Schadstoffeffekte auf Entwicklung, Reproduktion und genetische Variabilität : Multigenerationsstudien mit Chironomus riparius und Tributylzinn

Obwohl für eine Vielzahl von Chemikalien Ergebnisse aus Standardtest vorliegen, gibt es relativ wenige Erkenntnisse über generationsübergreifende Substanzeffekte und die Auswirkungen von Chemikalien auf die genetische Di
Obwohl für eine Vielzahl von Chemikalien Ergebnisse aus Standardtest vorliegen, gibt es relativ wenige Erkenntnisse über generationsübergreifende Substanzeffekte und die Auswirkungen von Chemikalien auf die genetische Diversität. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation werden generationsübergreifende Effekte des Modellschadstoffes Tributylzinn (TBT) bei drei subakuten Konzentrationen (4,46; 6,69 und 8,93 mikro g Sn/kg TG) auf Life-Cycle-Parameter und genetische Diversität der Zuckmücke Chironomus riparius untersucht. Dabei wird eine genetisch variable (GEN+) und eine genetisch verarmte (GEN-) Populationen betrachtet. Darüber hinaus wird das Anpassungspotential an den Stressor TBT abgeschätzt. Die genetische Variabilität von C. riparius wird mittels neu entwickelter Mikrosatellitenmarker bestimmt. Dabei werden geringfügige Längenunterschiede zwischen hochvariablen DNA-Fragmenten detektiert. Weiterhin werden Abweichungen vom Hardy-Weinberg-Gleichgewicht bestimmt. Für die Ermittlung von potentiellen Anpassungsprozessen an den Stressor TBT werden nach ausgewählten Generationen akute und chronische Anpassungstest durchgeführt. Um der Fragestellung nachzugehen, ob eine TBT-Vorexposition zu einer veränderten Sensitivität gegenüber einem Zweitstressor führt, werden Experimente mit Cadmium durchgeführt. Auch in den Zweitstressorstudien wird der Multigenerationsansatz gewählt, und es werden Life-Cycle-Experimente über drei weitere Generationen durchgeführt. Für die Experimente werden die mit 4,46 und 8,93 mikro g Sn/kg TG vorexponierten Tiere anschließend nach unterschiedlicher Generationenzahl einer umweltrelevanten Cadmiumkonzentration (1,2 mg/kg TG) ausgesetzt. Im Verlauf der Multigenerationsstudie mit 4,46 mikro g Sn/kg TG werden in beiden Populationen signifikante Effekte auf die Entwicklung und Reproduktion beobachtet. In den ersten Generationen ist der Schlupfzeitpunkt der Larven bei TBT-Exposition signifikant (p < 0,05, t-Test) verzögert. Die Reproduktion scheint ebenso ein sensitiver Parameter zu sein, wobei die Weibchen der genetisch variableren Population signifikant (p < 0,05, t-Test) größere Gelege in den späteren Generationen produzieren. Die niedrige TBT-Konzentration hat in beiden Populationen keinen signifikanten Effekt auf die durchschnittliche Populationswachstumsrate. In den letzten Generationen der Studie wird für die genetisch variablere Population eine Veränderung des Lebenszyklus festgestellt, wobei die Weibchen eine erhöhte Reproduktionsleistung aufweisen. Es werden keine Effekte auf die Heterozygotie festgestellt. Allerdings treten in beiden Populationen zahlreiche Abweichungen vom Hardy-Weinberg-Gleichgewicht auf. Weiterhin werden signifikante (Pearson-Korrelation, p < 0,05) Effekte der genetischen Diversität auf zahlreiche Life-Cycle-Parameter (Gelegeanzahl pro Weibchen, Gelegegröße) ermittelt. In den chronischen und akuten Anpassungsexperimenten gibt es deutliche Hinweise auf Adaptationsprozesse gegenüber dem Stressor TBT. In der TBT-Studie mit 8,93 mikro g Sn/kg TG werden in beiden Populationen signifikante Effekte auf zahlreiche Life-Cycle-Parameter festgestellt, wobei die Entwicklung und Reproduktion der Tiere negativ beeinflusst wird. Darüber hinaus werden in der genetisch variableren Population signifikante (p < 0,05, X2-Test) Effekte von TBT auf die genetische Diversität beobachtet. Diese nimmt im Verlauf der Studie ab. Nach der vierten Generation gibt es in der genetisch variableren Population Hinweise auf Anpassungsprozesse, die allerdings in den letzten Generationen nicht mehr nachzuweisen sind. Ähnlich wie in der ersten Multigenerationsstudie wird auch in dieser Studie ein signifikant (Pearson-Korrelation, p < 0,05) positiver Zusammenhang zwischen der genetischen Diversität und der Populationswachstumsrate bei TBT-Exposition festgestellt. In den Zweitstressorexperimenten wird der Effekt der Vorbelastung bei der genetisch variableren Population deutlich. Die mit 8,93 mikro g Sn/kg TG über neun Generationen exponierte Population reagiert dabei empfindlicher auf den Stressorwechsel als die dazugehörige Referenzpopulation. Innerhalb der Multigenerationsstudien werden zahlreiche Effekte der Organozinnverbindung TBT auf Life-Cycle-Parameter und die genetische Diversität von C. riparius deutlich. Diese Dissertation zeigt die hohe Bedeutung von Mehrgenerationenstudien für die Abschätzung und Bewertung eines Risikopotentials von Schadstoffen.
