Wetenschap - 21 december 1995

Organismen kunnen toxische stress compenseren

Organismen kunnen toxische stress compenseren

De huidige toxiciteitsproeven houden geen rekening met het feit dat organismen strategieen hebben ontwikkeld om toxische stress te compenseren. Daardoor rammelen de normen die nu worden gesteld. Er kan sprake zijn van over- of onderschatting van de schadelijkheid van stoffen. Daarom is het nodig toxiciteitsproeven te herevalueren, zegt toxicoloog Kammenga, die 12 december aan de Landbouwuniversiteit promoveerde bij hoogleraar toxicologie Koeman.


Een ketting is zo sterk als zijn zwakste schakel. Dat is het idee achter de huidige toxiciteitstoetsen. Toxicologen stellen een organisme gedurende zijn meest kwetsbare levensfase bloot aan een giftige stof en bepalen aan de hand van de reactie de schadelijkheid van de stof. Een hele logische redenering, wereldwijd toegepast om normen vast te stellen voor toxische stoffen. Maar de kersverse doctor ir J.E. Kammenga van de vakgroep Nematologie ontdekte dat dit idee voorbijgaat aan de ecologische realiteit. De groeisnelheid of fitness van een soort kan gelijk blijven, ondanks het feit dat het meest gevoelige stadium zwaar te lijden heeft onder een giftige stof."

Kammenga vergelijkt de reactie van een soort liever met elastiek. Als je daaraan trekt, gaat het niet meteen kapot. Zo is het ook binnen een populatie van een soort. Organismen kunnen de stress die zij ondervinden vanuit het milieu compenseren: ze vertonen een zekere fenotypische plasticiteit.

Iedereen kent het voorbeeld uit de biologielessen. Een plantje van een soort - een genotype - dat totaal verschillende gedaanten aanneemt in een koud of in een warm klimaat. Staat het in de hoge bergen dan is het een dwerg met dikke bladeren. Staat de plant in het zonnige dal dan is zij twee keer zo groot en heeft dunne, grote bladeren. Het plantje heeft in de loop der evolutie een manier gevonden om zich aan te passen aan verschillende temperaturen.

Net zo goed als organismen zich aan temperatuur kunnen aanpassen, kunnen ze zich ook aan toxische stoffen aanpassen, aldus Kammenga. Hij ontdekte dit terwijl hij toxiciteitstoetsen ontwikkelde voor het Speerpuntprogramma Bodemonderzoek. Ik ben gaan kijken of de meest gevoelige levensfase van nematoden, cruciale bodemorganismen, echt relevant is voor de totale fitness van een soort."

Eieren

Kammenga stelde de nematodensoorten Plectus acuminatus en Heterocephalobus pauciannulatus, beide bacterie-eters, bloot aan cadmium, koper en pentachloorfenol. Hij bekeek de invloed van deze stoffen op elke fase van de levenscyclus: de hoeveelheid eieren die wordt afgezet, hoeveel daarvan uitkomen, hoe lang het duurt tot het aaltje volwassen wordt, de periode waarin het zelf weer eieren legt, et cetera.

De resultaten zijn opzienbarend. Bij de nematode Plectus veroorzaakte cadmium de grootste schade aan de reproduktie: de hoeveelheid eieren die de nematode legt verminderde met twintig procent. Maar op de totale fitness van de populatie had cadmium geen enkel effect. Bij oplopende concentratie bleef de fitness van de populatie honderd procent. Het aaltje weet dus die schade aan de reproduktie te compenseren. Waarschijnlijk door de reproduktieve periode te verlengen en over een langere periode eitjes te blijven leggen."

Het kan ook minder extreem uitpakken. De fitness van de populatie gaat wel achteruit, maar niet zo sterk als je zou verwachten op grond van de schade aan het meest gevoelige stadium. Als Plectus wordt blootgesteld aan koper vermindert de reproduktieve periode met zestig procent, maar de fitness met slechts twee procent. Heterocephalobus vertoont een minder grote plasticiteit voor koper. De reproduktie-periode vermindert met maar tien procent, terwijl de fitness-reductie even groot is als bij Plectus. Voor pentachloorfenol wist de nematode Plectus nauwelijks te compenseren. De fitness verminderde met 85 procent bij oplopende concentraties.

Watervlooien

Nematoden kunnen dus, afhankelijk van soort en aard van de giftige stof, toxische stress compenseren zodat de fitness van de soort zo groot mogelijk blijft. Chemische stoffen worden altijd als iets unieks gezien omdat vele stoffen door de mens zijn gemaakt. Maar voor deze nematoden blijken die stoffen gewoon weer een andere stressfactor te zijn, waarvoor ze een defensiestrategie hebben ontwikkeld."

Kammenga is ervan overtuigd dat dit mechanisme ook geldt voor andere lagere diergroepen. Van watervlooien is ook bekend dat ze fenotypisch plastisch zijn. Zo passen ze hun reproductie aan temperatuur of voedselsituatie aan. Het is zeer waarschijnlijk dat ze op dezelfde manier reageren op toxische stoffen."

