The interactions between phytoplankton and pollutants in eutropic freshwater : sufferer and vector

Jia, Yunlu; Schäffer, Andreas; Hollert, Henner

doi:37125

The interactions between phytoplankton and pollutants in eutropic freshwater : sufferer and vector

Jia, Yunlu^RWTH*

2018

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Yunlu Jia, Master of Engineering

ImpressumAachen 2018

Umfang1 Online-Ressource (I, VIII, V, I, 1, 165 Seiten) : Illustrationen, Diagramme, Karten

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Hollert, Henner (Thesis advisor)^RWTH* ; Schäffer, Andreas (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-05-03

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-224017
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/723169/files/723169.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
chemical pollution (frei) ; Taihu (frei) ; cyanobacterial bloom (frei) ; toxic metals (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Die vorliegende Dissertation fokussiert sich auf zwei Aspekte der Interaktion zwischen Phytoplankton und chemischen Verunreinigungen in aquatischen Systemen. Einerseits leidet das Phytoplankton durch ein vielfältiges Spektrum an Schadstoffen in aquatischen Systemen. Auf der Ebene der Gemeinschaft können Schadstoffe mit unterschiedlichen Wirkweisen bestimmte Phytoplanktonarten im Wachstum begünstigen, während andere Arten im Wachstum gehemmt werden. In dieser Arbeit wurde der Einfluss von drei Gruppen von Bioziden auf das Wachstum von zwei Gruppen an Phytoplankton systematisch untersucht. Die drei betrachteten Arten der Klasse der Cyanobakterien waren generell toleranter als die drei untersuchten Grünalgenarten in Bezug auf die Exposition mit den fünf getesteten Herbiziden und den zwei Fungiziden (p < 0,05). Im Vergleich war die Empfindlichkeit der beiden Gruppen an Phytoplankton auf Antibiotika komplexer. Signifikante Unterscheide wurden für Clarithromycin, Thiamphenicol, Tetracyclin und Trimethoprim beobachtet (p < 0,001), während für Sulfamethoxazol kein signifikanter Einfluss zu sehen war. Währenddessen wurde ein „non-target“ Metabolomic-Konzept angewendet, um einen besseren Einblick in die unterschiedlichen Reaktionen der Cyanobakterien und Grünalgen auf die Exposition mit den Herbiziden Atrazin und Diuron zu erhalten. Unter den wesentlichsten Umstellungen des Metabolismus - als Antwort auf die Herbizidexposition - war die Änderung des Stoffwechsels der Aminosäuren, wie Phenylalanin, Tyrosin, Methionin, Asparagin, Glycin und Serin. Im Vergleich zu Microcystis reagierten die Grünalgen sensitiver auf die Herbizide, da die Zellen auf den Katalyseweg der Aminosäuren zurückgriffen, um Energie zu gewinnen während die Photosyntheseleistung eingeschränkt ist. Eine schnelle Antwort auf die Exposition wurde im zentralen Kohlenstoffmetabolismus der Grünalgen beobachtet, jedoch nicht in Mycrocystis. Grundsätzlich wurden Metabolite in dem TCA Zyklus, dem CBB Zyklus und dem Pentosephosphatweg hochreguliert, während die Niveaus der Metabolite im Glykolyseweg reduziert wurde. Des Weiteren wurde die Akkumulation der Glycolate und Glycoxylate im Photorespirationsweg in den Mycrocystis - als Antwort auf eine hohe Exposition mit den Herbiziden - erhöht, in den Grünalgen jedoch verringert. Andererseits können tolerante Phytoplanktontaxa als Vektor für Schadstoffe fungieren - speziell in eutrophischen Süßwasserkörpern, wo eine hohe Biomasse an Phytoplankton oft zu beobachten ist. In dieser Arbeit wurden Endokrine Disruptoren (EDCs) mit unterschiedlichen Wirkungsmechanismen chemisch und bioanalytisch in verschiedenen Matrizes vom Taihu See (China) untersucht. Ergebnisse von zellbasierten Bioassays zeigten estrogene, anti-estrogene, anti-androgene und anti-glukokortikogene Aktivitäten, während keine androgenen und glukokortikogenen Aktivitäten in den Proben zu beobachten waren. Die Ergebnisse der chemischen Analyse deuten an, dass EDCs weit verbreitet in den Proben des Wassers, des Sedimentes und der Cyanobakterienblüten waren. Um die Rolle der Canobakterienblüten in der Verteilung von EDCs in eutropischen Süßgewässern zu evaluieren, wurde das endokrine disruptive Potential in Phytoplanktonproben über ein Jahr hinweg überwacht. Die Ergebnisse einer Spearman Korrelationsanalyse ergab, dass die Konzentration von 10 EDCs negative mit der Biomasse der Cyanobakterien korreliert war, was potentiell auf das Auftreten einer Dilution der EDCs durch die deutlich erhöhte Biomasse während der Cyanobakterienblüte hindeutet. Die vorliegende Studie liefert komplementäre Informationen über das potentielle endokrine disruptive Risiko von Cyanobakterienblüten in eutropischen Süßgewässern. Des Weiteren wurde der Vektoreffekt von Cyanobakterienblüten auf anorganische Schadstoffe beurteilt. Neben der verbreiteten Detektion von mehreren Metallen in Cyanobakterienblüten wurde auch eine Dilution durch die erhöhte Biomasse beobachtet. Insgesamt trägt diese Dissertation zur Schaffung einer Basis für ein umfassendes Verständnis der Interaktionen zwischen chemischen Verunreinigungen und Phytoplankton für das Management von eutropischen Süßgewässern bei.

