Bio-accumulatie en effecten van zware metalen bij de karper (Cyprinus carpio) onder labo- en veldomstandigheden.

Maarten

Sanne

In dit onderzoek werden karpers (Cyprinus carpio) onder labo- en veldomstandigheden blootgesteld aan zware metalen en werd nagegaan of er een verband gevonden kon worden tussen geaccumuleerde gehalten in de organen en effecten.

In een labo-experiment werden karpers in aquaria zowel via het voedsel als het water blootgesteld aan verschillende Cd-concentraties. Op vaste tijdstippen werden voor beide blootstellingsmethoden de accumulatie aan Cd in een aantal organen van de blootgestelde vissen bepaald. Er werd nagegaan wat de accumulatievolgorde van Cd was in de verschillende organen. Voor de effecten op weefselniveau werd er gekeken naar veranderingen in acetylcholinesterase-activiteit (AChE-activiteit) in de hersenen. Voor de effecten op organismaal niveau werd er gekeken naar de hepatosomatische index (HSI), de conditiefactor, de groei en de hematocriet-waarde (hct-waarde). Ten slotte werd de bruikbaarheid van de effecten op weefsel- en organismaal niveau als eventuele biomerker onderzocht.
Uit het labo-experiment bleek dat de vissen die aan water van 2,5 µM Cd werden blootgesteld, de enige vissen waren die significant meer Cd in hun organen hadden geaccumuleerd dan de vissen van de andere aquaria.De accumulatievolgorde van Cd in de verschillende organen bleek niet te verschillen tussen de vissen die via het water werden blootgesteld en de vissen die via het voedsel werden blootgesteld. De volgorde was als volgt lever > darm > kieuw > restant. Enkel de HSI en de conditiefactor konden als biomerker gebruikt worden voor cadmiumcontaminatie van het water onder labo-omstandigheden.

In een veldexperiment werden karpers in kooien, zowel via het sediment als het water blootgesteld aan zware metalen en organische polluenten in een aantal oppervlaktewateren. Op vaste tijdstippen werd voor beide blootstellingsmethoden de accumulatie van zware metalen over een aantal organen onderzocht. Er werd ook gekeken of de accumulatie van een bepaald metaal in een orgaan gerelateerd kon worden aan de concentratie van dit metaal in het water. De hoeveelheden PCB’s en pesticiden, geaccumuleerd in het vetweefsel, werden eveneens op vaste tijdstippen bepaald. De bruikbaarheid van de kooi voor de blootstelling van vissen aan sediment en water werd ook nagegaan. Voor de effecten op weefselniveau werd er gekeken naar AChE-activiteit in de hersenen, metallothioneïne-inductie in de lever en osmolariteit van het bloed. Voor de effecten op organismaal niveau werd er gekeken naar de HSI, de conditiefactor, de groei en de hematocrietwaarde. Ten slotte werd de bruikbaarheid van de effecten op weefsel- en organismaal niveau als eventuele biomerker onderzocht.
Uit het veldexperiment bleken de karpers vooral metalen te accumuleren die in het studiegebied in hoge concentraties voorkwamen. De accumulatievolgorde van Cd in de verschillende organen verschilde niet tussen de vissen die aan het water werden blootgesteld en de vissen die ook aan het sediment werden blootgesteld. De volgorde was als volgt: kieuw > lever = darm.
In de studiegebieden vertoonden de vissen ook een duidelijke opname van organische polluenten in hun vetweefsel. Er werden echter geen significante verschillen aangetoond in de accumulatie van organische polluenten tussen vissen die via het water werden blootgesteld en vissen die ook via het sediment werden blootgesteld.
De kooi bleek niet geschikt om vissen bloot te stellen aan het sediment. De kooi bleek wel geschikt voor een blootstelling aan het water van stilstaande wateren. Dit echter voor een korte blootstellingsperiode omdat de vissen zich in de kooien onvoldoende of niet konden voeden.
De osmolariteit, acetylcholinesterase-activiteit, conditiefactor en metallothioneïne-inductie konden gebruikt worden als biomerkers voor metaalverontreiniging onder veldomstandig-heden. Ook het gebruik van acetylcholinesterase-activiteit als biomerker voor een pollutie van hexachloorbenzeen werd in deze veldstudie aangetoond.

