Experimentelle Untersuchungen zum Einfluss von Erdölkohlenwasserstoffen auf Nahrungssuche und Aggressionsverhalten des Europäischen Hummers Homarus gammarus (L.)

Abstract

Etwa. 1,3 Mio. Tonnen Erdölkohlenwasserstoffe (EKW’s) gelangen jährlich in die marine Umwelt. Aus Ölunfällen, wo kurzfristig EKW-Konzentrationen von mehreren hundert µg bis mg . l-l auftreten können, stammen hiervon jedoch nur 8%. In derart hohen Konzentrationen wirken Erdölbestandteile toxisch auf marine Tiere und Pflanzen, verursachen Missbildungen, reduziertes Wachstum und Fortpflanzung, beeinträchtigen zahlreiche physiologische Parameter und führen zu Verhaltensänderung. Der Großteil der anthropogenen Belastung ist aber chronischer Natur und stammt aus dem Schiffsverkehr und dem Eintrag über die Flüsse und die Atmosphäre. Diese Belastungen führen zu lokalen EKW-Konzentrationen von meist weit unter 100 µg . l-l. Ziel dieser Arbeit war es deshalb zu untersuchen, ob EKW’s bereits in diesem deutlich sublethalen Bereich verhaltensändernde Effekte ausüben und auf diese Weise marine Tiere schädigen. Als Modellorganismus diente der Europäische Hummer Homarus gammarus, zur Belastung wurde die wasserlösliche Fraktion (wsf) von Ekofisk-Rohöl eingesetzt. ImLabor wurde das Verhalten juveniler Tiere bei einer Belastung mit ca. 7 µg . l-l Gesamt-EKS’S untersucht, einer für die Deutsche Bucht umweltrelevanten Konzentration. Untersucht wurden das Nahrungssuch- und das Aggressionsverhalten. Beide Verhaltenskomplexe hängen stark von der Wahrnehmung chemischer Reize ab. Zum Vergleich wurde deshalb auch das Verhalten von Hummern untersucht, deren chemosensorische Wahrnehmung durch Ablation der lateralen Antennulenflagellen bzw. der darauf befindlichen Sinneshaare stark eingeschränkt war (Ablationstiere). Dies erlaubte Rückschlüsse darauf, ob die EKS’S die Rezeption chemischer Signale beeinträchtigte. Beim Nahrungssuchverhalten wurde die Wahrnehmungsschwelle für chemische Nahrungsreize und die Dauer der aktiven Nahrungssuche untersucht. Als Kriterium für die chemosensorische Wahrnehmung diente die Steigerung der Antennulenschlagfrequenz (Flickingfrequenz). Deutliche Effekte traten ab einer Belastungsdauer von zwei Wochen auf. Drei Wochen Belastung mit wasserlöslichen EKW’S erhöhte die Wahrnehmungsschwelle der Hummer für Nahrungsreize um den Faktor 10 000. Die Motivation der Tiere, einen wahrgenommenen Nahrungsreiz aktiv zu verfolgen, blieb jedoch unverändert. Das Aggressionsverhalten wurde in je drei aufeinander folgenden Begegnungen zwischen zwei Tieren untersucht. Es wurden sowohl gleich als auch ungleich große Gegner miteinander konfrontiert. In beiden Konstellationen etablierten die Tiere der Kontrollgruppe in allen Begegnungen stabile Dominanzhierarchien. In den Folgebegegnungen, in denen sich die Tiere bereits kannten, war ihr Aggressionsniveau deutlich reduziert. Im Gegensatz dazu blieb nach dreiwöchiger EKW-Belastung das Aggressionsniveau der Hummer bei allen Paaren in allen Begegnungen unverändert hoch. Dominanzhierarchien waren weniger stabil oder wurden nicht etabliert. In der Ablationsgruppe dagegen reagierten die meisten Tiere überhaupt nicht aufeinander. Dies legte nahe, dass die EKW-Belastung die Wahrnehmung chemischer Signale, die von Artgenossen stammten, nicht völlig blockierte. Gleichzeitig gab es Hinweise, dass die Belastung vor allem bei den kleineren Tieren in ungleichen Paaren die Motivation zu defensivem, subdominantem Verhalten reduzierte. Aus diesem Grund wurde im Nervensystem belasteter und unbelasteter Hummer die Konzentration der Amine Serotonin und Octopamin gemessen. Beide Stoffe wirken dort als Neurohormone und Neurotransmitter und sind an der Erzeugung aggressiver bzw. defensiver Verhaltenselemente beteiligt. Serotonin fördert aggressive und Octopamin defensive Verhaltensweisen. Serotonin ist zudem an der Entstehung und Aufrechterhaltung der Motivation zum Kampf beteiligt. Ihre Konzentrationen wurden mit HPLC in Ganglien gemessen, in denen sich neurosekretorische Neurone für die beiden Stoffe befinden. Ihre Konzentrationen unterschieden sich bei unbelasteten und erdölbelasteten Hummern nicht signifikant voneinander. Jedoch gab es einen Trend zu einer Verschiebung im Octopamin: Serotonin – Verhältnis. Bei den belasteten Tieren war dieses Verhältnis niedriger als bei den unbelasteten Tieren. Damit hatten die belasteten Tiere in den untersuchten Ganglien im Verhältnis weniger Octopamin, das defensive Verhaltenelemente erzeugt, und mehr Serotonin, das aggressives Verhalten fördert. Dies ist möglicherweise ein erster Hinweis auf den Mechanismus, über den die Belastung mit Erdölkohlenwasserstoffen den Motivationsstatus der Hummer veränderte. Diese Ergebnisse zeigen, dass bereits geringe Konzentrationen wasserlöslicher Erdölkohlenwasserstoffe das Nahrungssuch- und Aggressionsverhalten von juvenilen Homarus gammarus in einer für die Tiere nachteiligen Weise verändern konnten. Eine niedrige Erdölbelastung könnte sich damit möglicherweise auch im Freiland für einzelne Individuen und auf Populationsebene negativ auswirken noch bevor eine akut toxische Wirkung der Erdölbestandteile in Erscheinung tritt.

