Fate of ethinylestradiol in the aquatic environment and the associated effects on organisms of different trophic levels

Maes, Hanna; Ratte, Hans Toni

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-38678

Fate of ethinylestradiol in the aquatic environment and the associated effects on organisms of different trophic levels = Verbleib von Ethinylestradiol im aquatischen Umweltsystem und assoziierte Effekte auf Organismen verschiedener trophischer Ebenen

Maes, Hanna (Author)

2011

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Hanna Maes

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2011

Umfang247 S. : graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2011

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Ratte, Hans Toni (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2011-11-04

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-38678
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/82686/files/3867.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ethinylestradiol (Genormte SW) ; Bioakkumulation (Genormte SW) ; Biotransformation (Genormte SW) ; Nahrungskette (Genormte SW) ; Wirkung (Genormte SW) ; Biowissenschaften, Biologie (frei) ; ethinylestradiol (frei) ; bioaccumulation (frei) ; biotransformation (frei) ; food chain transport (frei) ; effect (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Untersucht wurde die Anreicherungskinetik eines bedeutsamen, hoch wirksamen und persistenten Östrogens, 17alpha-Ethinylestradiol (EE2), in der aquatischen Umwelt anhand verschiedener Indikatororganismen, die die verschiedenen Ebenen der Nahrungskette repräsentieren: Desmodesmus suspicatus als Primärproduzent, Daphnia magna in der Wasserphase und Chironomus riparius im Sediment als Primarkonsumenten, und der Sekundärkonsument Danio rerio. Gezeigt wurde, dass Algen 14C-EE2 schnell aufnahmen (72 h CAlgen/CWasser: 2200 L/kg fg) und in zwei hydrophobere und weniger östrogenaktive Produkte umsetzten: Br-EE2 und Br2-EE2, identifiziert durch GC-MS und hoch auflösende LC-MS. Daphnien und Chironomiden zeigten ein geringeres Maß an Biokonzentration (Biokonzentrationsfaktor, BCF: 50 bzw. 580 L/kg fg). In beiden Organismen wurden hydrophilere Konjugate des 14C-EE2 mittels HPLC und Radiodetektor-Kopplung detektiert, vor und nach Spaltung mittels enzymatischer Hydrolyse. Die beobachtete Biotransformation stimmt somit mit der Tatsache überein, dass beide Invertebraten die aufgenommene Radioaktivität schnell wieder abgaben. Die Anreicherung der Radioaktivität in Daphnien war höher in der Gegenwart von Algen und war abhängig von der Zelldichte und der daraus resultierenden Filtrations- und Nahrungsaufnahme. Zusätzlich eliminierten die Daphnien die Testsubstanz während der Häutung. Die Bioverfügbarkeit des EE2 für Chironomidenlarven war stark reduziert in der Gegenwart von (Standard OECD) Sediment (Biota Sediment Akkumulationsfaktor, BSAF: 0.7). Stand jedoch eine hochwertige Nahrungsquelle zur Verfügung, zeigte sich eine höhere Anreicherung durch zusätzliche Aufnahme über die Nahrung (BSAF: 1.4). Ein BCF von 960 L/kg fg wurde für den männlichen Zebrafisch ermittelt. Dieser Wert ist höher als in der vorhandenen Literatur über die EE2-Anreicherung in Fischen. Die Aufnahme von konjugiertem EE2 durch männliche Fische über Chironomiden führte im Vergleich zur Aufnahme von EE2 über das Wasser zu ähnlich hoher Akkumulation und gleich hohen Blut-Vitellogenin Werten. Die Fütterung mit kontaminierten Daphnien führte jedoch zu keiner nennenswerten Anreicherung in den Fischen. Die Ergebnisse zeigen erstmalig, dass durch die Chironomiden synthetisiertes EE2-Glukuronid nach der Nahrungsaufnahme in den Fischen wieder in EE2 umgewandelt wird. Das EE2-Sulfatid (erzeugt von Daphnien und Chironomiden) und das EE2-Glukosid (nur von Daphnien) erwiesen sich gegenüber der Dekonjugation resistent. Radioaktivität konnte in allen analysierten Fischgewebeproben detektiert werden, auch im Gehirn und Muskelfleisch. Der erste von beiden Befunden zeigt erstmalig dass das Östrogen die Blut-Hirn-Schranke passieren kann, und der zweite deutet auf Gefahren für Menschen, die Fisch konsumieren, hin. EE2 und dessen Biotransformationsprodukte verteilten sich größtenteils auf das Verdauungssystem des männlichen Fisches, unabhängig vom Aufnahmepfad. Die Entgiftung erfolgte hauptsächlich über Gallenexkretion und in geringerem Maße über die Haut des Fisches. Die einzigen Unterschiede zwischen der Aufnahme über das Wasser und der Nahrung zeigten sich in der schnelleren Verteilung der Radioaktivität in der Leber und einer langsameren, stetigeren Anreicherung in der Galle im Falle der EE2-Exposition über das Wasser im Vergleich zur Aufnahme von Metaboliten in der Beute. Die über die Nahrung exponierten Fische eliminierten die Substanzen schneller, als sie in unbelastetes Wasser überführt wurden. Dies kann damit erklärt werden, dass der Fisch selber nur das Glukuronsäure-Konjugat der Testsubstanz produziert, welches das einzige Produkt ist, das enterohepatisch wieder in Umlauf gebracht wird. Fische, die lediglich über das Wasser mit EE2 exponiert wurden, kamen natürlich in keinerlei Kontakt mit den Umwandlungsprodukten der Invertebraten (EE2-Sulphatid und -Glukosid). Die Ergebnisse der vorliegenden Studie zeigen, dass EE2 über die gesamte Nahrungskette von Primärproduzenten (Algen) bis zu sekundären Konsumenten (Fische) weiter gegeben wird. Es scheint notwendig, dass in künftigen EE2 Überwachungsprogrammen („Monitoring”) Organismen verschiedener trophischer Ebenen sowie Sediment und Schwebstoffe untersucht werden. Zudem betrachten wir es als wichtig, dass Kläranlagen so verbessert werden, dass östrogen hochwirksame Chemikalien auch nicht mehr in Spurenkonzentrationen freigesetzt werden. Der Befund, dass Algen EE2 effizient und in hohen Konzentrationen aufnehmen, stellt prinzipiell eine kostengünstige und effiziente Alternative zur Wasseraufbereitung in armen Ländern in Aussicht, die Gegenstand weiterer Forschung werden sollte.

