Comparative evaluation of the impacts of anthropogenic pollutants on the health status of key species in the Gulf of Bothnia (Halichoerus grypus and Pusa hispida botnica)
The health status of key species in the Gulf of Bothnia is necessary for the assessment of the ecosystem health status. Therefore, information about the effects of anthropogenic impacts of both key species, grey seals (Halichoerus grypus) and ringed seals (Pusa hispida botnica), are urgently needed to assess the actual status and to serve as baseline for establishing suitable management plans for the Baltic Sea species. The present study focuses on the key species of the Gulf of Bothnia. Due to their abundance and position in the food web, they structure and stabilize the ecosystem. As top predator species, they are specifically vulnerable to anthropogenic effects. Changes in their population trends can have effects on the whole ecosystem. Population numbers changed during the 20th century, due to various reasons, such as hunting and contamination, which is the result of a variety of human exploitations. The present study conducts three investigations to evaluate the health status of key species in the Gulf of Bothnia. This includes the examination of the mineral bone density (BMD) of ringed seal skulls (Pusa hispida botnica) between 1829 and 2019 and liver changes in grey seals (Halichoerus grypus) between 1981 and 2015 with regard to polychlorinated biphenyls (PCB) and dichlorodiphenyltrichloroethane (DDT) concentrations. Furthermore, the number of primordial follicles of ringed seals was analysed for the first time. Firstly, ringed seal skulls from the Gulf of Bothnia were analysed to determine BMD changes and possible impact factors, such as contaminants, spanning 190 years. Those results could be compared to the BMD of ringed seals originated from Greenland. In total 303 skulls were available for this investigation and were divided into three periods. The first period is pre-pollution and includes skulls between 1829 and 1957 (N=167), which have the lowest BMD levels. The second period is the pollution period (1958 – 1989, N = 40), where the highest BMD levels occured. The last period is the post-pollution period (1994 - 2019), from which 96 individuals with lower BMD values than the second period and higher levels than the first period were examined. The BMD of Greenland individuals is very stable during the whole study period. The comparison between both populations shows significant differences in BMD levels. All the demonstrated results show the possible risk of contaminant concentrations for marine mammals. Secondly, liver changes in 191 grey seals were examined between 1981 and 2015 in the Gulf of Bothnia and northern Baltic Proper. Those changes were analysed in respect to PCB and DDT concentrations. The samples were examined focussing on six liver lesions: (1) portal mononuclear cell infiltration, (2) random mononuclear cell infiltration, (3) lipid granulomas, (4) hepatocellular fat vacuoles, (5) hepatic stellate cells and (6) mild multifocal bile duct hyperplasia accompanied by portal fibrosis. PCB and DDT concentrations in blubber were only available for 34 of the 191 examined grey seal individuals. Three of the six examined liver lesions correlated significantly with age. Only hepatic stellate cells and mild multifocal bile duct hyperplasia show a slight correlation with PCB concentrations, whereas no liver lesions correlated with DDT concentrations. The results of this part show that age is an important factor for the development of liver lesions and that PCB is capable to influence the liver. Nevertheless, more PCB and DDT values need to be considered for a better statement regarding their effects on liver lesions in seals. Thirdly, the number of primordial follicles in 52 ringed seal ovaries were analysed for the very first time in West Greenland and the Gulf of Bothnia. Significant differences could be found between the total primordial follicle number of individuals from the Baltic Sea and Greenland. Furthermore, significant differences between Swedish and Greenlandic individuals could be seen with higher numbers in Swedish individuals. In comparison to other examined species (e.g. cow or dog), ringed seals have higher numbers of primordial follicles. The most important aspect of this analysis is the introduced method used, which can be a basic method for studying the number of primordial follicles in different mammals, simplifying a comparison between different species. This analysis is essential for implementing management plans to ensure the preservation of the ringed seal population. All three chapters illustrate the risks of anthropogenic impacts on the health of both key species from the Gulf of Bothnia. This doctoral thesis greatly contributes to evaluate the consequences of contamination in marine mammals, which is essential to determine suitable indicator species for an environment. Since the health of the key species is reflecting the ecosystem health, it is essential to monitor the chosen populations to recognise critical changes in time to act accordingly. Furthermore, especially the key species need to be protected to keep the balance within the ecosystem. Moreover, the present studies indicate that the research focus needs to be on monitoring already existing contaminants and their impacts, as well as on investigating new contaminants and their consequences.
