Μελέτη επιμόλυνσης ιχθύων προερχόμενων από ιχθυοκαλλιέργειες και ανοιχτή θάλασσα σε βαρέα μέταλλα και οργανοχλωριωμένους περιβαλλοντικούς μολυντές: εκτίμηση επιβάρυνσης της διατροφικής αλυσίδας και επιπτώσεις στην ανθρώπινη υγεία

Abstract

The objective of the thesis was to elucidate aspects of contaminant accumulation and toxicity in the fish as well as to monitor the contaminant load namely: Cd, Pb, Hg and PCBs in commonly consumed fish species from two modes of production, aquaculture and fisheries in Greece. Ultimately, the risk for human health through fish consumption was assessed for the Greek population.For the investigation of metal accumulation and toxicity issues in the fish organism an in vivo study, was planned with aim to investigate zebrafish responses to a range of Cd exposure levels, spanning from environmental to toxic. The hypothesis that there is a linear survival response to exposure levels was examined while further histopathological analysis was conducted, in an attempt to correlate Cd effects with mortality. The results of the study showed that zebrafish accumulated Cd in their tissues in a dose dependant, but not time dependant manner. However, zebrafish manifested deviations from the anticipated linear toxic responses. Documented responses regarding mortality rate were non-linear, supporting the increasingly gaining ground hypothesis of non-monotonic and not linear responses to gradient exposures to toxic stimuli. Histopathological findings also deviated from the anticipated dose dependant responses, revealing more severe effects in lower than the most toxic exposures, while adverse effects occurred even at environmental levels. Moreover, there was a low Cd exposure level with surprisingly high mortality rate for zebrafish, which drew the attention and this level could hold a key to the elucidation of the toxicity coping mechanisms, since modifications of these mechanisms beyond this level are implied by our results.Marine fish, and specifically gilthead seabream (Sparus aurata) and sea bass (Dicentrarchus labrax), are widely farmed and consumed in Greece. Health benefits of fish consumption could be counterbalanced by the intake of contaminants after long term consumption of fish, burdened even in trace levels. In order to assess the contaminant load in the frequently consumed fish species, samples of gilthead seabream and sea bass were collected from aquaculture sites located in the Aegean Sea and the Sea of Crete as well as the fish market of Heraklion, Crete.The heavy metal load (Cd, Pb and Hg) in the edible part the fish was evaluated and the main factors affecting the heavy metal accumulation in the fish muscle tissue wereinvestigated. Moreover, risk assessment for the Greek population from fish consumption was conducted based on the determined heavy metal concentrations. Heavy metal levels in fish were determined at levels far below the safe limits for consumption set by authorities, for each metal individually as well as for their sum. Gilthead seabream and seabass demonstrated significant differences in Hg and Cd levels which can be attributed to a number of reasons such as differences in intrinsic factors between species, different metal behaviour, different aquafeed metal load or a combination of all the above. Hg and Pb seem to be more accumulated in closed seas, which could imply that these metals have a similar distribution pattern in the medium of exposure (water), or that they share the same origin of dispersion, possibly waste disposals from human activity. Metal levels, were clearly affected by seasonality and season dependent variations disclosed a species effect as well, since significant differences in metal accumulation amongst seasons were recorded between species. Differences in metal levels between farmed and wild fish were demonstrated which can be the combined result of different feeding behaviour, growth rate and therefore metabolic rate, aside from the effects of waterborne exposure. The risk evaluation we conducted for Greek consumers based on the metal levels we determined in the most frequently consumed fish, both farmed and wild indicates minimal risk for all metals.Furthermore, the occurrence and burden of the indicator PCBs (ΣPCB-7) in the same fish was determined. Additionally, the association of the ΣPCB-7 accumulation in fish to seasonality, locality, production mode and species was investigated. For the characterization of the hazard of PCB intake through fish consumption for the Greek population, a more elaborate risk assessment method, than those previously used, was developed. Occurrence and levels of the ΣPCB-7 in the muscle tissue of farmed and wild gilthead seabream and seabass reveal that for both species and both modes of production, levels were far below the maximum permissible limits set by the EU (2011). More highly chlorinated congeners such as PCB 138 and PCB 153 were more abundant and more frequently detected in fish tissues, most probably due to higher resistance to degradation and lipophilicity. Wild fish presented higher levels of the ΣPCB-6, while farmed fish accumulated PCB 118 at higher levels. Both ΣPCB-6 and ΣPCB-7 levels are primarily affected by the fish species which is in close relationship to the fact that our results highlighted seasonality, as an important factor affecting PCB accumulation and distribution in fish muscle tissue, as well. Seasonal alterations in PCBs levels seem to be dictated by each species ecology and biological cycle. Distinctions in PCB congeners between open and closed seas were also demonstrated which could be attributed to different types and sources of contamination. The exposure assessment showed that NDL-PCB intake through fish consumption for the Greek adult population is comparable to other European countries. The use of consumption data from the two different sources resulted in slightly divergent exposure results underlying the importance of dietary habits for exposure.Α new food specific HI approach was developed, for which fish contribution to the maximum permitted aggregated dietary exposure was considered, arriving to a lower value for the HI. Risk characterization revealed no risk for Greek consumers.In summary, two major groups of environmental contaminants, heavy metals and PCBs, which can be hazardous to both fish and humans, were determined in fish tissues and investigation revealed that accumulation and toxicity are affected by both abiotic and biotic factors. Secondly, risk assessment conducted for the Greek population regarding fish consumption revealed no risk. Finally, a new risk characterization method was proposed based on food specific HI approach.

