Levels of persistent organic compounds and heavy metals in farmed and wild fish from Zambia and Tanzania, and assessment of possible health effects

Abstract

Pollution of water bodies due to human activities is a threat to sustainable fisheries. Pollutants like heavy metals and persistent organic pollutants (POPs) can affect biological functions in fish and human. This leads to reduced fish numbers and makes fish unsafe for human consumption. POPs are manmade chemicals that are toxic, persist and accumulate in the environment and organisms, due to their resistance to environmental and biodegradation. Heavy metals are naturally occurring elements in the earth’s crust. Essential metals (Fe, Zn, Cu, Se and Ni) are required for normal metabolism but are toxic in high amounts, while non-essential metals (As, Hg, Pb and Cd) are toxic in low amounts and have no role in metabolism. This study compared levels of heavy metals and POPs in wild and farmed fish (Nile tilapia: Oreochromis niloticus) from Zambia and Tanzania and assessed the effects of aquaculture on wild fish stocks. On lake Kariba Zambia, farmed tilapia had lower levels of POPs compared to wild ones. This is because farmed tilapia has lower exposure to POPs, as they are fed on commercial feed and reach market weight faster. DDT and its metabolites were the dominant organochlorines. Low p,p'- DDE/p,p'-DDT ratio was observed in wild tilapia indicating recent exposure to DDT, which is still permitted by WHO for vector in countries where malaria is endemic. PCB-118, -138, -153 and - 180 and BDE-47, -99, -154 and -209 were the dominant congeners. PFASs compounds, PFOS, PFDA and PFNA were only detected in wild fish. Only PBDE exceeded the EQSbiota limits and may therefore pose health risk to wild and farmed tilapia. Heavy metals in Tilapia muscle from Lake Kariba were lower than the maximum limits (ML) set by WHO and therefore safe for human consumption. Hg levels (0.021 mg/kg) in some wild tilapia were higher than the Environmental quality standard (EQS=0.020 mg/kg) set by EU. This could have adverse effects on fish. Essential metals (Cu, Fe, Zn and Mo) were significantly higher in farmed tilapia, while non-essential metals (Al, As, V, Hg, Pb and Cd) were higher in wild ones. Commercial feed contains essential metals to enhance fish performance, and this leads to higher levels observed in farmed tilapia. Wild tilapia near the fish farms access feed and waste spillage rich in trace elements from the farms, and therefore had higher essential metals compared to those away from the farms. Milkfish and mullet fish from Tanzanian coastal areas had Pd levels higher than the ML (0.3 mg/kg ww) set by WHO/FAO and were therefore not safe for human consumption. Pb was high in both muscle (up to 1.44 mg/kg) and liver (up to 47.37 mg/kg) tissue, with liver having significantly higher Pb and Cu levels. Industrial activities and late phasing out of leaded gasoline could be responsible for the high levels of Pb observed. Wild fish had higher levels of Pb than farmed ones. Different geological conditions, fish management practices and economic activities affected the levels of metals observed from one location to another. Median Hg levels in fish muscle were below the EQS (0.02 mg/kg) set by the EU, indicating no risk to fish. It can be concluded that tilapia from lake Kariba in Zambia is safe for human consumption as it had low levels of POPs and heavy metals. It was also noted that farmed fish had lower levels of pollutants than wild fish. On the other hand, fish from Tanzanian coastal areas might not be safe for human consumption, due to the high Pb levels observed. PBDE and Hg from some fish on lake Kariba exceeded the EQS and could have adverse effects on the fish. The study also showed that fish farming can affect wild fish near the farms, through spillage of feed and waste. Monitoring of practices in fish farming is therefore vital to avoid contamination of wild fish stocks.

