Bodil Hernroth Professor i biomedicin Högskolan Kristianstad och KVA- Sven Lovén Center för marina vetenskaper- Kristineberg, Fiskebäckskil

Transkript

1 Marina djurs hälsa i ett försurat hav Bodil Hernroth Professor i biomedicin Högskolan Kristianstad och KVA- Sven Lovén Center för marina vetenskaper- Kristineberg, Fiskebäckskil

2 Klimatförändringen medför: Temperaturökning Ökad nederbörd Kustvattnet utsötat Ökad stratifiering och sämre omblandning Kustvattnet brunifierat Kemiska förändringar i havet The 5 th assessment report of the IPCC, 2014

3 Koldioxid reagerar med vatten och gör havet surare (löser sig bättre i kallt vatten än i varmt) CO 2 När koldioxid reagerar med vatten bildas kolsyra: CO 2 + H 2 O H 2 O 3 HCO 3- + H + 2H + + CO 3 2- CO Ca 2 + CaCO 3 Kolsyran sänker vattnets ph och ökar lösligheten för kalciumkarbonat.

4 Brist på kalciumkarbonat Drabbar f.f.a. skalbyggande organismers överlevnad, tillväxt, skalbildning och reproduktion (Meta-analys: Kroeker et al., Ecol. Lett., 2010) Arthropoda: Svårlösligt calcit Bild: R. Kautsky/Azote Foto: N. Wijkmark/Azote Mollusca: Mer lättlösligt aragonit Echinodermata: Porösa magnesiumrika karbonater Foto: L. Lokrantz/Azote

5 Vi efterhärmar det scenario som IPCC förväntar att klimatförändringen skall leda till i slutet av detta århundrade, dvs Δ-0,4 ph-enheter. Påverkars immunförsvaret? På SLC-Kristineberg förvaras djuren i rinnande havsvatten i flera månader. Hälften av djuren utsätts för lägre ph genom kontinuerlig bubbling med CO2 och vattnets temperatur regleras.

6 Studierna av immunförsvaret inriktas på hemocyter/coelomocyter som är huvudaktörerna i evertebraternas immunförsvar: Flera miljoner blodceller per ml blod, nybildas hela tiden Vandrar till skadad vävnad och förhindrar blodförlust, Fagocyterar (slukar) skadliga mikroorganismer, Frisätter antimikrobiella ämnen (fenoloxidas, antimikrobiella peptider, etc.), Signalerar till andra blodceller så att de aktiveras.

7 Immuntoxikologisk modell för att undersöka sub-letala effekter Mobilisering av hemocyter/ coelomocyter Celldelning och apoptos Hematopoietiska stamceller Mognad till immunaktiva celler Aktivering av hemocyter/ coelomocyter + stressmarkörer i vävnaderna Degranulering Aktivering av propo-systemet Fagocytos Antimikrobiella peptider Signalsubstanser

8 Exempel på våra studier: Påverkas sjöstjärnans immunförsvar av försurningen? Exponering av försurat havsvatten i sex månader.

9 TCC *10 6 per ml Påverkas antalet blodceller? 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 Antalet coelomocyter minskade med ca 50% efter 6 månader i försurat havsvatten. 0,00 Cont OA Cont = Kontroll (ph 8.1) OA = Försurat havsvatten (ph 7.7) Hernroth et al. Aqua Tox., 2011

10 Påverkas deras förmåga att fagocytera? Blodceller fagocyterar (slukar) mikrober för att döda dem. Denna förmåga försämrades efter 6 månader i försurat havsvatten Phagocytic units * Control OA Hernroth et al. Aqua Tox., 2011

11 MAPKp38 pg per mg protein Påverkas aktiveringen av försvaret? Control OA Efter 6 månader i försurat havsvatten försämras förmågan att skicka ut signaler som aktiverar immunförsvaret. Hernroth et al. Aqua Tox., 2011

12 ph units ph i blodet sjunker då de utsätts för försurat havsvatten 7,5 7,45 7,4 7,35 7,3 7,25 7,2 Control OA Det är energikrävande att försöka hålla den interna ph-balansen: Många cellulära processer kan påverkas! Hernroth et al. Aqua Tox., 2011

13 Vi har gjort liknande studier på havskräftans stress & immun-respons. Resultaten visar att kräftan påverkas efter 4 månaders exponering ungefär på samma sätt som sjöstjärnan. Hernroth et al., Fish & Shellfish Immunol., 2012