Bibliografie

Adams W. J., Kimerle R. A., and Barnett J. W. Jr. (1992),
Sediment quality and aquatic life assessment. Environmental Science and Technology 26 (10): 1865-1875.

Allen-Gill S.M., Gubala C. P., Landers D.H., Lasora B. K., Crecelius E. A., and
Curtis L.R. (1997), Heavy metal accumulation in sediment and freshwater fish in US arctic lakes. Environmental Toxicology and Chemistry 16 (4): 733-774.

Bagenal T. (1978),
Methods for assessment of fish production in fresh waters (3rd ed.). Blackwell Scientific Publications Ltd., Oxford.

Bãnãrescu P., and Coad P.W. (1991),
Cyprinid Fishes: Systematics, biology and exploitation. Cyprinids of Eurasia: 127-155.

Bervoets L., and Blust R. (2003),
Metal concentrations in water, sediment and gudgeon (Gobio gobio) from a pollution gradient: relationship with fish condition factor. Environmental Pollution 126: 9-19.

Bervoets L., Smolders R., Covaci A., Chu C.S., Qadah D., Schepens P., and Blust R. (2001),
Organic pollutants, The use of translocated zebra mussels (Dreissena polymorpha) for the assessment on polluted sediments in Flemish rivers. AMINAL-Water, Ministry of the Flemish Government: 6-7.

Bienegräber M., Forderkunz S., Klein D., and Summer K.H. (1995),
Determination of Cu-containing metallothionein: Comparison of Ag saturation assay, thiomolybdate assay, and enzyme-linked immunosorbent assay. Analytical biochemistry 228: 69-73.

Blust R., Van der Linden A., Verheyen E., and Decleir W. (1988),
Evaluation of microwave heating digestion and graphite furnace atomic absorption spectrometry with continuum source background correction for the determination of iron, copper and cadmium in brine Shrimp. Journal of analytical atomic spectrometry 3: 387-393.

Bolger T., and Connolly P.L. (1989),
The selection of suitable indices for the measurement and analysis of fish condition. Journal of Fish Biololgy 34: 171-182.

Bradford M.M. (1976),
A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding. Analytical biochemistry 72: 248-254.

Bremner L., and Beattie J.H. (1990),
            Metallothionein and the trace minerals. Annual review of nutrition 10: 63-83.

Cattani O., Serra R., Isani G., Raggi G., Cortesi P., and Carpene E. (1996),
Correlation between metallothionein and energy metabolism in sea bass (Dicentrarchus labrax) exposed to cadmium. Comperative Biochemistry and Physiology 113 (2): 193-199.

Clements W.H., and Rees D.E. (1997),
Effects of heavy metals on prey abundance, feeding habits, and metal uptake of brown trout in the Arkansas River, Colorado. Transaction of the American Fisheries Society 126: 774-785.

Connell D., Lam P., Richardson B., and Wu R. (1999a),
Sources, Types and Properties of Toxicants. Introduction to ecotoxicology: 19-28.

Connell D., Lam P., Richardson B., and Wu R. (1999b),
Dose and Concentration Response-Relationships. Introduction to ecotoxicology: 101-120.

Connell D., Lam P., Richardson B., and Wu R. (1999c),
Molecular, Biomolecular, Physiological and Behavioural Responses of Organisms. Introduction to ecotoxicology: 50- 76.

Cosson R.P., Amiard-Triquet C., and Amiard J.C. (1991),
Metallothioneins and detoxification. Is the use of detoxification protein for MTs a language abuse? Water Air Soil Pollution 57: 555-567.

Dallinger R., and Kautzky H. (1985),
The importance of contaminated food for uptake of heavy metals by rainbow trout (Oncorhynchus mykiss): a field study. Oecologia 67: 82-89.

