The possible transgenerational effects on Daphnia magna exposed to crude oil derived hydrocarbons
Suominen, Emilie (2020)
Suominen, Emilie
Åbo Akademi
2020
Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2020100983561
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2020100983561
Tiivistelmä
Understanding the effects of crude oil spills is especially meaningful regarding the Baltic Sea since the area is considered as a high-risk zone for oil spills due to large amounts of crude oil trafficking. Crude oil consists mainly of diverse hydrocarbons from which of the polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are especially toxic for living organism. Exposure to crude oil has shown to cause physical damages of body tissues, intoxication, and acute death. Direct metabolic changes reflected by altered oxygen consumption rates of model organisms, such as Daphnia magna, have also been observed in prior research investigating effects of exposure to crude oil derived hydrocarbons. The long-term impacts of this type of hydrocarbon exposure have not been investigated extensively and lack of knowledge might cause deficiency in risk assessments evaluating the impacts of oil spills on the marine ecosystem of the Baltic Sea.
The purpose of this master’s thesis was, therefore, to examine possible long-term effects of crude oil derived hydrocarbon exposure on Daphnia magna. In the experiment, 48-h-aged Daphnia magna in generation F0, were exposed to 30%-V, 10%-V and 0%-V concentrations of water-soluble fraction of crude oil for a 48 hours period. Oxygen consumption rate and reproduction success of the exposed individuals was measured following the exposure and the same parameters were monitored in two following generations (F1 & F2) to see if the exposure caused alternations that were carried over generations. The filial generations were only monitored, not exposed to any hydrocarbons.
The most important result of the present thesis was that the individual oxygen consumption rate in the heavily exposed population (30%-V) stayed homogenous and stable throughout generations while the two additional populations (10%-V and 0%-V) showed unequal variances and significant differences in the rates of individual oxygen consumption between generations. These findings suggest that a heavy hydrocarbon exposure derived from crude oil could cause reduction of variation that is carried over generations and indicate that events such as oil spills could thus affect exposed populations throughout generations. ----------
Råolja är en icke-förnybar naturresurs som används i produktionen av många vardagliga förnödenheter som bränsle och plast (Harayama et al. 1999). Råolja är en brännbar vätska som består huvudsakligen av molekyler som byggs upp av kol och väte, d v s kolväten (Rudzinski & Aminabhavi 2000). Vissa kolväten, som bensen och andra aromatiska kolväten är giftiga för levande organismer och således betraktas råolja som ett miljöskadligt ämne (Almeda et al. 2014).
Råoljespill i miljön förekommer regelbundet till följd av olyckor eller likgiltighet (HELCOM 2016). Risken för marina oljespill är speciellt stor i Östersjön eftersom trafiken i dessa områden är livlig och försvåras av krävande farleder med grynnor och smala partier (Suzdalev et al. 2014). År 2013 uppskattades det att 250 miljoner ton råolja samt av den raffinerade produkter transporterades över det här havet årligen (BRISK 2013). På grund av den höga risken för oljespill är det viktigt att känna till möjliga effekter av oljeexponering i länder med kust längs Östersjön.
Tidigare oljespill i Östersjön har ökat förståelsen för akuta effekter hos marina organismer orsakade av råoljeexponering, men långtidseffekter har inte studerats systematiskt (Elmgren et al. 1983). På grund av att långtidseffekterna av råoljeexponering inte är välkända är betydelsen av oljespill för Östersjöns marina miljö svåra att bedöma. Målet med detta examensarbete var att belysa möjliga långtidseffekter av exponering för kolväten som härstammar från råolja och således bidra till kunskapen om möjliga långtidseffekter av den här exponeringen.