Despite of numerous international agreements still about 1,3 million tons of crude oil components are delivered into the marine environment each year. Petroleum hydrocarbon concentrations of several hundred micrograms . l-l and above have been shown to have toxic effects and to impair growth, reproduction and behavior of marine fish and invertebrates. But even low concentrations may change the behavior of marine animals and thus may cause significant harm at otherwise sublethal concentrations. Therefore, the present work was conducted to study under laboratory conditions behavioral effects of low concentrations of the water soluble fraction (wsf) of crude oil. The European Lobster, Homarus gammarus served as a model organism to investigate possible impacts of the wsf on food search and agonistic (conspecific aggressive) behaviour. Wsf-Concentrations as low as 7 µg . l-l (total hydrocarbon content) were applied. These concentrations correspond to the chronic petroleum hydrocarbon pollution in coastal marine environments. In their behavior lobsters, are highly dependent on chemical signals. These mediate intra- and interspecific communication but also trigger or influence a variety of vital behavioral reactions like food search or mating. Therefore, interference with the chemical sensory system of the animals might be one mode of action by which crude oil components cause behavioral effects. In order to distinguish between effects on chemosensation and other (neuro)physiological effects, oil exposed animals were compared not only with untreated control individuals but also with lobsters lacking the lateral flagellae of their antennules (the so called ablation group), where the sum of the animals’ olfactory sensory hairs as well as a great number of other chemosensitive sensillae are located. In the food search experiments, thresholds for the reception of chemical food stimuli were examined using the increase of antennule flicking in response to chemical stimulation. Additionally, the duration of active food search was measured. Effects of chronic exposure to crude oil wsf showed after two weeks. Three weeks of exposure caused the threshold for the reception of food stimuli to increase by the factor of 10 000. Meanwhile, the motivation of the lobsters to actively search for food once they had received the cue was not affected. Agonistic behavior was examined initiating three subsequent encounters between two animals. Animals of same size and weight (equal pairs) as well as pairs where one opponent was considerably smaller (unequal pairs) were confronted. In both of these pairings, control animals always established stable and lasting dominance hierarchies. When meeting a known opponent during follow-up encounters, the animals reduced aggressive behaviors markedly. In contrast, in lobsters exposed to crude oil wsf for three weeks all aggression parameters remained on initial levels throughout all three encounters, in all pairings. Dominance hierarchies were less stable or in some cases were not established at all. In the ablation group, most of the animals did not react to each other at all, indicating that exposure to water soluble petroleum hydrocarbons did not entirely block the reception of conspecific chemical stimuli. At the same time there was evidence that oil exposure reduced the motivation especially of the smaller opponents in the unequal pairs to perform subdominant behaviors. In order to pinpoint this effect, concentrations of serotonin and octopamine were measured in the nerve cord of oil-exposed lobsters. Both amines act as neurotransmitters and neuromodulators in the lobster and play a key role in generating aggressive and subdominant behaviors respectively. Serotonin enhances aggressive and dominant behaviors and takes part in generating and sustaining the animal’s motivation to fight. Octopamine acts as its antagonist and enhances subdominant behaviors. Their concentrations were measured by HPLC in ganglia containing neurosecretory cells for these two amines. Absolute concentrations of the two amines did not differ significantly in oil-exposed lobsters as compared to control animals. However, there was a trend towards a lower octopamine to serotonin ratio in oil exposed lobsters. Thus, relatively speaking, within those ganglia they had less octopamine mediating subdominant, defensive behavior than serotonin which enhances aggressive behaviors. This could be a first hint to the mechanisms by which petroleum hydrocarbons could have changed the motivational status of fighting lobsters. These results clearly show that already low concentrations of water soluble petroleum hydrocarbons affect food search and agonistic behavior of juvenile Homarus gammarus. In the wild, exposure of that kind might have negative effects on the individual as well as on the population level, long before any toxic effects of oil pollution become obvious.