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Fachartikel
02. Juli 2021

Gewässer

Schädigen Pfanzenschutzmittel Fische?

Eine umweltrelevante Mischung aus fünf Pflanzenschutzmitteln (PSM) hatte direkte sowie langfristige subletale Effekte auf den Energiehaushalt von jungen Bachforellen. Zudem gab es Wechselwirkungen mit den beiden anderen Stressoren, erhöhter Wassertemperatur und PKD-Parasitenbefall. Die Studie konnte darüber hinaus einen Satz von molekularen Biomarkern identifizieren, die deutlich auf die PSM-Expositionen reagiert haben.
Kristina Rehberger , Helmut Segner, Anne-Sophie Voisin, Daniel Olbrich, Melanie Fasel, Inge Werner, Maxime Regnier, Pamela Nicholson, Marco Kreuzer, 

Kleine und mittelgrosse FliessgewĂ€sser in landwirtschaftlich intensiv genutzten Gebieten gehören zu den stark durch menschliche EinflĂŒsse belasteten aquatischen Ökosystemen. Verbauungen, Wassernutzung, EintrĂ€ge von Chemikalien, Auswirkungen der KlimaverĂ€nderung und Krankheiten verĂ€ndern die GewĂ€sserlandschaft und haben Auswirkungen auf die Flora und Fauna unserer GewĂ€sser. Bezeichnenderweise figuriert ein hoher Anteil der heimischen Fischarten auf der Roten Liste der gefĂ€hrdeten Arten [1]. BestĂ€nde wie die der Bachforelle, einer Leitfischart Schweizer GewĂ€sser, verzeichnen seit Jahren einen deutlichen RĂŒckgang [2, 3]. Ein Faktor, der als mögliche Ursache fĂŒr den schlechten Zustand der Schweizer Fischfauna angesehen wird, ist unter anderem die Belastung der GewĂ€sser mit Pestiziden (Pflanzenschutzmitteln [PSM] und Bioziden). Chemisch-analytische Untersuchungen der letzten Jahre haben gezeigt, dass kleine und mittelgrosse FliessgewĂ€sser in landwirtschaftlich intensiv genutzten Gebieten der Schweiz teilweise stark mit PSM belastet sind [4–7]. Dies fĂŒhrt zu der Frage, ob die PSM-Belastung der GewĂ€sser eine nachteilige Wirkung auf Gesundheit und ökologische Fitness der einheimischen Fische hat und zu GefĂ€hrdung und RĂŒckgang der FischbestĂ€nde beitrĂ€gt.
RisikoabschĂ€tzungen hinsichtlich möglicher Wirkungen auf Fische kommen zu dem Schluss, dass die in der Schweiz gemessenen PSM-Konzentrationen zeitweise ein Risiko fĂŒr Fische darstellen [8, 9]. In der Regel stammen die in RisikoabschĂ€tzungen verwendeten ToxizitĂ€tsdaten jedoch nicht von einheimischen Fischarten und decken nicht alle Lebensstadien ab [10]. Es stellt sich die Frage, inwieweit diese AbschĂ€tzungen fĂŒr Arten wie die Bachforelle und deren unterschiedliche Lebensstadien zutreffen. Auch mögliche subletale Wirkungen von PSM auf Fische, z. B. Auswirkungen auf das Verhalten oder die FĂ€higkeit zur Abwehr von Krankheitserregern, finden in der Regel noch keinen Eingang in die RisikoabschĂ€tzung [10, 11]. Jedoch können subletale Effekte verschiedene Eigenschaften von Lebewesen beeinflussen, die fĂŒr den Erhalt der Population wichtig sind, zum Beispiel die Fortpflanzungshormone, das Verhalten oder das Immunsystem [12]. So wurde beispielsweise gezeigt, dass PSM den Geruchssinn von Lachsen stören können und damit deren Laichwanderung beeinflussen und so die FortpflanzungsfĂ€higkeit der Population beeintrĂ€chtigen [13]. Zudem sind Fische in ihren GewĂ€ssern nicht nur PSM, sondern einer Vielzahl von unterschiedlichen Stressoren ausgesetzt, was zu unerwarteten Kombinationswirkungen und kumulativen Effekten fĂŒhren kann [14]. Es besteht daher ein dringender Forschungsbedarf zur Schliessung von WissenslĂŒcken. Zudem ist es erforderlich, Methoden zu entwickeln, die im Freiland zur Erkennung von PSM-Expositionen bei Fischen eingesetzt werden können.
