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Refinement of the fish embryo toxicity test (FET) with zebrafish (Danio rerio) : Is it a real replacement of the acute fish toxicity test?

Lammer, Eva

German Title: Verbesserung des Fischeitests (FET) mit dem Zebrabärbling (Danio rerio) : Kann der FET den akuten Fischtest wirklich ersetzen?

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Abstract

Alternative methods in ecotoxicology play an increasingly important role in chemical and risk assessment. Already in 1986, the Directive 86/609/EEC stated that an alternative method, once it is “practicably and reasonably available”, should replace the corresponding animal method. In 2007, REACH (Registration, Evaluation, Authorization and Restriction of Chemicals) came into force to systematically evaluate the risk to human health and the environment of approx. 30,000 chemical substances produced, used or imported in quantities of 1 - 100 t/a. Within the framework of REACH, animal testing should be reduced or even replaced by alternative methods. The 96 h acute fish test, however, is still a mandatory component in the base set of data required for chemical risk assessment. With mortality as the exclusive endpoint, it is not compatible with most current animal welfare legislations in Europe. Furthermore, there is increasing concern that some form of pain perception, similar to what is present in mammals, may be present in bony fish, and adult fish exposed to acute toxic concentrations of chemicals may at least be suspected to suffer severe distress and pain. A promising candidate to replace the acute fish test in chemical assessment is the fish embryo toxicity (FET) test. In Germany, the FET has already replaced the acute fish test in whole effluent testing since 2005. A major advantage of the FET concerning animal welfare is the fact that embryos may have not yet developed the same complex mental processes and may have not pain perception identical to adult fish. Since the correlation between the alternative and the test to be replaced is one of the most important facts to accept a test as alternative, a detailed literature research and a thorough re-evaluation of FET and acute fish test data has been conducted. The analyses resulted in an overall R2 of 0.90 for the comparison of FET data and acute fish test data. Restricting the data to zebrafish (Danio rerio) FET data and all fish data, the correlation resulted in an R2 of 0.87. In general, all correlations with different restrictions of the complete dataset (e.g. only zebrafish FET and zebrafish acute fish test data, only 48 h FET and 96 h fish toxicity data, etc.) showed no R2 lower than 0.81. For comparison between different biotests, these are almost perfect correlations, and compared to correlations of 96 h acute fish data among different fish species, they are in the same range or even better. However, outliers are inevitable. In order to investigate if the static procedure of the FET may be the reason for outliers, a flow-through protocol was developed. The applicability of the flow-through system in chemical assessment was checked by testing four different “outlier chemicals” (hydroquinone, 4-chlorophenol, pyraclostrobin and α-endosulfan), which were selected according to increasing log Pow. Independent of chemical nature and lipophilicity, the flow-through and the static FET gave almost identical results for all substances. Thus, at least for these chemicals, the differences between the results from the FET and the acute fish toxicity test could not be traced back to reduced bioavailability due to adsorption to the polystyrene plates. Further investigations are necessary to identify reasons for the poor correlation between FET and acute fish test results for specific chemicals. However, the static protocol seems to be a sufficient testing procedure and should definitely be used in further chemical assessment.

Translation of abstract (German)

In der Chemikalien- und Risikobewertung spielen Alternativmethoden eine zunehmend wichtige Rolle. Bereits 1986 forderte die Direktive 86/609/EEC, dass praktikable und vernünftige Alternativmethoden den entsprechenden Tierversuch ersetzen sollten. Im Januar 2007 trat REACH (Registrierung, Evaluierung, Autorisation und Restriktion von Chemikalien) mit dem Ziel in Kraft, das Risiko für Mensch und Umwelt durch ca. 30.000 Chemikalien, die in Mengen von 1 - 100 t/a produziert oder importiert werden, abzuschätzen. Im Rahmen von REACH sollen Tierversuche soweit wie möglich durch Alternativmethoden ersetzt werden. Der akute Fischtest als grundlegender Test in der Risikobewertung ist jedoch immer noch gesetzlich vorgeschrieben. Mit dem exklusiven Endpunkt Mortalität ist der Test mit den meisten Tierschutzgesetzen in Europa nicht mehr zu vereinbaren. Ebenso gehen viele Wissenschaftler davon aus, dass Knochenfische ein ähnliches Schmerzempfinden besitzen wie Säugetiere, und dass adulte Fische, die mit akut toxischen Konzentrationen belastet werden, leiden und mit großer Wahrscheinlichkeit Schmerz empfinden. Der Fischembryotest (FET) ist eine Alternative, um den akuten Fischtest in der Chemikalienbewertung zu ersetzen. Bereits seit Januar 2005 ist der FET in der Abwasseruntersuchung in Deutschland als Ersatz für den akuten Fischtest gesetzlich vorgeschrieben. Unter Tierschutzaspekten hat der FET u.a. den Vorteil, dass man davon ausgehen kann, dass Embryonen im Vergleich zu adulten Tieren noch nicht die gleichen komplexen mentalen Prozesse und dementsprechend noch nicht das gleiche Schmerzempfinden entwickelt haben. Einer der wichtigsten Faktoren für die Akzeptanz von Alternativmethoden ist deren Korrelation zu dem zu ersetzenden Tierversuch. Daher wurden in einer detaillierten Analyse Daten aus FET und Fischtest verglichen; die Gesamt-Korrelation ergab ein R2 von 0,90. Eine Reduktion auf den Zebrabärbling (Danio rerio) ergab ein R2 von 0,87. Unabhängig von den unterschiedlichen Reduktionen der Datensätze konnte kein R2 kleiner als 0,81 berechnet werden. Die Korrelationen führten zu exzellenten Ergebnissen und verglichen mit Korrelationen zwischen Daten des akuten Fischtests verschiedener Fischarten ist die Korrelation mit den FET-Daten mindestens genauso gut, wenn nicht sogar besser. Daher kann der FET bedenkenlos als Ersatzmethode für den akuten Fischtest in der Risikobewertung empfohlen werden. Die Korrelationsanalyse identifizierte allerdings auch einige Chemikalien als Ausreißer. Um zu prüfen, ob das statische Prinzip des Testsystems für lipophile Ausreißer verantwortlich sein könnte, wurde ein Durchflusssystem für den FET entwickelt. 4 nach steigendem log Pow ausgewählte Chemikalien (Hydrochinon, 4-Chlorphenol, Pyraclostrobin und α-Endosulfan) wurden im Durchfluss-FET getestet, um die Anwendbarkeit des Durchflusstestsystems für die Chemikalienbewertung zu prüfen. Unabhängig von Wirkungsweise und Lipophilität der Chemikalien konnten keine signifikanten Unterschiede zum statischen FET nachgewiesen werden. Unterschiede in den Ergebnissen von FET und akutem Fischtest können daher nicht auf Absorption an das Polystyrol zurückgeführt werden. Weitere Tests sind notwendig, um das unerwartete Verhalten der Embryonen gegenüber manchen Chemikalien zu erklären. Es konnte gezeigt werden, dass der statische FET mit voriger Absättigung der Testplatten ein adäquater Test für die Prüfung von Chemikalien ist und damit den akuten Fischtest ersetzen kann.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Braunbeck, Prof. Dr. Thomas
Date of thesis defense: 10 June 2009
Date Deposited: 30 Jun 2009 12:53
Date: 2009
Faculties / Institutes: Service facilities > Centre for Organismal Studies Heidelberg (COS)
Subjects: 570 Life sciences
Uncontrolled Keywords: Fischeitest , REACH , Alternativmethoden , Chemikalienbewertungfish embryo test , REACH , alternatives , chemical assessment
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