Toxizität von Salzen des Kali-Bergbaus gegen juvenile Fische

Toxizität von Salzen des KaliBergbaus gegen juvenile Fische
Dr. Thomas Meinelt
Prof. Dr. Werner Kloas
Prof. Dr. Andreas Wienke
Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei Berlin,
Abteilung Aquakultur & Ökophysiologie
Hypersaline Konditionen /
Osmoregulatorischer Stress bei Fischen
Reproduktionsbeeinträchtigung
Erhöhte Larvenmortalität Apoptose der
Chloridzellen, Na+-K+-ATPase
(Ionentransportprotein ist in den Chloridzellen
lokalisiert)
Reduzierung des Aktivitätsniveaus
Veränderung des K+/Ca++-Quotienten im Blut
Dehydrierung, Reduzierung des Feuchtgewichtes
der Eier
Material und Methodik
Aufbereitung der Proben
Methodik des semistatischen 144-h-EmbryoLarval-Tests (ELT)
Probenaufbereitung
Umweltresistenz
144-h-Embryo-Larval-Test mit Danio rerio
Entwicklungsalter
Exogene Ernährung
Altersabhängigkeit der Fischsensibilität
Fischtests mit Danio rerio
Beeinflussung nicht letaler Parameter
Ei
Embryo
Exog. Ernähr. Jungfisch
F1-Generation
Life-Cycle-Test
Early-Life-Stage-Test
Embryo-Larval-Test
akuter Fischeitest DI3 38415-T6
48h
30d
144h
Lebensalter
Schlupf nach ca. 96 h!
300d
Zebrabärbling
(Danio rerio)
Methodik des ELT
Aller 24 h
144-h-Inkubation in
Petrischalen
Temperierung
Reinigungsschritt
4-8-ZellStadium
Letale Parameter
nach DIN 38415-T6
Fischeitest nach DIN 38415-T6,
Suborganismische Testverfahren, Gruppe T,
Teil 6: „Bestimmung der nicht akut giftigen
Wirkung von Abwasser auf die Entwicklung
von Fischeiern über Verdünnungsstufen“
1. Koagulation
Koaguliertes Ei
3. Nichtentwicklung der Somiten
2. Nichtablösung des Schwanzes
4. Kein Herzschlag in 30 sec
Zusätzlich:
Kein Blutkreislauf ab 72 h als letal gezählt
Erfassung von Deformationen und Anomalien
Somiten
Schwanzablösung
Schwanzablösung
Ergebnisse
Kaplan-Meier-Plots
LC50
Anomalien/Deformationen
Kali + A. dest., Mortalität im Zeitverlauf
100
80
Überleben [%]
0‰
2‰
60
4‰
8‰
40
16 ‰
32 ‰
20
0
0
20
40
60
80
t [h]
100
120
140
160
Kali + DIN-Wasser, Mortalität im Zeitverlauf
100
Überleben [%]
80
0‰
60
2‰
4‰
40
8‰
16 ‰
32 ‰
20
0
0
20
40
60
80
t [h]
100
120
140
160
LC50 Kalisalz
‰ Salzgehalt (Kalisalz)
25
20
A. dest.
DIN-Wasser
15
10
5
0
24
48
72
96
Versuchsdauer [h]
120
144
48 h
24 h
Kontrollgruppe (24 - 144 h)
144 h
144 h
24 h
48 h
2 ‰-Gruppe (24 – 72 h)
72 h
72 h
72 h
120 h
2 ‰-Gruppe
120 h
120 h
24 h
48 h
4 ‰-Gruppe (24 – 72 h)
72 h
72 h
72 h
4 ‰-Gruppe
120 h
120 h
48 h
24 h
8 ‰-Gruppe (24 – 72 h)
HBW
96 h
72 h
120 h
8 ‰-Gruppe
120 h
120 h
32 ‰-Gruppe 24 h
Deformationen und Anomalien:
Ödeme im Herz- und Dotterbereich (HBW)
Ödeme im Kopfbereich
Hämatome im Herz- und Dotterbereich
Verkrümmungen der Wirbelsäule
Brüche der Schwanzwirbelsäule
Unregelmäßiger Herzschlag
Fehlender Herzschlag
Unregelmäßiger Blutkreislauf
Fehlender Blutkreislauf
Verändertes Ruhepotential der Zellen
Dies bedeutet:
Nur ein Bruchteil der Embryonen kommt zum
Schlupf.
Die geschlüpften Larven weisen schwere
Deformationen / Entwicklungsanomalien auf.
Die geschlüpften Larven sind auch in einer
„optimalen“ Umwelt nicht lebensfähig.
2Versuch einer Diskussion
Kann Chlorid für die Effekte verantwortlich sein???
