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DOI: http://dx.doi.org/10.1065/uwsf2004.12.090

Ziel und Hintergrund. PCB (Polychlorinierte Biphenyle) sind Xenobiotika, die durch anthropogene Aktivität in die Umwelt gelangt sind und ein breites Wirkungsspektrum bei Vertebraten aufweisen. Obwohl über die toxischen Effekte von Xenobiotika auf aquatische Organismen bereits vielfach geforscht wurde, sind deren subakute Auswirkungen auf Organismen noch nicht ausreichend bekannt. Dabei kommt dem Fisch aufgrund seiner zentralen Stellung im aquatischen Nahrungsnetz besondere Bedeutung zu, so dass vorliegende Versuche mit dem Karpfen durchgeführt worden. Ziel war es dabei, subakute Effekte des Aroclor 1254 (22 µg l–1) auf den Sauerstoffverbrauch, das Schwimmverhalten sowie die Biotransformation zu belegen und diese Auswirkungen der PCB auf den Organismus als mögliche Indikatoren von veränderten energetischen Verhältnissen zu diskutieren.

Methoden. Es erfolgte unter Laborbedingungen eine kontinuierliche Messung des Sauerstoffverbrauches der Karpfen vor (5 d), während (16 d) und nach (8 d) Exposition im Vergleich zu nicht-exponierten Kontrolltieren. Außerdem wurde vor (8 d) und während (21 d) der Exposition mittels BehavioQuant-System die Position eines jeden individuellen Fisches im Schwarm per Video verfolgt und die Anzahl horizontaler Wendungen je Sekunde als Maß für Schwimmaktivität im Zeitverlauf berechnet. Danach wurden Leberproben der Tiere entnommen, um die Aktivität der Glutathion-S-Transferase, einem Phase 2 Enzym, zu untersuchen. Die Stichprobengrößen umfassten in den Respirationsversuchen 6 Expositions-, 6 Kontroll- und 3 Lösungsmittelkontrollgruppen (bestehend aus je 12 Tieren); in den Verhaltensuntersuchungen 9 Expositions-, 6 Kontroll- und 3 Lösungsmittelkontrollgruppen (bestehend aus je 6 Tieren) sowie in den Enzymaktivitätsmessungen 9 Expositions-, 6 Kontroll- und 3 Lösungsmittelkontrollgruppen (bestehend aus je 6 Tieren).

Ergebnisse und Diskussion. Die PCB-Exposition verursachte eine Steigerung des Sauerstoffverbrauches mit einem maximalen Respirationsanstieg um 33%. Diese erhöhte Respiration sank jedoch nach Beendigung der Exposition wieder auf das Normalmaß zurück. Auch die veränderte Häufigkeit der Wendungen beim Schwimmen erwies sich als eine reversible Reaktion der Fische auf den Expositionsstress. Diese Schwimmaktivität während der Lichtphase wurde unter Einwirkung von PCB reduziert, wogegen die nächtlichen Schwimmbewegungen zunahmen; die Fische kehrten jedoch noch während der Expositionsphase zum Ausgangslevel ihrer Aktivität zurück. Die veränderten Respirations- und Verhaltensparameter lassen vermuten, dass die zusätzliche Energie für Entgiftungsprozesse benötigt wurde. Eine Bestätigung erfuhr diese Hypothese durch die signifikant erhöhte Aktivität des Biotransformationssystems der GST sowohl in der mikrosomalen als auch der zytosolischen Fraktion der Leber.

Schlussfolgerungen. Die Ergebnisse bestätigten damit subletale Effekte des PCB-Gemisches auf alle oben genannten Parameter. Die Verhaltensänderung und Respirationssteigerung sowie erhöhte Biotransformationsaktivität sind Zeichen einer physiologischen Reaktion der Fische auf toxische Bedingungen und werden als Ausdruck einer veränderten Energieverteilung im Organismus interpretiert.

Empfehlungen und Ausblick. Weiterführende Experimente sollen die Effekte von PCB auf verschiedene Lebensfunktionen des Karpfens bei zusätzlicher Fütterung mit exponierter Naturnahrung untersuchen, um umweltrelevante Aussagen zur Bioenergetik exponierter Tiere treffen zu können.

Abstract

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Objective and Background. PCB (polychlorinated biphenyle) are typical man-made environmental pollutants that cause a broad spectrum of effects in vertebrates. Although a lot has been studied about the toxic effects of xenobiotic substances on aquatic organisms, their subacute effects are not yet well known. Fish occupies a central position in freshwater food webs and therefore, carp was chosen to be our test organism. The aim of our study was the investigation of subacute effects of Aroclor 1254 (22 µg l–1) on respiration, swimming activity, and biotransformation, allowing discussion of changed interaction between the available energy resources.

Methods. The respiration experiments under controlled laboratory conditions were run for 29 days (5 d before, 16 d with and 8 d after chemical exposure) with exposed carp compared to the non-exposed fish. Furthermore, the BehavioQuant system quantitatively monitors the positions of each individual fish before (8 d) and during (21 d) PCB exposure and swimming activity (number of horizontal turnings s–1) of animals was calculated. Thereafter, liver samples were taken from animals for analysis of the phase 2 enzyme activity (glutathione-S-transferase). In the respiration experiments were 6 exposure, 6 controll, and 3 solubilizer controll groups (12 animals each group); in the behavioral experiments were 9 exposure, 6 controll- und 3 solubilizer controll groups (6 animals each group), and in the enzyme activity measurements were 9 exposure, 6 controll and 3 solubilizer controll groups (6 animals each group) examined.

Results and Discussion. A clearly increased (33%) oxygen consumption due to the PCB-exposure is found to be reversible; after the exposure period the respiration of carp shows a level comparable to the oxygen consumption during non-exposure time. By evaluating quantitative behavioral parameters of animals, it becomes evident that the exposure to PCB also causes a reversible change in their swimming behavior. Chemical stress leads to a decrease of mean daily swimming activity combined with an increase of the mean number of turnings during the night. Thereafter, the swimming activity shifts to the circadian swimming behavior under control conditions. Furthermore, our measurement of soluble and microsomal glutathione-S-transferase activity of fish liver shows a significant elevation after exposure period.

Conclusion: Our results prove that it was feasible to detect sublethal effects of PCB-mixture on all parameters under these conditions successfully. Our findings imply that fish are able to cope with the chemicals and we purse the hypothesis that the higher physiological energy demand caused by increased activity of enzymes, which are involved in biotransformation of foreign substances, may be related to a higher respiration of fish stressed by xenobiotics.

Recommendation and Outlook. Further experiments should investigate the effects of PCB on ecophysiological parameters of carp fed with exposed natural food allowing discussion of ecological consequences.