The accumulation kinetics of an important, highly effective, and persistent xeno-estrogen, 17alpha-ethinylestradiol (EE2), in the aquatic environment were investigated in indicator species representing the different trophic levels of an ecosystem: a primary producer (Desmodesmus suspicatus), a primary consumer of the water phase (Daphnia magna) and one of the sediment (Chironomus riparius), and a secondary consumer (Danio rerio). Algae highly concentrated 14C-EE2 (72 h Calgae/Cwater: 2200 L/kg ww) and transformed it into two more hydrophobic, but less estrogenic products: Br-EE2 and Br2-EE2, identified by GC-MS and high resolution LC-MS. Daphnids and chironomids showed lower bio-concentration factors (BCFs of 50 and 580 L/kg ww). In extracts of both organisms, more hydrophilic conjugates of 14C-EE2 were detected by means of HPLC with radiodetector before and after enzymatic hydrolysis. This observed biotransformation process was in accordance with the fact that both invertebrates quickly eliminated incorporated radioactivity. Accumulation of radioactivity in daphnids was higher in the presence of algae, depending on the cell density and the consequent filtration and food processing rate. Daphnids additionally removed the test compound during moulting. The bioavailability of EE2 for chironomid larvae was strongly reduced in the presence of (standard OECD) sediment giving a biota sediment accumulation factor (BSAF) of 0.7. However, when a nutritionally valuable food source was available, dietary intake added to the overall accumulation (BSAF: 1.4). A BCF of 960 L/kg ww was calculated for male zebrafish. This value is higher than formerly reported in research concerning EE2 concentration in fish. Uptake of conjugated EE2 by male fish through a chironomid diet resulted in similar internal fish contents and blood vitellogenin levels as EE2 uptake via water, whereas fish exposed to contaminated daphnids showed little uptake. From these results, it could be proven for the first time that dietary applied EE2 glucuronide, synthesized by chironomids, can be reconverted to the parent compound in predator fish. EE2 sulphatide (produced in daphnids and chironomids) and EE2 glucoside (daphnids only) seemed recalcitrant to deconjugation in the fish. EE2-derived radioactivity was detected in all analyzed fish tissues including the brain and filet. This is the first study that shows passage of this estrogen by the blood-brain barrier and indicates risks of EE2 uptake for fish consuming human. EE2 (products) were principally and rapidly distributed to the alimentary system of male zebrafish independently of the uptake route. Biliary excretion was the main depuration route next to dermal release. The differences between the water and dietary treatment were quicker transfer of radioactivity to the liver and more gradual storage in the bile in case of EE2 exposure via water compared to after ingestion of metabolites via living prey. Dietary exposed animals eliminated faster after being transported to clear water. This could be explained by the fact that fish only produced the glucuronic acid conjugate of the test compound, i.e. the one product that is subjected to enterohepatic recirculation, slowing elimination down. Water exposed zebrafish were logically not confronted with the more recalcitrant invertebrate products (EE2 sulphatide & glucoside) that dietary exposed animals ingested. The results of the present study show that EE2 has the potential to be transferred via the food chain since it accumulates in biota from the basis of the web. Therefore, it is important to improve and extend monitoring programs including organisms of different trophic levels, sediments, and suspended material. Hence, sewage treatment plants should be improved to keep this substance from release in the environment. The result that algae highly take up the compound might thereby present a cheap and efficient alternative for water treatment in poor countries, which should be subject of further research.

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