Sarah Könemann

1 Departamentul de Analiza Ecosistemelor, Institutul pentru Cercetări de Mediu, Universitatea RWTH Aachen, Worringerweg 1, 52074 Aachen, Germania; [email protected] (Y.M.); [email protected] (D.T.); [email protected] (S.S.)

2 Departamentul de toxicologie a mediului, Institutul Federal Elvețian de Știință și Tehnologie Acvatică, Eawag, Überlandstrasse 133, 8600 Dübendorf, Elveția

Yvonne Müller

1 Departamentul de Analiza Ecosistemelor, Institutul pentru Cercetări de Mediu, Universitatea RWTH Aachen, Worringerweg 1, 52074 Aachen, Germania; [email protected] (Y.M.); [email protected] (D.T.); [email protected] (S.S.)

Daniel Tschentscher

1 Departamentul de Analiza Ecosistemelor, Institutul pentru Cercetări de Mediu, Universitatea RWTH Aachen, Worringerweg 1, 52074 Aachen, Germania; [email protected] (Y.M.); [email protected] (D.T.); [email protected] (S.S.)

Martin Krauss

3 Departamentul de analiză direcționată prin efecte, Institutul Helmholtz pentru Cercetarea Mediului-UFZ, Permoserstrasse 15, 04318 Leipzig, Germania; [email protected] (M.K.); [email protected] (P.A.I.)

Pedro A. Inostroza

3 Departamentul de analiză direcționată prin efecte, Institutul Helmholtz pentru Cercetarea Mediului-UFZ, Permoserstrasse 15, 04318 Leipzig, Germania; [email protected] (M.K.); [email protected] (P.A.I.)

4 Departamentul de Științe Biologice și de Mediu, Universitatea din Göteborg, PO BOX 461, 40530 Göteborg, Suedia

Ira Brückner

5 Waterboard Eifel-Rur, Eisenbahnstrasse 5, 52353 Düren, Germania; [email protected]

Johannes Pinnekamp

6 Institutul de Inginerie de Mediu, Universitatea RWTH Aachen, Mies-van-der-Rohe-Strasse 1, 52074 Aachen, Germania; ed.nehcaa-htwr.asi@pmakennip

Sabrina Schiwy

1 Departamentul de Analiza Ecosistemelor, Institutul pentru Cercetări de Mediu, Universitatea RWTH Aachen, Worringerweg 1, 52074 Aachen, Germania; [email protected] (Y.M.); [email protected] (D.T.); [email protected] (S.S.)

Henner Hollert

1 Departamentul de Analiza Ecosistemelor, Institutul pentru Cercetări de Mediu, Universitatea RWTH Aachen, Worringerweg 1, 52074 Aachen, Germania; [email protected] (Y.M.); [email protected] (D.T.); [email protected] (S.S.)

Date asociate

Abstract

1. Introducere

Scopul studiului de față a fost de a evalua bioanalitic starea ecotoxicologică a râului Wurm și de a determina impactul ecotoxicologic al apelor uzate tratate eliberate predominant de stația de epurare Aachen-Soers și de stația de epurare mai mică Eilendorf în cursurile de primire. Prin urmare, în acest studiu, un experiment de inhibare a hranei in situ a fost combinat cu cuantificarea micropoluanților din extracte de gammaride ale întregului corp care au fost colectate la siturile de-a lungul râurilor studiate.

