Assessment of endocrine disrupting activities in the aquatic environment

Abstract

Hormonstörande ämnen är syntetiska eller naturliga ämnen som stör organismers hormonsystem och bidrar till könsförvirring och sterilitet. Sådana ämnen kommer i ökande takt ut i vattenmiljön genom rester av läkemedel, bekämpningsmedel och industriprodukter. Eftersom det finns många likheter mellan hormonsystemen hos människan och övriga ryggradsdjur kan till exempel fiskar användas som modellsystem för att underöka detta problem. I tidigare undersökningar har man funnit hormonella störningar, bl.a. feminisering och maskulinisering hos fiskar som utsatts för avfallsvatten från kommunala reningsverk eller avfallsvatten från pappersindustrin. Målet med denna avhandling var att undersöka om renat avfallsvatten från kommunala reningsverk längs Finlands kust innehåller hormonstörande ämnen i sådana mängder att de kan försorsaka hormonstörande effekter på fisk. Målet i denna avhandling var också att utveckla cellulära testsystem baserade på fiskceller, eftersom behovet av tillförlitliga och kostnadseffektiva cellbaserade tester för att underlätta riskbedömningen av hormonstörande ämnen är mycket stort för tillfället. Som testsystem har storspiggen använts, som besitter flera användbara biomarkörer för att mäta hormonstörande ämnens påverkan. Resultaten tyder på att problemen med hormonstörande påverkan på fisk inte är lika utbredda i Finland som i många andra europeiska länder. Detta beror troligtvis på att finska reningsverk har effektiva reningstekniker som reducerar mängden hormonstörande ämnen, eller på att utspädningen av avloppen i recipienterna är större än i många andra länder. Dock kan problemen inte helt uteslutas eftersom vissa feminiserande (estrogena) effekter kunde observeras hos fisken i de undersökta recipienterna utanför kommunala reningsverk. I kontrollerade laboratorieförsök där storpsiggar exponerades för kommunalt avloppsvatten uppmättes även här effekter som tyder på förekomst av estrogener i avloppsvattnet. De cell-baserade testsystemen klarade av att förutspå hormonella effekter hos hel fisk och kan därför vara mycket användbara i fortsatta studier av hormonstörande ämnens verkningsmekanismer i preliminära toxicitetsbedömningar.

Endocrine disruption in the aquatic organisms has been reported from many regions all over the world and has often been linked to different types of effluents. The aim of this thesis was to investigate whether endocrine disruption related to the release of estrogenic or androgenic substances in wastewater effluent is significant in Finnish waters. The thesis describes laboratory based exposure experiments and a field survey conducted with adult three-spined stickleback (Gasterosteus aculeatus) as model species. This thesis also describes rapid in vitro screening methods for detection of endocrine disrupting activities, complementing animal models, and chemical analysis for identification of active compounds in wastewater effluent. Laboratory exposure experiments found the three-spined stickleback to be sensitive to waterborne estrogenic and androgenic steroid substances. Exposure to estrogens was demonstrated through pronounced expression of the yolk protein precursor vitellogenin while exposure to androgens was monitored through analysis of spiggin expression, a unique androgen biomarker present only in the stickleback. Wastewater effluent was shown to exert estrogenic effects in sticklebacks. The field survey along the Finnish Baltic Sea coastline revealed signs of estrogenic disruption in stickleback in receiving areas of sewage treatment plant effluents. No clear androgen activity was observed in wastewater effluent either in laboratory based exposures or in the field survey. The estrogen sensitive in vitro assay based on primary hepatocyte cell cultures was able to predict the responses of wastewater effluent in fish in vivo. The androgen sensitive in vitro assay based on kidney cell and tissue slice cultures also successfully detected androgenicity of pure androgens tested. However, municipal wastewater effluent showed no androgen activity when tested in vitro, corresponding to results in vivo. Steroidal estrogens were detected in wastewater effluent by chemical analysis. Interestingly, these estrogens were responsible for only a minor part of the observed effects in vivo and in vitro and the results imply that the examined wastewater effluent contain compounds with estrogenic activity, other than the steroidal estrogens measured.