Dallinger R., Prosi F., Segner H., and Back H. (1987),
Contaminated food and uptake of heavy metals by fish: a review and a proposal for further research. Oecologia 73: 91-98.

De Bie T., Moermans T., Dillen A., Voets J., Coeck J., and Bervoets L. (2001),
Effect van metaalverontreiniging op de conditie van een inheemse vispopulatie in ecologisch waardevolle waterlopen. AMINAL / NATUUR / VLINA / 0004.

De Boeck G., Vlaeminck A., and Blust R. (1997),
Effects of sublethal copper exposure on copper accumulation, food consumption, growth, energy stores, and nucleic acid content in Common Carp. Archives of environmental contamination and toxicology 33: 415-422.

de la Torre F.R., Ferrari L., and Salibian A. (2002),
Freshwater pollution biomarker: response of brain acetylcholinesterase activity in two fish species. Comparative Biochemistry and Physiology Part C 131: 271-280.

Depledge M.H., Weeks J.M., and Bjerregaard A. (1994),
            Heavy Metals. Handbook of ecotoxicology 2: 79-99.

Depledge M.H. (1994),
The rational basis for the use of biomarkers as ecotoxicological tools. Nondestructive Biomarkers in Vertebrates: 271-295.

De Smet H., De Wachter B., Lobinski R., and Blust R. (2001),
Dynamics of (Cd,Zn)-metallothioneins in gills, liver and kidney of common carp (Cyprinus carpio) during exposure. Aquatic toxicology 52: 269-281.

Dethloff G.M., Lin H.C., and Hwang P.P. (1999),
Alterations in physiological parameters of rainbow trout (Oncorhynchus mykiss) with exposure to copper and copper/zinc mixtures. Ecotoxicology and Environmental Safety 42: 253 - 264.

Dobbs M. G., Farris J.L., Reash R.J., Cherry D.S., and Cairns J. (1994),
Evaluation of the resident-species procedure for developing site-specific water quality criteria for copper in Blaine creek, Kentucky. Environmental Toxicology and Chemistry 13 (6): 963-971.

Eckert (1997),
Mechanisms and adaptations, ionic and osmotic balance. Animal Physiology: 580-615.

Fedinger J.N., and Adams D.D. (1987),
Nitrogen gas supersaturation in the recent sediments of lake erie and two polluted harbors. Water Research 21 (11): 1371-1374.

Fisher C.T., Crane M., and Callaghan A. (2000),
An optimised microtiterplate assay to detect acetylcholinesterase activity in individual Chironomus riparius meigen. Environmental Toxicology 19: 1749-1752.

Grootelaar E.E.M., Mulder R., and Diepeveen J.L. (1991),
Interne Standaard Procedure. Handleiding voor het kweken van de muggenlarf (Chironomus riparius).RIZA – afdeling Algemeen Onderzoek, uitgave nr. 3.

Hakanson L. (1984),
Metals in fish and sediments from the river Kolbäcksan water system, Sweden. Archives of Hydrobiology 101 (3): 373-400.

Hermesz E., Abraham M., and Nemcsok J. (2001),
Tissue-specific expression of two metallothionein genes in common carp during cadmium exposure and temperature shock. Comparative Biochemistry and Physiology 128 (3): 457- 465.

Hyllner S.J., Andersson T., Haux C., and Olsson P.E. (1989),
Cortisol induction of metallothionein in primary culture of rainbow trout (Oncorhynchus mykiss) hepatocytes. Journal of Cell Physiology 139: 24-28.

Kägi J.H.R., and Kojima, Y. (1987),
            Chemistry and biochemistry of metallothionein. Experienta 52: 25-61.

Kägi J.H.R., and Shaffer, A. (1988),
            Biochemistry of metallothionein. Biochemistry 27: 8509-8515.

Kägi J.H.R. (1993),
Evolution structure and chemical activity of class I metallothioneins, Birkhauser, Basel 1979: 29-55.

