Seleniumverontreiniging van zoetwaterecosystemen is een aanhoudend milieugezondheidsprobleem over de hele wereld. Een natuurlijk voorkomend sporenelement, seleniumniveaus zijn hoog in sommige geologische formaties zoals sedimentaire schalies die een groot deel van het gesteente in het westen van de Verenigde Staten vormen. Bodems afgeleid van dit gesteente, en verwering van leisteenontsluitingen, kan een hoog gehalte aan selenium bijdragen aan de omliggende stroomgebieden.

Nieuw onderzoek deze week in Milieuwetenschap en -technologie van UConn Universitair docent natuurlijke hulpbronnen en het milieu Jessica Brandt met Travis Schmidt en collega's van de United States Geological Survey (USGS) onderzoekt enkele van de complexiteiten van selenium en hoe het zich door het ecosysteem beweegt tijdens afvoergebeurtenissen en als gevolg van seizoensgebonden irrigatie van met selenium verrijkte bodems.

Het onderzoek richtte zich op het Lower Gunnison River Basin in Colorado, een gebied dat wordt beïnvloed door met selenium verrijkt gesteente dat bekend staat als de Boven-Krijt Mancos Shale, en aangewezen kritieke habitat voor de bedreigde razorback sucker (Xyrauchen texanus) en Colorado pikeminnow (Ptychocheilus lucius). Tussen juni 2015 en oktober 2016, het onderzoeksteam bemonsterde water en dieren in het wild tijdens zes bemonsteringstochten en langs 60 riviermijlen tussen Austin en Grand Junction, CO.

Brandt legt uit dat de focus van het onderzoek lag op de timing van de beweging van selenium door het voedselweb van rivieren. Fijnstof, waaronder algen, nemen selenium op uit het water aan de basis van het voedselweb. Ongewervelde dieren en sommige kleine vissen voeden zich direct met het deeltjesmateriaal, en grotere vissen eten dan de ongewervelde dieren en kleinere vissen.

"Selenium is een essentiële micronutriënt die via de voeding wordt verkregen, maar overmatige blootstelling bedreigt de gezondheid van eierleggende dieren, waaronder vissen en watervogels. Daarbovenop, de timing van de blootstelling is van belang. Bijvoorbeeld, te veel selenium als embryo is bijzonder zorgwekkend omdat het de ontwikkeling schaadt en de kans op uitkomen en overleven tot volwassen levensstadia vermindert. We wilden weten wanneer, in de loop van het jaar, worden vissen blootgesteld aan de hoogste concentraties selenium in het voedselweb? Vallen die perioden samen met periodes van reproductie en vroege ontwikkeling? Zijn ze afgestemd op perioden van verhoogde seleniummobilisatie naar de rivier?"

Voor het grootste gedeelte, de antwoorden op die vragen waren ja. Seleniumconcentraties bereikten hun hoogste concentraties in visprooien in april en augustus 2016, toen selenium vanuit gesmolten sneeuw en tijdens irrigatie van landbouwgronden in de rivier wordt gepulseerd. Door visconcentraties te modelleren uit seleniumniveaus lager in het voedselweb, Brandt en medewerkers voorspelden dat het seleniumgehalte in het hele lichaam het hoogst was in de lente en de zomer. Tijdens deze periodes, eieren rijpen in volwassen vissen voordat ze gaan paaien en jonge vissen doormaken ontwikkelingsstadia die gevoelig zijn voor hoge blootstelling aan selenium.

Brandt legt uit dat het onderzoek belangrijk is vanwege de focus op een snelstromend watersysteem. De meeste casestudies van met selenium verontreinigde waterlichamen gaan over meren en reservoirs waar selenium hoge concentraties bereikt in vissen en vogels nadat het zich door de sediment-detritale route heeft verplaatst. Omdat het water in deze systemen langzamer beweegt, selenium heeft meer kans om zich op te hopen aan de basis van het voedselweb. in rivieren, anderzijds, men denkt dat het grootste deel van het selenium dat tijdens perioden van hoge stroom wordt gemobiliseerd, stroomafwaarts zal worden gespoeld voordat het zich lokaal kan ophopen,

"We hebben waargenomen dat groene algen selenium vrij snel kunnen opnemen tijdens perioden van hoge mobilisatie, waarschijnlijk rechtstreeks uit de waterkolom. Een toekomstige hypothese is dat de opnameroutes van algen voor het binnendringen van selenium in aquatische voedselwebben, in plaats van sediment-detritale paden, overheersen in rivieren en beken. Deze studie geeft aan dat we meer tijd moeten besteden aan het nadenken over de risico's van selenium in rivieren."