Το αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν να διασαφηνιστούν παράμετροι της συσσώρευσης και της τοξικότητας ρύπων σε ψάρια καθώς και να καταγραφεί η επιβάρυνση τους σε μολυσματικούς παράγοντες και συγκεκριμένα: κάδμιο (Cd), μόλυβδο (Pb), υδράργυρο (Hg) και πολυχλωριωμένα διφαινύλια (PCBs) σε συχνά καταναλισκόμενα είδη, προερχόμενα από ιχθυοκαλλιέργειες και αλιεύματα στην Ελλάδα. Τελικά, ο κίνδυνος για την ανθρώπινη υγεία μέσω της κατανάλωσης ψαριών αξιολογήθηκε για τον ελληνικό πληθυσμό.Για τη διερεύνηση της συσσώρευσης και της τοξικότητας των μετάλλων στους ιστούς των ψαριών, σχεδιάστηκε μία in vivo μελέτη με σκοπό τη διερεύνηση των αποκρίσεων του zebrafish σε ένα εύρος επιπέδων έκθεσης κυμαινόμενων από περιβαλλοντικά σε τοξικά. Εξετάστηκε η υπόθεση ότι υπάρχει μια γραμμική απόκριση επιβίωσης στα επίπεδα έκθεσης, ενώ παράλληλα πραγματοποιήθηκε ιστοπαθολογική ανάλυση προκειμένου να συσχετιστούν οι επιδράσεις του καδμίου με τη θνησιμότητα. Τα αποτελέσματα της μελέτης έδειξαν ότι τα zebrafish συσσωρεύουν κάδμιο στους ιστούς τους κατά τρόπο εξαρτώμενο από τη δόση αλλά όχι από το χρόνο. Εντούτοις, τα zebrafish εκδήλωσαν αποκλίσεις από τις αναμενόμενες τοξικές αποκρίσεις. Οι καταγραφείσες αποκρίσεις σχετικά με το ρυθμό θνησιμότητας ήταν μη γραμμικές, γεγονός που υποστηρίζει την υπόθεση των μη γραμμικών και μη μονοτονικών αποκρίσεων σε τε τοξικά ερεθίσματα, η οποία κερδίζει ολοένα και περισσότερο έδαφος. Τα ιστοπαθολογικά ευρήματα επίσης απέκλιναν από τις αναμενόμενες τοξικές αποκρίσεις, παρουσιάζοντας πιο σοβαρές επιδράσεις σε υψηλά μεν επίπεδα αλλά χαμηλότερα της πλέον τοξικής έκθεσης, ενώ δυσμενείς επιδράσεις καταγράφηκαν ακόμη και σε περιβαλλοντικά επίπεδα. Επιπλέον υπήρξε ένα επίπεδο χαμηλής έκθεσης με εκπληκτικά υψηλό ποσοστό θνησιμότητας για το zebrafish, το οποίο τράβηξε την προσοχή και αυτό το επίπεδο θα μπορούσε να αποτελέσει κλειδί για τη διαλεύκανση των μηχανισμών αντιμετώπισης της τοξικότητας, καθώς τα αποτελέσματά μας υποδεικνύουν τροποποιήσεις αυτών των μηχανισμών πέραν αυτού του επιπέδου.Τα θαλασσινά ψάρια και ειδικότερα η τσιπούρα (Sparus aurata) και το λαβράκι (Dicentrarchus labrax), εκτρέφονται και καταναλώνονται ευρέως στην Ελλάδα. Τα οφέλη για την υγεία από την κατανάλωση ψαριών θα μπορούσαν να αντισταθμιστούν από την πρόσληψη περιβαλλοντικών ρύπων μετά από μακροχρόνια κατανάλωση ψαριών, επιμολυσμένα ακόμη και σε ελάχιστα επίπεδα. Προκειμένου να εκτιμηθεί η επιμόλυνση στα συχνά καταναλισκόμενα είδη, συλλέχθηκαν δείγματα τσιπούρας και λαυρακιού από σταθμούς ιχθυοτροφείων που βρίσκονται στο Αιγαίο και το Κρητικό Πέλαγος, καθώς και από την ιχθυαγορά του Ηρακλείου Κρήτης.