Persistent organic pollutants in benthic foodwebs

Abstract

Concentrations of persistent organic pollutants (POPs) in aquatic biota are dependent on several factors both on individual and on system level. Bioaccumulation of POPs in pelagic biota in lakes as well as fish in streams has been shown to be dependent on nutrient regime of the system. In lakes, POP concentrations in pelagic biota decrease with increasing lake trophy. In this thesis POP bioaccumulation in benthic biota in lakes were investigated. In profundal chironomids POP concentrations decreased with increasing lake trophy while concentration were independent of lake trophy in littoral signal crayfish (Pacifastacus leniusculus). Chironomids feed on settling pelagic phytoplankton while crayfish feeding are influenced by terrestrial input.



In streams, PCB concentrations in crayfish were independent of nutrient regime. In earlier studies POP concentrations in stream living trout has been shown to increase with increasing nutrient regime. Trout are highly dependent on autotrophic energy while crayfish diet is influenced by terrestrial sources. No difference in POP concentrations in lake and stream living crayfish could be found but the variation were higher in streams. The more dynamic properties of streams compared to lakes are probably reflected in crayfish POP concentrations.



In New Zealand, POP concentrations in Longfinned eels (Anguilla dieffenbachii) were investigated. Concentrations of POPs were low compared to other studies on eels. The low levels were explained with low atmospheric deposition due to local geographical conditions and few point sources.



In crayfish no effect of age and lipid content could be found as been shown for fish. Crayfish has, contrary to fish, continuous moulting events and normally change shell at least once a year. Moulting is energy demanding and means a total utilization of energy stores like those containing lipids. POPs can then be fully or partially eliminated and the process creates a cycle of POP accumulation that occurs between moulting events- not over whole life span as in fish.



Diet and bioaccumulation of POPs in crayfish were affected by intrapopulation parameters. Crayfish populations in some lakes were size segregated and larger crayfish were found in shallow areas of the littoral zone. Further, larger crayfish were feeding at a higher trophic level and had higher levels of POPs. We hypothesize that a combination of predation pressure, habitat availability and intraspecicfic interactions influence population distribution with following size dependent shifts in diet that influence the uptake of POPs in crayfish.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Organiska miljögifter finns idag över hela världen inklusive Arktis och Antarktis. Miljögifter sprids lätt i atmosfären p.g.a. av de är flyktiga dvs övergår i gasfas. Trots att flera av dessa substanser har varit förbjudna att använda i över 20 år finns de idag kvar i naturen i höga halter. Flera av de organiska miljögifterna är svårnedbrytbara och har mycket lätt för att binda till biologiskt material.



I Sverige idag är den huvudsakliga källan till organiska miljögifter (tex PCB och DDT) atmosfären och punktkällorna är få. Trots att det atmosfäriska nedfallet är likartat över landet varierar koncentrationerna i vattenlevande djur mycket mellan olika sjöar och rinnade vatten. Denna avhandling har främst fokuserat på att spåra de processer som skapar skillnader i halter mellan djur och vattendrag av olika karaktär.



Intinutivt tänker nog många på näringsrika sjöar med stora algblommningar som ?smutsiga?. Men flera studier har visat att halterna av miljögifter minskar i djur i den fria vattenmassan och då har studierna inkluderat såväl fisk som plankton. Detta samband kan, enligt flera forskare, förklaras med att tillväxten i djur och växtplankton i näringsrika sjöar är så snabb att flödet av miljögifter från vattnet till plankton inte hinner med. Därför blir halterna av miljögifter i enskilda organismer låga i näringsrika sjöar. Detta samband är känt hos djur i den fria vattenmassan men hittills har ingen undersökt om det finns ett liknande samband för bottenlevande djur i sjöar.



I denna avhandling har signalkräftan och fjädermygglarver (chironomider) använts för att studera samband med miljögifter och upptag i bottenlevande djur i sjöar. Kräftan representar djur som lever strandnära och chironomiderna djur som lever på botten i de djupa delarna av sjön. Vi fann att halterna av mijögifter i chironomider minskade med ökande näringshalt för sjöarna. Troligen beror detta på att chironomider lever av nedfallande partiklar (döda växtplankton) från ytområden i sjön. Miljögiftshalten i kräftor påverkades däremot inte av näringshalten i sjön. Kräftan som lever strandnära och är allätare (omnivor) kan äta allt den stöter på. Troligen blandas maten upp av tex löv från träd på stranden och kan därigenom ta upp miljögifter från många typer av föda. Därför kan det vara svårt att hitta samband mellan faktorer specifika för sjöar och halter av miljögifter hos kräftor.



