Fate of ethinylestradiol in the aquatic environment and the associated effects on organisms of different trophic levels [Elektronische Ressource] / Hanna Maes

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• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 45
• Langue: English
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Extrait

Fate of ethinylestradiol in the aquatic environment
and the associated effects on organisms
of different trophic levels





Von der Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften
der RWTH Aachen University
zur Erlangung des akademischen Grades einer Doktorin der Naturwissenschaften
genehmigte Dissertation vorgelegt von
ir. Hanna Maes
aus Brugge, Belgien


Berichter:
apl.-Prof. Dr. Hans Toni Ratte
Univ.-Prof. Dr. Andreas Schäffer

Tag der mündlichen Prüfung:
4.11.2011


Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfügbar.



SUMMARY:
The accumulation kinetics of an important, highly effective, and persistent xeno-estrogen,
17 -ethinylestradiol (EE2), in the aquatic environment were investigated in indicator
species representing the different trophic levels of an ecosystem: a primary producer
(Desmodesmus suspicatus), a primary consumer of the water phase (Daphnia magna)
and one of the sediment (Chironomus riparius), and a secondary consumer (Danio rerio).
14Algae highly concentrated C-EE2 (72 h C /C : 2200 L/kg ww) and transformed it algae water
into two more hydrophobic, but less estrogenic products: Br-EE2 and Br -EE2, identified 2
by GC-MS and high resolution LC-MS. Daphnids and chironomids showed lower bio-
concentration factors (BCFs of 50 and 580 L/kg ww). In extracts of both organisms, more
14hydrophilic conjugates of C-EE2 were detected by means of HPLC with radiodetector
before and after enzymatic hydrolysis. This observed biotransformation process was in
accordance with the fact that both invertebrates quickly eliminated incorporated
radioactivity. Accumulation of radioactivity in daphnids was higher in the presence of
algae, depending on the cell density and the consequent filtration and food processing
rate. Daphnids additionally removed the test compound during moulting. The bioavailability
of EE2 for chironomid larvae was strongly reduced in the presence of (standard OECD)
sediment giving a biota sediment accumulation factor (BSAF) of 0.7. However, when a
nutritionally valuable food source was available, dietary intake added to the overall
accumulation (BSAF: 1.4). A BCF of 960 L/kg ww was calculated for male zebrafish. This
value is higher than formerly reported in research concerning EE2 concentration in fish.
Uptake of conjugated EE2 by male fish through a chironomid diet resulted in similar
internal fish contents and blood vitellogenin levels as EE2 uptake via water, whereas fish
exposed to contaminated daphnids showed little uptake. From these results, it could be
proven for the first time that dietary applied EE2 glucuronide, synthesized by chironomids,
can be reconverted to the parent compound in predator fish. EE2 sulphatide (produced in
daphnids and chironomids) and EE2 glucoside (daphnids only) seemed recalcitrant to
deconjugation in the fish. EE2-derived radioactivity was detected in all analyzed fish
tissues including the brain and filet. This is the first study that shows passage of this
estrogen by the blood-brain barrier and indicates risks of EE2 uptake for fish consuming
human. EE2 (products) were principally and rapidly distributed to the alimentary system of
male zebrafish independently of the uptake route. Biliary excretion was the main
depuration route next to dermal release. The differences between the water and dietary
treatment were quicker transfer of radioactivity to the liver and more gradual storage in the
bile in case of EE2 exposure via water compared to after ingestion of metabolites via living
prey. Dietary exposed animals eliminated faster after being transported to clear water. This
could be explained by the fact that fish only produced the glucuronic acid conjugate of the
test compound, i.e. the one product that is subjected to enterohepatic recirculation,
slowing elimination down. Water exposed zebrafish were logically not confronted with the
more recalcitrant invertebrate products (EE2 sulphatide & glucoside) that dietary exposed

animals ingested. The results of the present study show that EE2 has the potential to be
transferred via the food chain since it accumulates in biota from the basis of the web.
Therefore, it is important to improve and extend monitoring programs including organisms
of different trophic levels, sediments, and suspended material. Hence, sewage treatment
plants should be improved to keep this substance from release in the environment. The
result that algae highly take up the compound might thereby present a cheap and efficient
alternative for water treatment in poor countries, which should be subject of further
research.


