Trends and implications of lead and mercury exposure in Black Storks and Mute Swans sampled in Poland

Abstract

Mercury (Hg) and lead (Pb) are highly toxic pollutants and constitute important hazards to wetland wildlife. Waterbirds are particularly susceptible to harm from Hg and Pb since Hg becomes an organic biomagnificable form in reservoir sediment and Pb is highly available in waterbodies. Waterbirds' exposure to Hg and Pb may harm their systems , development, growth, and behaviour which, through interactions impair their breeding success and consequently population survival. Exposure depends on various factors , such as environmental pollution at occupied sites, species, sex, diet, reproduction status and moulting . Due to this variability and different influences , this study was undertaken to estimate waterbirds’ exposure to Hg and Pb and the impact of this exposure . In order to do this two species associated with aquatic environments but representing different trophic levels were chosen : the Mute Swan and the Black Stork. Being herbivorous, Mute Swans tend to be predisposed to Pb poisoning because they mistake spent gunshot and fishing sinkers for natural grit and may consume contaminated sediment while Black Storks , being are generally more prone to Hg poisoning due to foraging on contaminated fish. The mechanisms responsible for the accumulation of metals in the birds, however, is complex and neither species has yet been thoroughly examined in this respect. This is also the first study in ecological research examining Black Storks’ exposure to metal s. The aim of this dissertation is to characterize the exposure of Mute Swan and Black Stork to Hg and Pb sampled in southern Poland. Technical limitations and avian biology meant that all age groups of Mute Swan were studied, while Black Stork could only be studied as nestlings. As well as quantifying the elements I also aimed at to describe the trend patterns of the exposure and the influence of this exposure on birds. Two types of biological material were therefore chosen for analysis: blood from both species (since it bears witness to short term, recent exposure) and the down of the Black Stork ( in order to determine potential maternal exposure). Blood was collected from 176 Mute Swans at their breeding and wintering sites located in southern Poland. Spatial and temporal trends of metal accumulation were examined by analyzing the results in respect of the characteristics of the sites ( rural vs urban), seasons (summer breeding vs wintering) and the influence of the factors of s ex and age. In order t o evaluate the effects on health, impact of Hg and Pb on hematocrit (Ht), GSH levels , morphometry and body condition was also examined. In the case of the Black Stork, 90 nestlings were sampled at breeding sites in southern Poland. The impact of Hg was collate d with morphometric measurements through principal component analysis (PCA while the impact of Pb was checked by dint of assessing body condition by scale mass index and GSH levels . In order to evaluate spatial and temporal patterns of the accumulation of Hg and Pb in Black Stork nestlings, the impact of potential emitters habitat characteristics , year of sampling and age of nestlings were also include d in the analysis . Hg and Pb concentrations in the Mute Swan and the Black Stork tended to be at back ground levels with few exceptions. The concentrations detected tended not to be harmful to Ht and GSH levels. Site with surrounding potential metal sources and season of sampling influenced the concentrations of Hg and Pb in the birds. A summary of these observations is included below , and detailed results with the discussion are to be found in the four publications between 2019 2023 that formed the basis of this dissertation.

Rtęć (Hg) i ołów (Pb) są wysoce toksycznymi pierwiastkami stanowiącymi zagrożenie dla przyrody, zwłaszcza na terenach podmokłych. Ptaki wodne są szczególnie podatne na negatywny wpływ tych pierwiastków, ponieważ Hg w środowisku ulega procesowi biomagnifikacji, a Pb w niektórych zbiornikach wodnych jest łatwo dostępny. Rtęć i ołów wywierają szkodliwy wpływ na organizm ptaków wodnych, w tym na rozwój, wzrost i zachowanie, co w konsekwencji prowadzi do zmniejsza sukcesu lęgowego, oraz może negatywnie wpływać na kondycję całych populacji. Narażenie ptaków na metale zależy od czynników, takich jak np. zanieczyszczenie środowiska w miejscach rozrodu, zimowania i postoju podczas migracji, dieta, gatunek, płeć, a także od aspektów fizjologicznych, takich jak stan reprodukcji lub pierzenie. Ze względu na te zmienności i ich wpływ podjęto próbę oszacowania czynników i wpływu narażenia na rtęć i ołów u ptaków wodnych. Gatunki takie jak łabędź niemy i bocian czarny są związane ze środowiskiem wodnym, ale reprezentują różne poziomy troficzne i biotopy. Gatunki roślinożerne, reprezentowane przez łabędzia niemego, są głównie predysponowane do zatrucia ołowiem. Ptaki mylą naturalne gastrolity z ciężarkami wędkarskimi lub wystrzelonymi śrutami ołowianymi, a także mogą pobierać skażone metalami osady. Gatunki rybożerne, takie jak bocian czarny, są bardziej podatne na zatrucie rtęcią w wyniku żerowania na rybach. Mechanizmy związane z akumulacją metali w organizmach są jednak złożone i u obu gatunków ta tematyka wymaga uzupełnienia. Są to również pierwsze doniesienia z zakresu badań ekotoksykologicznych dotyczące narażenia na metale u bociana czarnego. Celem niniejszej rozprawy doktorskiej było określenie narażenia łabędzia niemego i bociana czarnego na rtęć i ołów w południowej Polsce. Ze względu na ograniczenia techniczne i biologię ptaków, w badaniach nad łabędziem niemym uwzględniono wszystkie grupy wiekowe, natomiast w badaniach nad bocianem czarnym badano tyko pisklęta. Dalszym celem było ustalenie trendów czasowych i przestrzennych oraz ich wpływu na akumulację metali u badanych ptaków. W związku z tym analizie poddano: krew obu gatunków (obrazuje ona krótkotrwałą, lokalną ekspozycję) oraz puch bociana czarnego (w celu określenia potencjalnego narażenia ze strony samicy - matki). W przypadku łabędzia niemego pobrano krew od 176 osobników w miejscach ich lęgów i zimowisk zlokalizowanych na terenie Polski. Wyniki porównano z charakterystyką siedliska (tereny wiejskie lub miejskie), porą roku (okres lęgowy w lecie lub zimowanie) oraz zweryfikowano pod kątem wpływu płci i wieku. Aby ocenić wpływ na zdrowie, sprawdzono także oddziaływanie badanych pierwiastków na poziomy hematokrytu (Ht), GSH i morfometrię. Badania nad bocianem czarnym przeprowadzono na 90 pisklętach. Sprawdzono wpływ Hg na morfometrię piskląt, a oddziaływanie Pb zweryfikowano poprzez ocenę kondycji ptaka za pomocą wskaźnika masy i poziomu GSH. Dodatkowo zbadano wpływ potencjalnych źródeł Pb i charakterystyki siedlisk na stężenia Pb. Ogólne stężenia Hg i Pb u badanych łabędzi niemych i bocianów czarnych, z nielicznymi wyjątkami, były poniżej poziomu stężeń wywołujących poważne objawy zatrucia. Wykryte stężenia nie wpłynęły negatywnie na poziomy Ht i GSH. Trendy przestrzenne i czasowe, takie jak miejsce pobierania próbek z otaczającymi je potencjalnymi źródłami metali oraz sezon pobierania próbek, miały wpływ na stężenia Hg i Pb. Zbiorcze podsumowanie tych założeń zawarte jest w niniejszej rozprawie. Szczegółowe wyniki i ich omówienie znajdują się w publikacjach z lat 2019-2023 załączonych do rozprawy.