Multiomics Point of Departure (moPOD) Modeling Supports an Adverse Outcome Pathway Network for Ionizing Radiation

While adverse biological effects of acute high-dose ionizing radiation have been extensively investigated, knowledge on chronic low-dose effects is scarce. The aims of the present study were to identify hazards of low-dose ionizing radiation to Daphnia magna using multiomics dose–response modeling and to demonstrate the use of omics data to support an adverse outcome pathway (AOP) network development for ionizing radiation. Neonatal D. magna were exposed to γ radiation for 8 days. Transcriptomic analysis was performed after 4 and 8 days of exposure, whereas metabolomics and confirmative bioassays to support the omics analyses were conducted after 8 days of exposure. Benchmark doses (BMDs, 10% benchmark response) as points of departure (PODs) were estimated for both dose-responsive genes/metabolites and the enriched KEGG pathways. Relevant pathways derived using the BMD modeling and additional functional end points measured by the bioassays were overlaid with a previously published AOP network. The results showed that several molecular pathways were highly relevant to the known modes of action of γ radiation, including oxidative stress, DNA damage, mitochondrial dysfunction, protein degradation, and apoptosis. The functional assays showed increased oxidative stress and decreased mitochondrial membrane potential and ATP pool. Ranking of PODs at the pathway and functional levels showed that oxidative damage related functions had relatively low PODs, followed by DNA damage, energy metabolism, and apoptosis. These were supportive of causal events in the proposed AOP network. This approach yielded promising results and can potentially provide additional empirical evidence to support further AOP development for ionizing radiation.publishedVersio

Integrative assessment of low-dose gamma radiation effects on <i>Daphnia magna</i> reproduction: Toxicity pathway assembly and AOP development

High energy gamma radiation is potentially hazardous to organisms, including aquatic invertebrates. Although extensively studied in a number of invertebrate species, knowledge on effects induced by gamma radiation is to a large extent limited to the induction of oxidative stress and DNA damage at the molecular/cellular level, or survival, growth and reproduction at the organismal level. As the knowledge of causal relationships between effects occurring at different levels of biological organization is scarce, the ability to provide mechanistic explanation for observed adverse effects is limited, and thus development of Adverse Outcome Pathways (AOPs) and larger scale implementation into next generation hazard and risk predictions is restricted. The present study was therefore conducted to assess the effects of high-energy gamma radiation from cobalt-60 across multiple levels of biological organization (i.e., molecular, cellular, tissue, organ and individual) and characterize the major toxicity pathways leading to impaired reproduction in the model freshwater crustacean Daphnia magna (water flea). Following gamma exposure, a number of bioassays were integrated to measure relevant toxicological endpoints such as gene expression, reactive oxygen species (ROS), lipid peroxidation (LPO), neutral lipid storage, adenosine triphosphate (ATP) content, apoptosis, ovary histology and reproduction. A non-monotonic pattern was consistently observed across the levels of biological organization, albeit with some variation at the lower end of the dose-rate scale, indicating a complex response to radiation doses. By integrating results from different bioassays, a novel pathway network describing the key toxicity pathways involved in the reproductive effects of gamma radiation were proposed, such as DNA damage-oocyte apoptosis pathway, LPO-ATP depletion pathway, calcium influx-endocrine disruption pathway and DNA hypermethylation pathway. Three novel AOPs were proposed for oxidative stressor-mediated excessive ROS formation leading to reproductive effect, and thus introducing the world's first AOPs for non-chemical stressors in aquatic invertebrates.publishedVersio

Aluminium og spormetaller i Kaldvellfjorden : tilstandsformer og opptak i fisk