Ziel der vorliegenden Studie war es, die möglichen Wirkungen einer fĂŒr die Schweiz relevanten PSM-Mischung auf den allgemeinen Gesundheits-/Fitnesszustand von Bachforellen zu untersuchen – sowohl allein als auch in Kombination mit zusĂ€tzlichen Stressoren wie erhöhter Wassertemperatur und Parasitenbefall. Die kontrollierten Versuchsbedingungen wurden so gewĂ€hlt, dass sie möglichst nahe an der Freilandsituation lagen: Die Auswahl der PSM baute auf den Erkenntnissen aus der Risikoanalyse von [9, 10] auf, in der jene PSM ermittelt wurden, die das höchste Risiko fĂŒr Fische darstellen. Die Fische wurden zudem nicht einem Einzelstoff, sondern einer PSM-Mischung ausgesetzt. Die eingesetzten Konzentrationen lagen im Bereich von gemessenen Umweltkonzentrationen (1×) bzw. spiegelten hypothetische Spitzenbelastungen wider (5×). Da die Hauptapplikationsperiode vieler PSM im FrĂŒhjahr und FrĂŒhsommer liegt, wurden als zu untersuchendes Lebensstadium junge Bachforellen ausgewĂ€hlt. Um einen möglichen Einfluss der Wassertemperatur zu erfassen, wurde der Versuch bei 12 °C und 15 °C durchgefĂŒhrt. Die fĂŒr diese Studie ausgewĂ€hlten Wassertemperaturen treten im FrĂŒhjahr resp. FrĂŒhsommer in GewĂ€ssern des Schweizer Mittellands auf. Allerdings ist zu betonen, dass infolge der KlimaerwĂ€rmung die Temperaturen Schweizer BĂ€che mittlerweile hĂ€ufig deutlich höhere Werte erreichen und zudem stark schwanken können. Da in mehr als 50% der MittellandgewĂ€sser die Bachforellen mit dem Parasiten Tetracapsuloides bryosalmonae infiziert sind, wurde auch dieser Umweltstressor in der Studie berĂŒcksichtigt. Es handelt sich dabei um den in Schweizer GewĂ€ssern weitverbreiteten Erreger der Proliferativen Nierenerkrankung (PKD) – zentraler Faktor im RĂŒckgang der BachforellenbestĂ€nde [15–17]. Die vorliegende Studie diente darĂŒber hinaus der Entwicklung von Methoden, die in Freilandstudien zur FrĂŒherkennung einer PSM-Exposition bei Fischen eingesetzt werden könnten. Molekulare Biomarker stellen hierbei vielversprechende Parameter dar, denn es handelt sich um Gene, die frĂŒhzeitig auf eine bestimmte Belastung reagieren und diese somit anzeigen können.
Zusammenfassend sollten also folgende drei Leitfragen mit der vorliegenden Studie beantwortet werden:
– Hat eine PSM-Mischung, wie sie in Schweizer BĂ€chen auftreten kann, direkte und/oder lĂ€ngerfristige subletale Wirkungen auf Jugendstadien von einheimischen Bachforellen?
– Modifizieren weitere Stressoren – erhöhte Wassertemperatur und/oder Parasiteninfektion – den Einfluss der PSM auf die Bachforellen?
– Gibt es fĂŒr Felduntersuchungen geeignete Parameter (hier: molekulare Biomarker), um eine PSM-Exposition bei Bachforellen zu erkennen?

