Olfactory toxicity in zebrafish : Assessing the effects of three commonly used pesticides and cadmium on the olfactory system of Danio rerio

Volz, Sina; Hollert, Henner (Thesis advisor); Schäffer, Andreas (Thesis advisor)

Aachen (2019, 2020)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Kurzfassung

Fische sind in hohem Maße von ihrem Geruchssinn abhängig, da über ihn essenzielle Verhaltensweisen vermittelt werden. Das olfaktorische Epithel (OE), welches die für die Detektion von Geruchsstoffen verantwortlichen Riechneurone enthält, befindet sich in Riechgruben auf der dorsalen Seite des Kopfes. Dabei steht das OE in nahezu direktem Kontakt mit dem Umgebungswasser, wodurch es sowohl mit Geruchsstoffen als auch gelösten Schadstoffe leicht in Kontakt kommen kann. In den letzten Jahrzehnten zeigten immer mehr Studien auf, dass zahlreiche Stoffe, darunter Metalle und Pestizide, in der Lage sind das Riechsystem in umweltrelevanten Konzentrationen zu schädigen und dadurch wesentliche Verhaltensweisen zu beeinträchtigen. Die zugrundeliegenden Mechanismen dieser Effekte sind jedoch noch weitgehend unbekannt und trotz der zentralen Bedeutung des Geruchssinns für Fische finden olfaktorische Endpunkte bisher keine Berücksichtigung in der Risikobewertung von Chemikalien. Ziel dieser Dissertation war es, den Einfluss dreier häufig verwendeter Pestizide (Chlorpyrifos, Linuron und Permethrin) sowie Cadmiums (Cd) auf das Riechsystem des Zebrabärblings (Danio rerio) zu untersuchen. Hierbei sollte ein Beitrag zur Etablierung des Zebrabärblings als Modell für die Untersuchung der olfaktorischen Toxizität geleistet werden. Um das Verständnis der zugrundeliegenden toxischen Wirkungsweisen einer Riechstörung zu erweitern, wurde der Einfluss von Schadstoffen auf das Riechsystem auf verschiedenen biologischen Organisationsebenen untersucht. Mittels quantitativer real time Polymerasekettenreaktion wurde gezeigt, dass Cd, Chlorpyrifos und Permethrin auf unterschiedliche Weise die Expression olfaktorischer Markergenen im OE beeinflussen. Weiterhin induzierten Chlorpyrifos und Cd mit Stress assoziierte Gene im OE, während lediglich Cd deren Expression im Riechkolben steigerte. Die Analyse von Botenstoffen mit zentraler Rolle in der olfaktorischen Signaltransduktion ergab, dass Linuron die Konzentration von cyclischem Adenosinmonophosphat (cAMP) im OE verringerte. Die Auswirkung von Xenobiotika auf die riechvermittelte Hormonantwort männlicher Zebrabärblinge auf das Pheromon Prostaglandin F2α (PGF2α) wurde anhand des Plasmaspiegels von 11 Ketotestosteron (11 KT) bestimmt. Während sich im Hinblick auf die Pestizide kein signifikanter Einfluss zeigte, wurde in zuvor mit Cd belasteten Männchen eine sinkende Tendenz der 11 KT Konzentration festgestellt. Die Untersuchung der Schreckreaktion im Anschluss an die Belastung gegenüber dem jeweiligen Schadstoff ergab, dass Cd und Chlorpyrifos dieses essenzielle Verhalten signifikant beeinträchtigten. Während es in zuvor mit Chlorpyrifos belasteten Fischen nach 48 h Erholung wiederhergestellt war, war dies in gegenüber Cd exponierten Tieren nicht der Fall. Die Eignung der frühen Lebensstadien des Zebrabärblings als Alternativmodelle für die Studie der olfaktorischen Toxizität wurde anhand der schadstoffbedingten Effekte auf die Expression olfaktorischer Markergene, den Zelltod in der Riechplakode sowie die riechvermittelte Schwimmaktivität beurteilt. Dabei wurden keinerlei signifikanten Veränderungen detektiert. Da bekannt ist, dass sich die Wasserchemie erheblichen auf die akute Toxizität von Metallen auswirkt, wurde ihr Einfluss auf die durch Cd induzierte Inhibierung des Riechsystems überprüft. Dabei wurde ersichtlich, dass die Wasserhärte, der pH und gelöster Kohlenstoff diese maßgeblich beeinflussen. Die in dieser Doktorarbeit vorgestellte Forschung zeigte, dass Chlorpyrifos und Cd die Schreckreaktion, ein für Fische überlebenswichtiges Verhalten, stören. Die Ergebnisse der Genexpressionsstudie bekräftigen die Annahme, dass Cd in das OE und den Riechkolben aufgenommen wird und dort oxidativen Stress verursacht. Dahingegen scheint letzterer kein vorherrschender Faktor bei der von Chlorpyrifos verursachten Riechstörung zu sein. Der nach Belastung mit Cd beobachte Abwärtstrend der Hormonant¬wort auf PGF2α könnte darüber hinaus auf eine mögliche Beeinträchtigung der Fortpflanzung hinweisen und sollte künftig weiter untersucht werden. Insgesamt stellte sich der Zebrabärbling als ausgezeichneter Modellorganismus für die Studie der olfaktorischen Toxizität, insbesondere hinsichtlich der Analyse der ihr zugrundeliegenden Mechanismen, heraus. Allerdings konnte die Eignung der frühen Lebensstadien als alternative Testmodelle für die olfaktorische Toxizität anhand der erhobenen Daten nicht bestätigt werden. Die vorliegende Dissertation leistete einen wichtigen Beitrag zur Etablierung des Zebrabärblings als Modell für die Studie der olfatorischen Toxizität und verdeutlichte die Dringlichkeit der Implementierung olfaktorischer Endpunkte in die Umweltrisikobewertung von Chemikalien.