Top predators - Glaucous Gull - Project title
	Distribution and effects of PCB in Glaucous Gulls - an ecological approach.
Institution
	NINA
Final report
	Two papers from peer reviewed journals were delivered: Bustnes, J.O.; Erikstad K.E.; Bakken, V.; Mehlum, F. and Skaare J.U. Feeding Ecology and the Concentration of Organoclorines in Glaucus Gull.  Ecotoxicology, 9, 175-182, 2000.     Bustnes, J.O.;  Bakken, V.; Erikstad, K.E.; Mehlum F.; and Skaare J.U.: Patterns of incubation and nest site attentiveness in relation to polychlorinated biphenyl (PCB) contamination in Glaucus Gull.  Journal of Applied Ecology 38: 791 - 801.
Summary and results (only available in Norwegian):
	Sammendrag I dette prosjektet har vi sett på to ulike problemstillinger rundt miljøgifter i polarmåke på Bjørnøya:  Effektene av PCB på reproduktiv adferd og  Næringsøkologi som forklaringsfaktor for fordelingen av miljøgifter i bestanden.  Vi påviste en sammenheng mellom nivå av miljøgifter og adferdstrekk i rugeperioden. Polarmåker med høye PCB nivåer var mer borte fra reirplassen enn fugl med lavere nivåer. Dette kan tyde på at fugl med høye nivåer har større problemer med å skaffe næring, noe som kan føre til nedsatt ungeproduksjon og økt dødelighet. Dette er den første funn av sammenhenger mellom PCB belastning og reproduksjon hos polarmåke. Det viste seg videre at nivåene av miljøgifter i to adskilte hekkeområder var svært forskjellige, og at det var en klar sammenheng mellom PCB nivå (og andre miljøgifter) og hvilket trofisk nivå fuglene beiter. Dette betyr at det vil være svært viktig å undersøke næringsøkologi innen en polarmåkebestand før man begynner med overvåkning av miljøgifter. Oppnådde faglige resultater Gjennom 30 år har man hatt kunnskap om at polarmåken i vår del av Arktis har høye nivåer av PCB og pesticider, og man har antatt at nivåene påvirker dødeligheten hos arten. Likevel har man tidligere ikke forsøkt å finne ut hvilke økologiske effekter dette har, og i liten grad søkt å forstå hva som påvirker fordelingen av slike stoffer i bestanden. Hensikten med dette prosjektet har vært å undersøke om PCB har effekt på reproduktiv adferd (i rugeperioden) og se på sammenhengen mellom næringsøkologi og nivåer av organokloriner. En del av de data som er brukt i dette prosjektet er samlet inn gjennom et NFR prosjekt som har foregått på Bjørnøya siden 1997. NFR prosjektets hovedmål har vært å finne ut hvordan PCB påvirker reproduksjon og overlevelse hos polarmåkebestanden. For tiden foregår arbeidet med analyser og publisering av resultatene fra NFR prosjektet. Det nye i dette prosjektet er at vi har brukt blodprøver for å analysere miljøgiftnivåer, noe som betyr at fuglene ikke blir skadet av innsamlingsprosedyrene. I dette prosjektet har vi studert effekter av miljøgifter på reproduktiv adferd hos polarmåke, det vil si rugeadferd og mønster av fravær fra hekkeplassen. I tillegg har vi undersøkt hvordan næringsvalg i forskjellige hekkeområder påvirker nivået av PCB og andre miljøgifter, for å forstå hvorfor variasjonen i nivå mellom individer er så enorm. Resultatene fra arbeidet er skrevet sammen i to vitenskapelige artikler (se avsn. 3.4). Her gis bare en kort oppsummering av våre funn og det henvises til de vitenskapelige artiklene for detaljer.  