2. Material și metode

2.1. Zona de studiu și proiectare

combinație

2.2. Inhibarea ratei de alimentare

Un test de inhibare a ratei de alimentare in situ a fost utilizat pentru a determina influența apelor uzate evacuate asupra performanței tocătorului amfipodului G. pulex de apă dulce. Înainte de experimente, au fost construite cuști, s-au pregătit discuri de frunze și s-au colectat organisme de testare (pentru informații detaliate, consultați Informații suplimentare (Materiale suplimentare, secțiunea 1). În prima zi a experimentului, G. pulex de dimensiuni egale de aproximativ 1,5 cm au fost amplasați individual în cuștile numerotate, care conțineau două discuri de frunze. Un număr total de 25 de cuști au fost desfășurate pe fiecare loc. Pentru a lua în considerare factorii biotici și abiotici, care pot modifica greutatea frunzelor, cinci cuști conțineau doar discuri de frunze. Pentru a reduce incertitudinea și variabilitatea seturilor de date, au fost realizate șapte experimente independente cu durata de câte o săptămână în octombrie și decembrie 2015, ianuarie și iulie 2016 și iulie, august și octombrie 2017. Experimente înființate în mai 2017 și aprilie 2018 au fost excluse din cauza vremii nefavorabile și a condițiilor de curgere a apei în care s-au pierdut cuștile.

Începând cu iulie 2016, temperatura a fost înregistrată la fiecare loc de prelevare pentru a evalua posibilele efecte asupra vitezei de hrănire cauzate de modificările temperaturii apei. În 2017, au fost adăugate trei situri suplimentare de prelevare (H1, H2 și W1) ca situri experimentale pentru a obține informații despre influențele anterioare ale afluenților pe râul Wurm.

2.2.1. Calculul ratei de hrănire

Rata de hrănire C, exprimată ca greutatea uscată a gammaridelor pe greutatea uscată a frunzelor pe zi, a fost calculată conform Maltby și colab. [42]:

L1 este greutatea inițială uscată a discului frunzei în mg, L2 este greutatea uscată a materialului frunzelor rămase în mg, W este greutatea uscată a organismului testat în mg, CL este factorul de corecție și T este momentul desfășurării (7 zile). Acesta din urmă a fost calculat folosind

unde C1 reprezintă greutatea uscată a frunzelor martor în mg înainte de desfășurare și C2 reprezintă greutatea uscată a frunzelor martor în mg după test. N este cantitatea totală de frunze de control la fiecare sit.

2.2.2. Analize statistice

Analiza statistică a fost efectuată cu SigmaPlot (versiunea 12, Systat Software Inc., San Jose, CA, SUA). Datele au fost testate pentru normalitate folosind testul Shapiro-Wilks și pentru omogenitatea varianței folosind testul lui Levene. Dacă probele au fost distribuite în mod normal și omogene în varianță, s-a efectuat un ANOVA unidirecțional cu corecția Bonferroni. În caz contrar, s-a folosit testul Kruskal-Wallis sau un ANOVA bidirecțional pe ranguri (pentru informații detaliate a se vedea Materialele suplimentare, Secțiunea 1.5).

2.3. Analize de biote

Un total de 60 de analiți variind în hidrofobicitate de la log KOW −0,2 la log KOW 5.5 au fost selectați pentru analiza concentrației interne pe baza apariției lor în probe de apă și sedimente. Pentru a cuantifica micropoluanții organici, au fost colectate 900 mg de gammaride de la siturile de eșantionare W3, W4 și W5 (februarie 2016) și respectiv W3, W4, W5 și H1 (mai 2017). Extractele au fost preparate în conformitate cu o metodă de screening multi-țintă dezvoltată de Inostroza și colab. [43] (pentru informații detaliate, a se vedea Materiale suplimentare, secțiunea 2.2). Extractele au fost analizate prin cromatografie lichidă cuplată cu spectrometrie de masă de înaltă rezoluție (LC-HRMS, Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, SUA; informații detaliate în Materiale suplimentare, secțiunea 2.1). Din cauza lipsei de organisme la W1, W2 și H2, micropoluanții organici nu au fost măsurați în biota din aceste locuri de prelevare.