Προσδιορίστηκε η επιβάρυνση σε βαρέα μέταλλα (Cd, Pb και Hg) στο βρώσιμο τμήμα των ψαριών και διερευνήθηκαν οι κύριοι παράγοντες που επηρεάζουν τη συσσώρευση βαρέων μετάλλων στον μυϊκό ιστό των ψαριών. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε η εκτίμηση κινδύνου για τον Ελληνικό πληθυσμό από την κατανάλωση ψαριών με βάση τις προσδιορισμένες συγκεντρώσεις βαρέων μετάλλων. Οι συγκεντρώσεις των βαρέων μετάλλων στα ψάρια μετρήθηκαν σε επίπεδα πολύ χαμηλότερα από τα ασφαλή όρια κατανάλωσης που καθορίζονται από τις αρχές, για κάθε μέταλλο ξεχωριστά καθώς και για το άθροισμά τους. Σημειώθηκαν σημαντικές διαφορές στα επίπεδα Hg και Cd ανάμεσα στην τσιπούρα και το λαυράκι, γεγονός που μπορεί να οφείλεται σε διάφορα αίτια, όπως διαφορές σε ενδογενείς παράγοντες μεταξύ των ειδών, διαφορετική συμπεριφορά μετάλλων, διαφορετικά επίπεδα βαρέων μετάλλων στις ιχθυοτροφές ή σε συνδυασμό όλων των παραπάνω. Ο υδράργυρος (Hg) και μόλυβδος (Pb) φαίνεται να συσσωρεύονται στους ιστούς σε μεγαλύτερα επίπεδα στα ψάρια που ζουν σε κλειστές θάλασσες, γεγονός που θα μπορούσε να σημαίνει ότι τα μέταλλα αυτά έχουν παρόμοιο μοντέλο κατανομής στο μέσο της έκθεσης (νερό) ή ότι έχουν την ίδια προέλευση διασποράς, πιθανώς από απορρίψεις λυμάτων εξαιτίας ανθρώπινων δραστηριοτήτων. Για τα επίπεδα των μετάλλων που προσδιορίστηκαν παρατηρήθηκε σαφής επιρροή από την εποχικότητα και οι εποχιακές μεταβολές κατέδειξαν επίσης μια επίδραση είδους, καθώς καταγράφηκαν σημαντικές διαφορές στη συσσώρευση μετάλλων μεταξύ των ειδών ανάμεσα στις διάφορες εποχές. Διαπιστώθηκαν επίσης διαφορές στα επίπεδα μετάλλων μεταξύ εκτρεφόμενων και άγριων ψαριών που μπορεί να οφείλονται σε ένα συνδυαστικό αποτέλεσμα διαφορετικής διατροφικής συμπεριφοράς, ρυθμού ανάπτυξης και επομένως μεταβολικού ρυθμού καθώς και επιπτώσεων της υδάτινης έκθεσης. Η αξιολόγηση κινδύνου που πραγματοποιήσαμε για τους Έλληνες καταναλωτές με βάση τα επίπεδα μετάλλων που προσδιορίσαμε στα πιο συχνά καταναλισκόμενα ψάρια, τόσο εκτρεφόμενα όσο και άγρια, υποδεικνύει ελάχιστο κίνδυνο για όλα τα μέταλλα.