1 Indledning

Effekter af pyrethroidet lambda-cyhalothrin på biologisk struktur, funktion og rekolonisering i vandløb

1.1 Baggrund og nuværende vidensgrundlag

Brug af pesticider på dyrkede arealer fører til, at en del af disse stoffer havner i ferskvandsøkosystemer som vandløb og søer (Mathiassen et al. 1995, Felding et al. 1997, Schulz & Liess 1999a, b). Der er således i Danmark i de senere år påvist mindst 44 forskellige pesticider i vandløb (Bøgestrand et al. 2003). De højeste koncentrationer findes typisk i forbindelse med større nedbørshændelser og forekommer som pulse (Styczen et al. 2003). Tilførslerne vurderes – på lerede jorder - i høj grad at skyldes transport via makroporer og dræn (Kronvang et al. 2003b), om end der kan forekomme en betydende overfladisk afstrømning af pesticider, hvor terræner skråner kraftigt ned mod vandløbene (Felding et al. 1997). Stofpulsene kan dog også skyldes afstrømning fra vaskepladser (Bay & Hansen 2001) eller vinddrift under sprøjtning. Effekterne af disse pesticider på de enkelte organismer, den biologiske struktur og funktionen af de biologiske elementer i vandområderne er imidlertid endnu ufuldstændigt kendt (se fx Schulz 2004).

For de fleste pesticider gælder, at de koncentrationer, som maksimalt er fundet i vandområderne, ikke kan forventes at være akut dødelig for organismerne. Nyere udenlandske studier har imidlertid vist, at pulse af visse insekticider, især pyrethroiderne, ved almindelig landbrugsdrift kan føre til effekter på populations- og økosystemniveau i vandløb (Schulz & Liess 1999b). En af disse effekter er, at visse smådyr føres med strømmen og eventuelt helt forsvinder fra den belastede strækning (Schulz & Liess 1999b). Dette fænomen kaldes for drift. Drift forekommer i mindre målestof under normale omstændigheder, dvs. uden indvirkning af toksiske stoffer eller andre forstyrrelser, men forøges markant under indvirkning af forstyrrelser (katastrofedrift). Traditionelle metoder til vurdering af pesticiders toksicitet i akvatiske systemer har hidtil bygget primært på studier af dødelighed hos udvalgte organismer, som under laboratorieforhold udsættes for konstante eksponeringskoncentrationer over givne tidsrum. Disse tidsrum (24, 48 eller 96 timer) er dog ofte væsentlig længere end den relativt korte tid (få timer), som pulsene i mindre vandløb typisk kan strække sig over (Styczen et al. 2003).

I tre tidligere pesticidforskningsprojekter, finansieret af Miljøstyrelsen, er vist, hvorledes smådyr fra både vandløb og søer/vandhuller kan påvirkes ved kortvarige, ikke-dødelige pyrethroidpulse. Ferskvandstangloppen Gammarus pulex, som er det mest talrige smådyr i danske vandløb, drifter således allerede ved en koncentration på ca. 0,0002 µg l^-1 for esfenvalerat (Nørum & Bjerregaard 2003, Møhlenberg et al. 2004) og 0,001 µg l^-¹ for lambda-cyhalothrin (Lauridsen & Friberg 2005). Heckmann & Friberg (2005) fandt ligeledes, at en række vandløbssmådyr øgede deres drift signifikant ved koncentrationer af lambda-cyhalothrin fra 0,05 µg l^-¹ og opefter i mesokosmos-render placeret i et vandløb. Derudover er det vist, at G. pulex’s parringsadfærd hæmmes ved koncentrationer af lambda-cyhalothrin på 0,2 µg l^-¹ (Heckmann et al. 2005). Undersøgelser fra Tyskland tyder endvidere på, at forvandlingen fra larver over pupper til voksne dyr hos visse vandinsekter også påvirkes ved sådanne lave koncentrationer af pyrethroider (Schulz 1997). Til sammenligning er der i vandløb i Århus Amt fundet koncentrationer på op til 0,66 µg l^-¹, og i fynske vandløb op til 0,2 µg l^-¹, af pyrethroidet esfenvalerat (Wiberg-Larsen et al. 1997, Wiggers 1999). I Århus Amt blev esfenvalerat fundet i 30% af alle udtagne vandprøver, og i 20% af alle prøverne oversteg koncentrationen 0,1 µg l^-¹ (Wiggers 1999). I en undersøgelse af pesticid-indholdet i sedimenter fra 30 danske vandløb blev pyrethroiderne alfa-cypermethrin, deltamethrin, esfenvalerat og lambda-cyhalothrin detekteret med fundprocenter op til 6,7% for lambda-cyhalothrin (Kronvang et al. 2003a). Da pyrethroiderne ikke er en del af det nationale overvågningsprogram (NOVANA), mangler der generelt viden om de, i danske vandløb, forekommende pyrethroidkoncentrationer.

