Synergistic effects of sea ice-free periods and contaminant exposure on energy metabolism in polar bears

Isbjørnen er blant de mest sårbare artene ovenfor klimaendringer, dette mye på grunn av sin avhengighet av havisen for å jakte på ringsel. Lengre isfrie sommersesonger og økt sesongvariasjon i isutbredelsen vil få mest konsekvenser for gravide og ammende binner, og kan derfor til slutt påvirke individers reproduktive suksess og derved bestanden. Isbjørn er også utsatt for høye nivåer av miljøgifter. Kombinasjonen av flere stressfaktorer relatert til klimaendringer og forurensing framstår som et «worst-case scenario» for arktisk dyreliv. Bruk av energireserver under isfrie perioder kan føre til økte konsentrasjoner av miljøgifter i kroppen. I tillegg tyder ny forskning på at eksponering for miljøgifter kan påvirke flere fysiologiske prosesser som er avgjørende for isbjørnens evne til å tilpasse seg stigende temperaturer og mindre sjøis. Vår hypotese er at miljøgifter kan lede til suboptimal energimetabolisme hos isbjørn under isfrie perioder. For å utforske hypotesen, sammenligner vi aspekter knyttet til kroppskondisjon, helse, energimetabolisme og forurensningsstatus i isbjørnbinner fanget på Svalbard om våren og høsten. Vi samlet inn et større prøvemateriale som vi analyserte for alle planlagte parametere. Materialet besto av 112 prøver av voksne isbjørnbinner samlet i april og september 2012 og 2013 på forskjellige lokaliter på Svalbard med ulike isforhold. Prøvene blev analysert for miljøgiftnivåer, stabile isotoper, fettsyresammensetning, skjoldbruskhormoner, mRNA-utrykk av gener relatert til fettmetabolisme, blod klinisk-kjemiske parametere og status på oksidativt stress. Som en del av ny virksomhet knyttet til BearEnergy har vi studert stoffskifte ved bruk av metabolomics. I tillegg har vi analysert DNA-skader og mRNA-utrykk av gener relatert til metabolske prosesser og oksidativ stress i en del av prøvene. Videre har vi utviklet en metode for å se på effekter av miljøgifter i isbjørnens stamceller isolert fra fett. Vi har også et nytt samarbeide for å måle lengde av telomerer, som beskytter DNA mot skader. To postdocer og 5 MSc-studenter har vært tilknyttet prosjektet. Hovedresultater er at havisforhold påvirker isbjørnens kosthold, hvor tykke de er og nivåer av miljøgifter. Isbjørner spiser mer sjøfugl i områder med mindre havis mens isbjørn som lever i områder med mer stabile isforhold er mer selektive mot sel. Gjess og reinsdyr er også en del av høstdietten i områder der det er lite havis. I tillegg var binner uten unger mer selektive, og spiste på høyere trofiske nivå i forhold til binner med unger. Isbjørnbinner er tynnere på vår enn høst, spesielt etter en vinter med lite havis, og på områder hvor det finns lite havis. Et større antall isbjørn faster på høsten enn på våren. Når det er lite havis og isbjørnen er på sitt tynneste så har de høyere nivåer av fettløselige miljøgifter i kroppen enn når det er gode isforhold. Derimot er miljøgifter som binder til proteiner (PFAS) høyest hos isbjørnbinner som spiser høyt opp i næringskjeden og hos de som faster. Nivåer av skjoldbruskhormoner, som regulerer stoffskifte, er generelt høyere om våren sammenlignet med høsten selv om en sesongeffekt hovedsakelig ble observert i binner uten unger. Noen hormoner hadde en negativ korrelasjon med konsentrasjoner av miljøgifter, spesielt om våren. Sammenhenger mellom mRNA-utrykk av gener relatert til fettmetabolisme, blod klinisk-kjemiske parametere, metabolomics og miljøgiftnivåer tyder på at isbjørnens fettmetabolisme er påvirket av miljøgifter. In vitro cellestudier tyder på at miljøgifter kan påvirke fettlagring hos isbjørn.

The combination of the effects of pollutants and climate change has been hypothesized to be a worst-case scenario for arctic wildlife. The Barents Sea subpopulation of polar bears (Ursus maritimus) is subject to pronounced loss of sea ice habitat due to c hanging climate. In addition, this subpopulation is defined as a "hotspot" population in terms of contaminant exposure in Arctic wildlife. Prolongation of sea ice-free summer seasons is expected to challenge polar bears energetically. Since recent knowled ge suggests that contaminants may interfere with energy metabolism, we hypothesize that exposure to contaminants may lead to suboptimal energy metabolism during sea ice-free periods in polar bears. In order to explore the hypothesis, we will compare aspec ts related to fasting and health status, energy metabolism and contaminant exposure in 60 female polar bear sampled from Svalbard first in spring (April) and re-sampled the following autumn (September). First, we will investigate the influence of local se a ice cover on fasting and health status of polar bears measured as body condition, serum biochemistry and oxidative stress status. Second, we will investigate fasting processes at the physiological, molecular and biochemical level. Third, we will look at effect of fasting on toxicokinetics and biotransformation of a wide range contaminants including legacy and emerging organochlorinated, -brominated and -fluorinated compounds. Finally, we will combine the information of fasting status and processes, heal th parameters and contaminants to investigate whether energy metabolism differs between individuals that at exposed to different levels of contaminants. The proposed study will bring new information about both the effects of climate change and contaminant exposure in an apex arctic predator. This information is highly relevant both for scientific community and management agencies.