Integrerede metoder til vurdering af belastning af miljøfarlige stoffer og deres biologiske effekter i det marine miljø

Transkript

1 Institut for Bioscience Integrerede metoder til vurdering af belastning af miljøfarlige stoffer og deres biologiske effekter i det marine miljø Miljøfarlige stoffer er ikke kun tilstede som enkelt-stoffer i miljøet, men som komplekse blandinger. Derfor vil vurderingen af miljøfarlige stoffers betydning for det marine miljøs tilstand styrkes, når de kemiske målinger integreres med biologisk effekt indikatorer. Jakob Strand & Martin M. Larsen Aarhus Universitet, Bioscience Nationalt Center for Miljø og Energi (DCE) 18. danske havforskermøde København,

2 Integreret overvågning mellem MFS og effekter er beskrevet som et fælles element i OSPAR og HELCOM konventionernes overvågningsstrategier for miljøfarlige stoffer (MFS) i havmiljøet, og i EUs Havstrategi Direktiv under delprogrammet for forurenende stoffer. Styrken ved kemiske målinger er den høje specificitet, som er en fordel ved beskrivelse af rumlige og tidslige variationer. Begrænsningen består i at det kun omfatter udvalgte stoffer, og ikke nødvendigvis alle de mest relevante, biologisk set. Biologiske effekter kan anvendes som indikatorer for de samlede påvirkninger fra blandinger af miljøfarlige stoffer tilstede i miljøet. Indikatorer for både belastning og påvirkninger bidrager til en bedre samlet vurdering. Men hvordan i praksis? - Koordineret overvågning, med fokus på bl.a. udpegede problemområder og/eller stoffer. - Sammenholde observationer for stofkoncentrationer og effekter med miljøvurderingskriterier fx EQS, EAC el. lign - Sammenholde tendenser i rumlige og tidslige variationer.

3 Økosystem komponenter i OSPARs tilgang til integreret overvågning af miljøfarlige stoffer og deres effekter i det marine miljø OSPAR core methods (solid lines); additional methods (broken lines). NOVANA elementer (Davies & Vethaak 2012)

4 Overvågning af MFS og effekt-indikatorer i NOVANA Miljøfarlige stoffer (MFS) i den marine del af NOVANA : - Metaller, organotin, PAH, PFAS, dioxiner/furaner, PCB er, klorerede pesticider, PCBs, PBDEs, phthalater, alkylphenoler og som måles i muslinger, fisk og/eller sediment. Biologisk effekt indikatorer: Mussels: HzS + effects Mussels: HzS Sediment: HzS Flounder: HzS Eelpout: HzS + effects - Havsnegle: Imposex og intersex - Blåmuslinger: Lysosomal membran stabilitet (LMS). - Ålekvabbe: CYP1A aktivitet, PAH-metabolitter og reproduktion (fejludviklet yngel).

5 Eksempel. Miljøfarlige stoffer (MFS) målt i ålekvabbe - komplekse blandinger mellem områder, forskelle bl.a. kilder og hydrografi Bemærk LOG-skala for koncentrations-range NOVANA stationer 2011 (Larsen & Strand 2012)

6 CHASE metode til Integreret Assessment af MFS 2011 sammenlignet med data fra 2012 for ålekvabbe God overensstemmelse Enten vurdering af hvert stof for sig eller fx som ICAS for integreret beregningsmetode: Integrated Chemical Asessment Score: ICAS = (målt konc. / EQS) / (n) 0.5 Adopted fra CHASE tool (Andersen et al., 2011) Stoffer med EQS,EAC for fisk: I. Hg (EQS = 20 µg/kg VV) II. PFOS (EQS = 9.1 µg/kg VV) III. PBDE (EQS = µg/kg VV) IV. HBCDD (EQS = 167 µg/kg VV) V. HCB (EQS = 10 µg/kg VV) VI. Dioxin (EQS = 6.5 pg TEQ/kg VV) VII. CB118 (EAC = 24 µg/kg lipid) VIII. CB153 (EAC = 1600 µg/kg lipid) IX. HCH (EAC = 11 µg/kg TS)

