Unraveling the mechanistic effects of crude oil toxicity during early life stages of cold-water marine teleosts

EGGTOX prosjektet har undersøkt tålegrenser for oljeforurensning på egg for 6 viktige marine fiskearter; torsk, hyse, sei, polartorsk, sild, og kveite. Resultatene er entydige for alle artene som ble testet. Fiskeembryo (egg) er meget sensitive for oljeforurensning og alle de forskjellige arter får alvorlige utviklingsskader ved oljedoser som kan oppstå i sjøen etter et alvorlig oljeutslipp. Men det er også tydelige artsforskjeller; Hyse og polar torsk er de mest følsomme arter og vi finner her dødelige effekter ved oljedoser ned til 30 ug oil/L. Det er ca. 6-20 ganger lavere enn for de andre arter som er testet. Dette skyldes at fiskeeggene til hyse og polartorsk kan akkumulere mikroskopiske oljedråper fra vannet på eggeskallene og dermed bli kraftigere eksponert enn fiskeegg som kun tar opp vannløste oljekomponenter. EGGTOX-prosjektet er et stort internasjonalt samarbeide med forskere fra Norge, USA, England, Frankrike og Danmark. Det er blitt etablert like eksponeringssystemer på 4 forskjellig laboratorier for å øke kapasitet og for å utvikle direkte sammenlignbare resultater. Laboratoriene inkluderer 2 i Norge (SINTEF i Trondheim og Havforskningsinstituttet på Austevoll) og 2 i USA (NOAA i Seattle, Washington og Newport i Oregon). Eksperimentene er standardisert og består av en kort oljeeksponering (tre dager), hvorpå fiskeeggene ble overført til rent sjøvann og fulgt fram til de ble klekket som larver (10-40 dager). Noen av eksperimentenene ble utført med og uten UV (torsk og hyse) for å studere effekten av fototoksistet. For hyse og polartorsk ble det også gjennomført studier av langtidseffekter og fisken er derfor fulgt frem til juvenil stadium (4-6 måneder). Forsøkene er utført ved å eksponere fiskeeggene for dispergert olje (oljekomponentene vil da både forekomme som i dråpeform (mikrodråper > 20 um) og i løst form i vannet). I EGGTOX prosjektet forsøker vi å forstå de bakenforliggende biologiske mekanismer for oljens giftighet og forsøke å identifisere presis hvilke oljekomponenter som gir disse alvorlige effekter. Det er blitt vist at hjertet er spesielt sårbart for oljeforurensning, og både funksjon og utvikling av hjertet blir påvirket. Dette fører til en rekke sekundære effekter fra tap av sirkulasjon, slik som rygg- og kjevemisdannelser, noe som igjen resulterer i redusert svømmeevne og matopptak, og som til slutt medfører død under larvestadiet. Polyaromatiske hydrokarboner (PAH) er kjent å være blant de mest giftig stoffer i olje og vi finner en sterk sammenheng mellom vannkonsentrasjonen/ kroppsnivåene (body burden) av PAHer og de skadelig effekter hos fiskeegg/larver. Oljeeksponeringen resulterer kun i akutt dødelighet ved relativt høye doser, samt ved eksponering sammen med UV, mens ved selv meget lave doser så forstyrres embryoutviklingen som fører til en høy dødelighet på larvestadiet. Modellering av giftighet viser akutt dødelighet for hyseegg ved PAH-doser på LD50 =2,8 ug PAH/L (LD50 = den konsentrasjon som dreper 50 % av forsøksdyrene), mens den forsinkede dødelighet for 20 dager gamle hyselarver har LD50 = 0,25 ug PAH/L. Våre resultater viser i tillegg at oljedoser (ned i 10 ug olje/L, 0,1 ug PAH/L) som ikke resulterte i dødelige effekter i laboratoriet kan påvirke adferd hos fiskelarver (svømmehastighet og svømmeorientering), som i neste runde kan påvirke sannsynligheten for overlevelse i naturen. Man kan derfor ikke utelukke at selv lavere doser kan ha skadelige effekter. Vi anbefaler derfor å bruke effektdoser på 0,1 ug PAH/L i de videre risikomodelleringsstudier. Vi har videre fraksjonert oljeblandingen og studert hvilke oljefraksjoner og enkelt-PAHer som gir høyest giftighet. Resultatene våre viser tydelig at ingen av fraksjonene eller enkelt-PAHer egenhendig kan forårsake giftigheten som observeres ved eksponering for hele oljeblandingen. Allikevel har både våre studier og mange andre studier vist at mengde PAHer i oljeblandingen er sterkt korrelert til dødelighet og deformiteter. Det vil si at selv om PAHer i seg selv ikke egenhendig kan forklare den høye giftigheten, kan man ved å måle mengde PAH i oljen ganske nøyaktig estimere giftigheten til oljeblandingen. I fremtiden bør man uansett ha fokus på å utvikle nye metoder for å utrede hvilke giftige forbindelser den komplekse oljeblandingen består av, og som igjen kan kunne benyttes som et mer nøyaktig mål for giftighet. Per i dag er det kun måling av mengde PAH i oljeblanding som gir den beste korrelasjon til giftighet og vi anbefaler derfor at man bruker mengde PAH til å modellere oljegiftighet etter oljeutslipp. Resultatene fra EGGTOX prosjektet har gitt et solid datagrunnlag for tålegrenser for oljeforurensning på egg fra marine fisk som nå brukes til risikomodellering av oljeutslipp i Lofoten og Vesterålen og andre marine økosystem i nord.

