Are rare earth elements emerging contaminants of concern in the marine environment in Norway? (ELEMENTARY)

De 15 lantanoid-elementene og yttrium utgjør gruppen »sjeldne jordelementer og yttrium« (REY). Disse er essensielle for den grønne omstillingen og er definert som teknologisk kritiske elementer siden de er viktige bestanddeler i mange teknologiske produkter, som batterier, magneter, lyskildekomponenter, drivstofftilsetninger, gjødsel og medisinske kontrastvæsker. Produksjonen og bruken av REY vil føre til at de i økende grad vil slippes ut i miljøet. Det mangler imidlertid nødvendig kunnskap om REY-konsentrasjoner i norske marine miljøer og deres mulige effekter på marine organismer. I ELEMENTARY prosjektet analyserte vi vannprøver og organismer fra ulike lokaliteter hvor vi antok at menneskelig aktivitet forårsaket utslipp av REY: Trondheimsfjorden (Trondheim by og elver som kilder), Lindesnes (farmasøytisk fabrikk) og i Porsgrunn (by og industrier inkludert gjødselproduksjonsanlegg). I laboratorieeksperimenter studerte vi effekter av utvalgte REY-elementer, med hovedfokus på fisk og gadolinium (Gd). Gd benyttes i kontrastvæsker for MRI, og vi gjennomførte studier for å sammenligne effekter av uorganisk Gd med en Gd-basert kontrastvæske (GBCA). Vi påviste antropogene Gd-avvik (anomali) i prøver fra inntaket og utslipp fra begge renseanleggene i Trondheim, der antropogent Gd utgjorde >90% av de totale Gd-konsentrasjonene. De antropogene avvikene ble ikke funnet i fjordvannprøver tatt i nærheten av utløpsrørene, noe som sannsynligvis skyldes rask fortynning av utslippsvannet. Imidlertid antyder dataene at antropogent Gd fra det sørlige Nordsjøen og Østersjøen transporteres nordover langs den norske kysten. Generelt lignet REY-komposisjonen i Trondheimsfjorden på sjøvann/fjordvann, med høyere konsentrasjoner av tunge REY sammenlignet med lette REY. Sideelver hadde generelt høyere REY-konsentrasjoner som viste typiske elvemønstre og ingen antropogen beriking. Vannprøver fra Lindesnes og Porsgrunn viste lignende trender som de rapporterte fra Trondheimsfjorden. Antropogen Gd-beriking ble bare observert i én prøve tatt på store dyp foran Porsgrunn. I Trondheimsfjorden, Lindesnes og i Porsgrunn ble ulike tangarter, krabber, blåskjell samlet inn, og REY-konsentrasjoner og -mønstre ble analysert. Generelt akkumulerte lette REY mer i organismer sammenlignet med tunge REY, med REY-mønstre som gjenspeiler den negative sjøvann-cerium (Ce) anomalien. Vi observerte ikke antropogen beriking av spesifikke REY i organismene prøvetatt inn i Trondheimsfjorden, men observerte noen forskjeller i konsentrasjonene mellom ulike prøvestasjoner. I motsetning til dette hadde blåskjell nedstrøms en farmasøytisk fabrikk i Lindesnes en tydelig antropogen Gd-avvik, som ikke ble funnet i andre organismer. Dette indikerer at blåskjell kan være en egnet indikatorart for REY-forurensning, på grunn av deres sessile natur og utbredte forekomst. I laboratorieeksperimenter fant vi at fritt Gd var giftig for embryoer og larver av Atlantisk torsk ved konsentrasjoner i >50 - 100 µg/L. Til sammenligning ble det ikke funnet noen betydelige effekter fra Gd i kontrastmiddelet (GBCA). Fritt Gd forårsaket økt dødelighet hos larver og påvirket deres utvikling (mangel på hodepigmentering, ryggdeformasjoner, muskelfilamentdeformasjoner og unormal atferd). Molekylære analyser viste at mange gener ble uttrykt annerledes, for eksempel gener relatert til Ca2+-regulering og homeostase, immunsystem og betennelse, samt utvikling av sensoriske organer (øye/linse og det indre øre). Hos sebrafisklarver forårsaket eksponering for fritt Gd effekter på aktiviteten til nevroner. Eksponering for Gd, og to andre REY, neodymium (Nd) og ytterbium (Yb), påvirket atferden til sebrafisklarver og dypvannsamfipoder. Effekter av REY på funksjonen til nervesystemet bør derfor studeres nærmere. Vi studerte videre opptak og fordeling av fritt Gd og GBCA i organer hos eksponert fisk (rognkjeks), samt effekter av eksponeringen. Resultatene våre viser at mer Gd ble tatt opp ved uorganisk Gd-eksponering, med høyest opptak i gjeller > nyre > lever > hjerne. Gd-konsentrasjonene gikk generelt ned gjennom en 10-dagers restitusjonsperiode, bortsett fra i nyrer og hjerne hos fisk som ble eksponert for fritt Gd. Effekter av eksponeringen på blodparametere var begrenset, og resultater fra de molekylære studiene er fortsatt under behandling. Alt i alt oppdaget vi antropogene utslipp av Gd i noen prøver tatt i felt. Akkumulering av antropogen Gd i blåskjell antyder at de kan være egnete indikatorarter. Vi fant også at fritt Gd var giftig for utvikling av fisk, men ved høyere konsentrasjoner enn målt på de valgte feltlokalitetene. Siden konsentrasjoner av REY forventes å øke i fremtiden, for eksempel fra mineral- og gjødselindustri, anbefaler vi ytterligere overvåkingsaktiviteter. Videre understreker våre funn av giftighet på nervesystemet, atferd og utvikling hos fisk og amfipoder behovet for grundige studier som undersøker virkningsmekanismer og effekter av effekter av kronisk REY-eksponering.

