Marine Disposal of Mine Tailings: Impacts on Pelagic Ecosystem Components in Norwegian Fjords

Økende behov for metaller og mineraler verden over medfører oppstart av nye gruver. Deponering av gruveavgang i sjø er kostnadseffektivt og en mye brukt metode i Norge. Sjødeponering av gruveavgang er imidlertid kontroversielt med tanke på miljøutfordringer, og kan medføre spredning av partikler som kan være skadelige for vannlevende organismer. Stress som følge av påvirkning av partikulært materiale vil ikke nødvendigvis være dødelig for organismer i vannsøylen, men kan påvirke energibalansen og medføre mindre tilgjengelig energi til utvikling, vekst og reproduksjon. Tidlige livsstadier til plankton-levende dyr som hoppekreps og egg og larver av fisk er spesielt sensitive for stress da de trenger energi til utvikling og vekst. I dette prosjektet gjør vi effektstudier med finkornet gruvemasse, og bruker resultater fra forsøk med hoppekrepsen rauåte (Calanus finmarchicus), fiskeegg og fiskelarver til å utvikle «dynamic energy budget? (DEB-kiss) modeller som vil si noe om hvor utsatt dyrene er for partikulært materiale i gruveavgang. Disse modellene vil så kunne brukes til å prediktere hvor skadelig sjødeponi er for plankton-levende organismer som hoppekreps og fiskelarver i norske fjorder. I DiTail-prosjektet har vi gjort eksponeringsforsøk med finpartikulært materiale som inneholder prosesskjemikalier og tungmetaller, og sett på ulike parametre i rauåte og tidlige livsstadier av torsk og hyse. Akutte eksponeringsforsøk med Cu viser at dette metallet er giftig for rauåte i µg/L konsentrasjoner. Rauåte i nauplii-stadiet var mer sensitive for Cu enn egg og voksne individer. Tilsvarende forsøk med Ni viste at dette metallet var mindre giftig enn Cu, og ga giftighet bare i mg/L konsentrasjoner. Klekking av rauåte egg ble imidlertid påvirket allerede ved 200 µg Ni/L. Eksponeringsforsøkene med rauåte viste at tidlige livsstadier (nauplii og kopepoditter) som spiste marmor-partikler fikk forsinket utvikling, sannsynligvis pga. påvirket energibalanse. Eksponeringsforsøkene med voksne dyr viste at partikler ble tatt opp men ikke var akutt toksiske for hoppekreps. For å identifisere hvilke komponenter i avgangen som gir effekt ble tidlige livsstadier av rauåte eksponert for CaCO3 avgang med og uten prosesskjemikalier, og for malm-avgang. Alle typer avgang induserte forsinket utvikling, redusert vekst og fett-akkumulering i rauåte. DEB-kiss modellen predikterte at effekten skyldtes redusert energi-assimilering pga. mineralpartikler. Pågående studier ser på effekten av partikler, partikler med prosesskjemikalier og tungmetaller på molekylære responser i rauåta. Metabolomikk-analyse viste at behandling med marmor-partikler (CACO3-avgang) ga sterkere respons enn Cu-eksponering (5 og 30 µg Cu/L). Eksponering for partikler påvirket mange typer metabolitter assosiert med metabolisme i dyrene, inkludert energi-metabolisme, nukleinsyrer, kofaktorer, og mekanismer linket til vekst. Sterkest utslag ble sett på glutation-systemet, noe som indikerer at partiklene induserte oksidativt stress. Analyse av RNA-seq data pågår. Forsøk med tidlige livsstadier av torsk og miljømessig relevante nivåer av Cu (opp til 6 µg/L) viste at 14 dagers eksponering hadde liten virkning på overlevelse, klekkesuksess, respirasjon og deformiteter. Torskelarver eksponert for høyere Cu-konsentrasjon (30 µg/L) hadde økt dødelighet og klekket tidligere enn larver eksponert for lavere doser. Forsøk med tidlige livsstadier av torsk- og hyse og CaCO3 avgang med prosesskjemikalier (1, 10 and 100 mg/L) viste at marmor-partikler raskt bindes til eggene, og medfører at eggene synker ved høye konsentrasjoner (10 og 100 mg/L). Torsk og hyselarver eksponert for 10 og 100 mg/L CaCO3 avgang fikk redusert klekkesuksess, økt dødelighet og utviklet flere deformiteter. Dette skyldtes sannsynligvis at partiklene bindes til eggene og dekker overflaten fullstendig. Oppfølgende forsøk med og uten prosesskjemikalier viste at tidspunktet for eksponering er viktig, og at partiklene er mer skadelige nå de bindes til egg i senere utviklingsstadier. Prosesskjemikaliene økte bindingsevnen tile n viss grad. Redusert oppdrift ble observert allerede etter 3-4 timer ved konsentrasjoner som kan finnes nær utslippsstedet i fjorder. Etter ca. 10 timers eksponering starter eggene å synke. Forsøk med egg og larver av torsk eksponert for 5, 15 and 30 µg Cu/L viste at eggene er mindre responsive enn larvene på molekylært nivå. I motsetning til voksne Calanus, så førte Cu eksponering til økt oksidativt stress i tidlige livsstadier av torsk. I Cu-eksponerte torskelarver var protein-omsetning og flere vitaminer påvirket. Den høyeste Cu-konsentrasjonen førte til forstyrret energi-metabolisme, og påvirket glykolyse, fettsyre metabolisme og beta-oksidasjon. Effekten subletale Cu-konsentrasjoner har på tidlige livsstadier av torsk studeres nå nærmere med genuttrykk analyser (RNA-seq) og metabolomikk.

Data, knowledge, working techniques and models established in this project can directly aid future risk assessment and decision making for marine mine tailing disposal activities in fjord ecosystems. This was achieved through characterization of tailing materials in exposure studies and linking the observed effects to main effect drivers, as well as the progress made in modelling studies.

High demands for mineral resources are driving the rapid increase of mining activities worldwide. This activity generates large quantities of waste, so called tailings that need to be disposed of. Despite a current lack of knowledge on environmental implications, disposal of tailings in the sea, marine tailing disposal (MTD), is practiced in several countries including Norway. The introduction and spreading of fine inorganic particles, associated metals and processing chemicals in the water column may cause significant stress for exposed organisms. This is problematic because biological processes in the pelagic zone are crucial for both pelagic and benthic habitats and many bottom living organisms have pelagic larval stages. While exposure to mine tailings, especially to inorganic particles, does not necessarily cause acute toxicity, it will likely lead to effects such as reduced food intake and impaired physiological functioning. This can in turn cause reduced growth and development, which has severe consequences especially for early life stages of animals, e.g. fish larvae. However, such impacts of MTD have not been studied yet. In this project we are going to investigate impacts of mine tailings and mine tailing components on the planktonic copepod species Calanus finmarchicus, and early life stages of stages of cod (Gadus morhua). We want to gain an in-depth understanding on tailing effects from a molecular to individual level, applying state of the art molecular techniques and measuring tailored physiological endpoints. Through integration of effects data into tailing spreading models that will be develop within this project, we will be able to assess the exposure of individuals to tailings, which in turn can give valuable information about effects on local populations in terms of impacts to recruitment. The data and models produced in this project will substantially support environmental risk assessment of MTD.