7 TBT-effekter forekommer stadig i de danske farvande OSPARs integrerede bioassessment kriterier for TBT-effekter for 5 arter af havsnegle Der forekommer stadigvæk forhøjede imposex-niveauer i dag, især i nogle kystnære områder. Neptunea Buccinum Hinia Littorina Imposex-niveauer er dog faldet til 5 40% af niveauerne i Tilsvarende er TBT-niveauer i muslinger faldet til ~10% af niveauerne i

8 TBT og effekter - et eksempel, hvor stofkoncentrationer og effekter kan kombineres direkte vha. integrerede miljøkvalitetsklasser Høj status God status Moderat status Ringe status Dårlig status Class II = <EQS (WFD) Example: Combining data for TBT and biological effects levels in Kattegat and Skagerrak TBT in seawater (ng TBT/l) TBT in molluscs (µg TBT/kg ts) TBT in sediment (µg TBT/kg dw) VDSI in Nucella lapillus ISI in Littorina littorea VDSI in Neptunea antiqua VDSI in Buccinum undatum VDSI in Hinia reticulata I II III IV V close to zero < < > 15 close to zero < < > 1500 close to zero < < < 500 > 500 < < > 4 > 5 (sterile) Disappeared < > 1.2 < < < < < < < < < Risk Quotient < < < > 150 (Strand et al. 2006)

9 MFS og effekter i blåmuslinger Lysosomal membranstabilitet (LMS) anses som en generel stressmarkør for den samlede påvirkning, men i NOVANA fandt vi en tydelig sammenhæng til PAH: 2012 OSPAR/ICES Assessment criteria BAC: >120 minutes EAC: < 50 minutes I tidligere år, fandt vi også co-variation med PCB, men ikke med andre stofgruppe, temperatur eller salinitet. LMS retentionstider er bestemt som tiden hvor ~50% af lysosomernes membraner er destabiliseret i henhold til ICES guideline.

10 ICES/HELCOM miljøvurderingskriterier for effekter i ålekvabbe Available assessment criteria Proportion of malformed fry (type B-G) Proportion of eraly dead fry (type 0) Proportion of late dead larvae (type A) CYP1A/EROD activity (pmol min -1 ng protein -1, S9) PAH-metabolites in bile (ng 1OH-pyren ml -1 ) NOVANA PAH-metabolitter er >BAC i alle områder, hvor af 1 er > EAC. NOVANA 2012 I. Malformned fry, type B-G II. Early dead fry, type 0 III: Late dead fry, type A IV. CYP1A/EROD activity V. PAH-metabolites in bile - CYP1A er >BAC i 7 af 12 områder. - Andel af abnorme unger er >BAC i 7 af 12 områder, hvoraf 3 er >EAC.