I rinnade vattendrag (bäckar, åar etc.) har tidigare undersökningar visat att halterna av miljögifter i fisk ökar med ökande näringshalt i vattnet. Detta är tvärtemot sambandet för sjöar. Rinnade vatten skiljer sig markant från sjöar genom att allt är i ständig transport nedströms. Förklaringen till att halter av miljögifter ökar med ökande näringshalt i öring ligger i den ökande tillväxten av påväxtalger i dessa vattendrag . Mycket näring ger mycket alger. Ett rinnade vattendrag med mycket alger på botten ökar den aktiva ytan för upptag av miljögifter från vattnet. Så även om nedfallet av miljögifter från atmosfären till tillrinningsområdet resulterar i samma ursprungshalt i vattnet är sannolikheten för en miljögiftsmolekyl att bli upptagen i en alg högre i de näringsrika vattendragen. Miljögifterna i algerna inkluderas sedan i det rinnande vattnets födokedja genom betning av småkryp som sedan i sin tur äts av fisk dvs. upptaget av miljögifter i fisk i rinnade vattendrag styrs av upptaget i alger.



I våra studier i rinnade vattendrag fann vi att halten av PCB i kräftor är oberoende av näringshalten i vattnet medan DDT-halterna ökade med ökande näringshalt i vattnet. Troligen beror detta på att de båda gifterna har olika källor till bottenlevande djur i rinnade vattendrag. Genom att studera djurs sammansättning av kolisotoper (d13C) kan man spåra vad de lever av. Mätningarna av kräftans kolisotoper i våra vattendrag visade att dessa till en stor del lever av födoslag producerat på land tex löv från strandskogen (jämför med sjö ovan). Därför påverkas inte kräftan, till lika stor del som öringen av upptaget av miljögifter i alger och inte heller av näringshalten i rinnande vatten. Sambandet mellan näringshalt och DDT-halter i kräftan måste därför bero på något annat. Vi presenterar två förslag på hur detta samband uppstår: 1) DDT som är ett gammalt bekämpningsmedel i jordbruket ligger kvar bundet i jorden i jordbrukslandskapet. Samtidigt sprids stora mängder näringsämnen som gödsel i dagens jordbruk. När det faller stora nederbördsmängder eller vid snösmältningen på våren kommer jord tillsammans med DDT och näringsämnen sköljas ut i de åar och bäckar. Därför kommer vattendrag som finns i jordbrukslandskapet vara näringsrika och djur som lever i dessa utsättas för högre halter av DDT än djur i näringsfattiga vattendrag. 2) Kräftor som lever i åar och bäckar i jordbrukslandskapet och äter växtdelar som förs med strömmen kommer utsättas för höga halter av DDT genom födan. De växter som finns i jordbrukslandskapet tar upp DDT från marken och om dessa hamnar i vattendraget kan dessa ätas av kräftor.



Upptaget av miljögifter i djur påverkas av ett antal faktorer. Förutom omgivningsfaktorer så är individuella faktorer viktiga. För fisk nämns i den vetenskapliga litteraturen ett antal sådan faktorer som ofta är kopplade till varandra som tex fetthalt, ålder och diet. Hos kräftor kan vi inte hitta några samband mellan varken ålder/storlek (ålder är mycket svårbestämd hos kräftor) eller fetthalt. Denna skillnad mellan fisk och kräftor beror på att fisk till skillnad från kräftor tar upp och ackumulerar miljögifter hela livet. Kräftor genomgår i regel minst en skalömsning (byter skal) per år och i samband med denna ömsning förbukar den stora energimängder samtidigt som den inte äter. Dessa perioder av svält gör att fettet i kräftor förbrukas för att överleva och miljögifterna som är starkt bundna till fett kan då utsöndras från kräftan. Därför kommer miljögiftshalten i kräftor inte, som hos fisk, öka med ökande ålder. Detta får i sin tur till följd att halterna av miljögifter som PCB och DDT i regel är lägre i kräftor än i fisk.

• author: Holmqvist, Niklas
• supervisor: Per Larsson
• opponent: Professor Broman, Dag, Stockholms Universitet
• organization: Department of Biology
• publishing date: 2005
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Ecology
• keywords: limnologi, Marinbiologi, limnology, aquatic ecology, marine biology, Hydrobiology, Ekologi, Ecology, Intraspecific interactions, streams, nutrients, lakes, crayfish, eels, Persistent organic pollutants, Benthic foodwebs, akvatisk ekologi, Environmental chemistry, Miljökemi
• defense location: Blå Hallen, Ekologihuset, Sölvegatan 37, Lund
• defense date: 2005-06-10 10:00:00
• ISBN: 91-7105-221-6
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: The information about affiliations in this record was updated in December 2015. The record was previously connected to the following departments: Chemical Ecology/Ecotoxicology (Closed 2011) (011006020)
• id: 254f9b4e-5bf3-4f83-858d-16b126898f40 (old id 545148)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:10:07
• date last changed: 2018-11-21 20:57:11