Mercury accumulation in fish and lake food webs: From molecules to ecosystems

Abstract

Kvikksølv er et giftig tungmetall som bioakkumulerer i fisk og akvatiske næringsnett og som ofte gir forhøyet akkumulering på grunn av ulike økologiske faktorer. Det trengs derfor overvåkning av kvikksølv i ulike innsjø-økosystemer for å evaluere negative påvirkninger på biota og for å vurdere fisk som matkilde til mennesker. Denne avhandlingen fokuserte på ulike fiskearter og næringsnett fra subarktiske innsjøer for å karakterisere nøkkelfaktorer på molekylært, biologisk og miljøfaktornivå som kunne forklare totalt kvikksølv innhold (THg). Her ble forholdet mellom kvikksølv og aminosyrer, vekst-fortynning, bioakkumulering ved basis av næringsnettet og biomagnifisering betraktet. For å vurdere disse forholdene ble det studert nitten innsjøer langs en klima- og produktivitsgradient i et vassdrag på grensen mellom Sverige og Finland. I tillegg til THg ble det innsamlet biologiske data (f. eks. kroppsstørrelse, alder, mage innhold), og data på molekylært nivå (C:N ratio, aminosyrer), samt miljøvariable (f.eks. luft-temperatur, næringsstoffer, nedslagsfelt og innsjøforhold). Tre generelle lineære modeller (GLM) ble benyttet for å teste hvordan ulike faktorer kunne forklare THg i biota på individuelt, populasjon og samfunnsnivå. Først ble det fokusert på å detektere aminosyrer som potensielt kunne påvirke kvikksølvets bioakkumulering. Sekundært så ble kvikksølvets vekstfortynnig evaluert ved bruk av en ny utregning gitt som Kvikksølv Vekst Ratio (MGR). Til slutt ble det undersøkt biomagnifisering av kvikksølv og innhold ved basis av næringsnettet i ulike innsjø-økosystemer. Av de 16 undersøkte aminosyrene var det bare prolin som signifikant sank med økende THg. GLM indikerte at et lavt cystein innhold kan øke THg bioakkumulering i fisk. Kvikksølv vekst fortynning ble funnet i seks fiskearter der den mest effektive fortynningen var i mesotrofe innsjøer med store habitat og byttedyr tilgjengeligheter i forhold til total fiskemengde. Kalde, oligotrofe innsjøer hadde høyere kvikksølv biomagnifisering hovedsaklig grunnet mindre komplekse næringsnett i økosystemer med store nedslagsfelt. I kontrast, THg ved basis av næringsnettet og i topp predatorer økte i mere komplekse næringsnett i eutrofe innsjøer til tross for kvikksølv biofortynning i innsjøens totale biomasse. De oppsummerende resultatene i denne avhandlingen viste at biologiske faktorer forklarte 80% av all modell variasjon, mens mindre ble forklart av miljømessige (14%) og molekylære faktorer (6%). Økende fiskealder, høyt trofisk nivå, sen vekst og næringskilder med lavt lipid-innhold (lav C:N ratio), var viktige variable når det gjaldt å forklare økende kvikksølvinnhold i fisk. En generell betraktning er at intermediære miljømessige forhold representerer det beste habitatet for kvikksølv vekst fortynning og biofortynnning.

Abstract: Mercury is a toxic heavy metal bioaccumulating in fish and aquatic food webs that is prone to elevated accumulation due to various ecological factors. Thus, mercury monitoring in diverse types of lake ecosystems is needed to evaluate negative impacts on the biota and to assess human fish food sources. This thesis focused on different fish species and food webs from diverse subarctic lakes to distinguish key molecular, biological, and environmental factors potentially explaining total mercury content (THg). The relationship between mercury and amino acids, growth dilution, bioaccumulation at the base of the food web, and biomagnification were considered. To address these issues, food webs from nineteen lakes located on climate and productivity gradient of a watercourse on the border of Sweden and Finland were studied. In addition to THg, several biological (e.g. body size, age, stomach content), molecular (C:N ratio, amino acids) and environmental variables (e.g. air temperature, nutrients, catchment and lake properties) were sampled. Three General Linear Models (GLM) were used to test how different factors may explain THg in biota on individual, population and community levels. The first objective focused on detecting amino acids that potentially affect mercury bioaccumulation. Secondly, mercury growth dilution was evaluated using a novel metric of Mercury Growth Ratio (MGR). Lastly, mercury biomagnification and content at the base of the food web were explored in different lake ecosystems. From 16 examined amino acids only proline significantly decreased with increasing THg. Moreover, the GLM indicated cysteine low content can enhance THg bioaccumulation in fish. Mercury growth dilution was evident in six fish species and the most efficient dilution was observed in mesotrophic lakes with high habitat and prey availability in relation to total fish abundance. Cold, oligotrophic lakes showed higher mercury biomagnification mainly due to their less complex food webs in ecosystems with large catchments. Contrary, THg at the base of food web and in top predator increased in more complex food webs in eutrophic lakes despite mercury biodilution in lake total biomass. The summarising results in this thesis showed that biological factors explained 80% of all model variation, whereas a smaller amount was explained by environmental (14%) and molecular (6%) factors. Increasing fish age, high trophic level, slow growth, and low lipid food source (low C:N ratio), were decisive variables increasing mercury content in fish. In general, intermediate environmental conditions represented the best habitat supporting mercury growth dilution and biodilution.