Selective serotonin re-uptake inhibitors (SSRIs) are a class of anxiolytic and anti-depressant drugs. SSRIs act on the evolutionarily ancient serotonergic system which is virtually identical throughout the vertebrate phylum. Serotonin is involved in a wide range of processes ranging from neuronal and craniofacial embryonic development to regulation of behaviour. However, SSRIs are also emerging pollutants, mainly entering the environment via sewage treatment plants. Since the serotonergic system is virtually identical in humans and other animals, exposed animals will be affected in similar ways as humans and suspicions are rising that ecologically important behaviours may be affected in subtle ways. Using the three-spined stickleback (Gasterosteus aculeatus) and zebrafish (Danio rerio) as model organisms, this thesis focuses on the behavioural effects of SSRIs in fish. The SSRI used throughout this thesis is citalopram, which has been found in fish in coastal areas of the Baltic Sea and other parts of the world.

Effects on behaviour were investigated using several different tests measuring stress response, feeding behaviour, aggression and locomotor activity. Anxiolytic effects of 0.1 μg/l, 1.5 μg/l 15 μg/l were investigated as well as effects of 0.15 μg/l and 1.5 μg/l on feeding behaviour. Because serotonin is involved in the development of the nervous system, the effects of developmental exposure to 1.5 μg/l was studied after 100 days of remediation. Finally, because SSRIs rarely occur alone in natural waters, the effects on zebrafish of citalopram in a cocktail scenario, with the anxiogenic compound 17α-ethinyl estradiol (EE₂ ) was also investigated. Citalopram was found to have anxiolytic effects on the three-spined stickleback at 0.1 μg/l, 1.5 μg/l and 15 μg/l.

Citalopram also suppressed feeding behaviour within a week of exposure and at concentrations as low as 0.15 μg/l. Developmental exposure to 1.5 μg/l for 30 days was found to increase aggression and feeding behaviour and to reduce locomotor activity. The changes were persistent and remained in adult fish. In the cocktail scenario, citalopram in single-substance exposure had anxiolytic effects on one parameter in the novel tank test at 0.1 μg/l. Citalopram enhanced the anxiogenic effects of EE₂ in the novel tank test, but in the scototaxis test citalopram appeared to counteract the effects of EE₂. It is concluded that citalopram has the potential to affect behaviour in fish at concentrations that have been found in close proximity of sewage treatment plants.

Det serotonerga systemet är i stort sett identiskt hos människor och övriga vertebrater. Serotonin är inblandat i ett stort antal kroppsliga funktioner, bland annat stressreaktioner, reglering av födobeteende och aggression. Vidare är serotonin med och reglerar nervsystemets tillväxt under embryonalutvecklingen. Selektiva serotoninåterupptagshämmare (SSRI) är en grupp antidepressiva och lugnande läkemedel vars användning har ökat snabbt på senare år då de är effektiva och har få allvarliga bieffekter. SSRI verkar på det serotonerga systemet, genom att blockera återupptaget av serotonin i den presynaptiska nervänden. SSRI har tilldragit sig en viss uppmärksamhet som potentiella miljöhot då de visats kunna påverka ekologiskt relevanta beteenden hos fisk och andra akvatiska organismer vid relativt låga koncentrationer i miljön samtidigt som de bryts ned dåligt i avloppsreningsverk. Avhandlingen fokuserar på ekologiskt relevanta beteendeeffekter av SSRI på fisk, med storspigg (Gasterosteus aculeatus) och zebrafisk (Danio rerio) som modellorganismer. Citalopram har använts som försökssubstans då det anses vara den SSRI som har minst antal sidoeffekter på till exempel det dopaminerga systemet. Citalopram förekommer i utloppsvatten från reningsverk i alla industrialiserade länder och har även hittats i abborre i Östersjön.

Effekter av exponering för SSRI har påvisats med hjälp av olika beteendetest. Skototaxi-test och novel tank diving test mäter stressresponsen genom att kvantifiera preferensen för närhet till botten och mörka omgivningar. Ätbeteende har mätts som antal utfall mot en matbit under en given tidsperiod och aggression har mätts genom att räkna antal bett mot en spegel. Anxiolytiska effekter undersöktes vid koncentrationer på 0,1 µg/l, 15 µg/l och 1,5 µg/l. Effekter på ätbeteende undersöktes vid 0,15 µg/l och 1,5 µg/l. Eftersom serotonin är inblandat i embryonalutvecklingen testades de beteendemässiga effekterna av exponering för 1,5 µg/l under utvecklingen. Då citalopram sällan förekommer ensamt i miljön testades ett cocktailscenario där zebrafisk samtidigt exponerades för citalopram och den anxiogena substansen 17α-etinylestradiol (EE₂).