DURCHFÜHRUNG DER STUDIE

Studien-Design
HĂ€lterung

Junge Bachforellen wurden Ende April 2019 von Biasca e dintorni (Tessin) ans Zentrum fĂŒr Fisch- und Wildtiermedizin (FIWI) der UniversitĂ€t Bern transferiert und dort fĂŒr etwa drei Monate in QuarantĂ€ne gehalten, anschliessend wĂ€hrend gut eines Monats an die Versuchsbecken (zwanzig 35-Liter-Glas-Durchflussaquarien) und die Wassertemperaturen des Versuchs (8 Becken: 11,94 ± 0,61 °C; und 12 Becken: 15,3 ± 0,43 °C) akklimatisiert. Bei Beginn des Versuches waren die Fische etwa sechs Monate alt, das indivi­duelle Gewicht betrug im Durchschnitt 5,74 ± 2,08 g und die Tiere wurden bei einer Dichte von 14,76 g Fisch pro Liter gehalten. Die Behandlungsgruppen (Fig. 1) wurden im Duplikat durchgefĂŒhrt. Die Bewilligungsnummer des Kantons Bern lautet BE 39/19.

PSM-Exposition

Die Fische wurden zunĂ€chst fĂŒr 14 Tage einer umweltrelevanten Mischung von fĂŒnf Pestiziden ausgesetzt. Diese Mischung, im Folgenden «PSM-Mischung» genannt, bestand aus den Fungiziden Fluopyram und Epoxiconazol, dem Herbizid Diuron und den Insektiziden Chlorpyrifos und λ-Cyhalothrin (Tab. 1). Diese Wirkstoffe können derzeit alle (z.T. innerhalb der Aufbrauchsfristen) noch als PSM eingesetzt werden, bis auf Chlorpyrifos, dessen Aufbrauchfrist Ende Mai 2021 ausgelaufen ist. Diuron kann zusĂ€tzlich als Biozid eingesetzt werden. Neben der Kontrolle ohne PSM (0×) wurden zwei nicht-letale Konzentrationen der PSM-Mischung verwendet: zum einen die maximale Konzentration, die 2017 in Schweizer GewĂ€ssern in 3,5-Tage-Mischproben (MECmax,2017) gemessen wurde (1×; Tab. 1); zum anderen eine fĂŒnffach höhere Konzentration (5×), um eine hypothetische Spitzenbelastung nachzustellen, und um die KonzentrationsabhĂ€ngigkeit der PSM-Effekte zu prĂŒfen (Fig. 2). Die WasserqualitĂ€tsparameter (pH, HĂ€rte, Ammonium und Nitrat/Nitrit) wurden regelmĂ€ssig ĂŒberprĂŒft und waren konstant.

Parasiteninfektion

Direkt nach Ende der PSM-Exposition wurde die HĂ€lfte der Fische mit dem PKD-Parasiten infiziert (Fig. 2). Dazu wurden die Bachforellen an vier aufeinanderfolgenden Tagen jeweils fĂŒr eine Stunde ĂŒber das Wasser einer definierten, nicht-letalen Menge Parasitensporen ausgesetzt [18].

Erholungsphase

Nach Beendigung der Infektionsphase wurden alle Fische, infizierte wie nicht-infiziert, weitere 88 Tage ohne Zusatz von PSM und PKD-Parasiten in den Becken gehalten, um mögliche Nachwirkungen und SpÀtfolgen der PSM-Exposition zu erfassen (Fig. 2).

PSM-Wasseranalytik

WĂ€hrend der PSM-Exposition wurden aus jedem Becken im Abstand von zwei bis drei Tagen insgesamt fĂŒnfmal Wasserproben entnommen, um die PSM-Stoffkonzentrationen analytisch zu bestimmen. Die Wasserproben wurden mit internen Standards versetzt und fĂŒr die Analyseverfahren aufbereitet. Aufgrund der chemischen Eigenschaften wurden die Konzentrationen von Diuron, Epoxiconazol und Fluopyram mittels ESI-LC-MS/MS (FlĂŒssigchromatographie mit Elektrospray-Ionisation und Massenspektrometrie-Kopplung) und die Konzentrationen von Chlorpyrifos und λ-Cyhalothrin mittels GC-APCI-MS/MS (Gaschromatographie und chemische Ionisation bei AtmosphĂ€rendruck gekoppelte Massenspektrometrie) ermittelt. Die nominalen (MECmax,2017) und gemessenen (1×, 5×) Konzentrationen sind in Tabelle 1 aufgefĂŒhrt.