Aluminium (Al) og andre spormetaller i vann er giftig for fisk ved høye konsentrasjoner. Etter bygging av ny E18 ved Lillesand har det blitt dokumentert høye konsentrasjoner av Al og andre spormetaller i sur avrenning fra deponi med svovelholdige steinmasser. Den sure avrenningen blir tilført Kaldvellfjorden via Stordalsbekken. Det har vært stor bekymring om tilførsel av metaller til Kaldvellfjorden medfører negative effekter på akvatiske organismer i fjorden. Det har derfor blitt bygd renseanlegg med kjemisk felling (NaOH) i Stordalen for å fjerne Al og andre spormetaller før utslipp i Stordalsbekken og Kaldvellfjorden. I vann foreligger Al og andre spormetaller på ulike fysiske og kjemiske tilstandsformer, hvorav ioner er antatt å være biotilgjengelige, mens kolloidale og partikulære tilstandsformer er mer inerte og ikke antatt reaktive for akvatiske organismer som fisk. Det er imidlertid lite kunnskap om hvordan tilstandsformer og biotilgjengelighet av Al og andre spormetaller påvirkes når surt tilsig fra deponi blandes med sjøvann, som er tilfelle i Kaldvellfjorden i utløpet av Stordalsbekken. Slik kunnskap er påkrevet for å kunne vurdere hva som er kritiske nivåer av spormetaller i brakkvann. Resultater fra laboratorieforsøk, feltforsøk og feltundersøkelser i prosjektet viser at behandlingen av den sure avrenningen i renseanlegget i Stordalen bidrar til en betydelig reduksjon i total metall-konsentrasjonen, samt en endring fra lavmolekylære tilstandsformer til partikulære tilstandsformer av Al og spormetaller i vannet før utslipp i Stordalsbekken. Ved innblanding av sjøvann i vann fra Stordalsbekken er det videre en fortynning i konsentrasjonen av Al og spormetaller, men også en polymerisering av tilstandsformer med lav molekylmasse (LMM), og en aggregering av partikulære tilstandsformer som bunnfeller. Konsentrasjonen av Al og spormetaller i Stordalsbekken avtar derfor mer enn estimert basert på fortynning ved utløp i Kaldvellfjorden. Al og andre spormetaller foreligger hovedsakelig som LMM tilstandsformer i Kaldvellfjorden og i lavere konsentrasjoner enn i Stordalsbekken. Resultater viser at en rekke spormetaller inkludert sjeldne jordmetaller følger de samme endringene der konsentrasjonen avtar med økende saltholdighet. Feltforsøk viser at vannkvaliteten i nedre del av Stordalsbekken er akutt giftig for fisk, også kort tid etter fortynning (<30 minutter) med sjøvann til 25 promille saltholdighet der den renner ut i sjøen. Konsentrasjonen av spesielt Al er høy i gjeller fra fisk eksponert for brakkvannet til tross for at Al konsentrasjonen fortynnes med sjøvann. Resultater viser at Al er mer reaktiv som følge av polymerisering i sjøvannet. Det avsettes derfor Al i svært høye konsentrasjoner på gjellene til fisk som medfører akutt død ved mer enn 400 μg Al/g tørrvekt (tv) gjelle. Observasjoner viser at kvaliteten på vannet som kommer fra renseanlegget under normal drift bidrar til lavere avsetning av metaller på fiskegjeller sammenlignet med vann nederst i Stordalsbekken, og i liten grad til avsetning av metaller på fiskegjeller etter innblanding av sjøvann sammenlignet med høy avsetning basert på vann fra Stordalsbekken. Det konkluderes med at tilsig nedstrøms renseanlegget fører til økt avsetning av metaller på fiskegjeller og høy giftighet i Stordalsbekken, også etter innblanding av sjøvann. I Kaldvellfjorden var det relativt høy saltholdighet i den undersøkte perioden. I denne perioden var konsentrasjonen av Al og spormetaller i fjorden generelt lav og avsetning av Al (<10 μg/g t.v. gjelle) og spormetaller i fiskegjeller ubetydelig. Konsentrasjonen ble imidlertid forhøyet til 165 μg Al/g gjelle etter en moderat flomepisode med saltholdighet ned mot 15 promille i Kaldvellfjorden. Det er en korrelasjon mellom konsentrasjonen av de ulike spormetallene avsatt på gjellene til fisk i Kaldvellfjorden og metallprofilen i Stordalsbekken. Dette indikerer at kilden til avsetningen i Kaldvellfjorden er avrenning fra svovelholdig stein fra deponiet via Stordalsbekken eller andre kilder med slik avrenning. Saltholdigheten i Kaldvellfjorden korrelerer med vannføring i Stordalsbekken, og avtar til 5 promille under episoder med økt vannføring i Stordalsbekken. Under slike episoder er det naturlig å anta at konsentrasjonen av Al og spormetaller i vannet øker