Selenkontamination av sötvattensekosystem är ett pågående miljöhälsoproblem runt om i världen. Ett naturligt förekommande spårämne, selenhalterna är höga i vissa geologiska formationer som sedimentära skiffer som utgör mycket av berggrunden i västra USA. Jordar som härrör från denna berggrund, och vittring av skifferhällar, kan bidra med höga halter av selen till omgivande vattendelar.

Ny forskning ut denna vecka i Miljövetenskap och teknik från UConn Biträdande professor i naturresurser och miljö Jessica Brandt tillsammans med Travis Schmidt och kollegor vid United States Geological Survey (USGS) undersöker några av komplexiteten hos selen och hur det rör sig genom ekosystemet under avrinningshändelser och som ett resultat av säsongsbevattning av selenberikade jordar.

Forskningen fokuserade på Lower Gunnison River Basin i Colorado, ett område påverkat av selenberikad berggrund, känt som Upper Cretacous Mancos Shale, och utsedd kritisk livsmiljö för den utrotningshotade razorback sucker (Xyrauchen texanus) och Colorado pikeminnow (Ptychocheilus lucius). Mellan juni 2015 och oktober 2016, forskargruppen provade vatten och vilda djur på sex provtagningsresor och längs 60 flodmil mellan Austin och Grand Junction, CO.

Brandt förklarar att studiens fokus låg på tidpunkten för selens rörelse genom flodens näringsväv. Partiklar inklusive alger tar upp selen från vattnet vid basen av näringsväven. Ryggradslösa djur och vissa små fiskar livnär sig direkt på det partikelformiga materialet, och större fiskar äter sedan ryggradslösa djur och mindre fiskar.

"Selen är ett viktigt mikronäringsämne som förvärvas genom kosten, men överdriven exponering hotar hälsan hos äggläggande djur, inklusive fiskar och vattenfåglar. Dessutom, tidpunkten för exponeringen har betydelse. Till exempel, för mycket selen som ett embryo är särskilt oroande eftersom det försämrar utvecklingen och minskar chanserna att kläckas och överleva till vuxnas livsstadier. Vi ville veta när, under året, utsätts fiskar för de högsta koncentrationerna av selen i näringsväven? Sammanfaller dessa perioder med fönster för reproduktion och tidig utveckling? Är de i linje med perioder av ökad mobilisering av selen till floden?"

För det mesta, svaren på de frågorna var ja. Selenkoncentrationerna nådde sina högsta koncentrationer i fiskbyte i april och augusti 2016 när selen pulseras in i floden från snösmältning och under bevattning av jordbruksfält. Genom att modellera fiskkoncentrationer från selennivåer lägre i näringsväven, Brandt och medarbetare förutspådde att selennivåerna i hela kroppen var högst under våren och sommaren. Under dessa perioder, ägg mognar hos vuxna fiskar innan de leker och årets unga fiskar upplever utvecklingsstadier som är mottagliga för hög exponering för selen.

Brandt förklarar att studien är viktig på grund av dess fokus på ett snabbt rinnande vattensystem. De flesta fallstudier av vattenförekomster förorenade med selen handlar om sjöar och reservoarer där selen når höga koncentrationer i fiskar och fåglar efter att ha rört sig genom sediment-detritalvägen. Eftersom vattnet rör sig långsammare i dessa system, selen har större möjlighet att ackumuleras vid basen av näringsväven. I floder, å andra sidan, man tror att det mesta av selenet som mobiliseras under perioder med högt flöde kommer att spolas nedströms innan det kan ackumuleras lokalt,

"Vi observerade att gröna alger kan ta upp selen ganska snabbt under perioder av hög mobilisering, sannolikt från vattenpelaren direkt. En hypotes framöver är att alger upptagsvägar för selen in i vattenlevande näringsnät, snarare än sediment-detritalvägar, kan dominera i floder och bäckar. Den här studien indikerar att vi måste ägna mer tid åt att tänka på selenrisker i floder."

Brandt säger att denna forskning har konsekvenser för hanteringen av selenprovtagning i floder. Till exempel, fiskprovtagning sker vanligtvis på hösten när resultaten av denna studie tyder på att selenkoncentrationerna i fisk kan vara som lägst. Till och med fortfarande, de uppmätta koncentrationerna var höga,

"Vi provade spräcklig dace och rundsvansfärna i oktober 2015 och 2016, säger Brandt, "Selenkoncentrationerna i hela kroppen i mer än 90 % av dessa fiskar var långt över fyra delar per miljon, vilket är en tröskel som stöds av forskning som visar negativa hälsoeffekter som minskad tillväxt och överlevnad. Eftersom floden är livsmiljö för inhemska hotade arter, att upprätthålla fiskens hälsa är en prioritet."

Selenhalterna i Lower Gunnison River Basin har varit ett problem i flera decennier nu och Brandt förklarar att pågående saneringsinsatser i Gunnison har minskat nivåerna med 43 % sedan 1986. Men kanske kan mer göras för att ytterligare stärka dessa ansträngningar

"Behöver vi närma oss selenbedömningar i försämrade floder på ett annat sätt? Tja, vi ser från detta arbete att selenhalterna i näringsväven är höga även med sjunkande vattenkoncentrationer under de senaste trettio åren. Detta understryker att näringsväven är den primära drivkraften för selenexponering och potentiell toxicitetsrisk. Mer frekvent övervakning av selen i näringsväven i detta system kommer att ge oss den bästa informationen om hur man hanterar selen för att nå målen för fiskbevarande."

Problemet med selen i ägg

Brandt förklarar att den fullständiga mekanismen för selentoxicitet fortfarande inte är helt klarlagd och det finns sannolikt flera sätt att det äventyrar ett djurs hälsa. Den tidiga hypotesen var att selen substitut för svavel i aminosyror, som är byggstenarna för proteiner, och orsakade felaktig proteinfunktion. Vi vet nu att selenmetabolism också orsakar oxidativ stress. Hur som helst, selen är en teratogen vilket betyder att det vid vissa exponeringsnivåer kan orsaka missbildningar.

Med deformitetsinducerande föroreningar, tidpunkten för exponering under loppet av en organisms livscykel är avgörande eftersom specifika perioder är mer känsliga för höga selenkoncentrationer. Brandt säger att exponering för överskott av selen är särskilt oroande för äggläggande djur som fåglar eller fiskar eftersom svavelrika proteiner som så småningom blir äggulaproteiner görs i levern på den vuxna honan innan de leker. Om vuxna kvinnor utsätts för höga selennivåer i kosten, en hög grad av selensubstitution för svavel i dessa prekursorguleproteiner kommer att översättas till höga nivåer av selenexponering för embryona. Denna exponering i tidiga liv kan orsaka missbildningar och dödlighet. På befolkningsskala, dålig överlevnad för unga fiskar och fåglar kan få populationer att krascha,

"Vi såg detta i dramatisk utsträckning i Belews Lake (North Carolina) och Kesterson Reservoir i Kalifornien under 1970- och 1980-talen och har arbetat för att förhindra liknande konsekvenser i andra ekosystem sedan dess."