Effekter av miljøgifter på reproduktiv adferd Reirtiden er sentral i fuglers reproduksjon, og svikt i denne perioden medfører vanligvis at årets reproduksjon går tapt. I denne perioden er fuglene dessuten relativt lette å observere, og vi valgte å studere ruge- og fraværsmønstre hos fugl med forskjellig PCB nivåer. Fuglene ble fanget i 1997 og utstyrt med bokstavkodede fargeringer slik at de kunne gjenkjennes på avstand. I 1998 ble de så fanget etter at atferdsobservasjonene var gjort, og blodprøver ble tatt. Til sammen omfattet dette 27 fugler i to separate områder (Revdalen og Kvalrossbukta). Det var forskjell i PCB nivåer mellom områdene, og flere forskjeller i adferd. Vi påviste at det var en negative sammenheng mellom PCB på visse adferdsmønstre. Fugler med høye nivåer hadde større grad av fravær fra hekkeplassen enn fugl med lavere nivåer. Dette er i tråd med tidligere eksperimentelle studier og studier i felt, og tyder på koordineringsevnen svekkes. Fuglene blir sannsynligvis mindre effektive i forhold til å finne næring. Dette er de første indikasjoner på miljøgifter påvirker reproduksjonen hos polarmåke i Arktis. Næringsvalg og miljøgiftnivåer Vi sammenlignet nivåene av miljøgifter i to nærliggende hekkeområder på Bjørnøya. Et område som ligger nede ved sjøen i området rundt Kvalrossbukta, mens det andre ligger oppe på kanten av sjøfuglkolonien i området Revdalen og Beinneset. Både i 1997 og 1998 tok vi blodprøver i disse områdene og det viste seg at polarmåkekolonien oppe på fuglefjellet hadde 1-3 ganger så høye miljøgiftnivåer som fugl som hekker i kolonier ved havnivå. Polarmåken gulper opp ufordøyelige rester fra næringen og i 1998 samlet vi inn gulleboller rundt reirene i begge områdene, fire ganger gjennom rugeperioden. Det viste deg at dietten blant fuglene oppe på sjøfuglfjellet besto av 60-70% av egg fra andre sjøfugler (særlig lomvi og polarlomvi), mens i området nærmere havnivå spiste fuglene langt mindre egg (sannsynligvis <10%). Næringen i det sistnevnte området besto tilsynelatende mye av fisk, som lodde. Det er altså en klar sammenheng mellom hvor høyt oppe i næringskjeden fuglene beiter og deres miljøgiftbelastning. Nærings spesialisering er typisk for måkefugler, og det viser seg at polarmåken ikke er et unntak. Fuglene har altså i stor grad en spesialisert næringsøkologi avhengig av hvor de hekker, noe som igjen gjør fugler i noen områder svært sårbar for akkumulering av miljøgifter. Dette medfører sannsynligvis at en del av polarmåke bestanden i Svalbard-området har nivåer av miljøgifter som er kritisk for deres reproduksjon og overlevelse. Relevans for overvåking Dette studiet er det første som påviser at de høye nivåene av PCB i polarmåke i norsk Arktis påvirker fuglenes reproduksjon. De høye nivåene som er funnet medfører altså at fuglene har en større grad av belastning i forbindelse med hekking og dette kan medføre høyere dødelighet. For eksempel dør en del fugler tidlig i ungeperioden, like etter at rugeperioden er ferdig, noe som kan være relatert til økt stress på grunn av miljøgifter. Dette betyr at man bør fokusere mer på denne type effekter, for å kunne finne bedre ut om den observerte sammenhengen mellom PCB og adferd gir nedsatt ungeproduksjon. Resultatene fra dette prosjektet kan altså brukes til å si noe om kritiske nivåer for adferdseffekter. Hvilket trofisk nivå fuglene beiter på har altså stor for betydning for hvor høye nivåer av miljøgifter de har. Ut fra det sparsommelige materialet som har foreligget har man antatt at det er stor variasjon i miljøgiftbelastning mellom de forskjellige områdene i Arktis. For eksempel at det er forskjell mellom Bjørnøya og selve Svalbard. Det vi påviser er at det finnes en systematisk variasjon på en langt mindre skala, og at usystematiske målinger gjort på forskjellige steder er utilstrekkelig for å si noe om romlig fordeling av miljøgifter i vår del av Arktis. Våre resultater viser at når man skal i gang med overvåkning må man gjøre grunnleggende studier av næringsøkologi i de områdene som skal overvåkes. Ellers vil sammenligninger mellom områder kunne bli meningsløs.