ZUSAMMENFASSUNG:
Untersucht wurde die Anreicherungskinetik eines bedeutsamen, hoch wirksamen und
persistenten Östrogens, 17 -Ethinylestradiol (EE2), in der aquatischen Umwelt anhand
verschiedener Indikatororganismen, die die verschiedenen Ebenen der Nahrungskette
repräsentieren: Desmodesmus suspicatus als Primärproduzent, Daphnia magna in der
Wasserphase und Chironomus riparius im Sediment als Primarkonsumenten, und der
14Sekundärkonsument Danio rerio. Gezeigt wurde, dass Algen C-EE2 schnell aufnahmen
(72 h C /C : 2200 L/kg fg) und in zwei hydrophobere und weniger östrogenaktive Algen Wasser
Produkte umsetzten: Br-EE2 und Br -EE2, identifiziert durch GC-MS und hoch auflösende 2
LC-MS. Daphnien und Chironomiden zeigten ein geringeres Maß an Biokonzentration
(Biokonzentrationsfaktor, BCF: 50 bzw. 580 L/kg fg). In beiden Organismen wurden
14hydrophilere Konjugate des C-EE2 mittels HPLC und Radiodetektor-Kopplung detektiert,
vor und nach Spaltung mittels enzymatischer Hydrolyse. Die beobachtete Bio-
transformation stimmt somit mit der Tatsache überein, dass beide Invertebraten die
aufgenommene Radioaktivität schnell wieder abgaben. Die Anreicherung der Radio-
aktivität in Daphnien war höher in der Gegenwart von Algen und war abhängig von der
Zelldichte und der daraus resultierenden Filtrations- und Nahrungsaufnahme. Zusätzlich
eliminierten die Daphnien die Testsubstanz während der Häutung. Die Bioverfügbarkeit
des EE2 für Chironomidenlarven war stark reduziert in der Gegenwart von (Standard
OECD) Sediment (Biota Sediment Akkumulationsfaktor, BSAF: 0.7). Stand jedoch eine
hochwertige Nahrungsquelle zur Verfügung, zeigte sich eine höhere Anreicherung durch
zusätzliche Aufnahme über die Nahrung (BSAF: 1.4). Ein BCF von 960 L/kg fg wurde für
den männlichen Zebrafisch ermittelt. Dieser Wert ist höher als in der vorhandenen
Literatur über die EE2-Anreicherung in Fischen. Die Aufnahme von konjugiertem EE2
durch männliche Fische über Chironomiden führte im Vergleich zur Aufnahme von EE2
über das Wasser zu ähnlich hoher Akkumulation und gleich hohen Blut-Vitellogenin
Werten. Die Fütterung mit kontaminierten Daphnien führte jedoch zu keiner nennens-
werten Anreicherung in den Fischen. Die Ergebnisse zeigen erstmalig, dass durch die
Chironomiden synthetisiertes EE2-Glukuronid nach der Nahrungsaufnahme in den
Fischen wieder in EE2 umgewandelt wird. Das EE2-Sulfatid (erzeugt von Daphnien und
Chironomiden) und das EE2-Glukosid (nur von Daphnien) erwiesen sich gegenüber der
Dekonjugation resistent. Radioaktivität konnte in allen analysierten Fischgewebeproben
detektiert werden, auch im Gehirn und Muskelfleisch. Der erste von beiden Befunden zeigt
erstmalig dass das Östrogen die Blut-Hirn-Schranke passieren kann, und der zweite
deutet auf Gefahren für Menschen, die Fisch konsumieren, hin. EE2 und dessen Bio-
transformationsprodukte verteilten sich größtenteils auf das Verdauungssystem des
männlichen Fisches, unabhängig vom Aufnahmepfad. Die Entgiftung erfolgte haupt-
sächlich über Gallenexkretion und in geringerem Maße über die Haut des Fisches. Die
einzigen Unterschiede zwischen der Aufnahme über das Wasser und der Nahrung zeigten
sich in der schnelleren Verteilung der Radioaktivität in der Leber und einer langsameren,

stetigeren Anreicherung in der Galle im Falle der EE2-Exposition über das Wasser im
Vergleich zur Aufnahme von Metaboliten in der Beute. Die über die Nahrung exponierten
Fische eliminierten die Substanzen schneller, als sie in unbelastetes Wasser überführt
wurden. Dies kann damit erklärt werden, dass der Fisch selber nur das Glukuronsäure-
Konjugat der Testsubstanz produziert, welches das einzige Produkt ist, das entero-
hepatisch wieder in Umlauf gebracht wird. Fische, die lediglich über das Wasser mit EE2
exponiert wurden, kamen natürlich in keinerlei Kontakt mit den Umwandlungsprodukten
der Invertebraten (EE2-Sulphatid und -Glukosid). Die Ergebnisse der vorliegenden Studie
zeigen, dass EE2 über die gesamte Nahrungskette von Primärproduzenten (Algen) bis zu
sekundären Konsumenten (Fische) weiter gegeben wird. Es scheint notwendig, dass in
künftigen EE2 Überwachungsprogrammen ("Monitoring") Organismen verschiedener
trophischer Ebenen sowie S