Popular weed killer demasculinizes frogs, disrupts their sexual development, UC Berkeley study shows
04 April 2002
By Robert Sanders, Media Relations
Berkeley The nation’s top-selling weed killer, atrazine, disrupts the sexual development of frogs at concentrations 30 times lower than levels allowed by the Environmental Protection Agency (EPA), raising concerns about heavy use of the herbicide on corn, soybeans and other crops in the Midwest and around the world.
 An African clawed frog, Xenopus laevis |
A restricted herbicide, atrazine is used primarily on crops, not around the home, and can be purchased and applied only by certified applicators.
In een artikel in het nummer van 16 april van Proceedings of the National Academy of Sciences, Universiteit van Californië, Berkeley, ontwikkelings-endocrinoloog Tyrone B. Hayes, universitair hoofddocent integratieve biologie, en zijn collega’s melden dat atrazine op niveaus die vaak in het milieu worden aangetroffen, kikkervisjes demasculiniseert en verandert in hermafrodieten – wezens met zowel mannelijke als vrouwelijke geslachtskenmerken. De herbicide verlaagt ook het niveau van het mannelijke hormoon testosteron in geslachtsrijpe mannelijke kikkers met een factor 10, tot niveaus die lager zijn dan die in normale vrouwelijke kikkers.
Zoals Hayes later ontdekte, bevatten veel met atrazine verontreinigde vijvers in het Midwesten inheemse luipaardkikkers met dezelfde afwijkingen.
“Aan atrazine blootgestelde kikkers hebben geen normaal voortplantingssysteem,” zei hij. “De mannetjes hebben eierstokken in hun testikels en veel kleinere vocale organen,” die essentieel zijn voor het oproepen van potentiële partners.
|
Afbeelding met hoge resolutie beschikbaar om te downloaden. |
Het is onduidelijk of deze afwijkingen leiden tot verminderde vruchtbaarheid. Hayes probeert nu te bepalen hoe de afwijkingen van invloed zijn op het vermogen van de kikkers om nakomelingen te produceren.
“Het gebruik van atrazine in het milieu is in feite een ongecontroleerd experiment – er lijkt geen atrazine-vrije omgeving te zijn,” zei Hayes. “Omdat het zo wijdverbreid is, lopen aquatische milieus gevaar.”
Omdat het onkruidverdelgingsmiddel al 40 jaar in zo’n 80 landen wordt gebruikt, zou het effect ervan op de seksuele ontwikkeling bij mannelijke kikkers een van de vele factoren kunnen zijn in de wereldwijde achteruitgang van amfibieën, voegde hij eraan toe.
De bevindingen komen op een moment dat de EPA de toelaatbare niveaus van atrazine in drinkwater, die momenteel 3 delen per miljard (ppb) bedragen, opnieuw beoordeelt en nieuwe criteria heeft opgesteld voor de bescherming van het aquatisch leven, waarbij de gemiddelde blootstelling over vier dagen wordt beperkt tot 12 ppb. Hayes vond hermafroditisme bij kikkers bij niveaus zo laag als 0,1 ppb. Zelfs met de huidige limieten, zijn er niveaus van 40 ppb atrazine gemeten in regen- en bronwater in delen van de Midwest, terwijl atrazine in afvloeiing uit de landbouw aanwezig kan zijn met meerdere delen per miljoen.
Het onkruidbestrijdingsmiddel verontreinigt ook de drinkwatervoorziening in veel gemeenschappen in het Midwesten, waardoor sommige milieugroeperingen hun bezorgdheid uitspreken over het effect ervan op kinderen, zuigelingen en de foetus. Frankrijk, Duitsland, Italië, Zweden en Noorwegen behoren tot de landen die het gebruik van atrazine hebben verboden.
“Dit is zeer belangrijk en elegant werk,” zei Theo Colborn, PhD, een senior wetenschapper bij het Wereld Natuur Fonds en een internationaal erkend expert op het gebied van hormoonverstorende chemicaliën. “Tyrone’s werk toont de noodzaak aan om onderzoek te doen naar de veiligheid van chemicaliën in het veld waar de dieren leven en op de niveaus waaraan ze worden blootgesteld. De veranderingen die hij in de gonaden vond, werden niet ontdekt bij de traditionele atrazine-experimenten met hoge doses die in het verleden werden gebruikt. Bovendien is microscopisch onderzoek van de inwendige organen van de kikkers nodig om de verborgen effecten van blootstelling aan lage doses op te sporen.”
Tot op heden zijn de effecten van atrazine op zoogdieren en amfibieën alleen getest bij grote doses, niet bij doses die gewoonlijk in het milieu voorkomen.
In hun artikel schrijven Hayes en zijn collega’s: “De effectieve doses in de huidige studie … tonen de gevoeligheid van amfibieën ten opzichte van andere taxa aan, valideren het gebruik van amfibieën als gevoelige milieumonitors/sentinels, en wekken reële bezorgdheid voor amfibieën in het wild.”
Hayes betwijfelt of atrazine zulke ernstige effecten heeft op mensen, omdat het onkruidbestrijdingsmiddel zich niet ophoopt in weefsel en mensen niet hun hele leven in water doorbrengen zoals kikkers dat doen. Desalniettemin zouden de effecten van atrazine op kikkers een teken kunnen zijn dat de herbicide ook subtiel de menselijke geslachtshormonen beïnvloedt, door in te grijpen in androgenen, zoals testosteron, die de mannelijke geslachtskenmerken regelen.