ytterligere enn det som ble observert ved 15 promille saltholdighet og at det under slike episoder er økt avsetning på fikegjeller. Logging av saltholdighet viser også at saltholdigheten i de øvre vannmassene er tilnærmet det samme i hele fjorden og at saltholdigheten øker med dybden. Vann på 3 meters dyp i fjorden ligger under pyknoklinen på 2 meter og har variasjoner i saltholdighet som ikke korrelerer med variasjonene observert i overflaten og vannføring i Stordalsbekken. Vannet under pyknoklinen kan være akutt giftig for fisk med omrøring av oksygenfattig bunnvann, som observert med 100% dødelighet i bur på 3 meters dyp høsten 2016. Dette tilskrives ikke sur avrenning og metall giftighet, men er naturlige prosesser som finner sted i terskelfjorder med liten utskiftning av bunnvannet. Opprettholdes normal renseeffekt i renseanlegget også under nedbørepisoder med økt tilførsel av sigevann fra deponiet kan det antas at bidraget fra deponiet i liten grad vil bidra til avsetning av Al og spormetaller på fiskegjeller i Kaldvellfjorden. Resultater viser ingen antydning til mobilisering av partikulære Al tilstandsformer fra renseanlegget etter innblanding i sjøvann. Spormetaller som Mn og Ni forblir i større grad reaktive også etter renseanlegget, men avtar ved fortynning med sjøvannet. Bidraget fra andre kilder i nærområdet med avrenning fra svovelholdig stein kan imidlertid også bidra til effekter som observert i utløpet av Stordalsbekken, hvor dødelighet av fisk hovedsakelig tilskrives avrenning nedstrøms deponiet. I dette arbeidet har Al og andre spormetaller blitt karakterisert i Kaldvellfjorden ved saltholdighet ved 15 promille og høyere. Det eksisterer imidlertid episoder med betydelig bidrag av ferskvann og med saltholdighet ned mot 5 promille. Det er fortsatt et behov for å dokumentere metallkonsentrasjoner i Kaldvellfjorden under slike episoder for å identifisere om disse episodene bidrar til akutte effekter utover området der Stordalsbekken renner ut i Kaldvellfjorden.Aluminum (Al) and other trace metals are toxic towards fish at high concentrations in water. Deposition of acid producing bedrock after construction of E18 in Lillesand has led to acid drainage water and heavy metal pollution in nearby aquatic environments. Metal rich acid drain water entering into the Stordalsbekken drains into coastal water in the Kaldvellfjord, causing high public attention due to possible negative effects in the fjord. One treatment plant with chemical treatment (NaOH) has been constructed to reduce the metal concentration from the acid drain water and the input to the fjord. Trace metals can be present in different physico-chemical forms in water, and low molecular mass species such as ions are assumed to be more bioavailable than colloidal and particulate species assumed to be more inert and little reactive towards aquatic organisms such as fish. The speciation and bioavailability of trace metals will change by mixture of acid drain water with seawater in Kaldvellfjord. The knowledge is however limited. Results from experiments in laboratory and in field as well as investigations in the Kaldvellfjord show that water treatment plant in Stordalen decrease the metal concentration in the acid drain water, and transfer low molecular mass species to more particulate metal species discharged into Stordalsbekken. Furthermore, metal species in Stordalsbekken dilutes by mixing with the seawater at Kaldvellfjord. In addition, LMM Al species transform to colloidal and particulate species probably by polymerization and those particulate species aggregate and precipitate. The concentrations of Al and trace metals in Stordalsbekken are therefore reduced more than by dilution in the Kaldvellfjord. Al and other trace metals are thus mainly present as LMM species in Kaldvellfjord and in lower concentration than Stordalsbekken. Results also show that several trace metals follow the same processes as Al where decreasing metal concentration were observed with increasing salinity of water. Field experiments demonstrate that the water in Stordalsbekken is acute toxic towards fish in short time after mixing (<30 min) and dilution with seawater to 25 PSU at the estuary of Stordalsbekken. The concentration of Al, in particular, in gills is higher to fishes exposed