Effects of heavy metals from outdoor shooting ranges on aquatic organisms

Abstract

Metals deposited in shooting ranges (Pb, Zn, Cu and Sb) can affect fish health, fish populations and fish communities through a wide spectrum of mechanisms. In the current report the literature on the mechanisms of metal toxicity and their effects on fish are reviewed. Some effects on fish are especially interesting since they are likely to affect the fish at a population or community level; 1) Effects on reproduction such as sexual maturation and larval growth and survival 2) Behavioural effects on spawning that again affect reproduction 3) Chronic stress Effects on reproduction are interesting due to the sensitivity of the endpoints and because these effects are of ecological relevance. In addition to indirect effects on reproduction, the effects on behaviour can affect social structures that are important for the population as a whole. The stress response is interesting, since many adverse effects that show up in chronic studies are assumed to be due to chronic stress. A practical issue is that there are many biomarkers available for studying the stress response in fish. Metal discharge from shooting ranges has a certain signature of relative concentrations of Pb, Cu, Zn and Sb. There is limited information on how this mixture affects fish. The fact that these pollutants may have additive, or even synergistic effects, is of concern. Additivity seems to be a frequent reported effect of these metals in mixture. It has been shown that metals in a mixture can give adverse effects by additivity even though the individual concentrations of the metals are below their ecotoxicological benchmark levels. This indicates that additivity is an important property of metals and should be taken into account in ecological risk assessments. Two main strategies are currently recognized valid to predict the toxicity of a mixture: Concentration addition, also called Loewe additivity, and effect addition also called Bliss model of independent action. In order to predict a mixture effect, both models requires information on dose-response relationships of the single metals. We propose that in order to predict the mixture effects on fish of metals from shooting ranges, laboratory studies should be performed with concentrations of metals based on the signature reported from shooting ranges. Cage-exposure and field studies should then be performed in order to validate the model.

Metaller deponert på skytebaner (Pb, Zn, Cu og Sb) kan påvirke fiskens helse, fiskepopulasjoner, og akvatiske samfunn gjennom et stort spekter av mekanismer. I denne rapporten er det gjort en litteraturstudie på metallers toksiske effekter på fisk. Noen effekter på fisk er særlig interessante ettersom de kan innvirke på populasjons- eller samfunnsnivå; 1) effekter på reproduksjon slik som kjønnsmodning og vekst og overlevelse av fiskelarver 2) effekter på gyteadferd som indirekte har konsekvenser for reproduksjon 3) kronisk stress Effekter på reproduksjon er interessant ettersom effektene inntreffer ved lave konsentrasjoner og fordi effekter på reproduksjonen kan ha konsekvenser på populasjonsnivå. I tillegg til indirekte konsekvenser for reproduksjon kan endret adferd påvirke sosiale strukturer som er viktige for populasjonen som helhet. Indusering av stressresponsen er interessant ettersom dette inntreffer ved lave konsentrasjoner og siden mange av de mer alvorlige effektene som fremkommer i kroniske studier, slik som effekter på immunsystemet, er antatt å ha bakgrunn i kronisk stress. Avrenning av metaller fra skytebaner har en egen signatur når det gjelder relative konsentrasjoner av Pb, Cu, Zn and Sb. Det er lite kunnskap om hvordan denne blandingen av metaller virker på fisk. Potensialet for at disse stoffene har additive, eventuelt synergistiske effekter er av bekymring. Additiv effekt er hyppig rapportert for enkelte av disse metallene i blanding. Det er vist at metaller i blandning kan gi skadelige effekter på akvatiske organismer selv om konsentrasjonen av de enkelte metallene i blanding er under grensen for effekt. Dette indikerer at en kan forvente additiv effekt av metaller i blanding, noe som det bør tas hensyn til ved miljø-risikovurderinger. To hovedstrategier er per i dag anerkjent for å kunne predikere giftigheten av stoffer i blanding: Konsentrasjonsaddisjon, også kalt Loewe additivitet, og Bliss modell for uavhengige mekanismer. For å predikere en effekt av stoffer i blanding, er begge modellene avhengig av dose-respons sammenhenger for enkeltstoffene. Det anbefales å benytte laboratoriestudier med en blanding av metaller basert på den signaturen man finner i feltstudier, for å predikere effekter på fisk i forbindelse med avrenning fra skytebaner. Burforsøk i bekker som mottar vann fra skytebaner, eventuelt andre feltstudier på stedegen fisk, kan så gjennomføres for å validere modellen.