Organic micropollutants in freshwater ecosystems : pollution dynamic and adverse effects at population genetic level in a model freshwater population

Inostroza, Pedro; Hollert, Henner; Brack, Werner

doi:10.18154/RWTH-2016-09752

Organic micropollutants in freshwater ecosystems : pollution dynamic and adverse effects at population genetic level in a model freshwater population = Organische Mikroschadstoffe in Süßwasserökosystemen : Schadstoffdynamiken und schädliche Auswirkungen auf populationsgenetischer Ebene in einer aquatischen Modellpopulation

Inostroza, Pedro^Extern*

2016

Verantwortlichkeitsangabevon Diplom-Meeresbiologe Pedro Antonio Inostroza Bustos aus Concepción, Chile

ImpressumAachen 2016

Umfang1 Online-Ressource (xxiv, 148 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2016

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Hollert, Henner (Thesis advisor) ; Brack, Werner (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-10-20

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-097526
DOI: 10.18154/RWTH-2016-09752
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/675006/files/675006.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/675006/files/675006.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
organic micropollutants (frei) ; population genetics (frei) ; genetic diversity (frei) ; genetic structure (frei) ; multiple stressors (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Die Umwelt und insbesondere aquatische Ökosysteme stehen permanent unter anthropogener Belastung beruhend auf der stetigen Nachfrage nach Waren und Dienstleistungen zum Erhalt unserer Gesellschaft. Die kontinuierliche Bereitstellung von Ökosystemdienstleistungen bringt zweifelsohne auch Konsequenzen für die Umwelt mit sich. Chemische Kontaminationen sind für ihre schädlichen Wirkung auf aquatische Organismen bekannt und werden heute als mitverantwortlich für globale Veränderungen im ökologischen Gleichgewicht diskutiert. Neben direkten Effekten auf aquatische Organismen werden heute auch sublethale Effekte auf genetischer Ebene als wichtige Kenngrößen zur Gefahreneinschätzung von Kontaminanten diskutiert. Die genetischen Auswirkungen von chemischen Stressoren auf Süßwasserorganismen sind bis dato jedoch sehr wenig untersucht.Ziel dieser Dissertation ist es zum wissenschaftlichen Verständnis beizutragen, inwiefern anthropogene Belastungen, inbesondere chemische und nicht-chemische Stressoren, aquatische Ökosysteme beeinträchtigen können. Der hier verwendete neue Ansatz basiert auf der analytischen und inhaltlichen Verbindung von evolutionärer Ökotoxikologie und der Belastungsanalyse von organischen Mikroschadstoffen.Kapitel 1 liefert einen Überblick über den aktuellen Wissensstand bezüglich des Auftretens und der möglichen ökologischen Effekte von Mikroschadstoffen in aquatischen Systemen. Des Weiteren wird ein Konzept zum Wert Evolutionsökologisch-toxikologischer Ansätze bei zukünftigen Gefahreneinschätzungen von Mikroschadstoffen präsentiert.In Kapitel 2 wurde ein mehrzieliges Screening-Verfahren entwickelt und optimiert, dass auf einer Flüssigextraktion sowie einem modifizierten QuEChERS Ansatz mit zusätzlicher Hexan-Phase beruht. Diese Methode erlaubt es, eine große Bandbreite von organischen Mikroschadstoffen zu extrahieren und zu messen. Die Analyse solcher Stoffe aus biologischen Geweben in Umweltproben gewinnt in der Umweltchemie und Ökotoxikologie zunehmend an Bedeutung. Die hier entwickelte Methode wurde erfolgreich in mehreren Süßwasser-Ökosystemen angewandt, wie in dem bedeutendem Donauflusssystem und der Holtemme in Sachsen-Anhalt in Mitteldeutschland. Die Methode ist im Vergleich zu anderen, in der Litertaur bekannten, analytischen Methoden deutlich robuster. Sie eignet sich aufgrund ihrer niedrigen Bestimmungsgrenze sowie einer hohen Ausbeute besonders, um Pestizide wie Insektizide, Herbizide, Fungizide und Abwasserschmutzstoffe wie z.B. industrielle Chemikalien und Pharmazeutika in dem biologischen Geweben zu detektieren. Die mit dieser Methode erzielten Ergebnisse wurden mit weiteren Umweltvariablen verschnitten um die Dynamik von organischen Mikroschadstoffen am Beispiel der Holtemme zu untersuchen. In Kapitel 3 wurde ein Multi-Kompartment-Ansatz basierend auf chemischer Aktivität, chemischem Equilibrium sowie Vorhersagen zur Basis-Toxizität entwickelt. Eine Direktinjektionsmethode, eine Flüssigdruckextraktionsmethode und das in Kapitel 2 entwickelte mehrzielige Screening wurde angewandt, um neuartig organische Mikroschadstoffe in Wasser, Sediment und Organismen zu quantifizieren. Frei gelöste Stoffkonzentrationen und ihre entsprechenden chemischen Aktivitäten wurden für Wasser, Sedimente und Organismen (Gewebe von Gammarus pulex) berechnet. Ziel war es, die biologisch wirksame Fraktion von Schadstoffen und somit der Verbleib sowie die Verteilung aufkommender Schadstoffe in Süßwasserökosystemen zu analysieren. Laut der Gleichgewichts-Verteilungs-Theorie ist die chemische Aktivität einer organischen Substanz in Sediment, Biota und Porenwasser gleich, wenn ein Equilibrium zwischen diesen drei Phasen erreicht ist. Sedimente wiesen dabei die höchsten chemischen Aktivitäten, während es gab signifikanten Unterschiede zwischen Wasser und Organismen. Die in dieser Studie erzielten Ergebnisse weisen darauf hin, dass sich das System gemäß der Gleichgewichts-Verteilungs-Theorie im Disäquilibrium befindet. Darüber hinaus zeigten die Sedimentproben die höchste potentielle Toxizität. Gefahrenanalysen zeigten, dass die spezifische Toxizität davon abhängig ist, welches Kompartiment (Wasser, Sediment, Organismen) genau analysiert wird. Kapitel 4 demonstriert die ökologischen Effekte einer Langzeitbelastung mit organischen Schadstoffen durch die Analyse einer aquatischen Modellpopulation (Gammarus pulex, Amphipoda) auf sublethaler, genetischer Ebene. In diesem Kapitel werden die schädlichen Auswirkungen globaler und neu-aufkommender anthropogener Belastungen beurteilt. Dies geschieht mithilfe eines neuartigen Ansatzes, der auf evolutionärer Ökotoxikologie und der Körperbelastung mit organischen Mikroschadstoffen beruht und mit Gammarus pulex als Modellorganismus entwickelt und erfolgreich in der Holtemme angewandt wurde. Die Ergebnisse liefern den empirischen Nachweis sowohl direkter als auch indirekter Effekte von chemische und nicht-chemische Stressoren auf Populationsebene. Die Auswertungen zeigten unter anderem eine deutliche, schadstoff-induzierte Veränderung in der genetischen Struktur sowie erhöhte Mutationsraten durch chemische Stressoren unterhalb von Kläranlagen. Ebenso wurde festgestellt, dass der genetische Austausch durch physikalische Barrieren (Dämme) im Fließgewässer eingeschränkt wird. Diese Erkenntnisse liefern neue Einblicke in die Ökotoxikologie und ermöglicht neue Interpretationsmöglichkeiten hinsichtlich der Rolle von Kläranlagen als Quelle chemischer Stressoren in der Umwelt.