to the brackish water, despite dilution of Al in the seawater. The formation of more gill reactive Al species is due to the increase in water pH. Polymerization of LMM Al species are assumed to increase the gill reactivity and be the main cause of extreme Al accumulation in gills of Atlantic salmon at smolt stage. Mortality of fish is observed at more than 400 μg Al/g dw gill. Results however show low deposition of Al and other trace metals in gills of fish exposed to the water from the treatment plant mixed with seawater directly. Results indicate thus contribution of Al and trace metals from other sources downstream the treatment plant. Identification of such potential sources need high attention. The salinity in Kaldvellfjorden was relatively high during the experimental period, demonstrating a low contribution of freshwater to the fjord. During the experimental period with high salinity in Kaldvellfjorden, the concentration of Al and trace metals was low in water and the deposition on gills was low (<10 μg/g dw gjelle) and not significantly higher than in control fish. The Al deposition in fish gills increased to 165 μg Al /g gill following a small episode when salinity decreased to 15 PSU in Kaldvellfjorden. Results demonstrate good correlation between profile of metals accumulated at fish gills, in runoff of acid producing bedrock and in water of Stordalsbekken. This indicate that acid draining from the deposition of sulfur containing rock in Stordalen or from other sources of similar draining is the source of trace metal accumulation of fish in Kaldvellfjorden. There is a good correlation between salinity in the surface water in Kaldvellfjorden and water flow in Stordalsbekken, with decreasing salinity during episodes of increased water flow. The concentration of Al and trace metals are assumed to increase in the fjord water during episodes with lower dilution and thus the same must be assumed for the uptake of trace metals in fish. Logging of salinity show similar trends in the surface water at different sites in Kaldvellfjorden, but very different trends in water at 3 meter depth due to a pycnocline in the fjord at 2 meters depth. Results show that the bottom water could be acute toxic for fish during circulation of oxygen poor water as 100% mortality was observed for fishes caged at 3 meter depth, but not at 1 meter depth during autumn 2016. This is due to naturally processes occurring inside sea thresholds with limited circulation of the bottom water. Results indicate that the acid producing bedrock will have limited contribution to toxic trace metals if the treatment of the acid draining water remains effective also during episodes with high water transport in Stordalsbekken. However, a focus on additional potential sources that contribute with acid metal rich leaching to the coastal water in needed. The concentration of trace elements in Kaldvellfjorden should also be followed during episodes at salinity between 5 to 15 PSU to evaluate risks during episodic events with high input of freshwater not characterized in this study

Aluminium og spormetaller i Kaldvellfjorden : tilstandsformer og opptak i fisk

Aluminium (Al) og andre spormetaller i vann er giftig for fisk ved høye konsentrasjoner. Etter bygging av ny E18 ved Lillesand har det blitt dokumentert høye konsentrasjoner av Al og andre spormetaller i sur avrenning fra deponi med svovelholdige steinmasser. Den sure avrenningen blir tilført Kaldvellfjorden via Stordalsbekken. Det har vært stor bekymring om tilførsel av metaller til Kaldvellfjorden medfører negative effekter på akvatiske organismer i fjorden. Det har derfor blitt bygd renseanlegg med kjemisk felling (NaOH) i Stordalen for å fjerne Al og andre spormetaller før utslipp i Stordalsbekken og Kaldvellfjorden. I vann foreligger Al og andre spormetaller på ulike fysiske og kjemiske tilstandsformer, hvorav ioner er antatt å være biotilgjengelige, mens kolloidale og partikulære tilstandsformer er mer inerte og ikke antatt reaktive for akvatiske organismer som fisk. Det er imidlertid lite kunnskap om hvordan tilstandsformer og biotilgjengelighet av Al og andre spormetaller påvirkes når surt tilsig fra deponi blandes med sjøvann, som er tilfelle i Kaldvellfjorden i utløpet av Stordalsbekken. Slik kunnskap er påkrevet