Probenahme

WĂ€hrend der Zeitpunkt der ersten Probenahme auf die Erfassung der direkten Auswirkungen der PSM-Exposition abzielte, sollten in den Fischen der zweiten Probenahme die lĂ€ngerfristigen Wirkungen der drei Stressoren gemessen werden (Fig. 2). Zum Zeitpunkt der zweiten Probenahme hatte die Parasitenmenge in den infizierten Fischen ein Maximum erreicht. Die Studie umfasste weitere Probenahmen, der Übersichtlichkeit halber sind diese hier nicht aufgefĂŒhrt.
Aus jedem Versuchsbecken wurden acht juvenile Bachforellen entnommen und mit einer Überdosis des BetĂ€ubungsmittels MS222 und Kiemenschnitt euthanasiert. FischlĂ€nge und -gewicht der abgetrockneten Fische wurden gemessen und Blut aus der Kaudalvene entnommen. Organe wurden seziert, gewogen, mit flĂŒssigem Stickstoff schockgefroren und bei minus 80 °C gelagert. Die Analysen der molekularen Biomarker wurden in Gehirn und Leber, die Parasitenmenge in der Rumpfniere und das Mikrobiom (bei nur vier Fischen pro Becken) in den Kiemen dieser Fische analysiert. FĂŒr die Immuno-Assays wurden zusĂ€tzliche neun Fische pro Becken beprobt. Bei der Schwimmtunnel-Respirometrie wurden weitere acht Fische pro Becken beprobt und jeweils als Vierergruppe gemessen. Der Sauerstoffverbrauch wurde pro Fischgruppe mindestens dreimal bei beiden Strömungsgeschwindigkeiten erfasst. Die Zunahme des Sauerstoffverbrauchs wurde pro Fischgruppe kalkuliert. Die Immuno-Assays sowie die Schwimmtunnel-Respirometrie wurden mit jeweils nur fĂŒnf Behandlungsgruppen durchgefĂŒhrt:
(1) 12 °C, 0× PSM, nicht infiziert
(2) 15 °C, 0× PSM, nicht infiziert
(3) 15 °C, 0× PSM, infiziert
(4) 15 °C, 5× PSM, nicht infiziert
(5) 15 °C, 5× PSM, infiziert

Effekt-Parameter

In Figur 2 ist grafisch dargestellt, welche Effekt-Parameter bei welcher Probenahme gemessen wurden.

HĂ€matokrit

Der HĂ€matokrit reprĂ€sentiert den Volumenanteil der Blutkörperchen im Blut und gibt einen indirekten Hinweis auf den allgemeinen Gesundheitszustand der Fische. Er ist erhöht, wenn z. B. mehr Immunzellen im Blut vorhanden sind. Zur Bestimmung des HĂ€matokrits wurde Blut der Kaudalvene in Na-heparinisierten Mikro-HĂ€matokrit-Röhrchen gesammelt, zentrifugiert, die Fraktionen wurden abgemessen und in ein prozentuales VerhĂ€ltnis gesetzt.

Konditionsfaktor

Um die Reaktion des Fisches als Gesamt­organismus auf die PSM-Exposition zu erfassen, wurde der Fulton’sche Konditionsfaktor (KF) berechnet. Dieser reprĂ€sentiert das VerhĂ€ltnis aus LĂ€nge und Gewicht der Fische. Folglich wĂŒrde z. B. ein Gewichtsverlust eine Reduktion des KF verursachen. Die verwendete Formel lautet: KF = 100 * (Fischgewicht/FischlĂ€nge3).

Organ-Somatischer Index

Organ-Somatische Indizes setzen das jeweilige Organgewicht in Relation zum Körpergewicht. Beispielsweise kann eine Abnahme von Reservestoffen (Fett, Glykogen) zu einer Reduktion des Leber-Somatischen Index (LSI) fĂŒhren, eine Aktivierung des Immunsystems zu einer Zunahme des Kopfnieren-Somatischen Index (KSI) oder eine Infektion mit dem PKD-Parasiten zu einer Zunahme des Rumpfnieren-Somatischen Index (RSI). Die Somatischen Indizes wurden wie folgt berechnet: SI = 100 * (Organgewicht/Fischgewicht).