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While toxicological data are available from standard tests for numerous chemicals, little is known about effects of pollutants over several generations, or regarding chronic effects of chemicals on genetic diversity. Wit
While toxicological data are available from standard tests for numerous chemicals, little is known about effects of pollutants over several generations, or regarding chronic effects of chemicals on genetic diversity. Within the experiments, effects of the model pollutant tributyltin (TBT) were investigated over several generations at three sublethal TBT concentrations (4.46, 6.69 and 8.93 micro g as Sn/kg sediment dw) on lifecycle parameters and genetic variability of Chironomus riparius. Moreover, the adaptation potential towards TBT was determined. This experimental design enables the identification of TBT effects on life-cycle parameters and the determination of a potential extinction risk caused by chronic exposure. Furthermore, effects on the genetic variability can be determined, which cannot solely be predicted on knowledge of the toxic mode of action of the chemical. Genetic variability was determined via a newly developed microsatellite analysis for C. riparius, measuring individual differences in length of highly variable satellite DNA fragments. Furthermore, deviations from the Hardy-Weinberg equilibrium were determined. For the identification of changes in tolerances towards the stressor, acute and chronic toxicity experiments were conducted. Within the studies, second stressor experiments with cadmium were performed regarding the question if there is a differing response of differently preexposed populations to another chemical stressor. Therefore, TBT preexposed animals of the multigeneration studies were exposed to an environmentally relevant cadmium concentration of 1.2 mg/kg sediment dw after various generations and concentrations of preexposure. During the multi-generation study with the lowest TBT concentration, significant effects on development and reproduction were determined. For some generations, the emergence was significantly (p < 0.05, t test) delayed after TBT exposure. Reproduction seemed to be a sensitive parameter as well, whereby females of the genetic diverse population laid significantly larger egg masses (p < 0.05, t test). TBT did not affect the population growth rate nor the genetic variability, while clear deviations from the Hardy-Weinberg equilibrium appeared. The study also provided strong evidence for the occurrence of a higher tolerance towards the stressor in TBT-exposed group of the genetic diverse population. The highest TBT concentration led to significant effects on life-cycle parameters in the multi-generation study, whereby development and reproduction were significantly inhibited. Furthermore, significant effects on the genetic variability of the exposed population were observed. The heterozygosity decreased significantly during exposure. After four generations within the chronic exposure life-cycle scenario also evidences for an adaptation potential of C. riparius were determined. In the second stressor experiments, the effect of different preexposure scenarios became evident. The TBT preexposed population of the multi-generation study with the higher TBT exposure (8.93 micro g Sn/kg sediment dw) had a significantly increased sensitivity to cadmium stress. In the experiments, alterations of life-cycle parameters and genetic diversity of the aquatic insect C. riparius were shown. This work provides new essential views on the importance of multi-generation studies within the scope of chronic chemical risk assessment.
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Metadaten
Author:Christian Vogt
URN:urn:nbn:de:hebis:30-46845
Referee:Jörg Oehlmann
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2007/07/18
Year of first Publication:2007
Publishing Institution:Univ.-Bibliothek Frankfurt am Main
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Univ.
Date of final exam:2007/07/05
Release Date:2007/07/18
HeBIS PPN:188730796
Institutes:Biowissenschaften
Dewey Decimal Classification:570 Biowissenschaften; Biologie
Sammlungen:Universitätspublikationen
Biologische Hochschulschriften (Goethe-Universität)
Licence (German):License Logo Veröffentlichungsvertrag für Publikationen

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