Oljespill utgör speciellt ett hot för akvatiska miljöer eftersom det i form av ett hydrofobt kolväte sprider sig effektivt längs vattenytan (Harayama et al. 1999). Förutom detta kan naturkrafter som vågor bidra till att giftiga kolväten upplöses i vattnet (Albers 1995). Den effektiva spridningen leder även till att ett lokalt spill påverkar ett omfattande område (EPA 1999). Den delen av olja som upplöses i en kolumn av vatten kallas för ’’Water Solube Fraction’’ (WSF) och den består för det mesta av polycykliska aromatiska kolväten (PAH), heterocykliska föreningar, resiner och asfaltener (Akaishi et al. 2004). I denna studie tillverkades en syntetisk WSF enligt Martínez-Jerónimo et al. (2003) anvisningar för att kunna efterlikna en naturlig kolväteexponering i samband av oljespill.
Metabolisk respons hos försöksorganismer har blivit dokumenterade i samband med tidigare experiment där organismer har blivit exponerade för kolväten som härstammat från råolja (Christiansen et al. 2010). Eftersom största delen av alla metaboliska processer är syreberoende, är förändringar i organismers individuella syreförbrukning en faktor som speglar deras metaboliska respons (Kleiven 1992). Förändringar i reproduktionsframgång har även blivit dokumenterade till följd av tidigare experimentella kolväteexponeringar (Geiger & Buikema 1982). På grund av att både individuell syreförbrukning och reproduktionsframgång verkade vara lovande parametrar för att mäta effekter av kolväteexponering, utnyttjades dessa I denna studie.
I denna studie exponerades två populationer (F0) av Daphnia magna för två olika koncentrationer av WSF (10% -V WSF och 30% -V WSF) medan en tredje population förblev som en icke-exponerad kontrollgrupp. Exponeringsperioden av F0-generationen började då individerna var 48-timmar gamla och räckte 48 timmar. Efter exponeringsperioden mättes effekterna av exponeringen genom att följa med individuell syreförbrukning (ṀO2) och reproduktionsframgång. Avkomman av de olika behandlade populationerna vid F0-generationen studerades sedan likadant under två generationer (F1 & F2) då de inte längre blev exponerade för kolväten som härstammade från råolja. Följande generationer (F1 & F2) undersöktes för att se ifall exponeringen av föräldrarna i F0-generationen hade orsakat förändringar som överfördes från föräldrar till följande generation (transgenerationella effekter).
Daphnia magna är ett lämpligt försöksdjur då man vill forska i möjliga transgenerationella effekter, eftersom kräftdjurarten ifråga förökar sig asexuellt i gynnsamma (t ex. laboratorium) omständigheter (Kleiven et al. 1992). Asexuell reproduktion leder till att avkomman är genetiska kopior av föräldrarna och till att möjliga individuella skillnader därmed snarare borde bero på epigenetisk variation orsakad av miljöfaktorer än på variation som följd av genetisk rekombination (Dukić et al. 2019). Alla individer i föräldragenerationen (F0) härstammande från en enskild slumpmässigt vald individ av arten Daphnia magna och representerade således samma genotyp innan exponeringsperioden började. Förhållanden för de skilda populationerna i alla generationer kontrollerades för att motsvara varandra i fråga om temperatur, ljus, pH och näring. Endast exponeringsgraden till WSF varierade under exponeringsperioden mellan populationerna i F0-generationen (kontroll, 10% -V WSF och 30% -V WSF).
Resultaten i denna studie anger att varken den individuella syreförbrukningen eller reproduktionsframgången i F0-generationen påverkades signifikant av varierande WSF exponeringsgrader, eftersom inga signifikanta skillnader observerades mellan individer med olika exponeringsgrad (Kruskall-Wallis Test p> 0.05). Däremot hittades skillnader i individuell syreförbrukning mellan populationer bland de följande generationerna, F1 & F2. Individerna som härstammade från populationen som blivit utsatt för den kraftigaste kolväte-exponeringen (30% -V WSF) representerade betydligt högre syreförbrukning än individerna som härstammade från den icke-exponerade kontrollpopulationen eller de individer som härstammade från den mindre exponerade populationen (10% -V WSF) (pairwise comparison Kruskall-Wallis, p = 0,000). Inga signifikanta skillnader i reproduktionsframgång hittades mellan de olika populationerna inom de följande generationerna.
