Impact of speciation and uptake on toxicity of single metals and metal mixtures to the marine copepod Tisbe battagliai

Abstract

In coastal waters a wide variety of metals are present in different physicochemical forms (low molecular mass species, colloids, aggregates, or particulate metal), usually as mixtures of different metals. High risk of pollution in estuarine/brackish water makes the studies of coastal ecosystem very important. In coastal areas, metal speciation can change with salinity that further influences the exposure and uptake of metals to aquatic organisms. Ionic metal species are known to be more bioavailable than metals existing as colloids and particulates. Both metal ions and high molecular metal species can enter coastal water with freshwater.

As toxic effects of metals depend strongly upon bioaccumulation, there is a need to assess the bioavailability of different metal species, including particulates. Filtering organisms such as copepods are small crustaceans that are an important part of the zooplankton and important grazers for other marine species such as fish. Due to their coastal ecology, they are continuously exposed to different concentrations and size fractions of trace metals at different salinities. Despite their high relevance in the marine ecosystem, studies with filter-feeders have concentrated mainly on acute lethal responses of metal ions without taking into account other metal species and their possible bioaccumulation.

Thus, the main objective of the present PhD project was to obtain the knowledge about speciation (size distribution), bioavailability (body burden) and toxic effects of common marine metal pollutants: Cu, Al, Zn and Ni as single stressors and in their binary mixtures to the marine copepod Tisbe battagliai. This was achieved experimentally by i) identifying the impact of particulate and ionic metal species on bioavailability and uptake to the filter feeding copepod, ii) comparing the toxicity of selected trace metals, iii) linking the determined whole-body concentration to toxic effects. Moreover, observed toxic effects of binary mixtures were compared with additivity-based models: concentration addition (CA) and independent action (IA). The linkage between speciation, uptake and toxicity of metals and impact of salinity were studied and assessed in Paper 1, whereas size distribution, uptake and combined toxicity of metals in binary mixtures were studied in Paper 2 and 3.

I kystvann er metaller til stede i forskjellige fysisk - kjemiske tilstandsformer, som lavmolekylære, kolloider, partikler etc., ofte i blandinger av flere metaller som påvirker metall tilstandsformene. Marine kystnære økosystemer er spesielt utsatt på grunn av høy risiko for metall forurensning i estuarier og brakkvannsområder. I vann kan metall tilstandsformene påvirkes av saltholdighet som igjen påvirker eksponeringen og opptaket av metaller i vannlevende organismer. Metall ioner er generelt antatt å være mer biotilgjengelig enn kolloidale og partikulære tilstandsformer av metall. Både metall ioner og høymolekylære metall tilstandsformer kan transporteres med ferskvann til kystvann.

Ettersom gifteffekten av metaller er sterkt avhengig av bioakkumulering, er det nødvendig å ha kunnskap om biotilgjengeligheten til ulike metal tilstandsformer, inkludert partikulære metall tilstandsformer. Filtrerende organismer som kopepoder er små krepsdyr som er en viktig del av dyreplanktonet og viktige beitedyr for andre marine arter som fisk. Kopepoder er vanlig forekommende i kystnære økosystem hvor de blir kontinuerlig eksponert for metaller i ulike konsentrasjoner og tilstandsformer ved varierende saltholdighet. Til tross for at filterorganismer har en sentral rolle i det marine økosystemet, har økotoksikologiske studier hovedsakelig fokusert på akutte effekter av metall ioner i vannet uten å ta hensyn til andre metall tilstandsformer og bioakkumulering.

Det overordnede målet med dette doktorgradsprosjektet var å få kunnskap om tilstandsformer (metallstørrelsesfordeling), biotilgjengelighet (kroppskonsentrasjon) og gifteffekten av vanlig forekommende metall forurensninger: Cu, Al, Zn og Ni enkeltvis og i binære kombinasjoner i eksponeringsløsninger for den marine kopepoden Tisbe battagliai. Dette ble oppnådd eksperimentelt ved å: i) identifisere biotilgjengeligheten og opptak av LMM og partikulære metall tilstandsformer i den filtrende kopepoden, ii) sammenligne gifteffekten av de utvalgte spormetallene og iii) bestemme og knytte helkropps konsentrasjonen til gifteffekt. I tillegg, ble kombinasjonseffekter av binære metall blandinger sammenlignet med additive interaksjonsmodeller: konsentrasjonsaddisjon (CA) og uavhengig respons addisjon (IA). Sammenhengen mellom tilstandsformer, opptak og gift effekt av metaller, og betydning av saltholdighet på dette var studert og vurdert i Paper 1, mens tilstandsform, opptak og blandingsgiftighet av metaller i binære blandinger var studert i Paper 2 og 3.