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.
W artykule w wydaniu z 16 kwietnia Proceedings of the National Academy of Sciences, University of California, Berkeley, endokrynolog rozwojowy Tyrone B. Hayes, profesor nadzwyczajny biologii integracyjnej, i jego koledzy donoszą, że atrazyna na poziomie często spotykanym w środowisku demaskulinizuje kijanki i zmienia je w hermafrodyty – istoty posiadające zarówno męskie, jak i żeńskie cechy płciowe. Herbicyd obniża również poziom męskiego hormonu testosteronu u dojrzałych płciowo samców żab o współczynnik 10, do poziomu niższego niż u normalnych samic żab.
Jak później odkrył Hayes, wiele skażonych atrazyną stawów na Środkowym Zachodzie zawiera rodzime żaby lamparcie z takimi samymi nieprawidłowościami.
„Żaby narażone na atrazynę nie mają normalnego układu rozrodczego”, powiedział. „Samce mają jajniki w jądrach i znacznie mniejsze narządy głosowe, które są niezbędne do wywoływania potencjalnych partnerów.
|
Obraz w wysokiej rozdzielczości dostępny do pobrania. |
Nie jest jasne, czy te nieprawidłowości prowadzą do zmniejszonej płodności. Hayes próbuje teraz ustalić, w jaki sposób nieprawidłowości wpływają na zdolność żab do wytwarzania potomstwa.
„Stosowanie atrazyny w środowisku jest w zasadzie niekontrolowanym eksperymentem – wydaje się, że nie ma środowiska wolnego od atrazyny” – powiedział Hayes. „Ponieważ jest tak szeroko rozpowszechniona, środowiska wodne są zagrożone”.
Ponieważ herbicyd jest stosowany od 40 lat w około 80 krajach, jego wpływ na rozwój płciowy u samców żab może być jednym z wielu czynników globalnego spadku liczebności płazów, dodał.
Znaleziska pojawiają się w czasie, gdy EPA jest ponowna ocena dopuszczalnych poziomów atrazyny w wodzie pitnej, które stoją dziś na 3 części na miliard (ppb), i sporządził nowe kryteria ochrony życia wodnego, ograniczając cztery dni średnie ekspozycje do 12 ppb. Hayes stwierdził hermafrodytyzm u żab przy poziomach tak niskich jak 0,1 ppb. Nawet przy dzisiejszych limitach, poziomy 40 ppb atrazyny zostały zmierzone w wodzie deszczowej i źródlanej w części Środkowego Zachodu, podczas gdy atrazyna w spływach rolniczych może być obecna w kilku częściach na milion. Herbicyd ten zanieczyszcza również zasoby wody pitnej w wielu społecznościach na Środkowym Zachodzie, prowadząc niektóre grupy środowiskowe do wyrażania obaw o jego wpływ na dzieci, niemowlęta i płód. Francja, Niemcy, Włochy, Szwecja i Norwegia są wśród krajów, które zakazały stosowania atrazyny.
„To bardzo ważna i elegancka praca,” powiedział Theo Colborn, PhD, starszy naukowiec w World Wildlife Fund i uznany międzynarodowy ekspert w dziedzinie chemikaliów zaburzających gospodarkę hormonalną. „Praca Tyrone’a pokazuje potrzebę prowadzenia badań nad bezpieczeństwem chemikaliów w terenie, gdzie żyją zwierzęta i na poziomach, na które są narażone. Zmiany, które odkrył w gonadach, nie zostały odkryte w tradycyjnych eksperymentach z użyciem wysokich dawek atrazyny, stosowanych w przeszłości. Ponadto, aby wykryć ukryte efekty ekspozycji na niskie dawki, konieczne jest mikroskopowe badanie narządów wewnętrznych żab.”
Do tej pory wpływ atrazyny na ssaki i płazy był testowany tylko w dużych dawkach, a nie w dawkach powszechnie występujących w środowisku.
W swoim artykule Hayes i jego koledzy piszą: „Efektywne dawki w obecnym badaniu … pokazują wrażliwość płazów w stosunku do innych taksonów, potwierdzają wykorzystanie płazów jako wrażliwych monitorów środowiskowych i budzą prawdziwe obawy o płazy w środowisku naturalnym.”
Hayes wątpi, że atrazyna ma tak poważne skutki dla ludzi, ponieważ herbicyd nie kumuluje się w tkankach, a ludzie nie spędzają życia w wodzie jak żaby. Niemniej jednak, skutki atrazyny na żaby może być znak, że herbicyd jest subtelnie wpływa na ludzkie hormony płciowe, zbyt, zakłócając androgenów, takich jak testosteron, które kontrolują męskie cechy płciowe.
Niektóre badania w hodowli komórkowej wskazują na możliwe biochemiczne wyjaśnienie obserwowanych skutków na narządy płciowe płazów. John P. Giesy, profesor zoologii na Michigan State University w East Lansing, i jego koledzy stwierdzili w zeszłym roku, że w dużych dawkach atrazyna zwiększa produkcję enzymu aromatazy, który przekształca hormony androgenowe w hormony estrogenowe. Ekstrapolując te wyniki z komórek ssaków do płazów, Hayes twierdzi, że atrazyna może feminizować samce żab poprzez promowanie konwersji męskich hormonów do hormonów żeńskich. Obniżone androgeny zakłóciłyby rozwój skrzynki głosowej, podczas gdy podwyższone estrogeny promowałyby jajniki w obrębie jąder.
