English Title: Combined field- and laboratory experiments to detect the effects of endocrine disrupting chemicals on fish

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Abstract

Hormonaktive Substanzen gelangen über Kläranlagenabläufe in die Oberflächengewässer und können dort bei Fischen negative Einflüsse auf Geschlechterverhältnis, Entwicklung und Reproduktion ausüben. In dieser Studie wurde im Anschluss an eine Optimierung zwei In vitro-Biotests (Yeast Estrogen Screen, Primärhepatocyten der Regenbogenforelle, Oncorhynchus mykiss) beispielhaft an drei Standorten (2 Kläranlagen sowie Rhein bei Worms) in Kombination mit einem weiteren Biotest (ER Luciferase Assay) mit In situ-Befunden an exponierten Regenbogenforellen und mit chemischer Analytik verglichen. Vielfach ist die hormonelle Wirkung von Einzelsubstanzen auf Fische nicht bekannt, so dass parallel hierzu ein Fischtestsystem (sogenannter Gonadal Recrudescence Assay) mit der Dickkopfelritze (Pimephales promelas) anhand zweier bekannter hormonaktiver Referenzchemikalien (Ethinylestradiol, EE2; Methyltestosteron, MT) etabliert wurde. Abschließend wurde das Fischtestsystem hinsichtlich seiner Empfindlichkeit bei Freilandversuchen untersucht. Nach der Optimierung der In vitro-Biotests im Bereich der Umweltüberwachung, konnte im Freiland eine gute Korrelation innerhalb der einzelnen Testsysteme und zur chemischen Analytik festgestellt werden. So zeigten sowohl die beiden Kläranlagenausläufe als auch der Rhein biologisch wirksame Konzentrationen an östrogen aktiven Substanzen. Beim Fischtestsystem zeigte sich für EE2 eine Wirkungsgrenze von 1 ng/L auf Gonaden, Tuberkelzahl, Plasmavitellogenin und Leberultrastruktur männlicher Fische. Bei MT lag die Wirkungsgrenze bei 0,1 µg/L (weibliche Gonaden). Einflüsse auf die Befruchtungsrate zeigten sich ab 10 ng/L (EE2) bzw. 5 µg/L (MT). Bei abwasserexponierten Dickkopfelritzen zeigte sich ein östrogener Einfluss in Form einer reduzierten Tuberkelzahl, eines Anstiegs im Plasmavitellogenin-Gehalt, nekrotischer Spermatogonien bei Männchen sowie schnellerer Gonadenreifung bei den Weibchen.

Translation of abstract (English)

Hormonally active chemicals enter surface waters via sewage treatment plant (STP) effluents and might interfere with sex ratio, development and reproduction of fish. In this study, two in vitro bioassays (yeast estrogen screen, primary rainbow trout, Oncorhynchus mykiss, hepatocytes) were optimised for field experiments and compared to results from another in vitro bioassay (ER luciferase assay) and from in situ experiments using rainbow trout and chemical analysis. Three sites (2 STPs and river Rhine at Worms) were selected for this field study. Due to the lack of information on possible hormonal activity of various chemicals, the gonadal recrudescence assay with the fathead minnow (Pimephales promelas) was introduced as a fish screening test to identify potential hormonally active chemicals. For the evaluation of this fish test, the known hormones 17a-ethinylestradiol (EE2) and 17a-methyltestosterone (MT) were used. Finally, this gonadal recrudescence assay was adapted to field experiments using a STP effluent as a model. After optimisation of the two in vitro bioassays for environmental screening, a good correlation was found between the different test systems and chemical analysis. Both STP effluents proved positive with respect to concentrations of estrogenically active chemicals. Even in the river Rhine, biologically relevant concentrations of estrogenically active chemicals could be detected. Within the fish testing system, LOECs (lowest observed effective concentrations) were 1 ng/L EE2 for gonad alterations, amount of tubercles, plasma vitellogenin and liver ultrastructure in male fish. In the MT-study, the LOEC was 0.1 µg/L in female gonads. An influence on the fertilisation rate could be found from 10 ng/L (EE2) and 5 µg/L (MT). STP effluent-exposed fathead minnow displayed estrogenic effects in form of a reduction in the number of tubercles, increased plasma vitellogenin and necrotic spermatogonia in males as well as enhanced female gonad development.