While we detected anthropogenic input of gadolinium (Gd) into the environment at some study locations, measured REY concentrations were in most cases as expected for background levels, probably due to high dilution in the environment. Anthropogenic Gd enrichment was either detected in water samples, or in soft tissues of mussels, suggesting that mussels can be suitable organisms for future biomonitoring. Our results further show that free Gd, used as representative REY for evaluating bioavailability and toxic effects in this project, is bioavailable for fish, and causes severe impacts in developing fish; however, not at concentrations that we found at in the environment at the sites that we studied in this project. Yet, with activities related to REY production predicted to increase in future, especially mining and potentially deep-sea mining activities, we recommend further (bio-) monitoring studies, especially around mining and wastewater effluent sites. Further, observed effects were different for a tested gadolinium based contrast agent and free Gd, with the contrast agent being more stable in the environment, but free Gd being the toxic form. As the long-term fate and stability of such contrast agents in seawater are not yet sufficiently investigated, we recommend more thorough studies to be conducted. As behaviour and/or neuronal activity was affected in animals exposed to inorganic Gd, toxic modes of action, as well as effect concentrations for sublethal/chronic exposures, should be studied in more detail.

ELEMENTARY will investigate the potential risks for coastal and marine environments associated with anthropogenically released rare earth elements (REEs) and their rapidly increasing production and use. Although REEs are technology critical elements widely used in a range of applications including batteries, light source components, fuel additives, fertilisers and medical agents, virtually nothing is known about anthropogenic REE anomalies in Norwegian marine environments and their potential effects on marine species. ELEMENTARY will determine REE concentrations at potential release hot-spots on the Norwegian coast associated with mining, urban wastewater release and agricultural runoff. In laboratory studies, REE uptake and effects will be investigated in fish and sensitive early life stages of fish, representing environmentally and economically important model organisms. Based on our recent findings that gadolinium (Gd) is taken up into the brain and kidneys of wild fish caught close to a wastewater treatment plant outlet, we will use Gd as a model REE in the controlled exposure experiments. Applying advanced molecular effect screening techniques and targeted biomarker analyses, ELEMENTARY will determine effects and effect mechanisms. Analyses of REEs in selected biota collected from release hot-spots will be compared with REE concentrations determined in water and sediment to provide an increased understanding of REE bioavailability from different sources. This environmental assessment, together with targeted laboratory uptake and effect studies will provide a first evaluation on potential risks for the Norwegian coastal environment associated with REE use. By effectively communicating the knowledge generated, the project will contribute to increasing awareness of REEs as potential emerging pollutants in the environment and will provide information for strategically important national regulatory organisations such as the Norwegian Environment Agency.