for å kunne vurdere hva som er kritiske nivåer av spormetaller i brakkvann. Resultater fra laboratorieforsøk, feltforsøk og feltundersøkelser i prosjektet viser at behandlingen av den sure avrenningen i renseanlegget i Stordalen bidrar til en betydelig reduksjon i total metall-konsentrasjonen, samt en endring fra lavmolekylære tilstandsformer til partikulære tilstandsformer av Al og spormetaller i vannet før utslipp i Stordalsbekken. Ved innblanding av sjøvann i vann fra Stordalsbekken er det videre en fortynning i konsentrasjonen av Al og spormetaller, men også en polymerisering av tilstandsformer med lav molekylmasse (LMM), og en aggregering av partikulære tilstandsformer som bunnfeller. Konsentrasjonen av Al og spormetaller i Stordalsbekken avtar derfor mer enn estimert basert på fortynning ved utløp i Kaldvellfjorden. Al og andre spormetaller foreligger hovedsakelig som LMM tilstandsformer i Kaldvellfjorden og i lavere konsentrasjoner enn i Stordalsbekken. Resultater viser at en rekke spormetaller inkludert sjeldne jordmetaller følger de samme endringene der konsentrasjonen avtar med økende saltholdighet. Feltforsøk viser at vannkvaliteten i nedre del av Stordalsbekken er akutt giftig for fisk, også kort tid etter fortynning (<30 minutter) med sjøvann til 25 promille saltholdighet der den renner ut i sjøen. Konsentrasjonen av spesielt Al er høy i gjeller fra fisk eksponert for brakkvannet til tross for at Al konsentrasjonen fortynnes med sjøvann. Resultater viser at Al er mer reaktiv som følge av polymerisering i sjøvannet. Det avsettes derfor Al i svært høye konsentrasjoner på gjellene til fisk som medfører akutt død ved mer enn 400 μg Al/g tørrvekt (tv) gjelle. Observasjoner viser at kvaliteten på vannet som kommer fra renseanlegget under normal drift bidrar til lavere avsetning av metaller på fiskegjeller sammenlignet med vann nederst i Stordalsbekken, og i liten grad til avsetning av metaller på fiskegjeller etter innblanding av sjøvann sammenlignet med høy avsetning basert på vann fra Stordalsbekken. Det konkluderes med at tilsig nedstrøms renseanlegget fører til økt avsetning av metaller på fiskegjeller og høy giftighet i Stordalsbekken, også etter innblanding av sjøvann. I Kaldvellfjorden var det relativt høy saltholdighet i den undersøkte perioden. I denne perioden var konsentrasjonen av Al og spormetaller i fjorden generelt lav og avsetning av Al (<10 μg/g t.v. gjelle) og spormetaller i fiskegjeller ubetydelig. Konsentrasjonen ble imidlertid forhøyet til 165 μg Al/g gjelle etter en moderat flomepisode med saltholdighet ned mot 15 promille i Kaldvellfjorden. Det er en korrelasjon mellom konsentrasjonen av de ulike spormetallene avsatt på gjellene til fisk i Kaldvellfjorden og metallprofilen i Stordalsbekken. Dette indikerer at kilden til avsetningen i Kaldvellfjorden er avrenning fra svovelholdig stein fra deponiet via Stordalsbekken eller andre kilder med slik avrenning. Saltholdigheten i Kaldvellfjorden korrelerer med vannføring i Stordalsbekken, og avtar til 5 promille under episoder med økt vannføring i Stordalsbekken. Under slike episoder er det naturlig å anta at konsentrasjonen av Al og spormetaller i vannet øker ytterligere enn det som ble observert ved 15 promille saltholdighet og at det under slike episoder er økt avsetning på fikegjeller. Logging av saltholdighet viser også at saltholdigheten i de øvre vannmassene er tilnærmet det samme i hele fjorden og at saltholdigheten øker med dybden. Vann på 3 meters dyp i fjorden ligger under pyknoklinen på 2 meter og har variasjoner i saltholdighet som ikke korrelerer med variasjonene observert i overflaten og vannføring i Stordalsbekken. Vannet under pyknoklinen kan være akutt giftig for fisk med omrøring av oksygenfattig bunnvann, som observert med 100% dødelighet i bur på 3 meters dyp høsten 2016. Dette tilskrives ikke sur avrenning og metall giftighet, men er naturlige prosesser som finner sted i terskelfjorder med liten utskiftning av bunnvannet. Opprettholdes normal renseeffekt i renseanlegget også under nedbørepisoder med økt tilførsel av sigevann fra deponiet kan det antas at bidraget fra deponiet i liten grad vil bidra til avsetning av Al og spormetaller på fiskegjeller i Kaldvellfjorden. Resultater viser ingen antydning til mobilisering av partikulære Al