I Danmark er pyrethroiderne den vigtigste gruppe af insekticider, idet 82% af de i 2007 insekticidbehandlede arealer blev sprøjtet med netop denne stofgruppe (Miljøstyrelsen, 2008). Samtidig er disse stoffer særdeles potente med en effektiv virkning i de vægtmæssigt relativt små mængder, som anvendes. De arealmæssigt tre vigtigste enkeltstoffer var alpha-cypermethrin (36%), tau-fluvalinat (25%) og lambda-cyhalothrin (14%) (Miljøstyrelsen 2008). Alle de undersøgte pyrethroider påvirker G. pulex ved stort set de samme koncentrationer og på samme måde (Nørum et al., 2006). Af denne grund er det i nærværende projekt vurderet rimeligt at anvende lambda-cyhalothrin som model-pyrethroid, fordi projektgruppen har stor erfaring med anvendelsen af netop dette pyrethroid i forbindelse med såvel effektstudier som kvantificering af stoffet i vand (se fx Møhlenberg et al. 2004, Nørum et al. 2006).

Pyrethroider er tungt opløselige i vand, men til gengæld meget fedtopløselige, og bindes derfor hurtigt og stærkt til overflader af organisk og mineralsk stof; de har således stor affinitet i forhold til mineraler som kvarts, corundum (alluminiumoxid), kaolinit og montmorillonit, ligesom de også bindes stærkt til fx glasoverflader (Hand et al. 2001, Oudou & Hansen 2002). Derfor forsvinder stofferne hurtigt fra vandfasen, og de er således vanskelige at måle ved tradionelle vandkemiske undersøgelser (Hill 1989, Hand et al. 2001). Blandt pyrethroiderne har lambda-cyhalothrin (log K_ow = 7) den stærkeste bindingsevne (Oudou & Hansen 2002). Den stærke evne til at bindes til organisk og mineralsk materiale betyder, at stofferne i stort omfang vil tilføres vandløbene bundet til partikler (Ghadiri & Rose 1991).

Begrænsningen ved tidligere gennemførte forsøg med effekter af pesticider på vandløbenes smådyr er, at de er udført over forholdsvis kort tid og under forsimplede forhold, enten i laboratoriet eller i mikro-/mesokosmos opstillinger (Nørum & Bjerregaard 2003, Møhlenberg et al. 2004, Heckmann & Friberg 2005, Lauridsen & Friberg 2005), der gør ekstrapolering til økosystemniveau vanskelig. For at kunne vurdere mulige effekter af pyrethroider på populations- og økosystemniveau er det derfor nødvendigt at gennemføre studier af smådyrenes artsafhængige evne til at rekolonisere vandløbene, samt af egnetheden af disse dyrs mikro-levesteder, i tiden efter en pulseksponering med stofferne. Således har Liess & Von der Ohe (2005) fundet, at tætheden af pesticidfølsomme arter er højere i vandløb, som lejlighedsvis påvirkes af pesticider, hvis der findes upåvirkede strækninger opstrøms, hvorfra de mest pesticidfølsomme arter kan indvandre igen. I den forbindelse er det væsentligt også at undersøge den indvandring, som skyldes ’lang-distance’ spredning fra andre hydrologisk adskilte vandområder. Egentlige fuldskalaforsøg i naturlige systemer kan dog reelt være næsten umulige at udføre, da det vil være ekstremt ressourcekrævende at indfri de statistiske krav om gentagelse af forsøgene (pga. den store variation i naturlige miljøer). Det kan samtidig synes etisk uacceptabelt at udsætte et større antal vandløbsstrækninger for direkte tilførsel af høje koncentrationer af pesticider, blot for at opnå den ønskede viden.