Ponad 60 milionów funtów herbicydu zostało zastosowanych w zeszłym roku w samych Stanach Zjednoczonych. Producent Syngenta szacuje, że rolnicy używają herbicydu do kontroli chwastów na około dwóch trzecich wszystkich amerykańskich areałów kukurydzy i sorgo. Średnio, poprawia on plon kukurydzy o nieco ponad cztery procent. Związek ten jest ogólnie uważany za bezpieczny, jednak, ponieważ szybko rozkłada się w środowisku i jest rozpuszczalny w wodzie, jest szybko wydalany z organizmu.
Życie wodne, jednak, pływać i rozmnażać się w atrazyny skażonej spływu pola. Chociaż poprzednie badania wykazały deformacje i nieprawidłowości u dorosłych płazów tylko przy bardzo wysokich dawkach, nikt nie przyjrzał się szczegółowo poziomowi hormonów u żab ani wpływowi na kijanki, stadium larwalne żab.
Popchnięta przez EPA, Syngenta zwróciła się do Hayesa, eksperta od hormonów płazów, aby dowiedzieć się, czy atrazyna zakłóca hormony płciowe u płazów. Opracował on kilka bardzo czułych testów do wykrywania substancji chemicznych, które wpływają na hormony, w tym test na estrogenopodobne substancje chemiczne, które mogą wywoływać raka piersi u ludzi.
Chociaż Hayes początkowo otrzymał fundusze od Syngenty na badania, wszystkie obecnie opublikowane badania zostały przeprowadzone niezależnie od Syngenty.
Do swoich testów laboratoryjnych użył afrykańskiej żaby szponiastej, Xenopus laevis, popularnego przedmiotu badań, który, jak wiele żab, jest bardzo wrażliwy na hormony, które naśladują działanie ich własnych hormonów płciowych. Na przykład, jeśli wychowuje się je w stawie z estrogenami, wszystkie kijanki Xenopus zmieniają się w samice. W obecności androgenów, żaby rosną większe skrzynki głosowe, lub krtań.
W eksperymentach laboratoryjnych w różnych stężeniach atrazyny, przy użyciu dwóch oddzielnych populacji żab hodowanych w trzech oddzielnych zbiornikach – eksperymenty powtórzone 51 razy – znaleźli atrazyny wpływać na rozwój płciowy żab w stężeniach 0,1 ppb i wyższych. Jest to 30 razy mniej niż dopuszczalny limit 3 ppb w wodzie pitnej i 120 razy mniej niż proponowany limit chronicznego narażenia dla życia wodnego, 12 ppb.
Przy tych stężeniach aż 16 procent zwierząt miało więcej niż normalną liczbę gonad – w tym jedno zwierzę z sześcioma jądrami – lub miało zarówno męskie, jak i żeńskie organy (jądra i jajniki). Żadne zwierzę kontrolne nie miało takich nieprawidłowości.
Również, podczas gdy normalne samce przy metamorfozie mają większe narządy głosowe niż samice, narządy ponad 80 procent samców narażonych na 1 ppb lub więcej atrazyny były mniejsze niż przeciętnie. Dojrzałe płciowo samce wykazały 10-krotny spadek poziomu testosteronu, sprowadzając je poniżej poziomu stwierdzonego u normalnych samic. Sugeruje to, że atrazyna działa poprzez zakłócanie syntezy hormonów płciowych, co może również tłumaczyć mniejsze krtań i nieprawidłowe gonady.
„… obecne dane budzą nowe obawy dla płazów w odniesieniu do atrazyny” – napisali badacze w swojej pracy. „Jeśli takie efekty wystąpią w środowisku naturalnym, narażone zwierzęta będą cierpieć z powodu upośledzonych funkcji rozrodczych.”
W rzeczywistości Hayes i jego koledzy następnie przeprowadzili rekonesans skażonych atrazyną stawów na Środkowym Zachodzie, aby sprawdzić, czy takie nieprawidłowości rozrodcze występują u żab w środowisku naturalnym. Okazało się, że wiele rodzimych żab lamparcich (Rana pipiens) ma podobne problemy, a teraz testują schwytane zwierzęta, aby ustalić, czy zmiany te są spowodowane atrazyną.
„Atrazyna ma oczywisty wpływ na żaby”, powiedział Hayes. „Wykazaliśmy poważny wpływ na ich rozwój seksualny. Musimy zadać pytania: 'Jakie są koszty środowiskowe stosowania atrazyny? Jaką różnorodność utraciliśmy?'”
Hayes przeprowadził badania z pomocą niedawnego odbiorcy doktoratu Nigela Noriegi, współpracownika naukowego Aarona Vonka oraz byłych lub obecnych studentów studiów licencjackich Atifa Collinsa, Melissy Lee, Magdeleny Mendoz i A. Ali Stuart, z których wszyscy są wymienieni jako współautorzy pracy. Badania były wspierane przez National Science Foundation.
Dodatkowe informacje:
- Profile o Tyronie Hayesie
.