tilstandsformer fra renseanlegget etter innblanding i sjøvann. Spormetaller som Mn og Ni forblir i større grad reaktive også etter renseanlegget, men avtar ved fortynning med sjøvannet. Bidraget fra andre kilder i nærområdet med avrenning fra svovelholdig stein kan imidlertid også bidra til effekter som observert i utløpet av Stordalsbekken, hvor dødelighet av fisk hovedsakelig tilskrives avrenning nedstrøms deponiet. I dette arbeidet har Al og andre spormetaller blitt karakterisert i Kaldvellfjorden ved saltholdighet ved 15 promille og høyere. Det eksisterer imidlertid episoder med betydelig bidrag av ferskvann og med saltholdighet ned mot 5 promille. Det er fortsatt et behov for å dokumentere metallkonsentrasjoner i Kaldvellfjorden under slike episoder for å identifisere om disse episodene bidrar til akutte effekter utover området der Stordalsbekken renner ut i Kaldvellfjorden.Aluminum (Al) and other trace metals are toxic towards fish at high concentrations in water. Deposition of acid producing bedrock after construction of E18 in Lillesand has led to acid drainage water and heavy metal pollution in nearby aquatic environments. Metal rich acid drain water entering into the Stordalsbekken drains into coastal water in the Kaldvellfjord, causing high public attention due to possible negative effects in the fjord. One treatment plant with chemical treatment (NaOH) has been constructed to reduce the metal concentration from the acid drain water and the input to the fjord. Trace metals can be present in different physico-chemical forms in water, and low molecular mass species such as ions are assumed to be more bioavailable than colloidal and particulate species assumed to be more inert and little reactive towards aquatic organisms such as fish. The speciation and bioavailability of trace metals will change by mixture of acid drain water with seawater in Kaldvellfjord. The knowledge is however limited. Results from experiments in laboratory and in field as well as investigations in the Kaldvellfjord show that water treatment plant in Stordalen decrease the metal concentration in the acid drain water, and transfer low molecular mass species to more particulate metal species discharged into Stordalsbekken. Furthermore, metal species in Stordalsbekken dilutes by mixing with the seawater at Kaldvellfjord. In addition, LMM Al species transform to colloidal and particulate species probably by polymerization and those particulate species aggregate and precipitate. The concentrations of Al and trace metals in Stordalsbekken are therefore reduced more than by dilution in the Kaldvellfjord. Al and other trace metals are thus mainly present as LMM species in Kaldvellfjord and in lower concentration than Stordalsbekken. Results also show that several trace metals follow the same processes as Al where decreasing metal concentration were observed with increasing salinity of water. Field experiments demonstrate that the water in Stordalsbekken is acute toxic towards fish in short time after mixing (<30 min) and dilution with seawater to 25 PSU at the estuary of Stordalsbekken. The concentration of Al, in particular, in gills is higher to fishes exposed to the brackish water, despite dilution of Al in the seawater. The formation of more gill reactive Al species is due to the increase in water pH. Polymerization of LMM Al species are assumed to increase the gill reactivity and be the main cause of extreme Al accumulation in gills of Atlantic salmon at smolt stage. Mortality of fish is observed at more than 400 μg Al/g dw gill. Results however show low deposition of Al and other trace metals in gills of fish exposed to the water from the treatment plant mixed with seawater directly. Results indicate thus contribution of Al and trace metals from other sources downstream the treatment plant. Identification of such potential sources need high attention. The salinity in Kaldvellfjorden was relatively high during the experimental period, demonstrating a low contribution of freshwater to the fjord. During the experimental period with high salinity in Kaldvellfjorden, the concentration of Al and trace metals was low in water and the deposition on gills was low (<10 μg/g dw gjelle) and not significantly higher than in control fish. The Al deposition in fish gills