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.
I en artikel i april 16 numret av Proceedings of the National Academy of Sciences, University of California, Berkeley, rapporterar utvecklingsendokrinologen Tyrone B. Hayes, docent i integrativ biologi, och hans kollegor att atrazin i nivåer som ofta finns i miljön demaskuliniserar groddjur och förvandlar dem till hermafroditer – varelser med både manliga och kvinnliga könsegenskaper. Ogräsbekämpningsmedlet sänker också nivåerna av det manliga hormonet testosteron i könsmogna hangrodor med en faktor 10, till nivåer som är lägre än hos normala hongrodor.
Som Hayes senare upptäckte finns det i många atrazinförorenade dammar i Mellanvästern inhemska leopardgrodor med samma avvikelser.
”Atrazinexponerade grodor har inte normala fortplantningssystem”, säger han. ”Hanarna har äggstockar i sina testiklar och mycket mindre röstorgan”, som är viktiga för att kalla på potentiella partners.
|
Bild med hög upplösning finns tillgänglig för nedladdning. |
Det är oklart om dessa abnormiteter leder till minskad fertilitet. Hayes försöker nu fastställa hur avvikelserna påverkar grodornas förmåga att producera avkomma.
”Användningen av atrazin i miljön är i princip ett okontrollerat experiment – det verkar inte finnas någon atrazinfri miljö”, säger Hayes. ”Eftersom det är så utbrett är vattenmiljöerna i riskzonen.”
Eftersom herbiciden har använts i 40 år i cirka 80 länder kan dess effekt på den sexuella utvecklingen hos hangrodor vara en av många faktorer i den globala minskningen av amfibier, tillade han.
Fyndigheterna kommer vid en tidpunkt då EPA omvärderar de tillåtna nivåerna av atrazin i dricksvatten, som i dag ligger på 3 delar per miljard (ppb), och har utarbetat nya kriterier för att skydda vattenlevande organismer, som begränsar den genomsnittliga exponeringen under fyra dagar till 12 ppb. Hayes fann hermafroditism hos grodor vid halter så låga som 0,1 ppb. Även med dagens gränsvärden har nivåer på 40 ppb atrazin uppmätts i regn- och källvatten i delar av Mellanvästern, medan atrazin i jordbruksavrinning kan förekomma i flera miljondelar.
Ogräsbekämpningsmedlet förorenar också dricksvattnet i många samhällen i Mellanvästern, vilket har lett till att vissa miljögrupper uttrycker oro för dess effekter på barn, spädbarn och foster. Frankrike, Tyskland, Italien, Sverige och Norge hör till de länder som har förbjudit användningen av atrazin.
”Det här är ett mycket viktigt och elegant arbete”, säger Theo Colborn, PhD, en ledande forskare vid World Wildlife Fund och en internationellt erkänd expert på hormonstörande kemikalier. ”Tyrones arbete visar på behovet av att bedriva forskning om kemikaliers säkerhet på fältet där djuren lever och på de nivåer som de utsätts för. De förändringar han fann i könskörtlarna upptäcktes inte med de traditionella högdosförsöken med atrazin som använts tidigare. Dessutom krävs en mikroskopisk undersökning av grodornas inre organ för att upptäcka de dolda effekterna av exponering i låga doser.”
Hej hittills har atrazins effekter på däggdjur och amfibier endast testats i stora doser, inte i doser som är vanligt förekommande i miljön.
I sin tidskriftsartikel skriver Hayes och hans kollegor: ”De effektiva doserna i den aktuella studien … visar på amfibiernas känslighet i förhållande till andra taxa, bekräftar användningen av amfibier som känsliga miljöövervakare/sentineler och väcker verklig oro för amfibier i det vilda”.
Hayes tvivlar på att atrazin har så allvarliga effekter på människor, eftersom herbiciden inte ackumuleras i vävnaden och människor inte tillbringar sina liv i vatten som grodor gör. Trots detta kan effekterna av atrazin på grodor vara ett tecken på att herbiciden på ett subtilt sätt påverkar även mänskliga könshormoner, genom att störa androgener, såsom testosteron, som kontrollerar manliga könsegenskaper.
En del studier i cellodling pekar på en möjlig biokemisk förklaring till de observerade effekterna på amfibiernas könsorgan. John P. Giesy, professor i zoologi vid Michigan State University i East Lansing, och hans kollegor fann förra året att atrazin i stora doser ökar produktionen av enzymet aromatas, som omvandlar androgena hormoner till östrogena hormoner. Genom att extrapolera dessa resultat från däggdjursceller till amfibier menar Hayes att atrazin skulle kunna feminisera hangrodor genom att främja omvandlingen av manliga hormoner till kvinnliga hormoner. De sänkta androgenerna skulle störa utvecklingen av struphuvudet, medan ökade östrogener skulle främja äggstockar inom testiklarna.
