Profiles of Per- and Poly-Fluoroalkyl Substances and Steroid Hormones in Baikal Seal (Phoca sibirica)

Abstract

Basert på volum er Bajkalsjøen verdens største ferskvannsinnsjø. På grunn av innsjøens unike økosystem er innsjøen listet på UNESCOs verdensarvsteder. Hele 70 % av innsjøens populasjon er endemisk, og blant dem er verdens eneste utelukkende ferskvanns-sel, Bajkalselen (Phoca sibirica). I de siste tiårene har Bajkalsjøen opplevd en industriell revolusjon. En av konsekvensene av økt industri har vært en økt mengde ukontrollerte utslipp av miljøgifter som når innsjøen. En av disse miljøgiftene er per- og poly-fluoroalkyl forbindelser (PFASs). Siden Bajkalselen er på det øverste trofiske nivået i matnettet til innsjøen mistenkes det at den blir påvirket av disse miljøstoffene, slik som PFASs. Siden PFASs antas å være hormonforstyrrende vil denne masteroppgaven undersøke PFASs-konsentrasjoner og konsentrasjoner av steroide hormoner i fire forskjellige Bajkalvev: spekk, hjerne, lever og serum.

Oppgaven vil utføres ved å separere og kvantifisere 34 PFASs og 16 steroide hormoner. De 34 PFASs dekker et bredt spekter av PFASs: PFCA, PFSA, preFOS, FTS og PFASs som ikke faller under noen av disse gruppene. Østrogener er den eneste gruppen av steroide hormoner som ikke er inkludert i analysen. Prøvene er fra 18 forskjellige Bajkalsel-individer, og prøvene ble tatt i 2011 i Mishikha-regionene i innsjøen. Ekstraksjon og rensing av prøvene ble utført med hybrid-SPE. Separasjon og indentifiseringen av PFASs ble utført med ultrahigh-pressure liquid chromatography tandem mass spectrometry (UHPLC-MS/MS). Separasjon og identifisering av steroide hormoner ble utført med superkritisk fluid-kromatografi ved hjelp av en ultraperformance convergence chromatography tandem mass spectrometry (UPC^2-MS/MS).

Metoden for PFASs ble konkludert som god, mens metoden for steroide hormoner ble anslått som tilstrekkelig god. Masteroppgaven fant en tydelig fordeling av steroide hormoner og PFASs basert på vev. Denne reflekteres i konsentrasjonene og deteksjonsraten til de forskjellige analyttene i de forskjellige vevene. Denne spesifikke vevsfordelingen førte også til funnet om at noen PFASs kan krysse blod-hjerne barrieren. Oppgaven fant indikasjoner på lokale kilder for PFASs samt indikasjoner på bidrag fra langtransport-forurensning. PFNA og PFTriDe antas å stamme fra lokale forurensningskilder. Gruppen med høyest deteksjonsrate og med de høyeste gjennomsnittskonsentrasjonene var PFCA. Det spekuleres om at dette funnet kan vise potensialet for gruppen til å biomagnifisere og bioakkumulere. De gjennomsnittlige konsentrasjonene av forløpere til PFASs ble også kvantifisert i denne oppgaven, og den nyoppdagede tilstedeværelsen av preFOS og FTS i Bajkalsjøen har skapt en ny dimensjon av bekymring for innsjøens unike økosystem.

Pearson korrelasjonstest og Shapiro-Wilks testen ble utført på summen av PFASs-konsentrasjonene og summen av de steroide hormonene, i enkelt vev og alle vevene kombinert. Testen ble utført for å bestemme korrelasjoner mellom konsentrasjoner av steroide hormoner og konsentrasjoner av PFASs. Det ble funnet en korrelasjon i hjernen, en svak korrelasjon for lever og serum, og ingen korrelasjon for fett og alle vevene kombinert.

Denne oppgaven kan tilby informasjon om den fysiologiske tilstanden til Bajkalselen, og hvordan PFASs kan ha påvirket dem. I tillegg, så vidt jeg vet, er denne oppgaven den første som kvantifiserer en rekke forløpere og PFASer som ikke tilhører de ofte analyserte gruppene av PFSA og PFCA i Bajkalselen. Dette kan male et bilde av Bajkalselen som aldri før er sett.

Lake Baikal is the world's largest freshwater lake in terms of volume. The lake was added to UNESCO's list of world heritage sites due to its unique ecosystems. Seventy percentage of the lake's population are endemics, and among them is the world's only true seal living exclusively in freshwater, the Baikal seal (Phoca sibirica). Industrial activities near the lake have aroused, and with it has the level of contamination in the lake. With the Baikal seal being the final link in the Baikal food web, it is suspected to be suffering from the contaminants in the lake. The Baikal seals exposure to environmental contaminants, such as poly- and per-fluoroalkyl substances (PFASs), have not been extensively studied in the lake. Since PFASs are linked to endocrine disruption, will this study investigate PFASs concentrations and steroid hormone concentrations in four different Baikal seal tissues: blubber, brain, liver and serum.

This will be done by profiling and quantifying 34 PFASs and 16 Baikal seal steroid hormones. Within those 34 different PFASs are a broad range of PFCAs, PFSAs, preFOSs, FTSs and other PFASs represented. Estrogens are the only steroid hormone group not assessed in this thesis. Eightteen Baikal seals were sampled in 2011 in the Mishikha region of the lake. Extraction and clean up was done with Hybrid-SPE. Separation of PFASs was performed with Ultrahigh-pressure liquid chromatography tandem mass spectrometry (UHPLC-MS/MS). Separating steroid hormones was performed by supercritical fluid chromatography with ultraperformance convergence chromatography tandem mass spectrometry (UPC^2-MS/MS).

The method was good for PFASs detection and quantification and deemed sufficient for steroid hormones detection and quantification. The PFASs and steroid hormones displayed tissue-specific affinity reflected in the mean concentrations and detection rates for each analyte. This led to the indications of PFASs being able to cross the blood-brain barrier. This thesis found indications of both local contamination and long-range transport of contaminants. Furthermore, PFCAs were the group quantified with the highest detection rates and mean concentrations. The high mean concentrations allow for speculation in this group's potential to bioaccumulate and undergo biomagnification. PFNA and PFTriDe are suspected to be from a local source of contamination. The mean concentration of precursors was also investigated in this thesis, and their presence displayed a new dimension of concern regarding Lake Baikal.

Pearson correlation test and Shapiro-Wilk's test were performed on the sum of PFASs concentrations and the sum of steroid hormone concentrations in all the different tissues and on all the data combined. The correlation test was performed to test for any link between PFASs concentrations and steroid hormone concentrations. A correlation was found for the brain, weak correlations were identified for liver and serum, and no correlation was apparent for blubber and all the samples combined.

This thesis provides information regarding the physiological state of the Baikal seal and how the presence of PFASs may alter it. Additionally, to the best of my knowledge, this thesis is the first to quantify a range of precursors and PFASs not belonging to the frequently analysed groups of PFSA and PFCA in the Baikal seal. Thus, providing a picture of the contamination in Baikal seal's never seen.