Intressanta resultat erhölls då individuell syreförbrukning hos olika generationer inom varje population jämfördes med varandra. Det framkom att alla generationer (F0, F1, F2) av den kraftigast kolväteexponerade populationen representerade homogen individuell syreförbrukning (Levene’s test for Homogenity of variances, F = 0,656, p = 0,523). Den individuella syreförbrukningen förblev oförändrad mellan de olika generationerna (independent samples Kruskall-Wallis Test, H = 3,537, p = 0,171). Alla dokumenterade värden för syreförbrukning mellan olika generationer av den kraftigast exponerande populationen förblev även inom normaldistributionen (Shapiro-Wilks p >0,05). Dessa resultat tyder på att den kraftiga kolväteexponeringen förorsakade en sorts metabolisk stabilitet som överfördes från den exponerade föräldragenerationen (F0) till följande icke-exponerade generationer (F1 & F2).
Till skillnad från populationen som härstammade från de kraftigast exponerade individerna visade både den mildare kolväteexponerade samt kontrollpopulationen heterogen individuell syreförbrukning mellan de olika generationerna (Levene’s test for Homogenity of variances, p = <0,001). Även signifikanta skillnader i individuell syreförbrukning kunde observeras mellan olika generationer inom båda populationerna (Kruskall-Wallis p < 0,05). Vissa generationer representerade även värden av individuell syreförbrukning som stod utanför normaldistribution (Shapiro-Wilks p <0,05). Växlande syreförbrukning tyder på att en mildare exponering inte förorsakar likadan rigiditet som den kraftigare exponeringen.
En del av den använda syntetiska 30%-V WSF lösningen konserverades direkt efter tillverkandet och en annan del av lösningen fick avdunsta i dragskåp under exponeringsperioden i 48 timmar. Dessa sampel analyserades kemiskt i samband med experimentet för att få en uppfattning om de kemiska komponenterna som försöksdjuren exponerades för. Den totala kolvätehalten av lösningen nådde 3.6 mg/L i det direkt konserverade samplet. Bara en bråkdel av kolväten anses vara direkt giftiga för levande organismer. En stor del av dessa giftiga molekyler hör till PAH-föreningar. Det visade sig att PAH-halten i lösningen var 27μg/L men minskade drastiskt till 1.9μg/L under avdunstningen. I den syntetiska WSF-lösningen var majoriteten av PAH-föreningarna naftalen men även små mängder av fenantren, fluoren och acenaftylen hittades. Dessa giftiga molekyler är lättflyktiga och avdunstar snabbt även i samband av oljespill som sker i naturen (Albers 1995).
Kolvätehalten i vattenkolumnen i samband med riktiga oljespill är svår att jämföra direkt med experimentella kolvätehalter vid användning av syntetisk WSF, eftersom naturliga omständigheter, som solljus, vågor, salinitet med mera påverkar i allmänhet mängden upplösta kolväten i vattenkolumnen då oljespill inträffar. Dessutom påverkar storleken av spillet och typen av olja mycket de molekylära komponenterna som upplöses (Wernersson et al. 2004). Erhållna värden från vattenkolumnen i samband med riktiga oljespill går ändå i samma riktning som den tillverkade syntetiska 30% -V WSF lösningens värden. Till exempel Pécseli et al. 2003 erhöll halter från 0,641 till 12,833μg /L vid danska kusten i samband med en olycka där 2400 ton råolja rann ut i havet. De motsvarande värden i examensarbetet I fråga är troligen inte mycket högre än de som Pécseli et al. 2003 dokumenterade. Detta beror på att samplet av den syntetiska 30%-V WSF lösningen I denna studie konserverades direkt, medan PAH-föreningarna fick fritt avdunsta i samband av det riktiga spillet tills Pécseli et al. 2003 nådde olycksområdet. Ifall samplet av den syntetiska 30%-V WSF lösningen I denna studie låtits avdunsta lika länge hade erhållna värden antagligen varit rätt lika de Pécseli et al. 2003 erhöll.