11 Eksempel på datamatrice for 2011 Jakob Strand DEPARTMENT OF BIOSCIENCE Effekt-indikatorer MFS-indikatorer Station År Type 0 (abnorme unger) type A (abnorme unger) Type B-G (abnorme unger) CYP1A aktivitet i lever PAHmet i galde Signifikant sammenhæng mellem kviksølv og misdannelser PFOS PBDE HBCDD HCB Dioxin CB118 CB153 (RQ) (RQ) (RQ) (RQ) (RQ) (RQ) (RQ) Hg (RQ) HCH (RQ) ICAS Nakkebølle Fjord ,6% 2,0% 0,5% 19, ,8 0,9 6,5 0,0 0,0 0,0 4,5 0,3 0,0 5,7 Odense Fjord ,0% 0,8% 0,2% 22, ,6 0,7 19,5 0,0 0,0 0,1 20,7 0,7 0,0 14,4 Nybøl Fjord, Bøsbæk ,2% 13,7% 0,4% 4,3 94 1,6 0,6 7,1 0,0 0,0 0,1 9,9 0,4 0,0 6,6 Frederiksværk ,9% 0,7% 0,3% 31, ,8 0,6 9,8 0,0 0,0 0,0 17,5 0,8 0,0 9,9 Langerak, Mou ,0% 0,7% 0,2% 9, ,5 0,8 5,8 0,0 0,0 0,0 4,8 0,3 0,0 4,4 Karrebæk Fjord ,0% 1,4% 1,9% 7, ,5 0,7 9,6 0,0 0,0 0,1 3,2 0,1 0,0 6,1 Knudshoved Odde ,0% 0,6% 0,9% 18, ,9 1,3 9,0 0,0 0,0 0,0 2,3 0,2 0,0 6,2 Århus Bugt ,4% 0,1% 0,4% 32, ,3 1,0 20,7 0,0 0,0 0,1 18,9 0,8 0,0 14,6 Randers Fjord ,4% 4,2% 0,8% 8,9 0,9 1,3 15,7 0,0 0,0 0,1 1,6 0,1 0,0 6,6 Roskilde Bredning ,6% 0,6% 1,5% 8, ,9 2,7 6,0 0,0 0,0 0,1 4,5 0,3 0,0 4,8 Nakkebølle Fjord ,7% 0,9% 0,7% 14, ,2 0,9 7,0 0,0 0,0 0,0 3,6 0,1 0,0 5,6 Odense Fjord ,8% 0,3% 0,3% 22, ,1 0,9 19,3 0,0 0,0 0,1 9,3 0,2 0,0 11,0 Nybøl Fjord, Bøsbæk Signifikant 2012 sammenhæng 6,9% mellem 3,6% blandinger 0,8% og effekter 8, ,7 1,2 6,5 0,0 0,0 0,1 12,0 0,3 0,0 7,2 Frederiksværk ,0% 1,3% (her ICAS 1,4% og CYP1A) 15, ,9 1,0 8,2 0,0 0,0 0,1 18,0 0,5 0,0 9,9 Langerak, Mou ,2% 0,7% 0,1% 17, ,5 0,9 5,1 0,0 0,0 0,0 1,7 0,1 0,0 3,1 Karrebæk Fjord ,9% 1,5% 2,7% 8, ,1 0,7 8,3 0,0 0,0 0,0 2,5 0,1 0,0 6,6 Knudshoved Odde ,9% 0,5% 1,7% 5, ,3 1,6 5,9 0,0 0,0 0,0 1,9 0,1 0,0 6,0 Århus Bugt ,2% 0,6% 0,4% 30, ,1 1,1 14,9 0,0 0,0 0,0 17,4 0,4 0,0 12,3 Randers Fjord ,4% 0,9% 0,8% 14,7 1,5 1,4 12,2 0,0 0,0 0,0 2,2 0,1 0,0 5,8 Roskilde Bredning ,5% 0,1% 0,4% 16, ,9 0,9 15,8 0,0 0,0 0,4 5,7 0,1 0,0 8,3 Agersø ,9% 0,3% 0,2% 4, ,0 0,2 4,3 0,0 0,0 0,0 1,9 0,1 0,0 3,8 Nybøl Fjord, Adsbøl ,7% 28,4% 0,6% 19, ,3 1,1 6,1 0,0 0,0 0,0 12,3 0,3 0,0 7,0 Integrated Chemical Assessment Score (ICAS)

12 Eksempel på integrerering af forskelige effekt-indikatorer AARHUS UNIVERSITET Integrated Biomarker Assessment Score (IBAS) Integrated Biomarker Assessment Score (IBAS) beregnes ved at sammenholde målte værdier med deres BAC- and EAC-værdier. Ingen direkte sammenhæng mellem ICAS og IBAS IBAS beregningen baseres på en vægtning af data afhængig af: og dog måske for ICAS < 8 (p < 0.02) - om den målte-værdi sammenholdes med EAC, eller kun BAC og - om det biologiske responsniveau grupperes som: (M/C) Molecular/cellular, (T/O): Tissue/Organism, (R/P): Reproduction/Population. Weighted Score Values for Biological response level <BAC BAC x<eac EAC Weighting Factor Molecular/Cellular level responses x Tissue/Organism level responses x Reproduction/Population level responses x IBAS = (Σ X)/ (n 0,5 ), hvor X er den vægtede score-værdi for hver parameter og n er antal af data som indgår i beregningen (ligesom for ICAS). (Lehtonen et al., 2013)