1.2 Formål

Dette projekts formål er at vurdere, hvilke effekter pulseksponeringer med pyrethroider har på vandløbsøkosystemers struktur og funktion, herunder hvor hurtigt disse egenskaber genskabes. Der er i særlig grad fokuseret på makroinvertebrater (smådyr), som har en central rolle i vandløbs stofomsætning, idet de dels udnytter (omsætter) forskellige typer af organisk stof, dels fungerer som føde for fx fisk. Ikke blot er det formålet at kvantificere smådyrenes evne til at rekolonisere, men også i hvor høj grad forurening af smådyrenes føde og levesteder indvirker på denne rekolonisering.

Der er i forbindelse med projektet opstillet følgende overordnede hypoteser:

Forskellige smådyrs evne til at rekolonisere vandløb, efter at de har været udsat for pulse af pyrethroider, kan rangordnes ud fra målinger af dyrenes mobilitet (evne til at bevæge sig), evne til at komme sig, spredningsevne, samt samlede potentiale for rekolonisering (der også omfatter deres hyppighed og formeringsevne).
Rekoloniseringen afhænger desuden af, om - og i givet fald hvor længe - levestedet påvirkes af disse pulse.

Det er i øvrigt forventet, at såfremt det er muligt at kvantificere et artsafhængigt potentiale for rekolonisering, og hvis påvirkningen af smådyrenes levested ligeledes kan kvantificeres, vil det være muligt at forudsige pyrethroiders virkning på populationer af smådyr, samt på disses funktion i vandløbsøkosystemerne.

Hypoteserne er søgt testet ved gennemførelse af en række integrerede undersøgelser, hver med delmål, som samlet bidrager til projektets overordnede formål.

1.3 Projektets overordnede struktur

Projektet kombinerer delstudier med forskellig grad af manipulerbarhed og kompleksitet på en varierende tidslig og rumlig skala (se figur 1.3.1). Der er således gennemført simple og kontrollerede forsøg under laboratorieforhold, hhv. i små beholdere eller strømrender, hvorved udvalgte smådyr er blevet udsat for pulse af pyrethroid. Herved er centrale biologiske karakteristika af betydning for arternes evne til at rekolonisere, dvs. primært deres mobilitet og evne til at komme sig (restituering), blevet kvantificeret. Desuden er det undersøgt, hvor hurtigt et pulseksponeret levested og den tilhørende føde igen bliver egnet for forsøgsdyrene. Lignende forsøg på en større rumlig og tidslig skala er supplerende udført på kunstigt etablerede samfund af smådyr i en række så vidt muligt ens strømrender, for at opnå en større grad af naturlignende forhold. Her er ikke blot undersøgt den aktuelle effekt på smådyrssamfundet og dets evne til at komme sig, men også af samfundets evne til at omsætte organisk stof. Endelig er der udført undersøgelser af betydningen af pulseksponering på smådyrssamfundenes sammensætning, evne til omsætning af organisk stof og evne til rekolonisering i naturlige vandløb, hvor det er langt vanskeligere at kontrollere forsøgsbetingelserne i forhold til andre betydende miljøfaktorer. Laboratorieforsøgene leverer således resultater, der kan understøtte/belyse de resultater, som opnås ved feltstudierne og forsøgene i de kunstige vandløb.

Laboratoriestudierne og forsøgene i kunstige og naturlige vandløb har inden for de givne tekniske og tidsmæssige rammer kun mulighed for at beskrive rekoloniseringen på strækningsniveau og helt lokalt niveau. Rekolonisering som skyldes indvandring af smådyr fra fjernere liggende levesteder – såkaldt lang-distance kolonisering – er således søgt belyst på anden vis. Til dette formål er foretaget en analyse af tidsserier af overvågningsdata for smådyr fra fynske vandløb, hvor der over en lang årrække er foregået en spredning af arter. Sammen med data fra litteraturen søges herved belyst, i hvor stort omfang pesticidpåvirkede vandløbsstrækninger kan rekoloniseres via smådyrenes lang-distance spredning (se fx Malmquist, 2002). Litteraturstudiet søger desuden at drage paralleller til spredningsforholdene hos smådyr, som lever i småsøer og damme.

Figur 1.3.1. Oversigt over udførte forsøg.