Parasitenmenge

Dieser Wert gibt einen Hinweis, wie viel Parasiten sich im Fisch befindet. Ist z. B. der Wert einer Behandlungsgruppe im Vergleich zur Kontrolle höher, so hat die Behandlung die KrankheitsempfĂ€nglichkeit der Fische erhöht. FĂŒr die Bestimmung wurde die DNA aus der Rumpfniere der Fische extrahiert und mittels TaqMan-qPCR quantifiziert (fĂŒr Primer und Probe s. [19]).

Molekulare Biomarker

Um die PSM-Belastung anzeigen zu können, wurden Gene als molekulare Biomarker ausgewĂ€hlt, die auf spezifische Wirkmechanismen von Pestiziden ansprechen oder in der Immun- bzw. Stress­antwort eine Rolle spielen. ZusĂ€tzlich wurden sechs Referenzgene ausgewĂ€hlt, welche auf diese Stressoren nicht reagieren (Tab. 2). FĂŒr die Analyse wurde die Boten-RNA (mRNA) aus Leber oder Gehirn isoliert, die Konzentration spektrophotometrisch abgeleitet und die QualitĂ€t ĂŒberprĂŒft. Nach DNase-Behandlung wurde die komplementĂ€re DNA (cDNA) synthetisiert. Jede Probe wurde mittels qPCR unter Verwendung gen-spezifischer Primer gemessen. Das VerhĂ€ltnis der Biomarker-mRNA von Behandlung zu Kon­trolle wurde als «relative Genexpression» berechnet [20].

Kiemen-Mikrobiom

Als natĂŒrliche Barriere besitzen die Kiemen von Fischen eine feine Schutzschicht, die u. a. eine Vielzahl von Bakterien – das Mikrobiom – enthĂ€lt. Wird das Mikrobiom z. B. durch Schadstoffe verĂ€ndert, so können der Gesundheitszustand des Fisches und seine FĂ€higkeit, eine Infektion mit Krankheitserregern abzuwehren, beeinflusst sein. FĂŒr die Analyse wurden die DNA aus den Kiemen extrahiert, die V3-V4-Region der 16S rRNA amplifiziert und die resultierenden Amplicons mit einem Illumina MiSeq-GerĂ€t sequenziert. Die Daten wurden bioinformatisch ausgewertet und die bakterielle Artenzusammensetzung (Alpha-DiversitĂ€t) abgeleitet.

Immuno-Assays

Um die Auswirkungen der PSM auf das Immunsystem zu untersuchen, wurden Immunzellen aus der Kopfniere der Forellen isoliert, gezÀhlt und zwei immunologische Funktionsparameter analysiert [21]:
– Phagozytose: Die FĂ€higkeit, fremde Partikel wie z. B. Krankheitserreger aufzunehmen.
– Respiratorischer Burst: Die FĂ€higkeit, diese Partikel innerhalb der Zelle durch Freisetzung von reaktiven Sauerstoffspezies zu «verdauen».

Beides sind wichtige Prozesse in der angeborenen Immunantwort. Eine Störung kann die FÀhigkeit zur Abwehr von Krankheitserregern reduzieren.

Schwimmtunnel-Respirometrie

Der Sauerstoffverbrauch wurde in einem Schwimmtunnel gemessen und ist ein Indikator fĂŒr den Energieanteil, den die Fische fĂŒr die SchwimmaktivitĂ€t zur VerfĂŒgung haben. Lösen Umweltbedingungen eine Stressreaktion beim Fisch aus, muss er dafĂŒr einen Teil seines Energiebudgets einsetzen und es steht weniger Energie bereit. Die Analysen wurden mittels intermittierender Schwimmtunnel-Respirometrie durchgefĂŒhrt [18]. Der Sauerstoffverbrauch wurde bei zwei Schwimmgeschwindigkeiten (basal: 10 cm/s; erhöht: 20 cm/s) als metabolisierter Sauerstoff (MO2) erfasst. Es wurden zwei Parameter untersucht:
– Sauerstoffverbrauch: Der Sauerstoffverbrauch fĂŒr die basale SchwimmaktivitĂ€t ist ein Indiz dafĂŒr, wie viel Energie dem Fisch im Ruhezustand zur VerfĂŒgung steht.
– Zunahme des Sauerstoffverbrauchs: Die Berechnung der durchschnittlichen Zunahme des Sauerstoffs, unter Einbezug beider Schwimmgeschwindigkeiten und der gesamten Mess-periode (MO2,max minus MO2,min), gibt einen Hinweis auf den benötigten Energieaufwand fĂŒr die SchwimmaktivitĂ€t unter Belastung.

