Reproductive toxicity and transgenerational effects of petroleum mixtures in fish

Råolje er en svært kompleks blanding som inneholder tusenvis av forbindelser, mange av dem er fortsatt uutforsket. Den er også svært giftig for marint liv og utgjør en betydelig trussel mot fiskearter av både kommersiell og økologisk betydning. En av de største utfordringene for miljøforskere og beslutningstakere er å forutsi de fulle konsekvensene av oljesøl på fiskebestander. Selv om modelleringsmetoder er verdifulle for risiko- og konsekvensvurderinger, fokuserer de ofte på et enkelt livsstadium eller en enkelt generasjon, og overser dermed de langsiktige effektene på tvers av generasjoner. Ny forståelse av kompleksiteten i oljeforbindelser, deres giftighet ikke bare for tidlige livsstadier, og den potensielle overføringen av giftighet fra foreldre til avkom, antyder at de nåværende modellene kanskje mangler nødvendig robusthet og nøyaktighet. For å møte dette behovet har ToxiGen-prosjektet som mål å besvare viktige spørsmål: Hvordan påvirker oljeeksponering reproduksjonen hos voksen fisk? Hvilke spesifikke forbindelser er mest giftige, og hvordan gjør de skade? Og viktigst av alt, vedvarer effektene av råolje over flere generasjoner? Vår forskning kobler molekylære endringer hos foreldrefisk med forbindelsene de absorberer, og undersøker hvordan dette påvirker helsen og reproduksjonssuksessen til deres avkom gjennom tre generasjoner. I store in vivo-studier utført på arktiske nøkkelarter som torsk og polartorsk, har vi oppdaget betydelige forstyrrelser i viktige reproduktive organer, både på molekylært og fysiologisk nivå, noe som fører til effekter i tidlige livsstadier av første generasjon. Vårt team har også utviklet en ny analytisk metode for å identifisere de kjemiske strukturene som bioakkumuleres i hjernen, leveren og gonadene til disse fiskene. Resultatene viser en lignende fordeling av forbindelser i ulike vev, med naftalener som de mest dominerende, etterfulgt av alkylbenzen, sykliske monoaromater og til slutt multisykliske aromater og PAH-er. For hver av disse klassene er de mest utbredte forbindelsene identifisert, og de vil bli testet for giftighet ved bruk av vevskultur. Pågående analyser viser betydelige effekter på hjerne, lever og gonader, og integrering av multi-omics-data forventes å gi en helhetlig forståelse av de involverte veiene i den observerte toksisiteten, samt bidra til å forstå risikoen for fremtidige generasjoner. Foreløpige data fra ex vivo-eksponeringer av torskelever for oljens vannløselige fraksjoner (WAF) og ulike WAF-ekstrakter antyder den potensielle betydningen av «resin» fraksjonen, over den velkjente og giftige PAH-fraksjonen. Disse resultatene støtter opp om atferdsendringer observert hos sebrafisklarver eksponert for de samme oljeekstraktene. Kommende studier, ved bruk av sebrafisk som modell, vil utforske om og hvordan disse giftige effektene kan overføres til fremtidige generasjoner.

A fundamental and enduring challenge for ecosystem managers developing risk and impact assessment tools is to predict the extent of impact that spilled oil can have on the immediate fish populations and on future generations. Modelling approaches are important tools for these assessments, but they currently suffer from two major shortcomings: 1) the failure to acknowledge that effects can be transferred through several generations and 2) the assumption that a small group of toxic compounds, polycyclic aromatic hydrocarbons, can be used as chemical proxy for exposure to complex petroleum mixtures. Emerging understanding within petroleum ecotoxicology now suggests that model outputs lack robustness. Up until now studies have not been able to determine the effects over multiple generations, and to properly identify the causative agents within petroleum. ToxiGen is an interdisciplinary study that will determine the effects and toxic mechanisms of petroleum on the reproductive success of fishes and subsequent generations. Our ambition is to identify the compounds responsible for alterations in reproductive success in adults and survival and fitness of the progeny. We will work with Atlantic cod and polar cod that are of high ecological and commercial importance, respectively. Zebrafish will be used for high-risk and generational experiments. We will work at the frontier of analytical chemistry to characterize the toxic fractions of petroleum. To disentangle mechanisms of toxicity, novel methods such as micro-injecting compounds into eggs will be used. We will combine different approaches to identify new biomarkers of exposure and effects. The new knowledge will then be integrated into reproductive adverse outcome pathways to be available through an internationally harmonized knowledgebase. Ultimately, ToxiGen will provide environmental managers with knowledge and data for models, and methods to detect and monitor the presence and impact of these complex mixtures in situ.