Den observerade minskningen av variation gällande individuell syreförbrukning till följd av en kraftig kolväteexponering kunde betyda att kraftigt exponerade individer och deras avkomma inte lägre kan justera sin metabolism enligt förändringar i sin levnadsmiljö. Detta är en intressant synpunkt som möjligen skulle vara lönande att studera vidare för att underlätta sammanställning av framtida riskbedömningar gällande marina oljespill i Östersjön.
The purpose of this master’s thesis was, therefore, to examine possible long-term effects of crude oil derived hydrocarbon exposure on Daphnia magna. In the experiment, 48-h-aged Daphnia magna in generation F0, were exposed to 30%-V, 10%-V and 0%-V concentrations of water-soluble fraction of crude oil for a 48 hours period. Oxygen consumption rate and reproduction success of the exposed individuals was measured following the exposure and the same parameters were monitored in two following generations (F1 & F2) to see if the exposure caused alternations that were carried over generations. The filial generations were only monitored, not exposed to any hydrocarbons.
The most important result of the present thesis was that the individual oxygen consumption rate in the heavily exposed population (30%-V) stayed homogenous and stable throughout generations while the two additional populations (10%-V and 0%-V) showed unequal variances and significant differences in the rates of individual oxygen consumption between generations. These findings suggest that a heavy hydrocarbon exposure derived from crude oil could cause reduction of variation that is carried over generations and indicate that events such as oil spills could thus affect exposed populations throughout generations.
Råolja är en icke-förnybar naturresurs som används i produktionen av många vardagliga förnödenheter som bränsle och plast (Harayama et al. 1999). Råolja är en brännbar vätska som består huvudsakligen av molekyler som byggs upp av kol och väte, d v s kolväten (Rudzinski & Aminabhavi 2000). Vissa kolväten, som bensen och andra aromatiska kolväten är giftiga för levande organismer och således betraktas råolja som ett miljöskadligt ämne (Almeda et al. 2014).
Råoljespill i miljön förekommer regelbundet till följd av olyckor eller likgiltighet (HELCOM 2016). Risken för marina oljespill är speciellt stor i Östersjön eftersom trafiken i dessa områden är livlig och försvåras av krävande farleder med grynnor och smala partier (Suzdalev et al. 2014). År 2013 uppskattades det att 250 miljoner ton råolja samt av den raffinerade produkter transporterades över det här havet årligen (BRISK 2013). På grund av den höga risken för oljespill är det viktigt att känna till möjliga effekter av oljeexponering i länder med kust längs Östersjön.
Tidigare oljespill i Östersjön har ökat förståelsen för akuta effekter hos marina organismer orsakade av råoljeexponering, men långtidseffekter har inte studerats systematiskt (Elmgren et al. 1983). På grund av att långtidseffekterna av råoljeexponering inte är välkända är betydelsen av oljespill för Östersjöns marina miljö svåra att bedöma. Målet med detta examensarbete var att belysa möjliga långtidseffekter av exponering för kolväten som härstammar från råolja och således bidra till kunskapen om möjliga långtidseffekter av den här exponeringen.
Oljespill utgör speciellt ett hot för akvatiska miljöer eftersom det i form av ett hydrofobt kolväte sprider sig effektivt längs vattenytan (Harayama et al. 1999). Förutom detta kan naturkrafter som vågor bidra till att giftiga kolväten upplöses i vattnet (Albers 1995). Den effektiva spridningen leder även till att ett lokalt spill påverkar ett omfattande område (EPA 1999). Den delen av olja som upplöses i en kolumn av vatten kallas för ’’Water Solube Fraction’’ (WSF) och den består för det mesta av polycykliska aromatiska kolväten (PAH), heterocykliska föreningar, resiner och asfaltener (Akaishi et al. 2004). I denna studie tillverkades en syntetisk WSF enligt Martínez-Jerónimo et al. (2003) anvisningar för att kunna efterlikna en naturlig kolväteexponering i samband av oljespill.