Informationen zur statistischen Auswertung

Die statistische Datenanalyse wurde mit dem Softwareprogramm R 4.0.1 (Statistical Software for Computing, Wien) durchgefĂŒhrt. Die statistische Auswertung umfasste zwei Aspekte:
– Mittels multiplen linearen Modells wurde auf Wechselwirkungen (Interaktionen) zwischen den drei Stressoren getestet. Die molekularen Biomarker und das Mikrobiom wurden dabei nicht berĂŒcksichtigt.
– Aus dem multiplen linearen Modell wurden zusĂ€tzlich ausgewĂ€hlte Behandlungsgruppen mit der jeweiligen Kontrolle verglichen, um Effekte einzelner Stressoren zu detektieren.So wurden Effekte, die durch die PSM-Mischung ausgelöst wurden, durch den Vergleich der PSM-exponierten Tiere zur jeweiligen Kontrolle (pro Temperatur und Infektionsstatus) erfasst, bspw. «12 °C, 5× PSM, nicht infiziert» vs. «12 °C, 0× PSM, nicht infiziert».

Die Messwerte zur Parasitenmenge und Zellzahl wurden fĂŒr beide statistischen Analysen log-transformiert. Statistische Signifikanz wurde akzeptiert bei p-Wert ≀ 0,05; in diesem Artikel wird dann von «deutlichen» Effekten gesprochen.

ERGEBNISSE UND INTERPRETATION

Die Daten der Studie legen nahe, dass das von der PSM-Belastung unserer GewĂ€sser ausgehende Risiko fĂŒr Bachforellen des untersuchten Lebensstadiums nicht primĂ€r in einer akut erhöhten Sterberate besteht, sondern bei den subletalen Effekten liegt. Unter den genannten Versuchsbedingungen verursachte die 14-tĂ€gige PSM-Exposition keine MortalitĂ€t. Die durchschnittliche MortalitĂ€t fĂŒr die gesamte Versuchsdauer von insgesamt 106 Tagen lag mit 2,45% im zu erwartenden Bereich. Es wurden jedoch sowohl direkt wie auch lĂ€ngerfristig subletale Effekte und Wechselwirkungen mit den beiden anderen Stressoren festgestellt.

