Effects of dispersed oil droplets and produced water components on growth, development and reproduction of Arctic pelagic copepods

I NFR prosjektet PWC-Arctic har vi studert effektene av oljeutslipp og produsert vann på vekst, utvikling og reproduksjon hos arktiske hoppekreps. Hoppekreps er på bunnen av næringskjeden og viktig føde for mange organismer inkludert yngel av viktige fiskeslag, og en nedgang i populasjonen av hoppekreps vil kunne påvirke fiskeproduksjonen direkte. Arktiske hoppekreps bygger opp lager av fett som utgjør råstoff for eggproduksjonen. Det høye fettinnholdet gjør dem også velegnet som føde for fisk og andre dyr, men fettløselige kjemikalier tas lett opp i fettet, og hoppekreps kan også beite på oljedråper. De kan derfor bidra til at oljekomponenter kommer inn i næringskjeden. Oljekomponenter lagret i fettet kan bli overført til eggene, og dette kan føre til økt dødelighet eller forsinket utvikling eller vekst hos neste generasjon. Å undersøke dette har vært ett av målene for prosjektet. Et annet mål har vært å undersøke om vedvarende eksponering for oljekomponenter fører til effekter på utvikling fra egg til voksen. Vi har særlig fokusert på utviklingsstadier eller overganger mellom stadier som man vet er spesielt kritiske: klekking fra egg, overgangen fra andre til tredje naupliistadium da de starter å spise, og overgangen fra siste naupliistadium til første kopepodittstadium. Opptak av oljekomponenter kan føre til ubalanse i energibudsjettet og forstyrre disse overgangene. Et tredje mål har vært å finne ut hvor store mengder av oljerelaterte stoffer som blir tatt opp i dyrene, hvor raskt dette skjer, og hvor lang tid det går før komponentene skilles ut etter overføring til rent vann. Slike data er viktig når man skal evaluere effekter, og for modeller som skal predikere konsekvenser av oljesøl og oljekomponenter på populasjoner og økosystem. Gjennom tett samarbeid mellom alle partnere i prosjektet (NTNU, SINTEF Ocean, BioTrix og DTU) utførte vi eksponeringsforsøk i 3 forskjellige lokaliteter: i Ny-Ålesund (Svalbard), ved den Arktiske Stasjonen i Qeqertarsuaq (Grønland) og NTNU SeaLab i Trondheim. Vi brukte de Arktiske artene ishavsåte (Calanus glacialis) og feitåte (Calanus hyperboreus) som modellarter, og vanlig raudåte (Calanus finmarchicus) til sammenligning. PWC-Arctic-prosjektet var bygget på 3 hypoteser: (1) utskilling av produsertvannkomponenter i Arktiske hoppekreps tar lang tid og er relatert til størrelsen på fettsekken; (2) utviklingsoverganger til juvenile hoppekreps er spesielt følsomme for eksponering for produsert vann; (3) eksponering av eggleggende hunner for produsert vann komponenter leder til nedsatt reproduksjon og påvirker utvikling og vekst i avkom. Hypotese 1 var bekreftet. Arktiske hoppekreps med små fettlager tar opp potensielt toksiske polyaromatiske hydrokarboner (PAH) fra olje fortere, men skiller også ut disse komponentene raskere enn dyr med store fettlager. Dette gjelder spesielt for de store fettløslige PAH-molekylene. Den andre hypotesen ble derimot forkastet. Vi fant lite effekter av en blanding av 11 polyaromatiske hydrokarboner (PAH) på tidlige utviklingsstadier hos C. hyperboreus eksponert kontinuerlig for lave, miljørelevante konsentrasjoner. Vi fant heller ikke tydelige effekter på vekst og utvikling hos avkom til eggleggende C. hyperboreus eksponert for produsert vann. Dermed var hypotese 3 også forkastet. For å oppsummere indikerer våre data at komponenter i produsert vann og råolje har lave effekter på Calanus arter. Imidlertid påviser vi at Arktiske hoppekreps med høyt fettinnhold kan akkumulere toksiske olje- og produsertvannkomponenter som PAHer som da kan bli tatt opp i næringskjeden og overført til organismer på høyere trofiske nivå. I løpet av PWC-Arctic prosjektet har vi utviklet flere nye metoder. Vi etablerte en prosedyre for å håndtere og behandle produsert vann fra oljeplattform som opprettholder mest mulig de opprinnelige karakteristikker til vannet. En ny metode var utviklet for å ekstrahere fett direkte fra fettsekken til hoppekreps, for å studere fordeling av oljekomponenter i kroppen til disse dyrene. Vi klarte også å opprettholde en populasjon av C. hyperboreus i laboratoriet i 3 år sammenhengende. I tillegg klarte vi å bruke våre data for å teste og forbedre eksisterende matematiske modeller for å predikere bedre opptak og utskillelse av produsert vann komponenter i Arktiske hoppekreps, som er et bra hjelpemiddel for å forvalte hoppekreps- og fiskepopulasjoner på en bærekraftig måte.

Through increased international scientific collaboration between the Norwegian partners (NTNU, SINTEF, BioTrix) and the Technical University of Denmark (DTU), data were generated that allowed us to validate and improve existing mathematical models used as a tool in the sustainable ecosystem based management of copepod and fish stocks in the presence of oil production activities. The results from PWC Arctic are therefore of high value for national and international stakeholders and policy makers that deal with sustainable management of natural resources. In the long term, our findings can be used in the political decision process related to the licensing out of marine areas for oil exploration and exploitation, or the implementation of improved water treatment of effluents from oil platforms, in order to safeguard ecologically and economically important fish stocks as well as food safety.

As the Oil & Gas industry moves north towards the Arctic, it is crucial to understand and be able to predict the potential for detrimental effects of regular (produced water) and accidental oil spills on Arctic organisms, which often are characterized by high lipid content. Organisms with high lipid content are susceptible to accumulation of lipophilic organic components like produced water components (PWC) including oil droplets. Limited data exist on accumulation of oil components in Arctic lipid-rich species which are parameterized so they can be applied as input to models predicting bioaccumulation and body residues as a function of exposure time/concentration. Even less data exist where body residues of oil components are explicitly linked to sub-lethal and delayed effects (e.g. on offspring). Finally, the potential contribution of oil droplets to bioaccumulation has never been studied in Arctic species. The present project aims at i) providing parameterized data on uptake/elimination kinetics and internal administration (partitioning coefficients between lipids and body fluids) for PW components in the Arctic lipid-rich copepods Calanus glacialis and C. hyperboreus; ii) determine effect concentrations for PW components on early life stages of these copepods; and finally iii) assess the potential for maternal transfer of PW components to eggs by exposing females prior to egg-laying and determine potential developmental effects in early stages developing in clean sea water. The parameterized data collected in this project will provide direct input to numerical models aimed at predicting impact of PW on Arctic organisms. The approaches and methodologies used are based on extensive experience from previous toxicological studies on the two Arctic species and in particular the related boreal species Calanus finmarchicus.