Figur 1.3.1. Oversigt over udførte forsøg.

I samtlige laboratorie- og feltforsøg blev der tilført pyrethroid i pulse af 90 min. Denne pulsvarighed er blevet anvendt i tidligere og sammenlignelige undersøgelser (Nørum & Bjerregaard 2003, Møhlenberg et al. 2004, Nørum et al. 2006), bl.a. på baggrund af vurderinger af varigheden af pulse under naturlige forhold i relativt små vandløb, fx i forbindelse med tilførsel af pesticider efter kraftige nedbørshændelser (se Styczen et al. 2003). Dertil kommer, at tidsrummet har en forsøgsmæssigt praktisk længde.

Som nævnt betyder det valgte modelpyrethroids evne til at binde sig stærkt til diverse stofoverflader og faste partikler, at de reelle stofkoncentrationer, som forsøgsdyrene og samfundene af smådyr udsættes for i de udførte forsøg under laboratorie-, semi-naturlige og naturlige forhold, kan være mindre end planlagt. Derfor er der i muligt omfang foretaget målinger af de reelle koncentrationer i forbindelse med doseringen af modelpyrethroidet for derved at kunne beskrive de realistiske koncentrations-respons-sammenhænge ved de forskellige forsøg.

Projektet bygger på 3 tidligere gennemførte projekter om pesticiders effekter på smådyr i vandløb (Nørum & Bjerregaard 2003, Møhlenberg et al. 2004, Nørum et al. 2006). Disse undersøgelser var koncentreret om de effekter, som et udsnit af pesticider har hos udvalgte smådyr i form af: dødelighed, ændrede bevægelsesmønstre (herunder drift), ændret reproduktion, ændret omsætning af organisk stof, samt ændrede relationer mellem rovdyr og byttedyr. Det foreliggende projekt inddrager nogle af de tidligere anvendte metoder (videosporing i små arenaer, brug af små strømrender), men fokuserer som noget nyt på rekolonisering af vandløb, efter at disse er blevet påvirket kortvarigt af et særligt effektivt virkende pyrethroid. Desuden er der fokuseret mere målrettet end tidligere på at afdække effekter på biologisk struktur, samt stofomsætning og fødetilgængelighed. Endelig er det – ligeledes som noget helt nyt – forsøgt belyst, hvilken betydning et vandløbs biodiversitet har for pesticiders effekt på rekolonisering og stofomsætning.

Feltstudierne og undersøgelserne i de store strømrender er udført af DMU (Silkeborg) og SDU (Biologisk Institut), mens laboratorieforsøgene er udført ved SDU. Litteratur- og analyser af tidsserier af overvågningsdata er udført af DMU.

1.4 Baggrund, formål og hypoteser for projektets delelementer

1.4.1 Betydning af økosystemstruktur og – funktion for rekolonisering efter påvirkning med pyrethroid

Delprojektet bestod af 3 separate forsøg. Det første forsøg foregik i 9 naturlige vandløb i fuld skala, hvor forskellige faktorer – ud over pyrethroid-påvirkningen - indvirkede, uden at det er muligt direkte at adskille dem fra hinanden. Under disse feltforsøg blev det vurderet uetisk at påvirke hele vandløbstrækninger med høje koncentrationer af pesticid (det er iflg. Miljøbeskyttelsesloven som udgangspunkt ulovligt, om end det teoretisk er muligt at opnå dispensation). Derfor valgtes i stedet den fremgangsmåde først at lade kunstige substrater kolonisere med smådyr i forsøgsvandløbene, dernæst at optage de koloniserede substrater og eksponere dem for pesticid i en forsøgsrende, for derefter at lægge dem tilbage i forsøgsvandløbet. Som supplement hertil blev der under kontrollerede forhold gennemført forsøg med pyrethroidpåvirkning af semi-naturlige samfund af smådyr i store strømrender. Her var det muligt væsentligt at reducere den naturlige variation, som findes i naturlige vandløb, ligesom det var muligt at tilsætte pyrethroid direkte til vandfasen og dermed påvirke hele systemet.

