THE USE OF ENCLOSED PLANKTON COMMUNITIES IN AQUATIC ECOTOXICOLOGY Fate and effects of mercury, cadmium and selected aromatic organics in a marine model ecosystem 0000 Promotor :dr . J.H. Koeman hoogleraar in de toxicologie Co-promotor :dr . C. den Hartog buitengewoon hoogleraar in de hydrobiologie /Wôï*x>i,irt JAN KUIPER THE USE OF ENCLOSED PLANKTON COMMUNITIES IN AQUATIC ECOTOXICOLOGY Fate and effects of mercury, cadmium and selected aromatic organics in a marine model ecosystem PROEFSCHRIFT ter verkrijging van de graad van doctor in de landbouwwetenschappen, op gezag van de rector magnificus, dr. C. C. Oosterlee, hoogleraar in de veeteeltwetenschap, in het openbaar te verdedigen op dinsdag 23 november 1982 des namiddags te vier uur in de aula van de Landbouwhogeschool te Wageningen kripsrepro meppe l \S\h \>\H\*&q -ol HOLLANDI I ieder moment - midden overdag de telefoon gaat kan het bestaan omslaan in absurditeit koos koster -4 - nn v2o\. STELLINGEN 1.Organisch e stoffendi e in laboratorium biodegradatietoetsen gemakkelijk afbreekbaar blijken,kunne n ind e praktijk in zeemoeilij k afbreekbaar zijn. dit proefschrift 2. Modelecosystemen dienen ingetrapt e toetssystemenvoo r debeoordelin g van milieurisico van chemicaliën reeds na de eerste screeningsfase teworde n ingeschakeld. Hierbij dient niet noodzakelijkerwijs gestreefd teworde n naar standaardisering. J. van de Harst,F . Schmidt-Bleek,J.F . de Kreuk enK.O .Günther . Ecotox.Environm . Safety 5, 377-381 (1981). dit proefschrift 3.Doorgaan sword t inmarien e model plankton systemen een successie van het fytoplanktonwaargenome n ind e richting vanmicro-flagellaten .Dez eword t eerder veroorzaakt door selectieve vraat door copepoden dan door verminderde turbulentie ind e modelecosystemen. G.D. Grice,M.R . Reeve,P . Koeller enD.W . Menzel. Helgoländer wiss. Meeresunters. 30, 118-133 (1977). J.H. Steele enJ.C . Gamble. In:G.D . Grice enM.R . Reeve (eds.) Marine Mesocosms,Springe r Verlag,Ne wYork . pp. 227-237 (1981). dit proefschrift 4. Dewijz ewaaro p Menzel en Steele tot eenoptimaa l volume van eenmode l plankton systeem komen, isonvoldoend e gebaseerd opmetinge n of argumenten. D.W. Menzel enJ.H . Steele. Rapp. P.V. Réun. Cons. int.Explor .Me r 173,7-1 2 (1978). 5.Binne nd eOEC D end e EEG zijnrecen t afspraken gemaakt,waarbi j kortdurende toxiciteitstoetsenworde n voorgeschreven,voorda t nieuwe chemicaliën op de markt toegelatenworden .Dergelijk e toxiciteitstoetsen zijn onmisbaar voor een eerste screening,maa r zijnongeschik t voor debeoordelin g van het milieurisico van chemicaliën inaquatisch e ecosystemen. OECD Guidelines for Testing of Chemicals,OECD , Paris.1981. 6thAmendmen t EEC.Officia l Journal of theEuropea n Communities L259, 15oktobe r 1979. 6. Stimulering vanbiologisch e processen als gevolg van stress door verhoogde concentraties chemicaliën dient niet zondermee r als een positief effect te worden beoordeeld. A.R.D. Stebbing.Aquat .Toxicol . 1,227-23 8 (1981) 7. Voor debepalin gva n de primaire produktie door fytoplanktonka n de gebruikelijke C—14method e ind emeest e gevallenvervange nworde n door een opmetin g vand e zuurstof concentratie verandering gebaseerdemethode . P.J.LeB.Williams ,R.C.T .Rain e enJ.R . Bryan. Oceanologica Acta 2,411-41 6 (1979). S.B. Tijssen.Proc . Ill Internationales hydromikrobiologisches Symposium Smolenice (CSSR), 1980. 