Toenemende verontreiniging van mariene ecosystemen door metalen zoals kwik, cadmium, chroom en nikkel is een wereldwijd milieuprobleem, omdat verhoogde concentraties van metalen gevaren kunnen opleveren voor mariene organismen, en mensen die besmette zeevruchten kunnen consumeren. Waterkwaliteitscriteria (WQC) voor metalen (d.w.z. milieuveiligheidslimieten) is een essentiële stap voor het beoordelen en reguleren van risiconiveaus in het mariene milieu, en biedt dus bescherming aan mariene organismen en de integriteit van ecosystemen.

Momenteel, de huidige methode voor het afleiden van WQC van metalen in Australië, Europa en Noord-Amerika zijn voornamelijk gebaseerd op laboratoriumgegevens die zijn gegenereerd door het uitvoeren van toxiciteitstests met mariene organismen in vaste laboratoriumomstandigheden (bijv. een vaste combinatie van temperatuur en zoutgehalte). Een dergelijke laboratoriumafgeleide WQC is mogelijk niet beschermend voor mariene ecosystemen, omdat de omgevingsomstandigheden in de natuurlijke omgeving vaak heel anders zijn dan die in de laboratoriumomgeving. In werkelijkheid, de omgevingsomstandigheden variëren tussen verschillende geografische regio's (bijvoorbeeld tropen versus gematigde streken); zelfs in dezelfde regio, omgevingsomstandigheden zoals watertemperatuur en zoutgehalte veranderen per seizoen. Dergelijke veranderingen kunnen de toxiciteit van metalen voor mariene organismen aanzienlijk beïnvloeden.

In het afgelopen decennium is milieuwetenschappers hebben gezocht naar een manier om de toxiciteit van metalen te voorspellen en hun WQC af te leiden voor de bescherming van de biodiversiteit en integriteit van mariene ecosystemen met verschillende milieuomstandigheden. Deze taak is enorm belangrijk voor de bescherming van het milieu.

Professor Kenneth Leung, Adjunct-directeur van de School of Biological Sciences en wetenschapper van het Swire Institute of Marine Science van HKU en internationale medewerkers hebben dit wereldwijde probleem gezamenlijk aangepakt. Het team heeft drie jaar gewerkt aan de ontwikkeling van een nieuw empirisch model voor het schatten van de toxiciteiten en het afleiden van WQC voor metalen en metalloïden in mariene kustomgevingen met variabele temperatuur- en zoutgehalteregimes. Hun methode is gebaseerd op een integratie van op temperatuur en zoutgehalte gebaseerde soortgevoeligheidsverdelingen (SSD's) met een model voor kwantitatieve ionkarakteristieke relaties (QICAR), terwijl delen van hun modelresultaten worden gevalideerd met empirische gegevens. Het team analyseerde ook realtime milieugegevens van de temperatuur en het zoutgehalte van het zeewater in verschillende delen van de wereld en paste hun model toe om voorlopige locatiespecifieke WQC af te leiden voor meer dan 30 metalen en metalloïden.

Het onderzoeksteam maakte gebruik van big data en ontwikkelde het nieuwe model voor het voorspellen van metaaltoxiciteit en het afleiden van hun locatiespecifieke WQC in mariene omgevingen over de hele wereld. Deze belangrijke innovatie is gepubliceerd in het laatste nummer van het internationale tijdschrift Milieuwetenschap en -technologie .

De resultaten geven aan dat metaaltoxiciteit voor mariene organismen over het algemeen toeneemt met toenemende zeewatertemperatuur, maar de metaaltoxiciteiten blijken het laagst te zijn bij een optimaal zoutgehalte en nemen toe wanneer het zoutgehalte toeneemt of afneemt vanaf het optimale zoutgehalte. Als een WQC van een metaal is afgeleid van een laboratoriumexperiment dat is uitgevoerd bij optimale temperatuur en zoutgehalte, het is onwaarschijnlijk dat een dergelijke WQC beschermend is voor mariene organismen die leven in een omgeving met een hogere temperatuur en een lager zoutgehalte.

De resultaten suggereren ook dat mariene soorten die in warmere wateren in de tropische regio (inclusief Hong Kong en Zuid-China) leven, gevoeliger zijn voor metaaltoxiciteit dan hun gematigde tegenhangers. Veel regeringen in Azië, zoals Hong Kong en Korea, gebruiken vaak gegevens over gematigde toxiciteit voor het afleiden van WQC of nemen rechtstreeks de WQC over die zijn gegenereerd uit Europa en Noord-Amerika, maar dergelijk surrogaat gebruik van gematigde informatie voor de bescherming van tropische mariene ecosystemen zorgt voor grote onzekerheid in de veiligheidsmarge.

De nieuwe methode die door het team is ontwikkeld, zal het beheer van metaal en metalloïden in mariene kustomgevingen wereldwijd aanzienlijk verbeteren, aangezien milieuautoriteiten deze methode kunnen gebruiken om voorlopige locatiespecifieke WQC af te leiden om een ​​betere bescherming van ecosystemen mogelijk te maken, rekening houdend met specifieke milieuomstandigheden en mogelijke invloeden van wereldwijde klimaatverandering.

Professor Wu Fengchang zei:"Professor Kenneth Leung en zijn team aan de HKU hebben de temperatuur- en zoutgehalte-afhankelijke toxiciteitsprofielen van verschillende verontreinigende stoffen al onthuld en de relevante empirische datasets geproduceerd, terwijl ons team bij CRAES goed is in kwantitatieve structuur-activiteitsrelatiemodellering voor metaaltoxiciteiten. Onze complementaire kennis en vaardigheden zijn voorwaarde voor het succes van dit samenwerkingsproject. We zijn erg verheugd om samen te werken."

Professor Wu is ook van mening dat de resultaten van deze studie van enorm voordeel zullen zijn bij het afleiden van WQC van metalen voor verschillende delen van het mariene milieu in China en daarbuiten.

Professor Kenneth Leung zei:"In Hong Kong, het zoutgehalte in de westelijke mariene wateren is relatief laag door de zoetwaterafvoer van de Parelrivier, overwegende dat het zoutgehalte in de oostelijke wateren constant hoog is vanwege de dominante invloed van oceaanstromingen uit de Stille Oceaan en de Zuid-Chinese Zee. Rekening houdend met dergelijke verschillen in zoutgehalte, de door het team ontwikkelde methode kan gemakkelijk worden toegepast om voorlopige locatiespecifieke WQC van metalen af ​​te leiden voor een betere bescherming van de oostelijke en westelijke mariene ecosystemen van Hong Kong, respectievelijk."

"Onze nieuwe methode stelt verschillende landen niet alleen in staat om locatiespecifieke WQC van metalen af ​​te leiden voor het beschermen van hun mariene milieu, het zal ook sociaaleconomische voordelen opleveren voor samenlevingen over de hele wereld. Het is omdat we het aantal toxiciteitstesten kunnen verminderen, gebruik minder chemicaliën in de tests, minder dieren doden, en veel geld en tijd besparen voor het uitvoeren van dergelijke tests", voegde professor Leung eraan toe.

Het onderzoeksteam zal de invloed van opgeloste en gesuspendeerde organische stof op de toxiciteit van metalen in zeewater verder onderzoeken, om hun model te verbeteren. Ze zullen ook gebruik maken van veldgebaseerde monitoringgegevens van metaalconcentraties en mariene biodiversiteit om hun afgeleide voorlopige WQC in verschillende waterlichamen te valideren.