Maar ook bij de gewervelde diergroepen sluit Kammenga fenotypische plasticiteit bij toxische stress niet uit. Fenotypische plasticiteit is een algemene reactie op stress, die binnen de ecologie heel bekend is. Het enige nieuwe wat ik doe is fenotypische plasticiteit introduceren in de toxicologie; dat is nog nooit gedaan."

Volgens Kammenga komt dat doordat de huidige ecotoxicologie nog te weinig wordt gevoed door de ecologie. Hij pakt zijn proefschrift, waarin hij zijn Amerikaanse collega-toxicoloog Cairns citeert. Hij stelt in een van zijn artikelen dat het moeilijk is twee groepen op aarde te vinden die zo weinig uitwisselen als ecotoxicologen en ecologen. Dat is misschien wat overdreven, maar ecologen hebben tot nu toe weinig interesse getoond voor de toxicologie. Die zien ecotoxicologie meer als een hybride tussen toxicologie en ecologie en niet als een zelfstandig vakgebied. Daarom wordt er nog te weinig vanuit de ecologie naar toxicologie gekeken en staat dit vakgebied nog maar in de kinderschoenen. Ik weet zeker dat er nog veel meer verrassende resultaten komen als ecologie en toxicologie meer ideeen uitwisselen."

Puberteit

De vraag is nu of de normen die in Nederland zijn gebaseerd op de huidige toxiciteitsproeven te streng zijn. De giftigheid wordt in de huidige testen niet per definitie overschat. Er kan ook sprake zijn van onderschatting", antwoordt Kammenga. Doordat je slechts naar de meest gevoelige levensfase kijkt, zie je de minder gevoelige levensfase over het hoofd. Maar plasticiteitsonderzoek heeft aangetoond dat blootstelling van minder gevoelige levensfasen aan giftige stoffen de fitness aanzienlijk kan verminderen." Zo blijkt uit een van zijn simulaties dat een verlenging van de puberteit met twintig procent een fitness-reductie veroorzaakt van vijftien procent, terwijl een vermindering van de reproduktie - veel gevoeliger voor de toxische stof - slechts een fitness-reductie van vijf procent laat zien.

Duidelijk is wel dat de uitkomsten van toxiciteitsproeven moeten worden geherevalueerd, stelt Kammenga. Het heeft geen pas om alleen te kijken naar het meest gevoelige onderdeel van de levenscyclus en op grond daarvan de toxiciteit vast te stellen. Dan ga je voorbij aan de intrinsieke eigenschappen van een organisme."

Volgens hem zou het beter zijn voor elke soort een palet van de kwetsbaarheid te maken van de levenscyclus. Vervolgens zou dan bij elk levensfase bekeken moeten worden welke plasticiteit aanwezig is voor een toxische stof en hoe belangrijk die is voor de fitness. Een heidens karwei, maar van meer betekenis dan de huidige quick and dirty methode, aldus de toxicoloog.

Inspanning

Dr H.J.P. Eijsackers, opponent tijdens de promotie en laboratoriumhoofd Ecotoxicologie bij het Rijksinstituut voor Volksgezondheid en Milieu (RIVM), vergelijkt de conclusies van Kammenga met luid trompetgeschal. Hij vindt enige relativering noodzakelijk. Laten we eerst eens kijken hoe groot het effect is van die fenotypische plasticiteit voordat je toxiciteitsproeven gaat aanpassen. De inspanning die hij voorstelt is aanzienlijk, en kan leiden tot enorm uitstel van normstelling. Er zijn wel meer dingen die nog niet volledig meegenomen kunnen worden in toetsen. Zoals de biologische beschikbaarheid van een toxische stof en de interacties tussen soorten. Het is heel pragmatisch, maar ik zeg dan: beter een vogel in de hand dan tien in de lucht. De toetsen moeten wel te behappen blijven. Je moet ze pas gaan wijzigen als je van mening bent dat de invloed groot is. En daar ben ik niet van overtuigd."

Kammenga weet dat zijn proefschrift stof doet opwaaien. De reacties op mijn proefschrift zijn tweeledig. Sommigen vinden inderdaad dat de toxiciteitsproeven aanpassing behoeven, anderen vragen zich af of je alles weer overhoop moet gaan halen. Maar langzaam begint het idee toch door te sijpelen naar andere instituten. De bodemtoetsen voor nematoden die wij hebben ontwikkeld voor het Speerpuntprogramma Bodemonderzoek en die rekening houden met de plasticiteitsfactor, worden nu verwerkt in een EU-onderzoeksprogramma. Dus daar krijgen we erkenning. Voor mij is in ieder geval duidelijk dat je de huidige toxiciteitsproeven zo niet meer kan volhouden."

Re:ageer