8.Momentee l zijnbiologisch emonitorin g technieken onmisbaar om de biologischbeschikbar e fractieva nverontreinigend e stoffen inwate r en sediment tekwantificeren . E.D. Goldberg (ed.), The international Mussel Watch. National Academy of Sciences,Washingto n D.C., 1980. 9. Eenvergunnin g voor het lozenva n afvalwater op oppervlaktewateren dient mede gebaseerd te zijno p de resultatenva n veldonderzoek naar de mogelijke ecologische gevolgenva nd ebetreffend e lozing.Bi j dit onderzoek is het onjuist om de eventueel ter plaatse reeds verontreinigde toestand als "natuurlijke"referenti e tegebruiken . 10. Ecosystemen bestaan. J. Engelberg enL.L .Boyarsky .Am . Nat. 114,317-324 (1979). C.F. Jordan.Am . Nat. 118,284-28 7 (1981). 11.Overorganisati e enburokratiserin g vanwetenschappelij k onderzoek doodt motivatie enkreativiteit . 12.D e zakkenhebbe n de toekomst. Jan Kuiper Theus eo f enclosed plankton communities inaquati c ecotoxicology Wageningen, 23novembe r 1982 WOORD VOORAF Het doen van wetenschappelijk onderzoek is vaak teamwork en het onderhavige werk vormt daarop geen uitzondering. Al die jaren dat ik mij voor het Laboratorium voor Toegepast Marien Onderzoek MT-TNO met model ecosystemen heb bezig gehouden, werd ik gestimuleerd en gesteund door een grote groep mensen. Het was niet de vooropgezette bedoeling dat dit onderzoek zou leiden tot een proefschrift.N u dit ervan gekomen is,wi l ik graag diegenenbedanke n die een bijdrage geleverd hebben. Allereerst wil ik prof. dr. J.H. Koeman en prof. dr. C. denHarto gbe ­ danken voor hun ondersteuning van het initiatief tot het schrijven van een proefschrift. De direktie van deHoofdgroe p Maatschappelijke Technologie TNO, dr.H.J . Hueck en drs.J.S.A .Langerwerf , ex-hoofd, respectievelijk hoofd van de afdeling biologie van MT-TNO bedank ikvoo r hunbijdrage . De grote steunva n Gerard "Sieme" Hoornsman,Pi m deKoek,Joo pMarquenie , Piet Roele, Ben Schrieken, Marijke van der Meer en Henk van het Groenewoud, allen collega's in Den Helder, wil ik hier graag memoreren. Zonder Henk en Sieme als harde kern en Pim als bedachtzame vragensteller was er niets van het onderzoek terecht gekomen. Ook wil ik graag de vele collega's van het MT laboratorium te Delft bedanken voor hun bijdragen. In de eerste plaats de mensen van de werkgroep biodegradatie die meehielpen met de experimenten met de organische stoffen: R. van Aardenne, W.R. de Jong, J.F. de Kreuk, A.O. Hanstveit, M. Pullens, K. Schonk en H. Visscher. Veel analyses van de toegevoegde stoffen werden verricht door Trudy Putman, Jaap Spijk en J.H.L. Zwiers van de afdeling Analytische Chemie.D e mathematische steunva n Janva n deEikhof ,Cee s van de Togt enLe oWittebroo d werd zeer gewaardeerd. Een speciaal woord van waardering voor de groep tekstverwerking rond Gé van Velzen is hier op zijn plaats. Zij wisten uit "kilo's"manuscrip t concept- publikaties te toveren. Verder dank ik: - H.G. Fransz, W.W.C. Gieskes, R. Leewis, G. Kraay, G.C. Cadee, J. Hegeman en W. van Arkel, allen van hetNederland s Instituut voor Onderzoek der Zee voor hun hulp en adviesbi j allerlei problemen. - Jan Jaap Formsma en Ton Grolle, die als studenten eenwaardevoll e bijdrage leverden aanhe