Der Gesundheitszustand der Schlüsselarten des Bottnischen Meerbusens, Kegelrobben (Halichoerus grypus) und Ringelrobben (Pusa hispida botnica), spiegelt den Gesundheitszustand des gesamten Ökosystems wider. Daher ist es von besonderer Bedeutung anthropogene Einflüsse und deren Auswirkungen auf die Schlüsselarten zu untersuchen, denn nur so können der aktuelle Gesundheitszustand beurteilt und adäquate Managementpläne für diese Ostsee-Arten entwickelt werden. Auf Grund der Dringlichkeit stehen im Rahmen dieser Doktorarbeit die genannten Schlüsselarten im Fokus. Diese nehmen auf Grund ihrer Stellung im Nahrungsnetz und ihrer Verbreitung im Ökosystem eine besondere Stellung ein: sie stabilisieren und strukturieren das Ökosystem. Als Top Prädatoren sind sie besonders anfällig für anthropogen induzierte Veränderungen innerhalb ihres Lebensraumes. Populationsschwankungen können fatale Auswirkungen auf das gesamte Ökosystem haben. Die Schwankungen im 20. Jahrhundert zeigen deutlich, dass unterschiedliche anthropogene Eingriffe, wie Jagd und Schadstoffe, großen Einfluss hatten und haben. Die vorliegende Doktorarbeit umfasst drei Studien, die sich mit dem Gesundheitszustand der Schlüsselarten im Bottnischen Meerbusen beschäftigen. Dazu gehören die Untersuchung der Knochendichte von Ringelrobben-Schädeln zwischen 1829 und 2019 und eine Untersuchung zu Leberveränderungen bei Kegelrobben zwischen 1981 und 2015 im Hinblick auf Polychlorierte Biphenyle (PCB) und Dichlordiphenyltrichloroethan (DDT) Konzentrationen. Zusätzlich wird die Anzahl der Primordialfollikel in Ovarien von Ringelrobben erstmalig untersucht. Die Ergebnisse der Studien bieten einen umfassenden Einblick in den Gesundheitsstatus beider Arten und dienen als Grundlage für die Umsetzung von Managementplänen, welche relevant für den Populationsschutz sind. Die erste Studie untersucht Ringelrobben-Schädel aus der Ostsee auf Knochendichteveränderungen (1829 – 2019). Es konnte ein direkter Zusammenhang in Bezug auf die vorhandene Schadstoffkonzentration nachgewiesen werden. Die Ergebnisse aus der Ostsee werden mit Grönländischen Individuen verglichen. Insgesamt wurden 303 Schädel untersucht und in drei Perioden eingeteilt. Die erste Periode ist die „pre-pollution“ Periode und umfasst 167 Schädel (1829 bis 1957). Die darauffolgende Periode ist die „pollution“ Periode (1958 bis 1989, N = 40), während die letzte Periode die „post-pollution2 Periode darstellt (1994 bis 2019, N = 96). Die Knochendichte verändert sich innerhalb der drei Perioden deutlich, sodass in den Schädeln der mittleren Periode die höchste Knochendichte gefunden werden kann. Die Schädel von Tieren aus Grönland weisen über den gesamten Untersuchungszeitraum eine stabile Knochendichte auf. Bei einem Vergleich der Populationen zeigen sich deutliche Unterschiede in der Knochendichte. Damit zeigt diese Studie die möglichen Risiken und Auswirkungen von Schadstoffkonzentrationen für Meeressäuger. In der zweiten Studie werden Leberveränderungen in 191 Kegelrobben aus der Ostsee (1981 – 2015) untersucht. Das Probenmaterial wurde auf sechs Leberläsionen hin betrachtet: (1) Portale mononukläre Zellinfiltration, (2) zufällige mononukläre Zellinfiltration, (3) Lipidgranulome, (4) hepatozelluläre Fettvakuolen, (5) hepatische Stern-Zellen und (6) milde multifokale Gallengang Hyperplasie einhergehend mit Portalfibrosen. Drei der sechs untersuchten Läsionen zeigten einen Zusammenhang mit dem Alter der Tiere. Bei hepatischen Stern-Zellen und milder multifokaler Gallengang Hyperplasie wurde eine leichte Korrelation mit PCB Konzentrationen gefunden, während kein Zusammenhang zwischen Leberläsionen und DDT Konzentrationen hergestellt werden konnte. Die Ergebnisse unterstreichen, dass das Alter ein wesentlicher Faktor für die Bildung von Leberläsionen ist. Um eine deutlichere Aussage über einen Zusammenhang von Leberläsionen und Schadstoffen treffen zu können, müssen weitere PCB und DDT Werte zur Verfügung gestellt werden. Studie drei analysiert erstmalig die Anzahl von Primordialfollikeln von 52 Ringelrobben Ovarien aus der Ostsee und Grönland. Die Populationen zeigen einen signifikanten Unterschied in der Anzahl an Primordialfollikeln. Die höchsten Anzahlen wurden in Schwedischen Individuen gefunden. Im Vergleich zu anderen Studien (bspw. Rind, Hund) werden deutlich höhere Primordialfollikelzahlen in Ringelrobben gefunden. Ein möglicher Grund dafür kann die deutlich spätere Geschlechtsreife der Tiere sein oder die genutzte Methode. Die Bestimmung der Primordialfollikelzahl ist eine gute Grundlage zur Etablierung von Schutzmaßnahmen und geeigneten Managementplänen der untersuchten Arten. In den drei Studien wird das Risiko von anthropogenen Einflüssen auf die Gesundheit der Schlüsselarten des Bottnischen Meerbusen dargestellt. Diese Studie zeigt die Schadstoffkonsequenzen für Meeressäuger auf, welche dabei helfen Umweltindikatoren zu überarbeiten und neue zu entwickeln. Da die Gesundheit von Schlüsselarten wichtig für das Ökosystem ist, gilt dies auch für das Monitoring der Schlüsselarten, um so die Balance innerhalb des Ökosystems zu erfassen und bei negativen Veränderungen adäquat handeln zu können.
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