Original project description
	Summary:  Little is known about the factors influencing the distribution of PCBs within Glaucous Gull populations in the Norwegian Arctic, and the ecological effects PCBs may have. This project is aimed at studying such aspects of the interaction between PCBs and population ecology based on data collected at Bjørnøya in 1997 and 1998. We will focus on how the diet contribute to the variation in individual levels of contaminants and how PCBs may influence reproductive behaviour, which is important for reproductive success. The project is an extension of an existing project that study the effects PCBs may have on the breeding population of Glaucous Gull at southern Bjørnøya. Aims: To examine the ecological basis for the within population variation in PCB loads, by relating the PCB levels to diet specialisation in sub-colonies of Glaucous Gull. To investigate if current levels of PCB in Norwegian Arctic affect behavioural traits important for reproduction in the Glaucous Gull population at Bjørnøya. Scientific background A major challenge of ecotoxicology is to predict effects of persistent organic pollutants (POPs) at the population and ecosystem levels from data on the individual level (Moriarty 1988). Unless such ecologically relevant effects can be detected after long-term exposure to contaminants, their hazard for populations and ecosystems may be negligible. In other words, at what level of contamination do ecological effects become apparent. Moreover, a major gap in our understanding of POPs is the factors determining their distribution. For example is extreme inter individual variation in levels a general feature of PCB contamination in seabirds in the Norwegian Arctic (Gabrielsen et. al 1995, Savinova et al. 1995, Borgå 1997, NINA/NP unpublished data). Knowledge about effects and distribution of contaminants is critical to our understanding of long term effects of organochlorines (OCs) in the Arctic and important for the development of management policies and useful biomarkers (Peakall 1992, Gestel & Brummelen 1996). Ongoing ecological research on Glaucous Gull In the early 1970’thies (Bourne & Bogan 1972) and the late 1980’thies (Gabrielsen et al. 1995) Glaucous Gulls with high levels of PCB were found dead or dying at Bjørnøya. Despite these alarming findings the ecological implications have not been studied. In 1997 we started a project examining the influence of PCBs on reproduction and survival. In the project, PCB levels are measured in blood, which enable us to determine the relative difference between individuals, and year to year variation in PCB body burdens in the same individuals for several years. In 1997, 113 individuals were sampled once, and 25 twice. Our application to the Effect Program is in close connection to our existing project, and the data on PCB levels will be used in both projects. Variation in PCB levels and diet Effects of most POPs are related to level (dose-response) and individuals carrying high levels are more likely to suffer detrimental effects (Moriarty 1988), but the variation between individuals in populations may be extremely high (see Hoffman et al. 1996 for a review). It is thus important to know what ecological factors that influence the uptake and accumulation of PCBs in individuals. Such information may enable us to estimate the proportion of populations that are exposed to high risks. Levels of organochlorines in birds and other animals seems closely linked to the food (e.g. Dewailly et al. 1992, Ankley et al. 1993, Murk et al 1996, Herbert et al. 1997). Species feeding on low trophic levels are less contaminated than those feeding on higher levels (e.g. Savinova et al. 1995, Mazak et al. 1997, Zimmerman et al. 1997). However, the variation within populations is poorly understood, and there are great differences in the levels of PCBs among individual Glaucous Gulls (Gabrielsen et al. 1995, Savinova et al. 1995, Borgå 1997, NINA/NP unpublished data). Diet specialisation has been suggested as an explanatory factor (Sagerup 1998). The diet of breeding Glaucous Gulls may consist of various prey types, such as seabird eggs, kittiwakes and fish (NINA/NP unpublished data). Recent studies have shown that seabird eggs have about 10 times higher PCB content than Barents Sea fish (500 vs. 50 ppb) (Gabrielsen et al. 1995, Borgå 1997). Here we test the hypothesis that variation in PCB levels are linked to diet in the breeding season, by comparing the diet composition and mean PCB levels in sub-colonies of Glaucous Gull. Methods and some preliminary results Data collection.