Ist der Cl--Einleitungsbezug sinnvoll!?
Nein!!!
Sind andere Ionen oder Ionenverhältnisse für die
Toxizität verantwortlich???
Wahrscheinlich ja!!!
Cox Regression, ausgewählte Ionen vs. Mortalität
Mg++:K+
Ca++:K+
Ca++:Mg++
Einfluss auf die Mortalität
Mg++
K+
Ca++
ClNa+: K+
Na+/SO4Anstieg der Konzentration
Das Ruhepotential der Zelle…. (Na+/K+)
„Cist in erster Näherung ein K-Gleichgewichtspotential, enthält aber auch
Beiträge aus den Na- und Cl-Permeabilitäten der Membran.“
Das Gleichgewicht der Ionenströme durch die Zellmembran wird durch aktiven
Transport hauptsächlich durch die Na-K-Pumpe hergestellt.
Zellinneres
2 K+
K+ hoch
Na+ niedrig
Na+, K+
Pumpe
+
der
Zelläußeres Beim aktiven+ Na -Abtransport+aus
Zelle wird K eingepumpt (Na /K+Pumpe). Das Ruhepotential der Zelle
wird konstant gehalten (unter
Normalbedingungen)!
K+
niedrig
1/3 des Energieverbrauchs der Zellen
Na+
wird für die Na-K-Pumpe
hoch
aufgewendet.
3 Na+
Schmidt & Tews, Physiologie des
Menschen (1995), 26. Auflage
Das Ruhepotential der Zelle…. (Na+/K+)
Durchlässigkeit der Zellmembran für Na+ ist viel niedriger als für K+!
Aufgrund der geringen Durchlässigkeit der Zellmembranen gegen Na+ haben selbst
große Veränderungen der äußeren Na+-Konzentrationen auf das Ruhepotential (-70
mV) fast keine Wirkung. (Na nicht entscheidend!)
Das Ruhepotential der Zellen ist weitaus empfindlicher für Veränderungen im
äußeren K+-Pegel als für Konzentrationsveränderungen anderer Kationen!
Schmidt & Tews, Physiologie des
Menschen (1995), 26. Auflage
Na+
Dies bedeutet:
Trotz gleichmäßiger Steigerung der Salzkonzentration wird mehr K+ als Na+ in
die Zellen eingebracht (K+-Überschuss).
Das Ruhepotential der Zellen wird gestört (Depolarisierung).
Krämpfe, Epilepsie
Dies bedeutet weiterhin:
Na ist von untergeordneter Bedeutung!
Indizien im ELT:
Störungen im Herzrhythmus
Störungen im Blutkreislauf
Störungen in der Ionenregulation (Imballanzen)
Eckert, Tierphysiologie (1986)
ClDer in beiden Richtungen über die Membran gleich große Fluss von
Chlorid stabilisiert das Ruhepotential C
„Auch wenn C Verschiebungen vom Cl- im Intrazellulärraum eintreten,
so sind diese wegen der hohen extrazellulären Cl--Konzentration
funktionell ohne Bedeutung, genau wie bei Na+“.
Auch hohe Chloridkonzentrationen stören das Ruhepotential der Zelle
nicht C
Schmidt & Tews,
Physiologie des
Menschen (1995)
…Chlorid in der Aquakultur
Natriumchloridbäder in Konzentrationen von 15000 mg/l bis 60000
mg/l zur Behandlung von Fischektoparasiten,
ca. 66 % sind Chlorid
= 9900 – 29700 mg/l Chlorid!!! für therapeutische Zwecke
Chlorid wird als Therapeutikum gegen Nitrit-Vergiftungen bei Fischen
eingesetzt! z. B.:http://www.ca.uky.edu/wkrec/NitritePonds.pdf
Zusammenfassung
•Kalisalzlösung (wie geprüft) ist in einer Konzentration von 2 ‰ für juvenile
Lebensstadien der Fische hoch toxisch.
• Da Zebrabärblinge eine mittlere Empfindlichkeit besitzen, ist es sehr
wahrscheinlich, dass bei empfindlicheren Arten bei 2 ‰ keine Brut aufkommt
(Forellen, Äschen, Elritzen, Barben).
•Die wenigen Individuen, die überleben, sind in ihrer Vitalität extrem beeinträchtigt.
•Chlorid ist nicht primär für die Toxizität verantwortlich. Andere Parameter
(Ionenverhältnisse) sind höchstwahrscheinlich wichtiger, um die Fisch-Toxizität zu
definieren (K, Mg, Na:K, Mg:K, Ca:KC?????).
•Daphnien sind keine „anderen Fische“, also kein Ersatz für Fischtests!
Weiterführende Untersuchungen zum Toxizitätsbezug der Ionen
bei Fischen sind dringend notwendig!