Mer än 60 miljoner pund av herbiciden användes förra året enbart i USA. Tillverkaren Syngenta uppskattar att jordbrukare använder herbiciden för att bekämpa ogräs på ungefär två tredjedelar av all amerikansk majs- och sorghumareal. I genomsnitt förbättrar det majsavkastningen med något mer än fyra procent. Föreningen anses dock i allmänhet vara säker eftersom den snabbt bryts ned i miljön och eftersom den är vattenlöslig och snabbt utsöndras från kroppen.
Vattenlevande organismer simmar och förökar sig dock i atrazinförorenad avrinning från åkrar. Även om tidigare studier visat missbildningar och abnormiteter hos vuxna groddjur endast vid mycket höga doser, hade ingen tittat i detalj på hormonnivåerna hos grodor eller på effekter på grodyngel, grodornas larvstadium.
På uppmaning av EPA kontaktade Syngenta Hayes, en expert på amfibiehormoner, för att ta reda på om atrazin stör könshormonerna hos amfibier. Han har utvecklat flera mycket känsliga tester för att upptäcka kemikalier som påverkar hormoner, inklusive ett test för östrogenliknande kemikalier som kan framkalla bröstcancer hos människor.
Och även om Hayes inledningsvis fick medel från Syngenta för studierna har alla de nu publicerade studierna utförts oberoende av Syngenta.
För sina laboratorietester använde han den afrikanska klövgrodan, Xenopus laevis, ett populärt forskningsobjekt som liksom många grodor är mycket känsligt för hormoner som efterliknar effekten av deras egna könshormoner. Om de föds upp i en damm med östrogen, till exempel, förvandlas alla Xenopus grodyngel till honor. I närvaro av androgener får grodorna större röstlådor eller struphuvud.
I laboratorieförsök med olika koncentrationer av atrazin, där man använde två separata populationer av grodor uppfödda i tre separata bassänger – försöken replikerades 51 gånger – fann man att atrazin påverkar grodornas sexuella utveckling vid koncentrationer på 0,1 ppb och högre. Det är 30 gånger lägre än den tillåtna gränsen på 3 ppb i dricksvatten och 120 gånger lägre än den föreslagna gränsen för kronisk exponering för vattenlevande organismer, 12 ppb.
Vid dessa koncentrationer hade så många som 16 procent av djuren mer än det normala antalet könskörtlar – inklusive ett djur med sex testiklar – eller hade både manliga och kvinnliga organ (testiklar och äggstockar). Inget kontrolldjur hade sådana avvikelser.
Och medan normala hanar vid metamorfos har större stämorgan än honor, var organen hos mer än 80 procent av de hanar som utsattes för 1 ppb eller mer av atrazin mindre än genomsnittet. Könsmogna hanar uppvisade en 10-faldig minskning av testosteronnivåerna, vilket gjorde att de hamnade under de nivåer som finns hos normala honor. Detta tyder på att atrazin verkar genom att störa syntesen av könshormoner, vilket också skulle kunna förklara de mindre struphuvudena och de onormala könskörtlarna.
”… de aktuella uppgifterna ger upphov till ny oro för amfibier när det gäller atrazin”, skriver forskarna i sin artikel. ”Om sådana effekter uppstår i naturen skulle exponerade djur drabbas av försämrad reproduktionsfunktion.”
Det är faktiskt så att Hayes och hans kollegor därefter genomförde en rekognoscering av atrazinförorenade dammar i Mellanvästern för att se om sådana reproduktionsavvikelser förekommer hos grodor i naturen. De hittade många inhemska leopardgrodor (Rana pipiens) med liknande problem, och testar nu infångade djur för att avgöra om dessa förändringar beror på atrazin.
”Atrazin påverkar uppenbarligen grodor”, säger Hayes. ”Vi har visat allvarliga effekter på deras sexuella utveckling. Vi måste ställa frågorna: ’Vilka är miljökostnaderna för användningen av atrazin? Vilken mångfald har vi förlorat?”
Hayes genomförde studien med hjälp av Nigel Noriega, som nyligen fått en doktorsexamen, forskningsassistent Aaron Vonk och tidigare eller nuvarande studenter Atif Collins, Melissa Lee, Magdelena Mendoz och A. Ali Stuart, som alla anges som medförfattare till artikeln. Studierna stöddes av National Science Foundation.
Tillkommande information:
- Profil om Tyrone Hayes