Forurensning av det akvatiske miljø på grunn av menneskelige aktiviteter er en trussel mot bærekraftig fiskeri og fiskeoppdrett. Forurensninger som tungmetaller og persistente organiske miljøgifter (POPs) kan påvirke biologiske funksjoner hos fisk og mennesker. Dette fører til reduserte fiskebestand og gjør fisk utrygg som matvare. POPs-er menneskeskapte kjemikalier som er giftige, vanskelig nedbrytbare og akkumuleres i miljøet og organismer. Tungmetaller er naturlig forekommende grunnstoffer i jord. Essensielle metaller (Fe, Zn, Cu, Se og Ni) er nødvendige for normale fysiologiske funksjoner, men er giftige i store mengder, mens ikke-essensielle metaller (As, Hg, Pb og Cd) er giftige i lave mengder og er ikke nødvendige for normale kroppsfunksjoner. Denne studien sammenlignet nivåer av tungmetaller og POPs i viltlevende fisk og oppdrettsfisk (Nile tilapia: Oreochromis niloticus) fra Zambia og Tanzania og vurderte effekten av akvakultur på ville fiskebestander. I oppdrettsfisken tilapia fra innsjøen Kariba i Zambia ble det målt nivåer av POPs sammenlignet med viltlevende tilapia. Dette kan forklares med at oppdrettsfisk fôres med kommersielt fôr og når markedsvekten raskere (4 måneder). Viltlevende fisk, derimot, kan innta føde som er forurenset fra omgivelsene over opptil flere år og vil derfor akkumulere høyere nivåer. DDT og dets metabolitter var de dominerende POP. Lavt p,p'-DDE/p,p'-DDT-forhold ble observert i viltlevende tilapia, noe som indikerer nylig eksponering for DDT. DDT er fortsatt tillatt for å bekjempe malaria i land der malaria er endemisk. PCB-118, -138, -153 og -180 og BDE-47, -99, -154 og -209 var de dominerende PCB – og PBDE variantene. PFAS-forbindelsene, PFOS, PFDA og PFNA ble påvist i viltlevende fisk, men ikke i oppdrettsfisk. Bare PBDE overskred EQSbiota-grensene og kan derfor utgjøre helserisiko for viltlevende fisk og oppdrettsfisk. Tungmetaller i Tilapia-muskelen fra Kariba-sjøen var lavere enn maksimumsgrensene (ML) satt av WHO og derfor trygge for konsum. Hg-nivåer (0,021 mg/kg) i noen viltlevende tilapia var høyere enn miljøkvalitetsstandarden (EQS=0,020 mg/kg) satt av EU. Dette kan gi negative effekter på fiskehelsen. Essensielle metaller (Cu, Fe, Zn og Mo) var signifikant høyere i oppdrettsfisk, mens ikke-essensielle metaller (Al, As, V, Hg, Pb og Cd) var høyere i viltlevende fisk. Kommersielt fôr inneholder essensielle metaller for å forbedre ernæringsveriden, noe som kan forklare de høyere nivåene observert i oppdrettsfisk. Viltlevende tilapia nær oppdrettsanleggene får tilgang til fôr og avfall rikt på sporstoffer fra oppdrettsanleggene, og hadde derfor høyere verdier av essensielle metaller sammenlignet med de som kom fra områder borte fra oppdrettsanleggene. Melkefisk og multefisk fra Tanzaniske kystområder hadde Pd-nivåer høyere enn Maksimal Limit (ML= 0,3 mg/kg ww) satt av WHO/FAO og kan derfor være utrygge for konsum. Pb var høy i både muskel (opptil 144 mg/kg) og lever (opptil 4737 mg/kg). Industriell virksomhet og sen utfasing av blyholdig bensin kan være årsaken til de høye nivåene av Pb som er observert. Villfisk hadde høyere nivåer av Pb enn oppdrettsfisk. Ulike geologiske forhold, fiskeforvaltningspraksis og økonomiske aktiviteter påvirket nivåene av metaller observert fra et sted til et annet. Median Hg-nivåer i fiskemuskler var under EQS (0.02 mg/kg) satt av EU, noe som indikerer ingen risiko for fisk. Det kan konkluderes med at tilapia fra innsjøen Kariba i Zambia er trygg for konsum ettersom den hadde lave nivåer av POP-er og tungmetaller. Det ble også bemerket at oppdrettsfisk hadde lavere nivåer av forurensninger enn villfisk. Både viltlevende fiks og oppdrettsfisk fra Kariba hadde trygge nivåer av miljøgifter og toksisk metaller i fiskekjøttet. På den annen side kan det hende at fisk fra tanzaniske kystområder ikke er trygge for konsum, på grunn av de høye Pb-nivåene som er observert. PBDE og Hg fra noen fisk på innsjøen Kariba overskred EQS og kunne ha negative effekter på fisken. Studien viste også at fiskeoppdrett kan påvirke villfisk nær anleggene, via fôrspill og avfall. Overvåking av praksis i fiskeoppdrett er derfor avgjørende for å unngå forurensning av ville fiskebestander.