Metabolisk respons hos försöksorganismer har blivit dokumenterade i samband med tidigare experiment där organismer har blivit exponerade för kolväten som härstammat från råolja (Christiansen et al. 2010). Eftersom största delen av alla metaboliska processer är syreberoende, är förändringar i organismers individuella syreförbrukning en faktor som speglar deras metaboliska respons (Kleiven 1992). Förändringar i reproduktionsframgång har även blivit dokumenterade till följd av tidigare experimentella kolväteexponeringar (Geiger & Buikema 1982). På grund av att både individuell syreförbrukning och reproduktionsframgång verkade vara lovande parametrar för att mäta effekter av kolväteexponering, utnyttjades dessa I denna studie.
I denna studie exponerades två populationer (F0) av Daphnia magna för två olika koncentrationer av WSF (10% -V WSF och 30% -V WSF) medan en tredje population förblev som en icke-exponerad kontrollgrupp. Exponeringsperioden av F0-generationen började då individerna var 48-timmar gamla och räckte 48 timmar. Efter exponeringsperioden mättes effekterna av exponeringen genom att följa med individuell syreförbrukning (ṀO2) och reproduktionsframgång. Avkomman av de olika behandlade populationerna vid F0-generationen studerades sedan likadant under två generationer (F1 & F2) då de inte längre blev exponerade för kolväten som härstammade från råolja. Följande generationer (F1 & F2) undersöktes för att se ifall exponeringen av föräldrarna i F0-generationen hade orsakat förändringar som överfördes från föräldrar till följande generation (transgenerationella effekter).
Daphnia magna är ett lämpligt försöksdjur då man vill forska i möjliga transgenerationella effekter, eftersom kräftdjurarten ifråga förökar sig asexuellt i gynnsamma (t ex. laboratorium) omständigheter (Kleiven et al. 1992). Asexuell reproduktion leder till att avkomman är genetiska kopior av föräldrarna och till att möjliga individuella skillnader därmed snarare borde bero på epigenetisk variation orsakad av miljöfaktorer än på variation som följd av genetisk rekombination (Dukić et al. 2019). Alla individer i föräldragenerationen (F0) härstammande från en enskild slumpmässigt vald individ av arten Daphnia magna och representerade således samma genotyp innan exponeringsperioden började. Förhållanden för de skilda populationerna i alla generationer kontrollerades för att motsvara varandra i fråga om temperatur, ljus, pH och näring. Endast exponeringsgraden till WSF varierade under exponeringsperioden mellan populationerna i F0-generationen (kontroll, 10% -V WSF och 30% -V WSF).
Resultaten i denna studie anger att varken den individuella syreförbrukningen eller reproduktionsframgången i F0-generationen påverkades signifikant av varierande WSF exponeringsgrader, eftersom inga signifikanta skillnader observerades mellan individer med olika exponeringsgrad (Kruskall-Wallis Test p> 0.05). Däremot hittades skillnader i individuell syreförbrukning mellan populationer bland de följande generationerna, F1 & F2. Individerna som härstammade från populationen som blivit utsatt för den kraftigaste kolväte-exponeringen (30% -V WSF) representerade betydligt högre syreförbrukning än individerna som härstammade från den icke-exponerade kontrollpopulationen eller de individer som härstammade från den mindre exponerade populationen (10% -V WSF) (pairwise comparison Kruskall-Wallis, p = 0,000). Inga signifikanta skillnader i reproduktionsframgång hittades mellan de olika populationerna inom de följande generationerna.
Intressanta resultat erhölls då individuell syreförbrukning hos olika generationer inom varje population jämfördes med varandra. Det framkom att alla generationer (F0, F1, F2) av den kraftigast kolväteexponerade populationen representerade homogen individuell syreförbrukning (Levene’s test for Homogenity of variances, F = 0,656, p = 0,523). Den individuella syreförbrukningen förblev oförändrad mellan de olika generationerna (independent samples Kruskall-Wallis Test, H = 3,537, p = 0,171). Alla dokumenterade värden för syreförbrukning mellan olika generationer av den kraftigast exponerande populationen förblev även inom normaldistributionen (Shapiro-Wilks p >0,05). Dessa resultat tyder på att den kraftiga kolväteexponeringen förorsakade en sorts metabolisk stabilitet som överfördes från den exponerade föräldragenerationen (F0) till följande icke-exponerade generationer (F1 & F2).
