Organic micropollutants in freshwater
ecosystems
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Pollution dynamic and adverse effects at
population genetic level in a model freshwater
population
Von der Fakultät für Mathematik, Informatik und
Naturwissenschaften der RWTH Aachen University
zur Erlangung des akademischen Grades
eines Doktors der Naturwissenschaften genehmigte Dissertation vorgelegt
von
Diplom-Meeresbiologe
Pedro Antonio Inostroza Bustos
aus Concepción, Chile
Berichter: Prof. Dr. rer. nat Henner Hollert
PD Dr. rer. nat Werner Brack
Tag der mündlichen Prüfung: 20 Oktober 2016
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Universitätsbibliothek online verfügbar
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Erklärung
Die vorliegende Dissertation wurde im Department Wirkungsorientierte Analytik am
Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung-UFZ in Zusammenarbeit mit dem Lehr- und
Forschungsgebiet für Ökosystemanalyse des Instituts für Umweltforschung (Biologie V) der
RWTH Aachen unter Betreuung von Herrn PD. Dr. Werner Brack und Herrn Prof. Dr.
Henner Hollert angefertigt.
Hiermit versichere ich, dass ich die vorliegende Doktorarbeit selbstständing verfasst
und keine anderen als die angegebenen Hilfsmittel verwendet habe. Alle Textauszüge und
Grafiken, die sinngemäß oder wörtlich aus veröffentlichten Schriften entnommen wurden,
sind durch Referenzen gekennzeichnet.
Dipl. Pedro Antonio Inostroza Bustos Aachen, den 03.August 2016
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"For the things we have to learn before we can do them, we learn by doing them"
– Aristotle, The Nicomachean Ethics
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ABSTRACT
The environment, and particularly freshwater ecosystems, is permanently under
anthropogenic pressure, mainly due to the need of mankind to satisfy the ongoing demand of
goods and services in order to support our society. However, continuous requests of
ecosystem services undoubtedly evoke environmental consequences. Chemical
contaminations are widely known for their harmful impacts on aquatic organisms and are
today discussed as being responsible for increasing global impairments of ecological balance.
In addition to direct effects, sublethal effects on the genetic level are increasingly suggested
to provide versatile indicators for the assessment of hazardous chemicals. Such genetic
effects of chemical stressors on aquatic organisms have so far been poorly addressed.
The aim of this thesis is to contribute to our understanding how anthropogenic
pressures, particularly chemical and non-chemical stressors, may impair aquatic ecosystem
functioning. The novel approach presented here is based on the analytical and thematic
combination of evolutionary ecotoxicology and body burden analysis of organic
micropollutants.
The CHAPTER 1 offers an overview of the state-of-the-art regarding the occurrence
and potential ecological effects of organic micropollutants in aquatic environments.
Furthermore, a concept regarding the likely value of including evolutionary ecotoxicology in
future assessments is presented.
In CHAPTER 2, a multi-target screening method based on pulverised liquid
extraction and a modified QuEChERS approach with additional hexane phase was developed
and optimised. This method allows the extraction and measurement of a wide range of
organic micropollutants, acknowledging the emerging relevance of biological environmental
tissues in environmental chemistry and ecotoxicology. The new method developed here was
successfully applied in different freshwater ecosystems, including the River Danube along its
watercourse and the River Holtemme in Central Germany. The method exhibited particularly
robust performance compared to other published analytical methods. In essence, low
quantification limits and high recovery rates make this method suitable to detect pesticides,
such as insecticides, herbicides and fungicides and wastewater-derived pollutants such as
industrial chemicals and pharmaceuticals, in tissues of biological samples. The results
obtained with this method were combined with other environmental matrices in order to
examine the environmental dynamics of emerging organic micropollutants in the River
Holtemme.