Resultatene fra EGGTOX prosjektet har gitt et solid datagrunnlag for tålegrenser for oljeforurensning på egg fra marine fisk som nå brukes til risikomodellering av oljeutslipp i Lofoten og Vesterålen og andre marine økosystem i nord. Prosjektet har gitt en økt forståelse hvordan oljeforurensning påvirker organismen, samt påvist at de alvorlige effektene av oljeforurensning ikke kan tilegnes enkeltkomponenter eller enkeltfraksjoner av oljen. Resultatene fra EGGTOX inngår i data materialet til rapporten fra FAGLIG FORUM FOR NORSKE HAVOMRÅDER; "Risiko for og beredskap mot akutt forurensning - endringer og utviklingstrekk, M-1304, 2019"

Oil spills can have significant adverse impacts on spawning fish populations due to the toxicity of crude oil-derived chemicals to sensitive early life history stages. Despite increasing knowledge in this area, there are still important unanswered questions relating to responses of different fish species, the identity of the precise chemicals causing toxicity, and exact mechanisms of action. This project builds on novel findings in these areas from the recently completed RCN-funded OIL-HADDOCK Project (No. 234367; 2014-16). Filling these data gaps will improve assessment of ecological risk and environmental damage related to future oil spills in highly productive fish habitats, and lead to the development of state-of-the-art tools for monitoring fish health in areas of oil extraction. In OIL-HADDOCK we identified genes that may serve as the basis for new biomarkers of several adverse outcomes stemming from exposure of fish embryos and larvae to crude oil. The project also provided new data and hypotheses relating to the role of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) as drivers of crude oil toxicity to developing fish. In this project, we will further advance oil toxicity science in seven key Norwegian fish species through three specific aims. These are: (1) Validate new AOP molecular biomarkers identified in haddock across multiple species using qPCR and whole-mount in situ hybridization. The results will determine the extent to which the new tools can accurately diagnose disrupted cardiac function, lipid metabolism, and osmoregulation from oil exposure. (2) Identify the precise cardiotoxic components of crude oil. We will specifically test the hypothesis that bioactivated metabolites of tricyclic PAHs are more toxic than their corresponding parent compounds. (3) Verify a mechanism of cardiotoxic action using structure-activity relationships and related screening tools developed for human drug discovery and pharmaceutical safety.