Till skillnad från populationen som härstammade från de kraftigast exponerade individerna visade både den mildare kolväteexponerade samt kontrollpopulationen heterogen individuell syreförbrukning mellan de olika generationerna (Levene’s test for Homogenity of variances, p = <0,001). Även signifikanta skillnader i individuell syreförbrukning kunde observeras mellan olika generationer inom båda populationerna (Kruskall-Wallis p < 0,05). Vissa generationer representerade även värden av individuell syreförbrukning som stod utanför normaldistribution (Shapiro-Wilks p <0,05). Växlande syreförbrukning tyder på att en mildare exponering inte förorsakar likadan rigiditet som den kraftigare exponeringen.
En del av den använda syntetiska 30%-V WSF lösningen konserverades direkt efter tillverkandet och en annan del av lösningen fick avdunsta i dragskåp under exponeringsperioden i 48 timmar. Dessa sampel analyserades kemiskt i samband med experimentet för att få en uppfattning om de kemiska komponenterna som försöksdjuren exponerades för. Den totala kolvätehalten av lösningen nådde 3.6 mg/L i det direkt konserverade samplet. Bara en bråkdel av kolväten anses vara direkt giftiga för levande organismer. En stor del av dessa giftiga molekyler hör till PAH-föreningar. Det visade sig att PAH-halten i lösningen var 27μg/L men minskade drastiskt till 1.9μg/L under avdunstningen. I den syntetiska WSF-lösningen var majoriteten av PAH-föreningarna naftalen men även små mängder av fenantren, fluoren och acenaftylen hittades. Dessa giftiga molekyler är lättflyktiga och avdunstar snabbt även i samband av oljespill som sker i naturen (Albers 1995).
Kolvätehalten i vattenkolumnen i samband med riktiga oljespill är svår att jämföra direkt med experimentella kolvätehalter vid användning av syntetisk WSF, eftersom naturliga omständigheter, som solljus, vågor, salinitet med mera påverkar i allmänhet mängden upplösta kolväten i vattenkolumnen då oljespill inträffar. Dessutom påverkar storleken av spillet och typen av olja mycket de molekylära komponenterna som upplöses (Wernersson et al. 2004). Erhållna värden från vattenkolumnen i samband med riktiga oljespill går ändå i samma riktning som den tillverkade syntetiska 30% -V WSF lösningens värden. Till exempel Pécseli et al. 2003 erhöll halter från 0,641 till 12,833μg /L vid danska kusten i samband med en olycka där 2400 ton råolja rann ut i havet. De motsvarande värden i examensarbetet I fråga är troligen inte mycket högre än de som Pécseli et al. 2003 dokumenterade. Detta beror på att samplet av den syntetiska 30%-V WSF lösningen I denna studie konserverades direkt, medan PAH-föreningarna fick fritt avdunsta i samband av det riktiga spillet tills Pécseli et al. 2003 nådde olycksområdet. Ifall samplet av den syntetiska 30%-V WSF lösningen I denna studie låtits avdunsta lika länge hade erhållna värden antagligen varit rätt lika de Pécseli et al. 2003 erhöll.
Den observerade minskningen av variation gällande individuell syreförbrukning till följd av en kraftig kolväteexponering kunde betyda att kraftigt exponerade individer och deras avkomma inte lägre kan justera sin metabolism enligt förändringar i sin levnadsmiljö. Detta är en intressant synpunkt som möjligen skulle vara lönande att studera vidare för att underlätta sammanställning av framtida riskbedömningar gällande marina oljespill i Östersjön.
Kokoelmat
- 1172 Ympäristötiede [13]