Persistent organic pollutants and metals in aquatic ecosystems: distribution, bioaccumulation and effects on communities

Datum: 17 juni 2014

Locatie: UAntwerpen - Campus Middelheim - Lokaal A.143 - Middelheimlaan 1 - 2020 Antwerpen

Tijdstip: 16 uur

Organisatie / co-organisatie: Departement Biologie

Promovendus: Evy Van Ael

Promotor: Prof. dr. Lieven Bervoets, prof; dr. Ronny Blust

Korte beschrijving: Doctoraatsverdediging Evy Van Ael - Faculteit Wetenschappen, Departement Biologie



Abstract

De toegenomen antropogene activiteiten (industrie, landbouw, groeiende populatie,…) van de laatste decennia hebben geleid tot de introductie van diverse polluenten in aquatische ecosystemen over de hele wereld. Twee belangrijke groepen van polluenten die vaak voorkomen in aquatische milieus zijn de persistente organische polluenten of POP’s en metalen. Polluenten uit beide groepen hebben een persistent karakter, waardoor ze jarenlang aanwezig kunnen blijven in het milieu en biobeschikbaar kunnen worden voor organismen. Door bioaccumulatie kunnen ze negatieve effecten hebben op individuele organismen en finaal ook op gehele gemeenschappen. De bioaccumulatie van POP’s en metalen wordt sterk beïnvloed door omgevingskarakteristieken, zoals het gehalte van organisch materiaal of sulfiden in het sediment, maar ook door eigenschappen van de organismen zelf, zoals het vetgehalte. Naast opname van polluenten door direct contact met het abiotische milieu, is de voedselopname een andere belangrijke blootstellingsroute. Wanneer het dieet de belangrijkste opnameroute is en de opname overtreft de eliminatie van een polluent uit het lichaam, kan biomagnificatie optreden. In dit geval zal de polluent doorgegeven worden van prooi naar predator en zal er een positieve relatie bestaan tussen de concentratie van de polluent en het trofisch niveau van een organisme in het voedselweb.

Het eerste deel van dit werk onderzocht de hedendaagse verspreiding van POP’s en metalen in het Schelde estuarium en bestudeerde de relatie tussen gehaltes in de omgeving en concentraties in organismen. Op meerdere plaatsen langs het estuarium werden sediment en organismen (algen, weekdieren, wormen, schaaldieren en vissen) gedurende drie seizoenen verzameld. De meetwaarden toonden aan dat de gehaltes aan PCB’s in het estuarium gedurende de laatste 10 jaar niet sterk zijn gedaald. Voor PBDE’s werd wel een lichte daling opgemerkt. Over het algemeen waren de gedetecteerde POP-concentraties in organismen hoog vergeleken met organismen uit andere regio’s. Deze resultaten suggereren dat de Schelde nog steeds één van de sterkst vervuilde estuaria is in Europa. De bioaccumulatie van POP’s en metalen in biota was soortspecifiek. Daarnaast werden concentraties in sediment en biota significant beïnvloed door de staalnamelocatie, maar niet door het seizoen. De concentraties waren hoger in de nabijheid van Antwerpen, waar sterke industrialisatie en urbanisatie aanwezig is. Concentraties in de weefsels van organismen en het sediment waren maar zwak gecorreleerd. Bij metalen werden meer significante correlaties gevonden dan bij POP’s, hoewel nog niet bij de helft van de metalen een correlatie aanwezig was. Dit is te wijten aan de complexiteit van het blootstellings- en bioaccumulatieproces. Een gevolg hiervan is dat het monitoren van sedimentconcentraties onvoldoende is bij het screenen voor risicobepalingen. Naast bioaccumulatie werd ook de aanwezigheid van biomagnificatie van POP’s in de Schelde onderzocht. Hiervoor werd gebruik gemaakt van stabiele isotopen ratio’s (δ13C and δ15N) om de trofische niveaus van de organismen te bepalen. Doordat het minder zware stikstof isotoop 14N preferentieel uitgescheiden wordt, zal de ratio 15N/14N verrijkt worden van prooi naar predator. Hierdoor kan de ratio optreden als een maat voor de relatieve trofische positie van organismen in een voedselweb. De resultaten toonden slechts biomagnificatie aan van enkele POPs en niet op alle locaties. Er was wel een opvallend verschil tussen de drie staalnamelocaties.