The environment, and particularly freshwater ecosystems, is permanently under anthropogenic pressure, mainly due to the need of mankind to satisfy the ongoing demand of goods and services in order to support our society. However, continuous requests of ecosystem services undoubtedly evoke environmental consequences. Chemical contaminations are widely known for their harmful impacts on aquatic organisms and are today discussed as being responsible for increasing global impairments of ecological balance. In addition to direct effects, sublethal effects on the genetic level are increasingly suggested to provide versatile indicators for the assessment of hazardous chemicals. Such genetic effects of chemical stressors on aquatic organisms have so far been poorly addressed. The aim of this thesis is to contribute to our understanding how anthropogenic pressures, particularly chemical and non-chemical stressors, may impair aquatic ecosystem functioning. The novel approach presented here is based on the analytical and thematic combination of evolutionary ecotoxicology and body burden analysis of organic micropollutants. The CHAPTER 1 offers an overview of the state-of-the-art regarding the occurrence and potential ecological effects of organic micropollutants in aquatic environments. Furthermore, a concept regarding the likely value of including evolutionary ecotoxicology in future assessments is presented. In CHAPTER 2, a multi-target screening method based on pulverised liquid extraction and a modified QuEChERS approach with additional hexane phase was developed and optimised. This method allows the extraction and measurement of a wide range of organic micropollutants, acknowledging the emerging relevance of biological environmental tissues in environmental chemistry and ecotoxicology. The new method developed here was successfully applied in different freshwater ecosystems, including the River Danube along its watercourse and the River Holtemme in Central Germany. The method exhibited particularly robust performance compared to other published analytical methods. In essence, low quantification limits and high recovery rates make this method suitable to detect pesticides, such as insecticides, herbicides and fungicides and wastewater-derived pollutants such as industrial chemicals and pharmaceuticals, in tissues of biological samples. The results obtained with this method were combined with other environmental matrices in order to examine the environmental dynamics of emerging organic micropollutants in the River Holtemme. In CHAPTER 3, a multi-compartment approach based on chemical activity, equilibrium and predicted baseline toxicity was developed. A direct injection, pressurised liquid extraction methods, and the multi-target screening method developed in CHAPTER 2 were used in order to quantify emerging organic micropollutants in water, sediment and biota, respectively. Freely dissolved concentrations of compounds quantified in the River Holtemme and their corresponding chemical activities were calculated in the water, sediment and biota (Gammarus pulex tissues) compartments. The bioavailable fraction of pollutants and thus the fate and distribution of emerging compounds were assessed. According to equilibrium partitioning theory, the chemical activity of an organic compound is equal in sediment organic carbon, in exposed biota and in pore water, if equilibrium is reached between these phases. Sediments showed highest chemical activities and significant differences were quantified between water and biota compartments. The findings obtained suggest that the system studied here was in disequilibrium based on the equilibrium partitioning theory. Additionally, sediment samples exhibited the highest potential toxicity. Hazard assessment of the quantified contaminants showed a strong dependency on which compartment is analysed. CHAPTER 4 demonstrates the biological effects of long-term exposure to pollution on a model freshwater invertebrate population. Briefly, the adverse effects of global and emerging anthropogenic pressures were assessed using a novel approach based on evolutionary ecotoxicology and body burden analysis of organic micropollutants. This approach was then successfully applied to G. pulex populations occurring along the River Holtemme. The results provide empirical evidence of both direct and indirect effects due to chemical and non-chemical stressors. The analyses revealed pollutant-induced changes in the genetic structure as well as higher mutation rates downstream of a wastewater treatment plant. Furthermore, hindered gene flow due to physical barriers (i.e. weirs) separating upstream and downstream waters in the River Holtemme was detected. Although, these findings offer new insights into the field of ecotoxicology in general, and allows for new interpretation of the role of wastewater treatment plants as sources of chemical stress in the environment.

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