t onderzoek. - 5 Uwe Broekman en Einar Dahl voor de inspirerende samenwerking gedurende POSER, alsmede het Ministerie van Buitenlandse Zaken en de Noorse autori­ teitenvoo r hun medewerking bij POSER. Riékelt de Vries, Dorus Pompert en Sjok Visser voor hun hulp bij de start van de experimenten. de EEG en Rijkswaterstaat-direktie Noordzee voor hun toestemming het deels in opdracht verrichte onderzoek tepubliceren . Inter Research, Springer Verlag, de American Society forTestin g andMate ­ rials, deBiologisch e Anstalt Helgoland en deAcademi ePress ,voo r hun toe­ stemming een aantal artikelen indi tproefschrif t te reproduceren, de Koninklijke Marine voor het ter beschikking stellen van een experimen­ tele lokatie in dehave nva nDe nHelder . Peter Davis voor de engelse correctie van hetproefschrift . CONTENTS: page woordvoora f 5 1.INTRODUCTIO N 8 2.MATERIA LAN DMETHOD S 12 2.1.Desig nenclosure s 12 2.2.Fillin gth ebag s 13 2.3.Additio no fcontaminant s 14 2.4.Samplin g 15 2.5.Experiment s 16 2.6.Analytica lmethod s 18 3.REPLICATIO NO FPLANKTO NDEVELOPMEN TI NIDENTICALL YTREATE D MODELECOSYSTEM S 20 4.FAT EAN DEFFECT SO FSELECTE DCONTAMINANT SO NENCLOSE D MARINEPLANKTO NCOMMUNITIE S 22 4.1.Mercur y 22 4.1.1.Fat eo fth eadde dmercur y 22 4.1.2.Effect so fth eadde dmercur y 22 4.2.Cadmiu m 26 4.2.1.Fat eo fth eadde dcadmiu m 26 4.2.2.Effect so fth eadde dcadmiu m 26 4.3.Organi ccompound s 29 4.3.1.Fat eo fth eadde dorgani ccompound s 29 4.3.2.Effect so fth eadde dorgani ccompound s 30 5.REPRODUCIBILIT YO FECOTOXICOLOGICA LRESULT S 33 6.POSSIBILITIE SFO REXTRAPOLATIO NO FRESULT ST O THEFIEL DSITUATIO N 34 7.OPTIMA LEXPERIMENTA LSET-U P 36 8.SUMMAR YAN DCONCLUSION S 38 SAMENVATTING 42 9.CITE DLITERATUR E 46 APPENDIX 53 CURRICULUMVITA E PUBLICATIONS 1. INTRODUCTION Modern industrialized societies produce large amounts of chemical waste. Accidents during production and transport and deliberate disposal of wastes in the sea may cause severe pollution problems. An important aspect ofeco - toxicology is the development of test procedures which can be used to pro­ duce information about the fate and effects of pollutants in ecosystems. This information should help the autorities to set standards limiting damage to the ecosystem inquestio n (Hueck and Hueck-Van der Plas 1976). Ecotoxicology,however ,i s still in its infancy (Hueck-Van der Plas and Hueck 1979) and the test procedures being considered for national or international use must be submitted to continuous review. In particular the large gapbe ­ tween the laboratory and the field needs tob e bridged. In ecotoxicology eco- logists and toxicologists must cooperate to gather information on thetoxici ­ ty of chemicals in ecosystems. No test can give conclusive evidence that a pollutant is biologically harmless, but the tests used should provide infor­ mation needed to judge environmental risks,a s required by,fo r instance,th e conventions ofOsl o orLondon . Because pollution problems occur in the field, it seems logical to assess the influence of pollutants in field experiments. In most cases, however, it is impossible to experiment with the natural marine system, although oil spills and other dumping practices might be considered as large scale experiments (e.g. Boucher 1980,O'Sulliva n 1978).