Presiunea toxică

Pentru a traduce concentrațiile chimice în valori ecotoxicologice relevante și comparabile, sa determinat toxicitatea inerentă, exprimată în unități toxice (UT), pentru fiecare compus care a fost cuantificat prin analiză chimică. TU a fost calculată prin împărțirea concentrației măsurate la EC50 acută (48 ore) pentru G. pulex sau, dacă nu au fost disponibile date despre efect, pentru Daphnia magna (Materiale suplimentare, tabelul S8). Cu toate acestea, deoarece valorile EC50 se bazează aproape exclusiv pe concentrații de apă în loc de concentrații interne, concentrațiile interne măsurate au fost convertite în formele lor dizolvate liber (Cfd) (μg/L) ale micropoluantului respectiv (ecuația 3) [44] . Pentru a estima C fd, concentrația totală măsurată (C t, G) în gammarizi a fost împărțită la conținutul de lipide (flipid) și KOW a fost utilizat ca surogat pentru Klipid. Deoarece conținutul de lipide nu a fost determinat pentru gammaridele utilizate din cauza cantității limitate de eșantion, s-a presupus o fracțiune lipidică de 1,34% (greutate/greutate) [36,45].

Pentru a determina toxicitatea amestecului tuturor compușilor care au fost detectați în gammarizi, TU-urile au fost însumate la sumTU (ecuația 4), care se bazează pe ipoteza aditivității toxicității [46]. Dacă valoarea pragului de -3,0 a fost depășită de sumTU, efectele cronice nu pot fi excluse [47].

3. Rezultate

3.1. Inhibarea ratei de alimentare

Rezultatele analizelor biotei pentru siturile de prelevare la care s-a obținut o cantitate suficientă de gammarizi. Concentrațiile substanțelor cuantificate sunt prezentate pentru eșantionarea efectuată în februarie 2016 (A) și mai 2017 (B).

Comparația directă a celor două perioade de eșantionare indică o diferență în compoziția substanțelor cuantificate, precum și în modelul lor de apariție. În probele din mai 2017 (Figura 3 B), substanțele predominante prezente s-au schimbat de la tebuconazol, TBEP și imidacloprid la etofumesat, cu 427 ng/g la W3 și TBEP, cu o concentrație de 8,5 ng/g la H1 . Mai mult, biocidele pendimetalin și tebuconazol nu au fost cuantificate. Pentru Haarbach (H1), majoritatea substanțelor au avut concentrații interne mai mici decât cele din probele din râul Wurm. Cele câteva excepții au fost TBEP, TPP și hexa (metoximetil) melamină.

Pe baza concentrațiilor interne care au fost convertite în concentrații dizolvate liber (materiale suplimentare, tabelul S9), s-au calculat UT și sumU. TU-urile au variat -6,08-0,74 în 2016 și -5,72-0,84 în 2017 (Figura 4). Valoarea de prag de -3,0, la care se pot aștepta efecte cronice, a fost depășită pentru imidacloprid, carbendazim, tiacloprid și 1H-benzotriazol, imidaclopridul fiind substanța care contribuie cel mai mult la toxicitate. Sumele UT determinate pentru siturile de prelevare au depășit toate valoarea pragului, variind de la 0,11 la W3 la 0,45 la W4 în 2016 și −0,66 la H1 la 0,52 la W5 în 2017 (Materiale suplimentare, tabelul S10).

Unități toxice (UT) pentru substanțe uniceA) și rezumate UT pentru fiecare loc de prelevare (B) pentru 2016 și 2017. Pentru UT peste o valoare de -3,0 (sub linia roșie punctată), se pot aștepta efecte cronice.

4. Discutie

Pe de altă parte, sau chiar în plus față de posibilele diferențe de sensibilitate între populații, concentrațiile chimice eliberate de stația de epurare Aachen-Soers pur și simplu nu ar fi putut depăși concentrațiile la care s-ar produce efecte acute [52,53]. O comparație a analizelor chimice corespunzătoare pentru acest studiu și a unui studiu realizat de Bundschuh și Schulz [48] relevă concentrații chimice mai mici în clarificatorul secundar al stației de epurare Aachen-Soers. În timp ce în eșantioanele de la stația de epurare Wüeri (60% fracție de apă uzată), s-au măsurat concentrațiile medii de, de exemplu, 1340 ng/L de 4-acetamidoantipirină și 178 ng/L de izoproturon [5], concentrații de 66 ng/L de 4 -acetamidoantipirina și 20 ng/L de izoproturon au fost măsurate la efluentul Aachen-Soers de la stația de epurare (fracțiune de 70 până la 90% ape uzate) (datele nu sunt prezentate). Datorită concentrațiilor foarte scăzute la care micropoluanții sunt descărcați în fluxuri, efectele cronice - neacoperite cu teste de viteză de hrănire pe termen scurt - sunt mai susceptibile să apară decât efectele acute.