- The collection of field data was carried out on Bjørnøya in 1997 and 1998. The gulls regurgitate indigestible parts of the food such as bones and egg shell, and these can be collected easily at the nests, and frequencies of different diets can thus be compared between well separated sub-populations. During the incubation period, each of four sub-colonies were visited four times from early to late incubation, and the meals in regurgitated pellets were identified. The pellets were removed from the colony at each survey. Analyses.- The frequencies of different prey items will be compared statistically, and related to the differences in the mean level of PCB in different sub-colonies. Preliminary results. – We have found large differences in the levels of organochlorines between sub-colonies. This shows that the variation is not random, but follow a pattern. Further analyses show that those colonies with high levels of PCB are haveing a higher frequency of seabird eggs in their diets than colonies with lower PCB levels, the latter eating more fish and kittiwake. Thus, there are strong indications that variation in PCB levels can be linked to diet composition. Reproductive behaviour Impaired reproductive behaviour will have an immediate effect on reproductive output, especially in gulls where predation on eggs and chicks is very high. Under field conditions, changes in parental behaviour in individuals with high levels of contaminants have been found. Such changes may be poor motivation for incubation, poor nest defence and long chick feeding intervals (Fox et al. 1978, Peakall 1992, Bosveld & van den Berg 1994). The Glaucous Gull breeds in dense colonies. Both parents incubate the eggs and incubation shifts occur at varying intervals. Unattended eggs are always eaten by "hungry" neighbours. If one parent fails to synchronise its behaviour with its mate, it may force the mate to leave the nest unattended to feed. In addition, parents being present at the nest while not incubating have an important contribution in helping to protect the nest from predators. We will focus on parental behaviour and colony attendance in relation to individual level of PCBs and try to establish if, and at what levels PCBs start to influence parental behaviour. We focus on two behaviours: 1) Amount of time invested in incubation by each parents; 2) amount of time attending the colony while not incubating. Birds adjust their investment according to future benefits from the current brood, but this is also correlated to the past investment in the brood. Under "natural condition" a pattern of increasing incubation effort from the male, which incubate less than the females (NINA/NP unpublished data), and increased colony attendance from both parents would thus be expected (Sargant & Gross 1984, Curio 1987, Coleman & Gross 1991). Deviance from this pattern concordant with individual level of PCBs suggests that the contaminant influences reproductive behaviour. We will relate these behavioural measurements to individual levels of PCBs. Relating reproductive behaviour in individuals to their levels of PCB have never been done before in seabirds. Methods Data collection. - The field study was conducted in 1998. 25 breeding males and 30 females, marked with letter coded leg bands, and with known status of organochlorines in 1997 were selected for observations. Each nest was observed for 48 hours and the incubating bird was identified each hour. At the same time, it was noted whether the marked birds were attending the colony. Analyses. - These data represent the first study of Glaucous Gull incubation pattern, and describing this behaviour will necessarily be an important part of the analytic process. Statistical methods such as logistic regression on incubation frequencies will be applied to the data. By using various ecological covariates we will be able to test if PCBs influence the investment pattern of parents. Relationship to other Glaucous Gull projects in the Effects Program The other Glaucous Gull projects in the Effects Program have not been started and data collection is central. They deal with biochemical, genetic, and physiological effects of OCs, and how these measurments can be used