13 proportion of males (%) [nmol/min/mg protein] Eksempler på andre typer af effekt-data AARHUS UNIVERSITET for ålekvabbe fra NOVANA stationer i 2009 AcetylCholineEsterase (AChE) som indikator for neurotoksiske effekter AChE-nov BAC EAC 0 Agersø Karrebæk Fjord Roskilde Frederiksværk Isefjord Intersex i hanner som tegn på hormonforstyrrelser 100% 80% 60% Intersex op mod 50% af hanner har oocyter i deres testis, dvs. vævsforandringer Forskningsdata fra BALCOFISH projektet 40% 20% Gercken et al. 0% BAC Agersø Karrebæk Fjord Roskilde Frederiksværk Isefjord

14 Fremtidige perspektiver for integreret overvågning af miljøfarlige stoffer og deres effekter i det danske havmiljø Med NOVANA aktiviteterne var vi godt med, men... Fra 2014: Bortfald af biologisk effektovervågning i de kystnære områder! Dette vil medføre at det ikke vil længere vil være muligt, som en del af NOVANA programmet, at integrere belastning af miljøfarlige stoffer og effektindikatorer. Fremover vil sådanne integrerede undersøgelser nok kun kunne udføres ved at forsknings- og rådgivningsprojekter samarbejder med f.eks. den eksisterende overvågning af miljøfarlige stoffer. Dette vil svække de kommende vurderinger af miljøtilstanden i Danmark, samt de danske bidrag til internationale rapporteringer som udføres i regi af OSPAR, HELCOM og EU.

15

16 Index 100 = year 2000 TBT-specific AARHUS UNIVERSITET effect monitoring with DECLINING TBT-levels in mussels and TBT-effects in 5 gastropod species: TBT in Mussels (Mytilus edulis): 150 TBT in mussels (n = 25 stations) Confidens interval 95% 100 Imposex in Open waters: - Common whelk (Buccinum undatum) - Redwhelk (Neptunea antiqua) 50 Neptunea Buccinum Index 100 = year 1998 Hinia Nucella Littorina TBT-levels and effects have declined 40 95% in average since Imposex & intersex in Coastal waters: - Netted whelk (Hinia reticulata) - Periwinkle (Littorina littorea) - Dogwhelk (Nucella lapillus) Strand, in press

17 ICES/OSPAR guidance on integrated monitoring Jakob Strand DEPARTMENT OF BIOSCIENCE assessment of chemicals and biological effects (Davies & Vethaak 2012) An integrated approach to monitoring is based on simultaneous measurement of contaminant concentrations (in biota, sediments, and, in some cases, water or passive samplers), biological effects parameters, and supporting physical and other chemical measurements to permit normalization and appropriate assessment. Integrated monitoring of contaminants and their effects requires coordination of field sampling and sample-handling techniques, utilizing the same species/population/individual for both types of measurement, from the same area and sampling within the same time-frame. Furthermore, a set of supporting parameters should be measured at the same time, and such data have to be available for use in the final assessment, because biological effects may be influenced by, for example, temperature, stage of maturation, or size. Integration of effort in this way will yield additional information in a cost-effective manner, while also reducing the interannual variance of the data. The integration of data assessment across a range of chemical and biological measurements requires a coherent suite of assessment criteria that address the aims and objectives of both the monitoring programme and the underlying drivers for improved environmental quality and sustainable use of the sea

18 Integrated AARHUS UNIVERSITET chemical and biological effects monitoring in fish (modified ICES/OSPAR scheme) Ålekvabbe som eksempel Tissue chemistry Subcellular responses Tissue responses Whole organism responses Population responses Hg, Cd, Pb, Zn, Cu PCB + PCDD/F PFOS PAH-metabolites Lysosomal stability CYP1A/EROD Gonad histology, Intersex Diseases, Liver histopathology Condition Index, LSI, GSI Reproductive success Length distributions Catch per Unit Effort (CPUE) PBDE + HBCDD TBT Micronuclei Vitellogenin Population genetics DDTs, HCB, HCH AChE Nonyl-, octylphenol Oxidative stress Gene arrays Vitamin status Red boxes: NOVANA indikatorer (stiplede linjér indikerer data fra kun enkelte år) Blue fonts: HELCOM CORESET, proposed CORE indicators (2011); Green fonts: Additional BONUS project parameters in