Επιπλέον, προσδιορίστηκε η συχνότητα εμφάνισης και η επιβάρυνση από τους δείκτες PCBs (ΣPCB-7) στα ίδια ψάρια. Επιπρόσθετα, διερευνήθηκε η συσχέτιση της συσσώρευσης των ΣPCB-7 στα ψάρια με την εποχικότητα, την τοποθεσία, τον τρόπο παραγωγής και το είδος ψαριού. Για τον χαρακτηρισμό του κινδύνου πρόσληψης PCB μέσω της κατανάλωσης ψαριών για τον ελληνικό πληθυσμό, αναπτύχθηκε μια πιο λεπτομερής μέθοδος εκτίμησης κινδύνου από αυτές που χρησιμοποιήθηκαν προηγουμένως. Η εμφάνιση και τα επίπεδα των ΣPCB-7 στον μυϊκό ιστό των εκτρεφόμενων και άγριων ψαριών και των δύο ειδών, δείχνουν ότι τόσο για τα δύο διαφορετικά είδη όσο και για τους δύο τρόπους παραγωγής, τα επίπεδα ήταν πολύ χαμηλότερα από τα μέγιστα επιτρεπτά όρια που όρισε η ΕΕ (2011). Περισσότερο χλωριωμένα PCB, όπως το PCB 138 και το PCB 153, ήταν πιο άφθονα και πιο συχνά ανιχνευόμενα στους ιστούς των ψαριών, πιθανότατα λόγω της μεγαλύτερης αντίστασης αποικοδόμησης και της λιποφιλικότητας τους. Τα άγρια ψάρια παρουσίασαν υψηλότερα επίπεδα ΣPCB-6, ενώ τα εκτρεφόμενα ψάρια συσσώρευσαν το PCB 118 σε υψηλότερα επίπεδα. Τα επίπεδα ΣPCB-6 και ΣPCB-7 επηρεάζονται κυρίως από το είδος γεγονός που είναι συνυφασμένο με το ότι τα αποτελέσματά μας ανέδειξαν την εποχικότητα ως σημαντικό παράγοντα που επηρεάζει τη συσσώρευση και την κατανομή των PCB στον ιστό των ιχθύων των ψαριών. Οι εποχιακές διαφοροποιήσεις των επιπέδων PCB φαίνεται να υπαγορεύονται από την οικολογία και το βιολογικό κύκλο του κάθε είδους. Παρουσιάστηκαν επίσης διαφορές στην κατανομή των διάφορων PCB μεταξύ ανοιχτών και κλειστών θαλασσών, οι οποίες θα μπορούσαν να αποδοθούν σε διαφορετικούς τύπους και πηγές μόλυνσης. Η εκτίμηση της έκθεσης έδειξε ότι η πρόσληψη NDL-PCB μέσω της κατανάλωσης ψαριών για τον ενήλικο πληθυσμό της Ελλάδας είναι συγκρίσιμη με άλλες ευρωπαϊκές χώρες. Η χρήση των δεδομένων κατανάλωσης από δύο διαφορετικές πηγές οδήγησε σε ελαφρώς αποκλίνοντα αποτελέσματα έκθεσης, υπογραμμίζοντας τη σημασία των διατροφικών συνηθειών στην εκτίμηση της έκθεσης. Αναπτύχθηκε μια νέα προσέγγιση δείκτη κινδύνου (HI) για συγκεκριμένο τρόφιμο, για την οποία ελήφθη υπόψη η συμβολή των ψαριών στην μέγιστη επιτρεπόμενη συνολική διατροφική έκθεση, καταλήγοντας σε χαμηλότερη τιμή για το ΗΙ. Ο χαρακτηρισμός κινδύνου για τους Έλληνες καταναλωτές δεν αποκάλυψε κανένα κίνδυνο.Συνοπτικά, δύο μεγάλες ομάδες περιβαλλοντικών ρύπων, τα βαρέα μέταλλα και τα PCB, που μπορεί να είναι επικίνδυνες τόσο για τα ψάρια όσο και για τους ανθρώπους, προσδιορίστηκαν σε ιστούς ψαριών και η διερεύνηση αποκάλυψε ότι η συσσώρευση και η τοξικότητα επηρεάζονται τόσο από αβιοτικούς όσο και από βιοτικούς παράγοντες. Δεύτερον, η αξιολόγηση κινδύνου που διενεργήθηκε για τον ελληνικό πληθυσμό σχετικά με την κατανάλωση ψαριών δεν αποκάλυψε κανένα κίνδυνο. Τέλος, προτάθηκε μια νέα μέθοδος χαρακτηρισμού κινδύνου με βάση μια προσέγγιση HI για συγκεκριμένο τρόφιμο.