The present thesis focused on two aspects of the interactions between phytoplankton and chemical pollution in aquatic systems. On the one hand, phytoplankton suffers from a diverse array of pollutants in aquatic systems. In this thesis, the growth inhibition of three groups of biocides towards two groups of phytoplankton was systematically investigated. The three cyanobacteria were generally more tolerant than the three green algae in response to the five herbicides and two fungicides (p<0.05). In contrast, the sensitivity of the two groups of phytoplankton to antibiotics was more complex. Significant differences were observed for clarithromycin, thiamphenicol, tetracycline and trimethoprim (p<0.001), while no significant difference for sulfamethoxazole was seen. Meanwhile, a non-targeted metabolomic approach was employed to gain more insight into the different responses of cyanobacteria and green algae under herbicide exposures (i.e., to atrazine and diuron). Among the major metabolic changes observed in response to herbicide exposure was the alteration of amino acids metabolism, such as phenylalanine, tyrosine, methionine, asparagine, glycine and serine. In comparison to Microcystis, the green algae were more sensitive to the herbicides as the cells resorted to amino acid catalysis pathways to obtain energy when the photosynthesis is constrained. A rapid response in central carbon metabolism was observed in green algae but not in Microcystis. In general, metabolites in the TCA cycle, CBB cycle, and pentose phosphate pathway were up-regulated while the levels of glycolysis pathway metabolites were decreased. Moreover, the accumulation of glycolate and glycoxylate in the photorespiration pathway were increased in the Microcystis but decreased in the green algae in response to high exposures of the herbicides. On the other hand, chemicals-tolerant phytoplankton taxa might act as vectors of the pollutants, especially in eutrophic freshwaters where a high biomass of phytoplankton is often observed. In this thesis, firstly endocrine disruptive compounds (EDCs) of varied mechanisms of action were chemically and bioanalytically investigated in different matrices from Taihu Lake (China). Results from cell-based bioassays suggested the occurrence of estrogenic, anti-estrogenic, anti-androgenic, and anti-glucocorticogenic activities, while no androgenic and glucocorticogenic activities were observed in the samples. Results from the chemical analysis suggested that EDCs were widely distributed in water, sediment and cyanobacterial bloom samples. In order to further evaluate the role of cyanobacterial blooms in the distribution of EDCs in eutrophic freshwaters, endocrine disruptive potentials in phytoplankton samples were evaluated throughout a year-long surveillance. Results of the Spearman correlation analysis concluded that the concentrations of ten EDCs were negatively correlated with cyanobacteria biomass, suggesting the potential occurrence of biomass dilution effects of EDCs due to the huge biomass of cyanobacteria during bloom season. The present study provides complementary information about the potential endocrine disruptive risks of cyanobacteria blooms in eutrophic freshwaters. Moreover, the vector effects of cyanobacterial bloom on inorganic pollutants were also evaluated. Besides the wide detection of several metals in cyanobacteiral blooms, biomass dilution effects were also found. Overall, this thesis constitutes the basis for a comprehensive understanding of the interactions between chemical pollution and phytoplankton for the management of eutrophic freshwaters.

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