Brandt zegt dat dit onderzoek implicaties heeft voor het beheer van seleniumbemonstering in rivieren. Bijvoorbeeld, visbemonstering gebeurt meestal in de herfst wanneer de resultaten van dit onderzoek suggereren dat de seleniumconcentraties in vissen het laagst kunnen zijn. Zelfs nog, de gemeten concentraties waren hoog,

"We hebben in oktober 2015 en 2016 gespikkelde dace en rondstaartvoorn geproefd, " zegt Brandt, "De seleniumconcentraties in het hele lichaam in meer dan 90% van deze vissen waren ruim boven de vier delen per miljoen, dat is een drempel die wordt ondersteund door onderzoek dat nadelige gezondheidseffecten aantoont, zoals verminderde groei en overleving. Omdat de rivier een leefgebied is voor inheemse bedreigde diersoorten, het behoud van de gezondheid van de vissen is een prioriteit."

Seleniumniveaus in het Lower Gunnison River Basin zijn al tientallen jaren een punt van zorg en Brandt legt uit dat de voortdurende saneringsinspanningen in de Gunnison de niveaus sinds 1986 met 43% hebben verlaagd. Maar misschien kan er meer worden gedaan om deze inspanningen verder te versterken

"Moeten we de seleniummetingen in aangetaste rivieren op een andere manier benaderen? Nou, we zien uit dit werk dat de seleniumconcentraties in het voedselweb hoog zijn, zelfs met dalingen in de waterconcentraties in de afgelopen dertig jaar. Dit benadrukt dat het voedselweb de belangrijkste oorzaak is van de blootstelling aan selenium en het potentiële toxiciteitsrisico. Frequentere monitoring van voedselwebselenium in dit systeem zal ons de beste informatie geven over hoe selenium moet worden beheerd om de doelstellingen voor het behoud van vissen te bereiken."

Het probleem met selenium in eieren

Brandt legt uit dat het volledige mechanisme van seleniumtoxiciteit nog steeds niet volledig wordt begrepen en dat er waarschijnlijk meerdere manieren zijn waarop het de gezondheid van een dier in gevaar brengt. De vroege hypothese was dat selenium substitutie van zwavel in aminozuren, dat zijn de bouwstenen voor eiwitten, en veroorzaakte onjuiste eiwitwerking. We weten nu dat het seleniummetabolisme ook oxidatieve stress veroorzaakt. Hoe dan ook, selenium is een teratogeen, wat betekent dat het bij bepaalde blootstellingsniveaus misvormingen kan veroorzaken.

Met vervorming-inducerende verontreinigingen, de timing van blootstelling in de loop van de levenscyclus van een organisme is van cruciaal belang omdat bepaalde perioden gevoeliger zijn voor hoge seleniumconcentraties. Brandt zegt dat overmatige blootstelling aan selenium vooral zorgwekkend is voor eierleggende dieren zoals vogels of vissen, omdat zwavelrijke eiwitten die uiteindelijk dooiereiwitten worden, vóór het paaien in de lever van het volwassen vrouwtje worden gemaakt. Als volwassen vrouwtjes worden blootgesteld aan hoge seleniumgehaltes in hun dieet, een hoge mate van seleniumsubstitutie voor zwavel in deze voorlopereiwitten van de dooier zal zich vertalen in hoge niveaus van seleniumblootstelling voor de embryo's. Deze vroege blootstelling kan misvormingen en sterfte veroorzaken. Op bevolkingsschaal, slechte overleving van jonge vissen en vogels kan populaties doen instorten,

"We hebben dit dramatisch gezien in Belews Lake (North Carolina) en het Kesterson Reservoir in Californië in de jaren zeventig en tachtig en hebben sindsdien gewerkt om soortgelijke gevolgen in andere ecosystemen te voorkomen."