Hvis en pyrethroidtilførsel (eller tilførsel af kemisk stof med lignende giftvirkning) fx rammer en begrænset strækning af et vandløb og derved fjerner bestemte arter af smådyr, vil disse arter primært genindvandre via drift fra opstrøms upåvirkede strækninger. I sådanne tilfælde er rekolonisering bl.a. afhængig af den lokale artspulje (dvs. hvilke arter der er ”til rådighed”). Overordnet set er både artspulje og stofomsætning i et givet vandløb afhængig af dets størrelse (se fx Vannote et al. 1980, Wiberg-Larsen et al. 2000), hvor det er vist at øget biodiversitet kan øge stofomsætningen (Cardinale et al. 2003). Store vandløb rummer et større areal og flere habitater, hvilket teoretisk set også betyder et større antal arter og individer – og dermed større biodiversitet - end tilfældet er i mindre vandløb. Det er dog også påvist, at den regionale artspulje kan spille en vis rolle for det enkelte vandløbs biodiversitet. Nogle arter findes således kun i bestemte geografiske områder, hvilket kunne have betydning, hvis de udvalgte undersøgelseslokaliteter var blevet udvalgt fra forskellige dele af landet.

De aktuelle feltforsøg i naturlige vandløb omfattede derfor en række lokaliteter beliggende inden for samme ”region”. Her blev undersøgt tre størrelser vandløb: Små vandløb (med oplandsareal 1–10 km²); mellemstore vandløb (med oplandsareal 10–50 km²) og store vandløb (med oplandsareal 50–100 km²). Rationalet bag inddelingen i størrelser er som nævnt, at potentialet for rekolonisering teoretisk burde øges med vandløbets størrelse, fordi biodiversiteten øges med stigende vandløbsstørrelse (Brönmark et al. 1984). De mindst diverse systemer er samtidigt teoretisk set mest følsomme for forstyrrelser f.eks. i form af pesticidbelastning (Tilman 2000). Det er bl.a. disse sammenhænges betydning for smådyrenes rekolonisering efter en påvirkning med pesticid, som feltforsøgene skulle belyse. Derudover skulle de belyse, hvilken betydning ændringerne i smådyrssamfundene har på omsætningen af organisk stof. Der blev herved fokuseret på omsætningen af både mikroalger og døde blade, der udnyttes af hhv. ”græssere” og ”iturivere” blandt smådyrene. Mikroalger optræder især om foråret (fx Kjeldsen et al. 1996), hvor der også foregår sprøjtning med pyrethroider. Det er således i kontrollerede eksperimenter fundet, at algebiomassen om foråret var højere på sten, hvorfra de græssende smådyr var fjernet ved hjælp af et insekticid, end på ubehandlede sten (Kjeldsen 1996). Lignende opblomstring af mikroalger på sten og øvrig bund er observeret i fynske vandløb, hvor krebsdyr og vandinsekter blev elimineret i forbindelse med punktudledninger af pyrethroider, ligesom der blev fundet sammenhæng mellem masseforekomst af trådalger og pesticidforårsaget eliminering af græssende smådyr (Wiberg-Larsen et al. 1997).

Der blev udført både forårsforsøg med fokus på disse mikroalger og deres græssere, og efterårs-/vinterforsøg med fokus på omsætning af døde blade og de tilhørende iturivere. Især i mange små bække er netop døde blade hovedfødekilden for smådyrene og driver så at sige fødekæderne (Friberg 1997). Omsætningen af dødt organisk stof har i øvrigt tidligere vist sig at være en følsom effektparameter (Møhlenberg et al. 2004).

Som supplement til disse forsøg blev der i ét mellemstort fynsk vandløb udført forsøg med kolonisering og omsætning af bladpakker, hvoraf halvdelen inden udlægning i vandløbet var blevet kortvarigt eksponeret for pyrethroid. Formålet med dette forsøg var – med udgangspunkt i et større prøveantal og mere optimalt kontrollerede forsøgsomstændigheder end ved ovennævnte feltforsøg - at belyse pyrethroidets indvirkning på bladenes fødeværdi.

Under forsøget i de store strømrender blev det undersøgt, hvorledes smådyrssamfundet påvirkedes akut (bl.a. i form af katastrofedrift) i forbindelse med en kortvarig eksponering med pyrethroid, samt hvordan indvandringen af smådyr herefter foregik. Sideløbende hermed blev omsætningen af døde blade i renderne undersøgt for derved at opnå en beskrivelse af den indirekte effekt af påvirkningen med pyrethroid. Forsøget blev gennemført om efteråret, hvor tilførslen af døde blade fra træer primært finder sted.