14 Shell length growth (mm) ph units of hemolymph Musslorna A 7.6 a påverkas också negativt: ab ab 7.5 De växer sämre, deras b 7.4 skalstruktur försämras, de har 7.3 svårare att bryta ner Vibrio tubiashii. 7.2 Cont4d OA4d Cont4m OA4m I det B 1.5försurade havsvattnet tenderar 1 dessa bakteriers proteolytiska 0.5 och hemolytiska aktivitet att 0 öka vilket indikerar att de Cont OA blir mer virulenta. C D Cont OA Asplund et al. Env Microbiol., 2013

15 Vissa av de hot mot Östersjön som vi upplever nu kan förstärkas av klimatförändringen: Ökad biomassa av alger missgynnar syresituationen på bottnarna. Foto: R. Kautsky/Azote

16 Förstärks dessutom i kombination med överfiske av större fiskar som ger ökat utrymme för små fiskar som i sin tur äter djurplankton. Betningstrycket på växtplankton minskar. Större biomassa bryts ner på bottnarna och orsakar syrebrist

17 Stora arealer bottensedimenten drabbas temporärt av syrebrist med frisättning av mangan som följd. Mangan är en essentiell metall som används i flera enzymsystem men vid hög koncentration är mangan ett känt nervgift. Vi har tidigare på olika sätt studerat dess effekt på havskräftans, blåmusslans och sjöstjärnans immunsystem. Foto: sjohistoriska.se

18 MnO 2 finns normalt bundet i bottensediment men reduceras och frisätts vid syremättnad < 16%. Kräftor från Kattegatt: Foto: Susanne Baden

19 Kräftdjurens immunförsvar Kräftornas granulära hemocyter degranulerar och aktiverar prophenoloxidas i en kaskad av reaktioner som slutar med melanisering. De hyalina hemocyterna fagocyterar bakterierna.

20 Mangan: immuntoxisk för kräftor Kräftor exponerade för mg Mn l -1 i 10 dagar Antal hemocyter: 60% Apoptos: 15 % Hematopoietiska stamceller: Ingen ökad celldelning trots reducerat antal hemocyter Utmognad: 40 % Degranulering: 80 % Immunresponsen hämmades! ProPO-AS: Blockerad Fagocytos: Inhiberas Hernroth et al. Aqua Tox., 2004; Oweson et al. Aqua Tox., 2006

21 A. rubens 5 PC C CFU*10 5 per g tissue PC Mn 8h 24h 48h Mangan påverkade inte elimineringen av Vibrio parahaemolyticus från levervävnaden i A. rubens. M. edulis CFU* 10 4 per g tissue HP C HP Mn 8h 24h 48h Men i M. edulis påverkades elimineringen.. och ännu mer så i N. norvegicus CFU*10 4 per g tissue N. norvegicus HP C HP Mn 8h 24h 48h Ju mer Mn som ackumulerades i djurens vävnad desto mer reducerades antalet blodceller och elimineringen av Vibrio blev sämre. Oweson and Hernroth, Fish & Shellfish Immunology, 2009

22 Kombinationseffekter? Havsförsurningen är en pågående process som djuren inte kan fly från. Vi har nu börjat undersöka om havsförsurningen leder till a tipping point för organismer som också temporärt utsätts för syrebrist och mangan.

23 Kombinationseffekter? Vi undersöker om immunförsvaret försämras mer efter att djuren har exponerats för försurat havsvatten under en längre tid och sedan också utsätts för kortare exponering av Mn eller hypoxi. Blir det synergistiska effekter?

24 THC *10 6 per ml Antal hemocyter hos kräftor efter exponeringen A A A B B B Amb:Cont Amb:HYP Amb:Mn OA:Cont OA:HYP OA:Mn Reducering av antalet hemocyter påverkades främst av mangan men i försurat havsvatten även av syrebrist.

25 Kräftor injicerades med Vibrio parahaemolyticus. Bakteriernas överlevnad i kräftan mättes som en markör för immunkompetens.

26 Clearance of V. parahaemolyticus in HP (slope: 4-24 h p.i. in hepatopancreas) Kräftornas förmåga att reducera antalet Vibrio-bakterier som injicerats i blodbanan: 2,5 2 1,5 1 A AB B B B 0,5 0-0,5-1 -1,5-2 -2,5 Amb:Cont Amb:Hyp Amb: Mn OA:Cont OA: Hyp OA:Mn Kräftorna i normalt havsvatten reducerade bakterierna med 34% inom 24 tim medan syrebrist försämrade den förmågan (ca. 22% reduktion med stor variation). I behandlingarna med mangan och försurat havsvatten kunde kräftorna inte reducera bakterierna alls!