Kamunde C. N., Grosell M., Lott J.N.A., and Wood C.M. (2001),
Copper metabolism and gut morphology in rainbow trout (Oncorhynchus mykiss) during chronic sublethal dietary copper exposure. Canadian Journal of Fish and Aquatic Science 58 (2): 293-305.

Kerkum F.C.M. (1993),
Chironomus spp. (Diptera: Chironomidae); lust of last? RIZA werkdocument nr. 93.084X.

Kraal M.H., Kraak M.H.S., de Groot C.J., and Davids C. (1995),
Uptake and tissue distribution of dietary and aqueous cadmium by carp (Cyprinus carpio). Ecotoxicology and Environmental Safety 31: 179-183.

Larsson A., Bengston B.E., and Svanberg O. (1976),
Some haematological and biochemical effects of cadmium on fish. Effects of pollutants on aquatic organisms, A.P.M. Lockwood Cambridge University Press: 35-45.

Lin H.C., HsuS.C., and Hwang P.P. (2000),
Maternal transfer of cadmium tolerance in larval Oreochromis mossambicus. Journal of Fish Biology 57: 239-249.

Lodish H., Berk A., Zipursky S.L., Matsudaira P., Baltimore D., and Darnell E.J. (2000),
            Nerve cells. Molecular Cell Biology, fourth edition: 911-967.

Lohner T.W., Reach R.J., Willet V.E., and Rose L.A. (2001),
Assessment of tolerant sunfish populations (Lepomis sp.) inhabiting selenium-laden coal ash effluents. Hematological and population level assessment. Ecotoxicology Environmental Safety 50: 203-216.

Mayer F.L., Marking L.L., Bills D.T., and Howe E.G. (1994),
Physicochemical factors affecting toxicity in freshwater: hardness, pH and temperature, session 2: Water chemistry. Bioavailability: 5-21.

Molecular Probes (2002),
            Amplex Red Acetylcholine/Acetylchilinesterase Assay Kit (A-12217).

Muto N., Ren H.W., Hwang G.-S., Tominaga S., Itoh N., and Tanaka K. (1999),
Induction of two major isoforms of metallothionein in crucian carp (Carassius cuvieri) by air-pumping stress, dexamethasone, and metals. Comparative Biochemistry and Physiology 122 (1): 75-82.

Niimi A.J. (1994),
            PCB’s, PCDDs and PCDFs. Handbook of ecotoxicology: 204-227.

Nordmeyer D., and Dickson D.W. (1990),
            Biological activity and acetylcholinesterase inhibition by nonfumigant nematicides and their degradation products on Meloidogyne incognita. Revue Nématologique 13 (2): 229-232.

Nouwen J. , Geuzens P., Goemans G., Van Thuyne G., Belpaire C., Guns M., Schneiders A., and Van Hooste H. (2001), Verspreiding van zware metalen. Mira-T: 177-178.

Ochiai Ei-Ichiro (1995),
            Principles and Applications in Bioinorganic Chemistry-VII 72 (6): 479-483.

Olsson P-E., and Haux C. (1986),
Increased hepatic metallothionein content correlates to cadmium accumulation in environmentally exposed perch (Perca fluviatilis). Aquatic Toxicology 9: 231-242.

Olsson P.E., and Hogstrand C. (1987),
Subcellular distribution and binding of Cd to metallothionein in tissues of rainbow trout after exposure to 109Cd in water. Environmental Toxicology and Chemistry 6: 867-874.

Olsvik Pal A., Hindar K., Zachaiassen K.E., and Andersen R.A. (2001),
Brown trout (Salmo trutta) metallothioneins as biomarkers for metal exposure in two Norwegian rivers. Biomarkers 6 (4): 274-288.

Provinciaal Centrum voor Milieuonderzoek (2002),
Wegwijs in Waterbodem, Provincie Oost-Vlaanderen: 6-7.

Rainbow P.S. (1985),
The biology of heavy metals in the sea. International Journal of Environmental Studies 25: 195-211.