Delprojektets overordnede formål var således at belyse, hvorledes pulseksponering med miljørealistiske koncentrationer af pyrethroid påvirkede smådyrenes: (1) drift og hyppighed, (2) rekolonisering inden for relativt kort tidsrum af berørte habitater og strækninger, samt om denne rekolonisering var betinget af forskel i vandløbsstørrelse, (3) stofomsætning i form af græsning på alger eller nedbrydning af døde blade. Desuden var det formålet at klarlægge, om og i givet fald hvor længe, pesticidet påvirkede artssammensætningen og dyrenes funktion via ændringer af substrat- og fødeforhold.

Der blev opstillet følgende hypoteser:

Pyrethroider påvirker smådyrenes nøglerolle i omsætningen af organisk stof i vandløb.
Pyrethroider forurener substrater og visse fødeemner, hvilket hæmmer smådyrenes evne til genindvandring
Smådyrs potentiale for rekolonisering og dermed hastigheden af deres genindvandring øges med stigende vandløbsstørrelse

1.4.2 Pyrethroiders påvirkning af smådyrs mobilitet, deres evne til restituering, samt af substrat- og fødekvalitet

Delprojektets formål var at kvantificere smådyrenes mobilitet før, under og efter en påvirkning med pyrethroid, samt at vurdere hvor hurtigt de er i stand til at komme sig. Desuden var formålet at klarlægge smådyrenes reaktion over for pyrethroidforurenede levesteder og føde (fx bladmateriale eller perifytiske alger) under kontrollerede betingelser i laboratoriet for at vurdere, hvor længe levestedets egnethed vil være påvirket. Med forsøgene blev søgt tilvejebragt data, der kunne understøtte/belyse resultaterne fra undersøgelserne i naturlige og kunstige vandløb.

I forsøgene i de små strømrender blev der alene fokuseret på omsætningen af døde blade, efter at udvalgte iturivere blandt smådyrene var blevet udsat for en kortvarig påvirkning med pyrethroid.

Der blev opstillet følgende hypoteser:

Pyrethroider hæmmer eller øger smådyrenes mobilitet afhængigt af graden af påvirkning.
Smådyr kan efter en påvirkning med pyrethroid – afhængigt af denne påvirknings omfang - genvinde deres naturlige adfærd.
Smådyr undgår i en periode pyrethroidforurenet substrat eller føde.

1.4.3 Langdistance-kolonisering i naturen

Genetablering af smådyrsfaunaen i et vandområde efter en ”katastrofe” er i høj grad afhængig af den lokale artspulje, dvs. af de arter, som inden for det samme vandsystem har overlevet katastrofen. Det kan imidlertid ske, at katastrofen rammer de dele af vandsystemet, hvor bestemte arter har deres eneste lokale forekomst. Disse arter vil derfor kun kunne indvandre fra andre vandsystemer, og denne indvandring må nødvendigvis ske over land (for voksne insekters vedkommende via spredning af ægbærende hunner). Succesen af denne lang-distance spredning afhænger af, om dyrene reelt kan overvinde den aktuelle afstand til det katastroferamte vandløb, og om de i givet fald formår at danne en ny bestand i dette.

Ud fra eksisterende data, i dette tilfælde data fra fynske vandløb, der repræsenterer en geografisk og tidslig skala, der langt overgår et normalt projekts rammer, er det undersøgt over hvilke afstande dyrene er i stand til at indvandre over land fra et vandløbssystem til et andet. Formålet er primært at klarlægge sammenhængen mellem koloniseringsafstand og den tid, som koloniseringen tager. Resultaterne fra de fynske vandløb anvendes til at perspektivere resultaterne fra forsøgene med rekolonisering på lokalt niveau og inden for en relativt kort tidshorisont i forhold til en langt større rumlig og tidslig skala.

Der blev opstillet følgende hypoteser:

Det tager længere tid at kolonisere, jo større afstand koloniseringen skal ske over.
Sammenhængen mellem afstand og tid er artsspecifik og afhænger af arternes biologi.
Hastigheden af rekoloniseringen øges, jo større bestandene er i de vandløb, hvorfra indvandring sker, og jo mere udbredte arterne er.