Direkte und langfristige Wirkungen auf Energiehaushalt der Fische

Die verĂ€nderten Parameter sind in Figur 3 fĂŒr beide Probenahmen zusammengefasst. Direkt, am Ende der 14-tĂ€gigen Exposition, war der Leber-Somatische Index (LSI) bei PSM-exponierten Fischen im Vergleich zur Kontrolle deutlich, also signifikant reduziert (12 °C; Fig. 4A). Da die Leber bei Fischen ein Speicherorgan fĂŒr Energiereserven ist, zeigt die Abnahme des LSI, dass die PSM-exponierten Fische verstĂ€rkt Energie verbrauchten; vermutlich zur BewĂ€ltigung der PSM-Exposition. Einen weiteren Hinweis auf den verstĂ€rkten Energieaufwand PSM-exponierter Fische gibt der Konditionsfaktor (KF) – ein Indikator fĂŒr die Gesamt-Energiesituation und das Wachstum des Organismus. Dieser war bei 15 °C durch die PSM-Exposition im Vergleich zur Kontrolle konzentrationsabhĂ€ngig reduziert (Fig. 3). Die PSM-Exposition hatte darĂŒber hinaus direkte Effekte auf molekulare Biomarker im Gehirn (Ergebnisse s. unten).
Nach zweimonatiger Erholungsphase finden sich auch lĂ€ngerfristige Nachwirkungen der PSM-Exposition auf den Energiehaushalt der Fische – erkennbar am verĂ€nderten Sauerstoffverbrauch. Vormals 5× PSM-exponierte Fische wiesen im Vergleich zur Kontrolle einen deutlich niedrigeren basalen Sauerstoffverbrauch auf (15 °C; Fig. 4B) – ihnen stand demnach insgesamt weniger Energie zur VerfĂŒgung. Gleichzeitig scheinen die Schwimmbedingungen fĂŒr die vormals PSM-exponierten Fische «anstrengender» gewesen zu sein als fĂŒr die Kontroll-Fische, denn sie mussten bereits tendenziell mehr Sauerstoff verbrauchen, um gegen die nur leicht erhöhte Wasserströmung anschwimmen zu können (15 °C; Fig. 4C). In der Umwelt könnte dies einen Nachteil hinsichtlich Beutefang und bei der Flucht vor RĂ€ubern bedeuten. WĂ€hrend langfristige Auswirkungen der PSM-Exposition im Sauerstoffverbrauch der Fische erkennbar waren, zeigten andere Parameter wie der KF und LSI nach zwei Monaten in PSM-freiem Wasser eine Erholung. Auch bei den untersuchten Immunparametern (Phagozytose, respiratorischer Burst) waren keine deutlichen Unterschiede zwischen vormals PSM-exponierten und Kontroll-Fischen zu beobachten. In Übereinstimmung damit gab es bei der SuszeptibilitĂ€t der Fische gegenĂŒber dem PKD-Parasiten (Parasitenmenge in Niere) und der DiversitĂ€t des Kiemen-Mikrobioms (welches eine Rolle in der Abwehr von Krankheitserregern spielt) zwischen den Kontroll-Fischen und den zuvor PSM-exponierten Fischen ebenfalls keinen deutlichen Unterschied.
ZusÀtzliche Stressoren zeigten

Wechselwirkungen mit PSM-Belastung

Nach der Erholungsphase kam es zu deutlichen Wechselwirkungen zwischen den drei Stressoren – PSM-Exposition, erhöhte Wassertemperatur und Parasiteninfektion (Fig. 5). AuffĂ€llig war, dass in der Kopfniere die meisten Stressor-Wechselwirkungen detektiert wurden: Der KSI weist darauf hin, dass Komponenten des Immunsystems durch die Wechselwirkung der drei Stressoren vermutlich stĂ€rker beeinflusst wurden als durch die individuellen Stressoren (Fig. 5). DarĂŒber hinaus zeichnete sich eine Tendenz ab, dass bei höherer Wassertemperatur vermehrt PSM-Effekte auftraten und dass die lĂ€ngerfristigen Nachwirkungen der PSM-Exposition bei infizierten Fischen teilweise anders ausfielen als bei nicht-infizierten (Fig. 3 und Fig. 6). Ein deutliches Reaktionsmuster ĂŒber alle Parameter hinweg war jedoch nicht zu erkennen. Die Ergebnisse der vorliegenden Studie zeigen demnach auf, dass bei kĂŒnftigen Studien nicht nur der alleinige Effekt von PSM untersucht, sondern zusĂ€tzliche Umweltparameter in das Studiendesign integriert werden sollten.