In CHAPTER 3, a multi-compartment approach based on chemical activity,
equilibrium and predicted baseline toxicity was developed. A direct injection, pressurised
liquid extraction methods, and the multi-target screening method developed in CHAPTER 2
were used in order to quantify emerging organic micropollutants in water, sediment and
biota, respectively. Freely dissolved concentrations of compounds quantified in the River
Holtemme and their corresponding chemical activities were calculated in the water, sediment
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and biota (Gammarus pulex tissues) compartments. The bioavailable fraction of pollutants
and thus the fate and distribution of emerging compounds were assessed. According to
equilibrium partitioning theory, the chemical activity of an organic compound is equal in
sediment organic carbon, in exposed biota and in pore water, if equilibrium is reached
between these phases. Sediments showed highest chemical activities and significant
differences were quantified between water and biota compartments. The findings obtained
suggest that the system studied here was in disequilibrium based on the equilibrium
partitioning theory. Additionally, sediment samples exhibited the highest potential toxicity.
Hazard assessment of the quantified contaminants showed a strong dependency on which
compartment is analysed.
CHAPTER 4 demonstrates the biological effects of long-term exposure to pollution
on a model freshwater invertebrate population. Briefly, the adverse effects of global and
emerging anthropogenic pressures were assessed using a novel approach based on
evolutionary ecotoxicology and body burden analysis of organic micropollutants. This
approach was then successfully applied to G. pulex populations occurring along the River
Holtemme. The results provide empirical evidence of both direct and indirect effects due to
chemical and non-chemical stressors. The analyses revealed pollutant-induced changes in the
genetic structure as well as higher mutation rates downstream of a wastewater treatment
plant. Furthermore, hindered gene flow due to physical barriers (i.e. weirs) separating
upstream and downstream waters in the River Holtemme was detected. Although, these
findings offer new insights into the field of ecotoxicology in general, and allows for new
interpretation of the role of wastewater treatment plants as sources of chemical stress in the
environment.
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ZUSAMMENFASSUNG
Die Umwelt und insbesondere aquatische Ökosysteme stehen permanent unter
anthropogener Belastung beruhend auf der stetigen Nachfrage nach Waren und
Dienstleistungen zum Erhalt unserer Gesellschaft. Die kontinuierliche Bereitstellung von
Ökosystemdienstleistungen bringt zweifelsohne auch Konsequenzen für die Umwelt mit sich.
Chemische Kontaminationen sind für ihre schädlichen Wirkung auf aquatische Organismen
bekannt und werden heute als mitverantwortlich für globale Veränderungen im ökologischen
Gleichgewicht diskutiert. Neben direkten Effekten auf aquatische Organismen werden heute
auch sublethale Effekte auf genetischer Ebene als wichtige Kenngrößen zur
Gefahreneinschätzung von Kontaminanten diskutiert. Die genetischen Auswirkungen von
chemischen Stressoren auf Süßwasserorganismen sind bis dato jedoch sehr wenig untersucht.
Ziel dieser Dissertation ist es zum wissenschaftlichen Verständnis beizutragen,
inwiefern anthropogene Belastungen, inbesondere chemische und nicht-chemische
Stressoren, aquatische Ökosysteme beeinträchtigen können. Der hier verwendete neue Ansatz
basiert auf der analytischen und inhaltlichen Verbindung von evolutionärer Ökotoxikologie
und der Belastungsanalyse von organischen Mikroschadstoffen.
Kapitel 1 liefert einen Überblick über den aktuellen Wissensstand bezüglich des
Auftretens und der möglichen ökologischen Effekte von Mikroschadstoffen in aquatischen
Systemen. Des Weiteren wird ein Konzept zum Wert Evolutionsökologisch-toxikologischer
Ansätze bei zukünftigen Gefahreneinschätzungen von Mikroschadstoffen präsentiert.
In Kapitel 2 wurde ein mehrzieliges Screening-Verfahren entwickelt und optimiert,
dass auf einer Flüssigextraktion sowie einem modifizierten QuEChERS Ansatz mit
zusätzlicher Hexan-Phase beruht. Diese Methode erlaubt es, eine große Bandbreite von
organischen Mikroschadstoffen zu extrahieren und zu messen. Die Analyse solcher Stoffe aus
biologischen Geweben in Umweltproben gewinnt in der Umweltchemie und Ökotoxikologie
zunehmend an Bedeutung. Die hier entwickelte Methode wurde erfolgreich in mehreren
Süßwas