27 Påbörjade experiment på HKR: Hur klararv. parahaemolyticus den förändrade miljön? Uttryck av virulensfaktorer (m-rna-sekvensering/ RT-PCR) Funktionella tester (hemolytiska/proteolytitiska egenskaper) Påverkan på celler (hemocyter, larver, humana cellkulturer)

28 Konsekvenser av stressituationer i försurat havsvatten?

29 Skaldjur som äter genom att filtrera vatten exponeras ofta för patogena mikroorganismer. Tidigare studier har visat att bakterier och virus kan uppehålla sig i musslor under lång tid och vid gynnsam temperatur kan vissa bakterier t.o.m. föröka sig i musslor. Hernroth et al., Appl Environ Microbiol, 2002; Hernroth, F & S Immunology, 2003; Hernroth and Allard, J. Food Microbiol, 2007; Hernroth et al. FEMS Microbiol Ecol., 2010

30 Viktigt att de vinner kriget mot bakterier och virus: Påverkar deras överlevnad och vår tillgång till mat Påverkar risken för smitta i näringsväven och kan göra oss sjuka då vi konsumerar dem.

31 Hur säkra kan vi vara på att klimatförändringarna är negativa för Östersjön? Östersjöns buffringskapacitet är sämre än i öppna oceanen (lägre total- alkalinitet). ph är generellt lägre och mer varierande. Starkt förorenat hav. Kan det betyda att djuren är mer anpassade till stressande miljö?

32 Wood et al., 2014 Marin Biology: Jämförde immunkompetens hos isopoden Idotea balthica som insamlades från olika områden: Helgoland (Nordsjön) 32 PSU; Gullmarsfjorden varierande salthalt PSU; Tvärminne (Finland) och Malmö (Kattegat) låg salthalt 7-10 PSU Hur klarar de sig i försurat havsvatten? Hög salthalt : Sämre immunförsvar Låg salthalt : Alla individer dog! Variabel salthalt: Sämre immunförsvar Foto: N. Wijkmark/Azote Orsak: Djur i sina yttre utbredningsområden är mer känsliga för förändring.

33 Studier av musslor utanför Kiel har visat att försurat vatten har olika effekt på skalen beroende på musslornas födotillgång: Low food -> dissolution High food -> no dissolution (Melzner et al. 2011)

34 ECHINODERMS Abyssocucumis sp. Amphiura filiformis Arbarcia drufresnei Arbarcia punctulata Asterias rubens Crossaster papposus Cystechinus sp. Denstraster excentricus Echinocardium cordatum Echinometra mathaei Eucidaris tribuloides Evechinus chloroticus Heliocidaris erythrogramma Hemicentrotus pulcherrimus Lytechinus pictus Ophiothrix fragilis Ophiura ophiura Paracentrotus lividus Pisaster ochraceus Psammechinus miliaris Pseudechinus huttoni Sterechinus neumayeri Strongylocentrotus franciscanus Strongylocentrotus purpuratus Tripneuste gratilla BRYOZOANS Myriapora truncata MOLLUSKS Argopecten irradians Bathymodiolus brevior Benthoctopus sp. Cavolinia inflexa Crepidula fornicata crossostrea ariakensis crossostrea gigas crossostrea virginica Dosidiscus gigas Haliotis coccoradiata Limacina helicina Mercenaria mercenaria Mya aranea Mytilus edulis Nucella lamellosa Patella vulgata Rudipates decussatus Saccostrea glomerata Sepia officinalis Strombus alatus Strombus luhuanus Urosalpinx cinerea TUNICATES Ascidiella aspersa Ciona intestinalis Oikopleura dioicea CRUSTACEANS Callinectes sapidus Echinogammarus marinus Elminius modestus Elminius modestus Euphasia superba Gammarus locusta Haploops lodo Homarus americanus Hyas araneus Necora puber Palaemon elegans Palaemon pacificus Palaemon serratus Penaeus plebejus Schizopera knabeni Semibalanus balanoides NEMERTIAN Parborlasia corrugutus ANNELIDS Nereis virens Hydroides crucigera ACOELOMORPHA Symsigatifera roscoffiensis

35 Anpassning till klimatförändring? Man har sett stora skillnader mellan arter och även mellan olika populationer av samma art. Olika livsstadier reagerar olika. Larver ofta känsligast. Bakgrundshistorien är av betydelse. Acklimatisering och adaption (d.v.s. plasticitet och genetisk förändring)? Kombination med andra stressfaktorer påverkar? Väldigt svårt att dra generella slutsatser om vad klimatförändringen betyder för ekosystemen.

36 Skaldjur som äter genom att filtrera vatten innerhåller ofta patogena mikroorganismer. Tack för er uppmärksamhet! Viktigt att de vinner kriget mot bakterier och virus: Påverkar deras överlevnad och vår tillgång till mat Påverkar risken för smitta då vi konsumerar dem. Musselbank i Kalmarsund; Foto: I. Eliasson