Passive samplers as a proxy for the internal exposure of freshwater organisms

Wernicke, Theo; Birnbaum, Annika (Thesis advisor); Schäffer, Andreas (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2022, 2023)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Kurzfassung

Die Bioakkumulation von hydrophoben organischen Schadstoffen (englisch: hydrophobic organic compounds; HOCs) in aquatischen Nahrungsketten stellt, aufgrund zunehmender toxischer Belastung mit steigender trophischer Position des betroffenen Organismus, ein massives Umweltproblem dar. Fische sind aufgrund ihrer relativ gehobenen trophischen Position einer erhöhten Bioakkumulation ausgesetzt, was zu toxischen Effekten führen kann. Daher sind sie regelmäßig Gegenstand von Monitoringprogrammen. Jedoch zeigen Fische intra- und interspezifisch starke Varianzen in ihrer HOC-Last, was eine große Probenzahl nötig macht um belastbare Ergebnisse zu erzeugen. Um diesen großen Beprobungsaufwand zu reduzieren und Monitoringverfahren zu vereinfachen können Passivsammler (englisch: passive sampling devices; PSDs) in verschiedenen abiotischen Umweltmatrizes als alternatives, auf chemischer Aktivität basierendes, Verfahren eingesetzt werden, um die Bioakkumultion in Fischen, aber auch Invertebraten, abzuschätzen. Im ersten Teil dieser Arbeit wird das Potential von Schwebstoffen als repräsentatives Medium für die HOC-Exposition von Brassen und Zebramuscheln aus verschiedenen deutschen Flüssen untersucht. Im zweiten Teil dieser Arbeit werden PSDs in Schwebstoffen und Wasser mit der tatsächlichen Bioakkumulation von HOCs in verschiedenen Fischarten verglichen. Für beide Studien wurde Muskelgewebe (Fische) beziehungsweise der Weichkörper (Zebramuscheln) extrahiert, und die lipidnormalisierte Konzentration von HOCs wurde mit den Extrakten von Schwebstoffen oder den PSDs basierten (aus Schwebstoffen oder Wasser), berechneten Gleichgewichtskonzentrationen in Modelllipiden verglichen. Schwebstoffe zeigten unterschiedliche Bioverfügbarkeit für HOCs. Dies spricht für einen Einsatz von PSDs, welche die chemische Aktivität von HOCs, und damit deren Bioverfügbarkeit, in den entsprechenden Matrizes widerspiegeln können, um die Akkumulation in den Lipiden von Organismen abzuschätzen. In der Regel erreichten die Lipide in Brassen und Zebramuscheln kein thermodynamisches Gleichgewicht mit Schwebstoffen. In einigen Fällen von alten Brassen wurde dieser konservative Charakter jedoch überschritten, was in der zweiten Studie bestätigt werden konnte: Durch ausgeprägte Biomagnifikation überschritten große Raubfische das Gleichgewicht mit der Schwebstoff- oder Wasserphase. HOCs hatten in der Regel eine höhere chemische Aktivität in Schwebstoffen als in Wasser oder Fischen. Damit sind Schwebstoffe, im Vergleich zur Wasserphase, eher konservative Referenzen für die Bioakkumulation in Fischen. Zudem zeigte sich, dass die Körperlänge von Fischen war als Parameter für den Fortschritt der Bioakkumuation besser geeignet war als die traditionell verwendete trophische Position. Die Kombination aus PSD-Beprobung verschiedener Umweltmatrizen, die anschließende Bestimmung der Gleichgewichtskonzentration in Modelllipiden und die Körperlänge als physiologischer Parameter, stellen das Potential für ein robustes alternatives Monitoringkonzept dar. Bestehende Gewässermonitoringprogramme können dadurch ergänzt und das Töten von Wirbeltieren reduziert werden.