Rogers J.T., Richards J.G., and Wood C.M. (2003),
Ionoregulatory disruption as the acute toxic mechanism for lead in the rainbow trout (Oncorhynchus mykiss). Aquatic Toxicology 64: 215-234.

Segner H., and Back H. (1985),
Importance of contaminated food for the uptake of heavy metals in the rainbow trout, Salmo gairdneri. Naturwissenschaften 72 (S):379-380.

Sokal R.R., and Rohlf F.J. (1998),
            Biometry. W.H. Freeman and Company, New York.

Steurbaut W., De Smet B., Vercruysse F., Belpaire C. Goemans G., and Overloop S. (2001), Verspreiding van bestrijdingsmiddelen. Mira-T :193-194.

Szebedinsky C., McGeer J.C., McDonald D.G., and Wood C.M. (2001),
            Effects of chronic Cd exposure via the diet or water on internal organ-specific distribution and subsequent gill Cd uptake kinetics in juvenile rainbow trout (Oncorhynchus mykiss). Environmental Toxicology and Chemistry. 20 (3): 597-607.

Van Assche F. (2000),
Elementen van risico-analyse met betrekking tot (zware) metalen in het milieu. Cursus milieustress II.

Van Campenhout K., Bervoets L., and Blust R. (2003),
Metallothionein concentrations in natural populations of gudgeon (Gobio gobio): relationship with metal concentrations in tissues and environment. Environmental Toxicology and Chemistry 22 (7): 1548-1555.

Vandecasteele C., Van Gerven T., Geysen D., Belpaire C., Goemans G., Raemaekers M., and Van Hooste H. (2001), Verspreiding van producten van onvolledige verbranding (POV’s) en PCB’s, deel PCB’s, Mira-T : 167-168.

Van Ginneken L. (1998),
            Chemische speciatie en biologische beschikbaarheid van cadmium in zoet water in aanwezigheid van synthetisch en natuurlijk DOC. Bijeenkomst Speciatie en opname: de rol van DOC.

Viarengo, A. (1989),
Heavy metals in marine invertebrates: mechanisms of regulation and toxicity at the cellular level. Critical Reviews in Aquatic Sciences 1: 295-317.

Viarengo A., Burlando B., Dondero F., Marro A., and Fabbri R. (1999),
Metallothionein as a tool in biomonitoring programmes. Biomarkers 4 (6): 455-466.

Vigh P., Mastala Z., and Balogh K.V. (1996),
Comparison of heavy metal concentration of grass carp (Ctenopharyngodon idella) in a shallow eutrophic lake and a fish pond (possible effects of food contamination). Chemosphere 32 (4): 691-701.

Vighi M., Altenburger R., Arrhenius Å., Backhaus T., Bödeker W., Blanck H., Consolaro F., Faust M., Finizio A., and Froehner K. (2003), Water quality objectives for mixtures of toxic chemicals: problems and perspectives. Ecotoxicology and Environmental Safety 54 (2): 139-15.

Vlaamse Overheid (2000),
Besluit van de Vlaamse Regering van 1 juni 1995 houdende vaststelling van het Vlaams Reglement betreffende de milieuvergunning (Vlarem), zoals gewijzigd bij besluit van 17 juli 2000. Belgisch Staatsblad, 5 augustus 2000.

Wright D. A., and Welbourn P. (2002a),
The properties and environmental behaviour of metals and metalloids. Environmental Toxicology. p. 267-269.

Wright D. A., and Welbourn P. (2002b),
Organic compounds. Environmental Toxicology: 349-398.

Wright D. A., and Welbourn P. (2002c),
Properties of selected metals & metalloids. Environmental Toxicology: 319-348.

Wright David A., and Welbourn P. (2002d),
Factors affecting toxicity. Environmental Toxicology: 218-241.

Zandee D.I., and Ballintijn C.M. (1986),
Inwendig milieu, osmoregulatie en excretie. Vergelijkende dierfysiologie, Scheltema & Holkema, Bohn: 219-220.