as biomarkers. This project has an ecological approach, and the data collection is completed. Therefore it cannot be incorporated directly in the other projects. However, its approach is a natural extension of the other projects since it will reveal if the biochemical, physiological or immunological effects of PCBs, if any, translate into ecological effects in wild populations. Since our main project still runs in 1999, the logistics on Bjørnøya will be available for collection of data for the other projects. Project budget This project is an extension of the existing ecological project at Bjørnøya, and in 1998 NINA spent 705 000 NOK on Glaucous Gull. NFR contribute with 350 000 NOK, while the remaining money comes from NINA’s "sentermidler". Of this 400 000 NOK is spent on salaries. In addition NP has spend about 100 hours of research time in the project. Since the maximum budget has been set to 100 000,- we plan to use the all money for working hours. We estimate that about 2.5 months (375 hours) are needed to analyse and report (also publishing in scientific journals) the data that has been collected.    Literature cited Ankley, G. T. Et al. 1993. Uptake of planar Polychlorinated biphenyls and 2,3,7,8-substituted polychlorinated dibenzenofurans and dibenzo-p-dioxins by birds nesting in the lower Fox River and Green Bay, Wisconsin, USA. Arch. Envioron. Contam. Toxicol. 24: 332-344. Bourne, W.R.P. & Bogan, J. A. 1972. Polychlorinated biphenyls in North Atlantic seabirds. mar. Pollut. Bull. 3: 171-175. Bosveld, A. T. C., and M. Van den Berg. 1994. Effects of polychlorinated biphenyls (PCBs), dibenzo-p-dioxins (PCDDs), and dibenzofurans (PCDFs) on fish-eating birds. Environ. Rev. 2: 147-66. Borgå, C. 1997.Bioaccumulation of organochlorines (OCs) in an Arctic marine food chain. Cand. Scient. Thesis. Univ. Tromsø. 108 pp. Dewailly, E. et al. 1992. Seabird egg consumption as a major source of PCB exposure for communities living along the Gulf of St.Lawrence. Chemosphere 25: 1251-1255. Coleman, R. M. & Gross, M. R. 1991. Parental investment theory: The role of past invetsment. TREE 6: 404-406. Curio, E. 1987. Animal decision-making and the ‘Concorde Fallacy’. TREE 2: 148-152. Fox, G. A., et al. 1978. Behavioral abnormalities of nesting Lake Ontarion herring gulls. J. Wild. Manage. 42: 477-483. Gabrielsen, G. W, J. U. Skaare, A. Polder, and V. Bakken. 1995. Chlorinated hydrocarbons in glaucous gulls (Larus hyperboreus) in the southern part of Svalbard. Sci. Total Environ. 160/161: 337-46. Gestel, C. A. M. van, Brummelen, T. C., van. 1996. Incorporation of the biomarker concept in ecotoxicology calls for a redefinition of the terms. Ecotoxicology 5: 217-225. Hoffman, D. J., Clifford, P. R, and Kubiak, T. J. 1996. PCBs and Dioxins in birds. Pp 165-207. In Environmental contaminants in wildlife. Interpreting tissue concentrations. W. N. Beyer, G. H. Heinz, and A. W. Redmon-Norwood (eds.), p.1-47. Boca Raton: CRC Press. Herbert, C. E., Schutt, J. L. & Norstrom, R. J. 1997. Dietary changes cause temporal fluctuations in polychlorinated biphenyl levels in herring gull eggs from Lake Ontario. Environ. Sci. Tech. 31: 1012-1017. Mazak, E. J., MacIsaac, H. J., Servos, M. R. Hesslein, R. 1997. Influence of feeding habits on organochlorine contaminant accumulation in waterfowl on the Great Lakes. Ecological Applications 7: 1133-1143. Moriarty, F. Ecotoxicology. The Study of Pollutants in Ecosystems. Second edition. New York, Academic Press. Murk, A. J. Et al. 1996. Effects of ployhalogenated aromatic hydrocarbons and related contaminants on common tern reproduction: integration of biological, biochemical, and chemical data. Arch. Envioron. Contam. Toxicol. 31: 128-140. Peakall, D. B. 1992. Animal biomarkers as pollution indicators. Chapman Hall. Savinaova, T., Polder, A, Gabrielsen, G. W., & Skaare, J. U. 1995. Chlorinated hydrocarbons in seabird from the Barents Sea area. Sci. Total. Environ. 160: 497-504. Sagerup, K. 1998. Associations between organochlorines (Ocs), parasites and throphic feeding position in Glaucous Gull (Larus hyperboreus) from bear island. Cand. Scient. Thesis. University of Tromsø. 41 pages. Sargent, R. C. & Gross, M. R. 1985. Parental investment decision rules and the Concorde fallacy. Behav. Ecol. Sociobiol. 17: 43-45. Zimmerman, G. et al. 1997. Congener-specific bioaccumulation of PCBs in different water bird species. Chemosphere 34: 1379-1388.