Het tweede deel van dit werk concentreerde zich op de effecten van polluenten op aquatische gemeenschappen en de algemene ecologische waterkwaliteit. Biotische indexen zijn scoringsystemen voor het bepalen van de ecologische kwaliteit van het aquatische milieu. Ze zijn gebaseerd op de structuur van de gemeenschap van bijvoorbeeld vissen of macroinvertebraten en reflecteren de gezondheid van het ecosysteem. Deze gezondheid wordt beïnvloed door verscheidene antropogene stressoren, waaronder pollutie. Aangezien de Europese Kaderrichtlijn Water (2000) een goede ecologische waterkwaliteit oplegt tegen 2015, is het zeer belangrijk om te weten welke niveaus van milieuverontreiniging nog steeds een goede ecologische status toelaten. In dit werk werden twee methodes gebruikt om na te gaan of concentraties van bepaalde stoffen gerelateerd waren aan de algemene ecologische status, zoals uitgedrukt door een biotische index. Verder werd een schatting gemaakt van de kritieke veilige concentraties voor een goede ecologische kwaliteit. Bij de eerste methode werden geaccumuleerde gehalten aan PCB’s, OCP’s en metalen in de Europese paling, Anguilla anguilla, gerelateerd aan de op vis gebaseerde Index voor Biotische Integriteit (IBI), uitgedrukt in een EQR score (Ecologische Kwaliteitsratio). Polluentendata van 1156 palingen van 185 Vlaamse locaties werden gebruikt. Werken met geaccumuleerde gehaltes heeft als voordeel dat enkel de biobeschikbare fractie van de polluenten in rekening wordt gebracht. De resultaten toonden dat voor de meeste polluenten de ecologische waterkwaliteit lager was op plaatsen waar de geaccumuleerde gehaltes in paling hoog waren. Drempelwaarden voor een goede ecologische kwaliteit werden geformuleerd. De geschatte drempelwaarde voor HCB was vergelijkbaar met de bestaande Europese EQS. Voor andere polluenten zijn de huidige Europese EQS mogelijks te streng (Hg) of te hoog (Cd en Pb), vergeleken met onze resultaten. Bij de tweede methode, werden metaalconcentraties in het water gerelateerd aan een op macroinvertebraten gebaseerde biotische index, de Multimetrische Macroinvertebratenindex Vlaanderen (MMIF; Gabriels et al., 2010). Voor deze studie werden gepaarde data van 10118 metingen op 1189 Vlaamse locaties gebruikt. Voor alle 8 bestudeerde metalen werden kritieke veilige concentraties bepaald. Vergelijking tussen de geschatte kritieke concentraties en de Europese en Vlaamse standaarden toonden aan dat de huidige EQS voor As, Cd, Cu en Zn volstaan om een goede ecologische status te bereiken, zoals uitgedrukt door de MMIF. De EQS voor Cr, Hg en Pb daarentegen waren hoger dan de geschatte kritieke concentraties, wat suggereert dat wanneer omgevingsconcentraties gelijk zijn aan de EQS er mogelijks geen goede ecologische status zou bereikt worden. Een belangrijke opmerking is dat deze statistische aanpak niet noodzakelijk een causaal verband aantoont tussen de metaalconcentraties en de ecologische kwaliteit, en dat de biobeschikbaarheid in deze studie niet in rekening  werd gebracht. Verder benadrukte de constructie van statistische modellen het belang van waterkarakteristieken (zuurstof, ammoniumconcentratie, temperatuur en conductiviteit) op de MMIF.