Molekulare Biomarker reagierten auf PSM-Exposition

Die verĂ€nderten molekularen Biomarker sind in Figur 6 zusammengefasst. Die bisherigen Daten zeigen, dass sechs im Gehirn gemessene molekulare Biomarker deutlich auf die PSM-Exposition reagierten (Fig. 7). Dagegen sprachen die in der Leber gemessenen Biomarker nicht auf die PSM-Exposition an – jedoch auf die erhöhte Wassertemperatur: Die um 3 °C höhere Wassertemperatur fĂŒhrte zu einem deutlichen Anstieg von zwölf Biomarkern in der Leber (Fig. 6). Dies verdeutlicht, dass die Wirkung der PSM organspezifisch ist. Die Reaktionen im Gehirn der Fische weisen auf die Bedeutung neurotoxischer Wirkungen der PSM hin, welche Folgen fĂŒr das Verhalten der Fische haben können [22]. Angesichts der Tatsache, dass in vielen Studien meist die Leber, aber nicht das Gehirn untersucht wird, ist dieser Befund von besonderer Bedeutung. Zugleich zeigen die Ergebnisse, dass die ausgewĂ€hlten Biomarker die vielfĂ€ltigen Wirkmechanismen der PSM widerspiegeln. Die Daten zeigen darĂŒber hinaus, dass die Mehrzahl der Biomarker ĂŒberwiegend auf die 1× PSM-Mischung bei 15 °C reagierte, welche tatsĂ€chlich gemessene Konzentrationen in FliessgewĂ€ssern widerspiegelt, wĂ€hrend die Messwerte bei 5× PSM-exponierten Fischen nahe an den Kontrollwerten lagen. Dies weist einerseits darauf hin, dass bei höheren Konzentrationen entweder andere zellulĂ€re Abwehrmechanismen aktiviert wurden oder bereits SchĂ€digungen der Zelle auftreten, sodass Abwehrreaktionen nicht mehr initiiert werden (können). Andererseits sind die Studienergebnisse fĂŒr die Auswahl von molekularen Biomarkern in kĂŒnftigen Freiland-Monitoring-Studien der Bachforellenpopulation unserer GewĂ€sser von Bedeutung.

FAZIT

Die vorliegende Studie hat gezeigt, dass eine PSM-Exposition unter Konditionen, wie sie in Schweizer GewĂ€ssern auftreten können, eine Reihe subletaler Effekte bei jungen Bachforellen auslöste. Bemerkenswerterweise waren PSM-Effekte sowohl direkt wie auch lĂ€ngerfristig, nach einer zweimonatigen Erholungsphase, zu beobachten. Solche subletalen Effekte sind ökologisch relevant, da sie Wachstum, Überleben und Reproduk­tionsleistung und damit den Bestand der Population beeinflussen können [12]. Ein Beispiel bietet der hier beobachtete subletale PSM-Effekt auf den Energiehaushalt der Fische. Denn unter Freilandbedingungen sind die im Laufe von FrĂŒhjahr und Sommer angesammelten Energie­reserven massgebend fĂŒr das Überleben der Jungfische im Winter [23, 24]. Die PSM-Exposition könnte somit durch ihren Effekt auf den Energiehaushalt der Fische, ohne unmittelbar letal zu wirken, dennoch zu der verringerten Rekrutierung der Bachforellenpopulationen in Schweizer GewĂ€ssern beitragen. Ein zweiter, im Hinblick auf die Freilandsituation wichtiger Befund der Studie ist, dass Wechselwirkungen zwischen der PSM-Exposition und anderen fĂŒr unsere Fischpopulationen wichtigen Stressoren auftraten, nĂ€mlich erhöhte Wassertemperatur und Infektion mit dem PKD-Parasiten. Diese Beobachtung bekrĂ€ftigt, dass die Förderung von naturnahen GewĂ€ssern mit einer guten chemischen WasserqualitĂ€t vor dem Hintergrund des Klimawandels noch zusĂ€tzlich an Bedeutung gewinnt. Schliesslich konnte die Studie einen Satz von molekularen Biomarkern ermitteln, mit denen im Rahmen eines biologischen Monitorings subletale PSM-Expositionen bei jungen Bachforellen frĂŒhzeitig erkannt werden könnten. Zu diesem Aspekt lĂ€uft derzeit noch eine vertiefte Analyse und Auswertung der vorliegenden Studie, um ein robustes Biomarker-Set fĂŒr das Monitoring zu identifizieren – dies nicht nur fĂŒr die PSM-Exposition, sondern auch fĂŒr die zusĂ€tzlichen Stressoren erhöhte Wassertemperatur und PKD-Parasiteninfektion.

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Danksagungen

Die Autoren bedanken sich beim Bundesamt fĂŒr Umwelt BAFU fĂŒr die finanzielle UnterstĂŒtzung des Gesamtprojekts sowie beim Oekotoxzentrum, welches das Teilprojekt zur Entwicklung molekularer Biomarker finanzierte. Die Autoren möchten sich darĂŒber hinaus bei allen am Projekt beteiligten Personen bedanken, besonders bei Nicole Munz und BĂ€nz Lundsgaard-Hansen (BAFU, Abteilung Wasser) fĂŒr das konstruktive Feedback zu diesem Artikel.

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