O consecință a expunerii pe termen lung la substanțele care au fost găsite în concentrații interne considerabil ridicate în gammarizi este că pot fi afectate mai multe obiective diferite. A fost demonstrat de De Lange și colab. (2006) și Dietrich și colab. (2010) că concentrațiile subletale ale produselor farmaceutice, în special atunci când sunt prezente ca amestec, pot modifica comportamentul, ratele de ventilație, locomoția și comportamentul de mutare al gammaridelor [53,56]. Datorită rolului cheie pe care îl joacă gammaridele pentru defalcarea deșeurilor de frunze, aceste semne generale de stres care duc la creșterea mortalității pot avea un impact grav asupra comunității bentice și asupra întregului ecosistem [57]. Populațiile G. pulex care locuiesc în sistemele de apă dulce afectate de substanțe chimice produse de om sau produse chimice provenite din activități agricole și stații de epurare pot modifica tiparele genetice ale populației. Aceste modificări genetice pot duce la modificări ale funcționării ecologice și, în cele din urmă, de fitness [54].

5. Concluzii

În acest studiu, nu a fost posibil să se observe efecte acute clare cu un test de inhibare a hranei, deoarece sarcina chimică a fost prea mică. Mai mult, s-a observat că diferențele dintre specii pot avea un impact mare asupra comportamentului și trebuie luate în considerare, pe lângă variațiile sezoniere și compoziția chimică însoțitoare. Cu toate acestea, prin completarea testului de inhibare a ratei de hrănire acută cu analiza concentrației interne, a fost posibil să se obțină informații despre potențialul de efect cronic al sistemului fluvial, care nu a fost descris de experimentul acut in situ. O altă abordare ar putea fi combinația experimentelor de hrănire cu o măsurare finală a concentrației interne de gammarizi pentru a putea lega direct concentrațiile interne din țesuturi cu ratele de hrănire măsurate în timpul experimentului. Ar trebui efectuate experimente suplimentare de laborator cu G. pulex cu substanțele care au fost identificate drept factori de toxicitate pentru a obține mai multe informații despre profilul de toxicitate al zonei investigate.

Mulțumiri

Autorii ar dori să mulțumească Ministerului pentru Mediu, Agricultură, Conservare și Protecția Consumatorilor din statul Renania de Nord-Westfalia pentru finanțare, precum și Comitetului pentru Eiffel-Rur (WVER). Acest articol a fost pregătit în strânsă cooperare cu rețeaua NORMAN privind poluanții emergenți (http: //www.norma n-network.net) și proiectul SOLUTIONS (al șaptelea program-cadru al Uniunii Europene pentru cercetare, dezvoltare tehnologică și demonstrație, în cadrul Grant Acordul nr. 603437). Mulțumim Simone Hotz și Aliaksandra Shuliakevich (Universitatea RWTH Aachen) pentru sprijinul acordat în laborator/domeniu și lui Jake Ouellet pentru corectura manuscrisului. În cele din urmă, dorim să mulțumim recenzenților pentru comentariile lor utile și pentru îmbunătățirea manuscrisului.

Materiale suplimentare

Contribuțiile autorului

S.K., Y.M., S.S. și H.H. a conceput și proiectat experimentele; S.K., Y.M. și D.T. a efectuat experimentele; S.K. și Y.M. a analizat datele; H.H., P.A.I. și M.K. reactivi/materiale/instrumente de analiză contribuite; M.K. a analizat probele prin LC-HRMS; S.K. și Y.M. a scris ziarul; J.P., M.K., S.S., I.B. și H.H. a îmbunătățit manuscrisul și a contribuit la aspecte specifice; toți autorii au citit și au aprobat manuscrisul final.

Conflicte de interes

Autorii nu declară niciun conflict de interese.