Enkele studies in celcultuur wijzen op een mogelijke biochemische verklaring voor de waargenomen effecten op de amfibische geslachtsorganen. John P. Giesy, professor in de zoölogie aan de Michigan State University in East Lansing, en zijn collega’s ontdekten vorig jaar dat atrazine bij hoge doses de productie van het enzym aromatase, dat androgene hormonen omzet in oestrogene hormonen, verhoogt. Door deze resultaten van zoogdiercellen te extrapoleren naar amfibieën, stelt Hayes dat atrazine mannelijke kikkers zou kunnen vervrouwelijken door de omzetting van mannelijke hormonen in vrouwelijke hormonen te bevorderen. De verlaagde androgenen zouden de ontwikkeling van de stembanden belemmeren, terwijl verhoogde oestrogenen eierstokken binnen de testes zouden bevorderen.
Vorig jaar alleen al werd in de Verenigde Staten meer dan 60 miljoen pond van het onkruidbestrijdingsmiddel toegepast. Fabrikant Syngenta schat dat boeren het herbicide gebruiken om onkruid te bestrijden op ongeveer tweederde van alle maïs- en sorghumareaal in de VS. Gemiddeld verbetert het de maïsopbrengst met iets meer dan vier procent. De verbinding wordt echter over het algemeen als veilig beschouwd, omdat zij snel in het milieu wordt afgebroken en, omdat zij in water oplosbaar is, snel uit het lichaam wordt uitgescheiden.
Aquatisch leven echter, zwemt en plant zich voort in met atrazine verontreinigde veldafvloeiing. Hoewel eerdere studies alleen bij zeer hoge doses misvormingen en afwijkingen bij volwassen amfibieën aantoonden, had nog niemand in detail gekeken naar de hormoonspiegels bij kikkers of naar de effecten op kikkervisjes, het larvale stadium van kikkers.
p aandringen van de EPA benaderde Syngenta Hayes, een expert op het gebied van amfibiehormonen, om uit te zoeken of atrazine de geslachtshormonen bij amfibieën verstoort. Hij heeft verschillende zeer gevoelige tests ontwikkeld om chemische stoffen op te sporen die hormonen beïnvloeden, waaronder een test op oestrogeenachtige chemische stoffen die borstkanker bij mensen kunnen veroorzaken.
Hayes ontving aanvankelijk geld van Syngenta voor de studies, maar alle huidige gepubliceerde studies zijn onafhankelijk van Syngenta uitgevoerd.
Voor zijn laboratoriumproeven gebruikte hij de Afrikaanse klauwkikker, Xenopus laevis, een populair onderzoeksobject dat, zoals veel kikkers, zeer gevoelig is voor hormonen die het effect van hun eigen geslachtshormonen nabootsen. Wanneer zij bijvoorbeeld worden grootgebracht in een vijver met oestrogeen, veranderen alle Xenopus-kikkervisjes in vrouwtjes. In aanwezigheid van androgenen krijgen kikkers grotere stembussen, of larynges.
In laboratoriumexperimenten met verschillende concentraties atrazine, waarbij gebruik werd gemaakt van twee afzonderlijke populaties kikkers die in drie afzonderlijke tanks werden grootgebracht – experimenten die 51 keer werden herhaald – ontdekten zij dat atrazine de seksuele ontwikkeling van kikkers beïnvloedt bij concentraties van 0,1 ppb en hoger. Dat is 30 keer lager dan de toegestane limiet van 3 ppb in drinkwater en 120 keer lager dan de voorgestelde chronische blootstellingslimiet voor in het water levende organismen, 12 ppb.
Bij deze concentraties had maar liefst 16 procent van de dieren meer dan het normale aantal geslachtsklieren – waaronder één dier met zes testikels – of had zowel mannelijke als vrouwelijke organen (testikels en eierstokken). Geen enkel controledier had dergelijke afwijkingen.
Ook al hebben normale mannetjes bij de metamorfose grotere geslachtsorganen dan vrouwtjes, de organen van meer dan 80 procent van de mannetjes die aan 1 ppb of meer atrazine waren blootgesteld, waren kleiner dan gemiddeld. Geslachtsrijpe mannetjes vertoonden een 10-voudige daling in testosteronspiegels, waardoor ze onder het niveau van normale vrouwtjes kwamen. Dit suggereert dat atrazine werkt door het verstoren van de synthese van geslachtshormonen, wat ook de kleinere strottenhoofd en abnormale geslachtsklieren zou kunnen verklaren.
“… de huidige gegevens wekken nieuwe bezorgdheid voor amfibieën met betrekking tot atrazine,” schreven de onderzoekers in hun paper. “
In feite hebben Hayes en zijn collega’s vervolgens een verkenning uitgevoerd van met atrazine verontreinigde vijvers in het Midwesten om te zien of dergelijke voortplantingsafwijkingen voorkomen bij kikkers in het wild. Zij vonden veel inheemse luipaardkikkers (Rana pipiens) met soortgelijke problemen, en testen nu gevangen dieren om te bepalen of deze veranderingen te wijten zijn aan atrazine.
“Atrazine is duidelijk van invloed op kikkers,” zei Hayes. “We hebben ernstige effecten op hun seksuele ontwikkeling aangetoond. We moeten de vragen stellen: ‘Wat zijn de milieukosten van het gebruik van atrazine? Welke diversiteit hebben we verloren?”
Hayes voerde de studie uit met de hulp van de onlangs gepromoveerde Nigel Noriega, onderzoeksmedewerker Aaron Vonk, en voormalige of huidige studenten Atif Collins, Melissa Lee, Magdelena Mendoz en A. Ali Stuart, die allemaal vermeld staan als coauteurs van het artikel. De studies werden gesteund door de National Science Foundation.
Aanvullende informatie:
- Profiel over Tyrone Hayes