Biomagnification and bioaccumulation to "at risk levels" in the humic lake Øvre Sandvannet, SE Norway

Abstract

In recent years, the concentrations of mercury (Hg) in game fish from South East Norway have increased, while, simultaneously, the depositions of Hg in precipitation have shown a decreasing trend. This apparent discrepancy is hypothesized to be due to the substantial increased levels of organic carbon in Norwegian waters. The increase of organic carbon is thought to be a response to reduction in “acid rain”, which affects the speciation and methylation of Hg in the catchment and in the lakes. The Hg levels in fish from SE Norway are high, and for many lakes they reach levels that calls for restrictions related to consumption. Selenium (Se) and Hg bioavailability are closely linked, but few Norwegian studies have investigated the relations between them, as well as the levels of Se in sediments and water. The main objective of the present work was to study levels of total mercury (THg) and Se in fish in the pristine Lake Øvre Sandvannet, in Rakkestad Municipality, County of Østfold in South Eastern (SE) Norway. The lake is small and humic, and holds four fish species; brown trout (Salmo trutta), European perch (Perca fluviatilis), European minnow (Phoxinus phoxinus) and common roach (Rutilus rutilus). Stable isotopes of nitrogen and carbon in primary producers, invertebrates and fish were analysed to establish trophic positions and feeding habits of fish. Total mercury was analysed (CV-AAS) in fish and sediments, and Se was analysed (ICP-MS) in fish, sediments and water. All fish species showed high levels of THg, and 59 % of analysed fish exhibited THg concentrations > 0.3 mg/kg wet weight (w.w.), an upper level from where consumption advice are given by WHO for groups at risk. Total mercury concentrations ranged 0.08 - 2.49 mg/kg w.w., with the highest concentration detected in a 15 winters old female European perch. It was found an unexpected insignificant difference between mean THg concentrations in European perch and common roach. Analyses of stable nitrogen isotopes suggested a food web consisting of three, possibly four, trophic levels. Both THg and Se showed significant correlation to ∂15N, demonstrating biomagnification. Levels of Se in water and fish were higher than anticipated; the water concentrations were 0.11 ± 0.03 and 0.12 ± 0.03 mg Se/L. Selenium concentrations in fish were within 0.34 - 0.84 mg/kg w.w., and the relatively narrow range is consistent with the essentiallity of the element. Muscle concentrations of THg and Se exhibited a weak positive correlation. The positive relation between the elements is in contradiction to results from other studies on Hg and Se in fish. The molar ratio of Se/THg in fish muscle was investigated since it has been recognized as an important indicator of Hg toxicity. A molar excess of Se over THg is thought to be critical for a sound functioning of Se dependent biomolecules. Despite the high exposure to THg, molar ratios of Se/THg < 1 was only detected in two European perch, suggesting a protective role by Se against Hg toxicity in most fish. As Lake Øvre Sandvannet has been limed, which increases the bioavailability of Se at a higher pH, the THg concentration in fish will be higher if the liming, as planned, will be stopped. De siste årene er det blitt registrert økende kvikksølvkonsentrasjoner i fisk i sørøst Norge. Samtidig har tilførselen av kvikksølv (Hg) i nedbør vist en avtagende trend. Det tilsynelatende misforholdet mellom trendene blir vanligvis foreslått å være en respons på endringer i nedbørskjemi og jordsmonn. Reduksjon av sulfatholdig sur nedbør har ført til økende innhold av organisk karbon i avrenning til vann og vassdrag med påfølgende endringer i metyleringsrater og tilstandsformer for Hg. Kvikksølvnivåene i fisk fra vann i sørøst Norge er høye, og i flere tilfeller er nivåene over grenseverdier for kostholdsrestriksjoner. Forholdet mellom biotilgjengeligheten til Selen (Se) og Hg er et viktig tema, men er lite studert i Norge. Det finnes også svært få undersøkelser av relasjonene mellom Se nivåer i vann, sedimenter og fisk. Hovedmålsettingen i dette arbeidet var å undersøke nivåene av Hg og Se i fisk fra Øvre Sandvannet i Rakkestad kommune i Østfold. Vannet er relativt lite og humøst, men ligger i et område forholdvis upåvirket av mennesklig aktivitet. Det finnes fire fiskearter: aure (Salmo trutta), abbor (Perca fluviatilis), ørekyte (Phoxinus phoxinus) og mort (Rutilus rutilus). Det ble analysert stabile isotoper av nitrogen og karbon i primærprodusenter, evertebrater og fisk for å bestemme trofiske posisjoner og byttepreferanser. Totalkvikksølv (THg) ble analysert (CV-AAS) i fisk og sedimenter, og Se ble analysert (ICP-MS) i fisk, sedimenter og vann. Alle fiskeartene viste høye THg verdier, og 59 % av all analysert fisk hadde THg konsentrasjoner > 0.3 mg/kg våtvekt (v.v.). Med tanke på spesielt utsatte grupper anbefaler WHO kostholdsrestriksjoner for mat med > 0.3 mg THg/kg v.v. Konsentrasjonene av THg i Øvre Sandvannet var i intervallet 0.08 - 2.49 mg/kg v.v., med det høyeste påviste nivået av THg i en 15 vinter gammel hunnabbor. Det ble observert en uventet insignifikant forskjell mellom gjennomsnittlige THg konsentrasjoner i abbor og mort. Analysene av stabile nitrogenisotoper indikerte et næringsnett bestående av tre, muligens fire trofinivåer. Både THg og Se korrelerte signifikant med ∂15N. Denne sammenhengen er en meget sterk indikasjon på biomagnifisering. Nivåene av Se i vann og fisk var høyere enn forventet. Konsentrasjonene i vannet ble målt til 0.11 ± 0.03 og 0.12 ± 0.03 mg Se/L. Selenkonsentrasjonene i fisk var i intervallet 0.34 - 0.84 mg/kg, og den relativt konservative variasjonen er i overensstemmelse med elementets essensielle rolle. Totalkvikksølv og Se viste en svak, positiv korrelasjon i fiskemuskler. Denne sammenhengen er ikke i samsvar med observasjoner fra andre studier på forholdet mellom THg og Se i fisk. Den molare ratioen Se/THg ble undersøkt siden dette forholdet er blitt vist å være en viktig indikator for kvikksølvets toksisitet. Et molart overskudd av Se i forhold til THg er antatt å være avgjørende for å opprettholde en normal funksjon av Se avhengige biologiske molekyler. Til tross for den høye eksponeringen for THg ble molare Se/THg ratioer < 1 kun observert i to abbor. Dette indikerer at selens beskyttende rolle mot Hg toksisitet er opprettehold i de fleste fisker. Øvre Sandvannet er blitt kalket, noe som er gunstig for biotilgjengeligheten av Se siden løsligheten øker med høyere pH. Imidlertid er det planlagt å stoppe kalkingen, og dette vil sannsyneligvis medføre høyere THg nivåer i fisk.