increased to 165 μg Al /g gill following a small episode when salinity decreased to 15 PSU in Kaldvellfjorden. Results demonstrate good correlation between profile of metals accumulated at fish gills, in runoff of acid producing bedrock and in water of Stordalsbekken. This indicate that acid draining from the deposition of sulfur containing rock in Stordalen or from other sources of similar draining is the source of trace metal accumulation of fish in Kaldvellfjorden. There is a good correlation between salinity in the surface water in Kaldvellfjorden and water flow in Stordalsbekken, with decreasing salinity during episodes of increased water flow. The concentration of Al and trace metals are assumed to increase in the fjord water during episodes with lower dilution and thus the same must be assumed for the uptake of trace metals in fish. Logging of salinity show similar trends in the surface water at different sites in Kaldvellfjorden, but very different trends in water at 3 meter depth due to a pycnocline in the fjord at 2 meters depth. Results show that the bottom water could be acute toxic for fish during circulation of oxygen poor water as 100% mortality was observed for fishes caged at 3 meter depth, but not at 1 meter depth during autumn 2016. This is due to naturally processes occurring inside sea thresholds with limited circulation of the bottom water. Results indicate that the acid producing bedrock will have limited contribution to toxic trace metals if the treatment of the acid draining water remains effective also during episodes with high water transport in Stordalsbekken. However, a focus on additional potential sources that contribute with acid metal rich leaching to the coastal water in needed. The concentration of trace elements in Kaldvellfjorden should also be followed during episodes at salinity between 5 to 15 PSU to evaluate risks during episodic events with high input of freshwater not characterized in this study

Gamma radiation induces life stage-dependent reprotoxicity in Caenorhabditis elegans via impairment of spermatogenesis

The current study investigated life stage, tissue and cell dependent sensitivity to ionizing radiation of the nematode Caenorhabditis elegans. Results showed that irradiation of post mitotic L4 stage larvae induced no significant effects with respect to mortality, morbidity or reproduction at either acute dose ≤6 Gy (1500 mGy·h−1) or chronic exposure ≤15 Gy (≤100 mGy·h−1). In contrast, chronic exposure from the embryo to the L4-young adult stage caused a dose and dose-rate dependent reprotoxicity with 43% reduction in total brood size at 6.7 Gy (108 mGy·h−1). Systematic irradiation of the different developmental stages showed that the most sensitive life stage was L1 to young L4. Exposure during these stages was associated with dose-rate dependent genotoxic effects, resulting in a 1.8 to 2 fold increase in germ cell apoptosis in larvae subjected to 40 or 100 mGy·h−1, respectively. This was accompanied by a dose-rate dependent reduction in the number of spermatids, which was positively correlated to the reprotoxic effect (0.99, PCC). RNAseq analysis of nematodes irradiated from L1 to L4 stage revealed a significant enrichment of differentially expressed genes related to both male and hermaphrodite reproductive processes. Gene network analysis revealed effects related to down-regulation of genes required for spindle formation and sperm meiosis/maturation, including smz-1, smz-2 and htas-1. Furthermore, the expression of a subset of 28 set-17 regulated Major Sperm Proteins (MSP) required for spermatid production was correlated (R2 0.80) to the reduction in reproduction and the number of spermatids. Collectively these observations corroborate the impairment of spermatogenesis as the major cause of gamma radiation induced life-stage dependent reprotoxic effect. Furthermore, the progeny of irradiated nematodes showed significant embryonal DNA damage that was associated with persistent effect on somatic growth. Unexpectedly, these nematodes maintained much of their reproductive capacity in spite of the reduced growth.publishedVersio

Gamma radiation induces life stage-dependent reprotoxicity in Caenorhabditis elegans via impairment of spermatogenesis

