Trace metal speciation and uptake in Atlantic salmon (Salmo salar) in coastal water

Abstract

Estuarine environments have a high risk of metal pollution due to the influx from rivers. Freshwater from rivers mixed with seawater in coastal areas gives varied and complex water chemistry. In the estuarine environment of Kaldvellfjorden in Norway were the metals copper (Cu), zinc (Zn) and aluminum (Al) classified to have a high risk of impact. If these metals are bioavailable, based on their speciation, fish can accumulate the metals in tissue. To improve the knowledge of bioavailability and toxicity of metals in coastal waters are the main objectives of this thesis to identify the uptake of trace metals in fish in coastal water.

Atlantic salmon smolts (Salmo salar) were exposed to waterborne Cu, Zn, or Al in brackish water (20‰, pH 8) for 96-hours. The exposures were conducted with nine concentrations of Cu and Zn, and six concentrations of Al. Several of the concentrations were the same, to directly compare the uptake between the metals. To investigate the uptake in fish; gills, kidneys, and livers were sampled at the end of the exposure. Metal concentrations were quantified using Inductively Coupled Plasma Mass spectrometry (ICP-MS). Water samples of the exposure water were size- and charge- fractionated in-situ at 0h and 96h, and analyzed later using ICP-MS.

The results of size fractionation revealed that speciation of the Cu, Zn, and Al was relatively similar in brackish water, and was assumed to be bioavailable. Aluminum was found associated with the low molecular mass (LMM, <10kDa) fraction at >83% of the total, LMM-associated Zn at >78% of the total, while Cu had large uncertainties in this fraction. Copper was either associated with the colloidal or LMM fraction. Only a small percentage, <14%, of the metals were associated with particles. This low association is likely due to low organic content in the exposure water.

The uptake of metals on fish followed the order, Al>Cu>Zn, where gills were the tissue with the highest uptake, kidneys intermediate and the liver had no uptake within 96 hours of exposure. Significant uptake (p<0.05) was only found in the gills for Cu at high exposure concentrations, and for Al in the gills. No uptake was found for Zn. High concentrations of calcium (Ca) and other major ions in the exposure water likely acted as a competing compound and such a protective agent against the uptake of the metals. Based on the results gained from the present study there is no risk of uptake of Zn, and there is some risk associated with the uptake on gills at high concentrations of Cu and Al in estuarine waters at 20‰ salinity. Further studies are needed to look at chronic exposure to verify if the concentrations stay low in the tissue. Also, further studies with lower salinity in the exposure water are needed to investigate the effect of competing ions.

Estuarine områder har en høy risiko for forurensing av metall fra elveløp i nærområdet. Når ferskvann fra elver møter sjøvann i kystområder gir dette en varierende og kompleks vannkjemi. I det estuarine området av Kaldvellfjorden i Norge ble metallene kopper (Cu), sink (Zn) og aluminium (Al) klassifisert som å ha høy risiko for påvirkning. Om disse metallene er biotilgjengelige, basert på deres tilstandsformer, kan fisk akkumulere metall i deres organer. For å forbedre kunnskapen om biotilgjengelighet og toksisitet av metall i kystvann er hovedmålene ved denne avhandlingen å identifisere opptak av spormetaller i fisk i kystvann. Laksesmolt (Salmo salar) ble eksponert til vannbåren Cu, Zn eller Al i brakkvann (20‰, pH 8) i 96 timer. Eksponeringene var gjennomført med ni konsentrasjoner av Cu og Zn og seks konsentrasjoner av Al. Flere av konsentrasjonene var like for de tre metallene for å kunne sammenligne de direkte mot opptaket. For å undersøke opptaket i fisk ble gjeller, nyre og lever fra eksponert fisk prøvetatt ved endt eksponering. Metallene i fisk ble kvantifisert av Induktiv koblet plasmamasspektrometri (ICP-MS). I tillegg, ble vannprøver av eksponeringsvannet størrelse- og ladnings- fraksjonert in-situ ved start og slutt av eksponering, og analysert senere på ICP-MS. Resultatene av størrelsefraksjonering avslørte at tilstandsformene av Cu, Zn og Al var relativt like i brakkvann, og ble antatt biotilgjengelige. Aluminium var assosiert med lav molekylær masse (LMM, <10kDa) fraksjonen ved >83% av totalt, LMM-assosiert Zn med >40%, mens Cu hadde høye variasjoner knyttet til denne fraksjonen. Kopper ble regnet som å være assosiert med enten kolloider eller LMM-fraksjonen. Bare en liten prosentandel av metallene var assosiert med partikler. Denne lave assosiasjonen er trolig på grunn av en lav konsentrasjon av organisk materiale i vannet. Opptaket av metall i fisk fulgte rekkefølgen Al>Cu>Zn, hvor gjellene var organet med høyest opptak, nyrer var mellomliggende og lever hadde lavest opptak. Et signifikant opptak (p<0.05) var kun oppdaget for Cu ved høye konsentrasjoner, og for Al i gjeller. Det ble ikke oppdaget opptak av Zn. Kalsium (Ca) i vannet har trolig virket som en beskyttende agent mot opptak av metall hos fisk. Basert på resultatene fra denne avhandlingen er det noe risiko for opptak av Cu og Al i fisk ved høye konsentrasjoner i estuarine områder. Videre studier bør inkludere kronisk opptak for å redegjøre for at konsentrasjonen av metaller holder seg lavt i organer. I tillegg, vil studier utført med lavere salinitet kunne undersøke effekten av konkurrende ioner i vannet.