаридах ділили на вміст ліпідів (фліпід), а KOW використовували як сурогат для кліпіду. Оскільки вміст ліпідів для використаних гаммаридів не визначався через обмежену кількість зразка, припускали, що частка ліпідів складала 1,34% (мас./Мас.) [36,45].

Для того, щоб визначити токсичність суміші всіх сполук, які були виявлені в гаммаридах, ТУ підсумовували до sumTU (Рівняння 4), яке базується на припущенні про токсичність адитивності [46]. Якщо порогове значення -3,0 було перевищено sumTU, не можна виключати хронічні ефекти [47].

3. Результати

3.1. Інгібування швидкості годування

Результати аналізів біоти для місць відбору проб, на яких було отримано достатню кількість гаммаридів. Концентрації кількісних речовин показані для відбору проб, проведених у лютому 2016 року (A) і травень 2017 р. (B).

Пряме порівняння двох періодів відбору проб вказує на різницю у складі кількісно визначених речовин, а також у схемі їх поширення. У зразках за травень 2017 р. (Рис. 3 Б) переважно присутні речовини змінилися від тебуконазолу, ТБЕП та імідаклоприду до етофумесату з 427 нг/г при W3 та ТБЕП з концентрацією 8,5 нг/г при H1 . Крім того, біоциди пендиметалін та тебуконазол не були кількісно визначені. Для Haarbach (H1) більшість речовин мали внутрішні концентрації нижче, ніж у зразках річки Вурм. Нечисленні винятки становили TBEP, TPP та гекса (метоксиметил) меламін.

На основі внутрішніх концентрацій, які були перетворені у вільно розчинені концентрації (Додаткові матеріали, таблиця S9), були розраховані TU та sumTU. TU складали -6,08-0,74 у 2016 році та -5,72-0,84 у 2017 році (рис.4). Порогове значення -3,0, при якому можна очікувати хронічних ефектів, було перевищено для імідаклоприду, карбендазиму, тіаклоприду та 1Н-бензотріазолу, причому імідаклоприд був речовиною, що найбільше сприяла токсичності. Сума TU, визначена для місць відбору проб, перевищувала порогове значення, коливаючись від 0,11 при W3 до 0,45 при W4 у 2016 році та -0,66 при H1 до 0,52 при W5 у 2017 році (Додаткові матеріали, таблиця S10).

Токсичні одиниці (ТУ) для окремих речовин (A) та узагальнені ТУ для кожного місця відбору проб (B) для 2016 та 2017 рр. Для ТУ, що перевищують значення -3,0 (нижче пунктирної червоної лінії), можна очікувати хронічних ефектів.

4. Обговорення

З іншого боку, або навіть на додаток до можливих відмінностей у чутливості серед популяцій, концентрація хімічних речовин, що виділяється ПСОВ «Аахен-Соерс», можливо, не перевищувала концентрацій, при яких мали б місце гострі наслідки [52,53]. Порівняння відповідних хімічних аналізів для цього дослідження та дослідження Бундшуха та Шульца [48] виявляє нижчі хімічні концентрації у вторинному відстійнику ПСОВ Аахен-Соерс. У той час як у зразках з ПСОВ Wüeri (60% фракції стічних вод) вимірювали середні концентрації, наприклад, 1340 нг/л 4-ацетамідоантипірину та 178 нг/л ізопротурону [5], концентрацію 66 нг/л 4 -ацетамідоантипірин та 20 нг/л ізопротурону вимірювали у стічних водах АЕС Аахен-Соерса (фракція стічних вод від 70 до 90%) (дані не наведені). Через дуже низьких концентрацій, при яких мікрозабруднюючі речовини скидаються в потоки, частіше виникають хронічні ефекти, не охоплені короткотерміновими тестами швидкості годування, ніж гострі ефекти.

Наслідком тривалого впливу речовин, виявлених у значно високих внутрішніх концентраціях у гаммаридах, є вплив на кілька різних кінцевих точок. Це було продемонстровано De Lange та співавт. (2006) та Дітріх та ін. (2010), що концентрації фармацевтичних препаратів у сублеталі, особливо коли вони присутні у вигляді суміші, можуть змінити поведінку, швидкість вентиляції, рух і гальмівні поведінки гаммаридів [53,56]. Через ключову роль, яку гаммариди відіграють для розпаду підстилки листя, ці загальні ознаки стресу, що ведуть до збільшення смертності, можуть серйозно вплинути на донну спільноту та всю екосистему [57]. Популяції G. pulex, що населяють прісноводні системи, уражені техногенними хімічними речовинами чи хімічними речовинами в результаті сільськогосподарської діяльності та ПСОВ, можуть змінити генетичні закономірності популяції. Ці генетичні зміни можуть призвести до змін в екологічному функціонуванні та, зрештою, у формі [54].

5. Висновки

У цьому дослідженні не вдалося спостерігати чітких гострих ефектів за допомогою аналізу інгібування годівлі, оскільки хімічне навантаження було занадто низьким. Крім того, було помічено, що видові відмінності можуть мати сильний вплив на поведінку, і їх слід враховувати, крім сезонних коливань та супутнього хімічного складу. Однак, доповнивши тест на гальмування гострої швидкості годівлі аналізом внутрішньої концентрації, можна було отримати інформацію про потенціал хронічного ефекту річкової системи, що не було виявлено гострим експериментом in situ. Подальшим підходом може бути поєднання експериментів з годуванням з остаточним вимірюванням внутрішньої концентрації гаммаридів, щоб мати можливість безпосередньо пов'язувати внутрішні концентрації в тканинах із виміряними нормами годування протягом експериментального часу. Потрібно провести додаткові лабораторні експерименти з G. pulex з речовинами, які були визначені рушіями токсичності, щоб отримати більше інформації про профіль токсичності досліджуваної території.

Подяка

Автори висловлюють подяку Міністерству навколишнього середовища, сільського господарства, охорони та захисту споживачів штату Північний Рейн-Вестфалія за фінансування, а також Управлінню з питань водних ресурсів Айфель-Рур (WVER). Ця стаття була підготовлена у тісній співпраці з мережею NORMAN щодо нових забруднюючих речовин (http: //www.norma n-network.net) та проектом SOLUTIONS (Сьома рамкова програма Європейського Союзу для досліджень, технологічного розвитку та демонстрації, в рамках Гранту Угода No 603437). Ми вдячні Сімоне Хотц та Олександрі Шулякевич (Ахенський університет RWTH) за підтримку в лабораторії/галузі та Джейку Уелле за коректуру рукопису. Нарешті, ми хотіли б подякувати рецензентам за корисні коментарі та вдосконалення рукопису.

Додаткові матеріали

Внески автора

С.К., Ю.М., С.С. та Х.Х. задумали та спроектували експерименти; С.К., Я.М. та Д.Т. проводили експерименти; С.К. та Ю.М. проаналізували дані; H.H., P.A.I. та M.K. внесені реагенти/матеріали/інструменти аналізу; М.К. аналізували зразки за допомогою LC-HRMS; С.К. та Ю.М. написав роботу; J.P., M.K., S.S., I.B. та H.H. вдосконалили рукопис і внесли конкретні аспекти; всі автори прочитали та схвалили остаточний рукопис.

Конфлікт інтересів

Автори не заявляють конфлікту інтересів.