The current study investigated life stage, tissue and cell dependent sensitivity to ionizing radiation of the nematode Caenorhabditis elegans. Results showed that irradiation of post mitotic L4 stage larvae induced no significant effects with respect to mortality, morbidity or reproduction at either acute dose ≤6 Gy (1500 mGy·h−1) or chronic exposure ≤15 Gy (≤100 mGy·h−1). In contrast, chronic exposure from the embryo to the L4-young adult stage caused a dose and dose-rate dependent reprotoxicity with 43% reduction in total brood size at 6.7 Gy (108 mGy·h−1). Systematic irradiation of the different developmental stages showed that the most sensitive life stage was L1 to young L4. Exposure during these stages was associated with dose-rate dependent genotoxic effects, resulting in a 1.8 to 2 fold increase in germ cell apoptosis in larvae subjected to 40 or 100 mGy·h−1, respectively. This was accompanied by a dose-rate dependent reduction in the number of spermatids, which was positively correlated to the reprotoxic effect (0.99, PCC). RNAseq analysis of nematodes irradiated from L1 to L4 stage revealed a significant enrichment of differentially expressed genes related to both male and hermaphrodite reproductive processes. Gene network analysis revealed effects related to down-regulation of genes required for spindle formation and sperm meiosis/maturation, including smz-1, smz-2 and htas-1. Furthermore, the expression of a subset of 28 set-17 regulated Major Sperm Proteins (MSP) required for spermatid production was correlated (R2 0.80) to the reduction in reproduction and the number of spermatids. Collectively these observations corroborate the impairment of spermatogenesis as the major cause of gamma radiation induced life-stage dependent reprotoxic effect. Furthermore, the progeny of irradiated nematodes showed significant embryonal DNA damage that was associated with persistent effect on somatic growth. Unexpectedly, these nematodes maintained much of their reproductive capacity in spite of the reduced growth

Integrative assessment of low-dose gamma radiation effects on Daphnia magna reproduction: Toxicity pathway assembly and AOP development

High energy gamma radiation is potentially hazardous to organisms, including aquatic invertebrates. Although extensively studied in a number of invertebrate species, knowledge on effects induced by gamma radiation is to a large extent limited to the induction of oxidative stress and DNA damage at the molecular/cellular level, or survival, growth and reproduction at the organismal level. As the knowledge of causal relationships between effects occurring at different levels of biological organization is scarce, the ability to provide mechanistic explanation for observed adverse effects is limited, and thus development of Adverse Outcome Pathways (AOPs) and larger scale implementation into next generation hazard and risk predictions is restricted. The present study was therefore conducted to assess the effects of high-energy gamma radiation from cobalt-60 across multiple levels of biological organization (i.e., molecular, cellular, tissue, organ and individual) and characterize the major toxicity pathways leading to impaired reproduction in the model freshwater crustacean Daphnia magna (water flea). Following gamma exposure, a number of bioassays were integrated to measure relevant toxicological endpoints such as gene expression, reactive oxygen species (ROS), lipid peroxidation (LPO), neutral lipid storage, adenosine triphosphate (ATP) content, apoptosis, ovary histology and reproduction. A non-monotonic pattern was consistently observed across the levels of biological organization, albeit with some variation at the lower end of the dose-rate scale, indicating a complex response to radiation doses. By integrating results from different bioassays, a novel pathway network describing the key toxicity pathways involved in the reproductive effects of gamma radiation were proposed, such as DNA damage-oocyte apoptosis pathway, LPO-ATP depletion pathway, calcium influx-endocrine disruption pathway and DNA hypermethylation pathway. Three novel AOPs were proposed for oxidative stressor-mediated excessive ROS formation leading to reproductive effect, and thus introducing the world's first AOPs for non-chemical stressors in aquatic invertebrates