Citalopram befanns ha anxiolytisk verkan på storspigg samt undertrycka ätbeteendet. Effekter på ätbeteendet uppstod inom en vecka efter exponering och vid den minsta testade dosen vilken var 0,15 µg/l. Storspigg som exponerats under embryonalutvecklingen var mer aggressiva, hade lägre lokomotoraktivitetoch gjorde fler utfall mot mat då de testades 100 dagar efter att exponeringen avslutats. Samtidigt exponering för citalopram och den anxiogena substansen 17α-etinylestradiol (EE₂) gav tvetydiga resultat. Citalopram ensamt hade ingen signifikant påverkan på beteendet i detta försök. I skototaxitestet motverkade citalopram den anxiogena effekten av EE₂ medan det förstärkte den anxiogena effekten i novel tank. Sammanfattningsvis har citalopram effekter på ekologiskt relevanta beteenden hos fisk i koncentrationer som förekommer i ytvatten. Det har också permanenta effekter på beteende om exponeringen sker under embryonalutvecklingen. Dessa resultat gör det sannolikt att citalopram och andra SSRI har ekologiska effekter i påverkade vattendrag.

Aquatic environments are the end recipient for most anthropogenic chemical pollutants. One common chemical pollutant found in the aquatic environment is 17α-ethinylestradiol (EE₂), a synthetic estrogen used in contraceptive pills. EE₂ is found in sewage treatment plant effluents and surface waters in concentrations from non-detectable up to 300 ng/L. EE₂ has the ability to bioaccumulate and is more than 10 fold more potent in fish than the natural counterpart estradiol. Exposure has led to skewed sex ratios, decreased egg and sperm production, and altered reproductive behavior.  The aim of this thesis was to investigate the effects of EE₂ exposure on non-reproductive behavior and fertility in fish. We found that zebra fish exposed to low concentrations of EE₂ during development showed increased anxiety-like behavior and decreased fertility that were persistent in adulthood, even after a long remediation period in clean water. The altered behavior and lowered fertility were accompanied by alterations in the testis and brain transcriptome of possible significance for the behavior and fertility effects. The zebrafish was also used in adult exposures of EE₂ and citalopram, alone and in combination to investigate if behavioral effects can be detected at very low concentrations, and if so, if the two compounds would interact and affect the behavioral outcome. Anxiety-like behavior was altered by EE₂ and the two compounds in combination affected the outcome of each other. Further, when developmental exposure of progeny to wild caught three spined stickleback was used as a link between laboratory fish and natural fish populations, EE₂ was found to decrease the anxiety-like behavior in the adult stickleback as well as cause ovotestis and intersex, feminization and sex reversal of genetic males. In conclusion, fertility and non-reproductive behaviors in the zebrafish and three spined stickleback are sensitive to EE₂ exposure and effects from developmental exposures seem to be persistent.  Fertility and behavior are of high ecological significance for fish and alterations due to EE₂ exposure might have negative effects on population fitness. The persistent alterations in the transcriptome of the zebrafish testis and brain lead to generation of hypotheses of mechanisms involved in the behavior and reproductive phenotypes caused by developmental exposure to EE₂.

Den akvatiska miljön är ofta särskilt utsatt för miljöföroreningar då de flesta ämnen förr eller senare sprids dit genom bland annat markavrinning, nedfall från luften och/eller från vattenreningsverk. Syntetiskt östrogen som används i p-piller, 17α-etinylestradiol (EE₂), sprider sig ofta till vattenmiljön från avloppsvatten, då det bara delvis renas bort i vattenreningsprocessen. EE₂ är ett hormonstörande ämne med förmågan att ansamlas i organismer och mer än tio gånger så verksamt i fisk som det naturliga hormonet estradiol (E₂). Man har tidigare sett att exponering för EE₂ även i de låga halter som påvisas vid vattenreningsverk bland annat har lett till minskade produktion av ägg och spermier samt förändrade parningsbeteenden.

I denna avhandling undersöks effekterna av EE₂ på fiskars icke-reproduktiva beteende och fertilitet. Dessa faktorer är av hög ekologisk relevans för fisk då förändringar på dessa kan ge negativa effekter på populationsnivå. Resultaten visar att zebrafisk som exponeras för låga halter av EE₂ under utvecklingen uppvisar ett mer ängsligt beteende och har lägre fertilitet när de blir vuxna även efter en lång återhämtningsperiod i rent vatten. Det förändrade beteendet uppvisas även hos avkomman till dessa fiskar.  Förändringarna i beteende och fertilitet åtföljdes av förändringar i hjärnans och testikelvävnadens transkriptom, dvs. förändringar i vilka gener som uttrycks. I zebrafiskens testikelvävnad hittades bland annat en skillnad i uttryck av gener kopplade till könsdifferentiering och utveckling samt spermatogenesen, gener som kan ha betydelse för den nedsatta fertiliteten. I zebrafiskens hjärna hittades ingen skillnad i uttryck på gener direkt kopplade till stressaxeln men däremot på flera andra gener i nätverk som indirekt kan kopplas till det ängsliga beteendet som dygnsrytm och kolesterolsyntes. I naturen exponeras organismer ofta för en blandning av föroreningar. Därför undersöktes också effekter av EE₂ i kombination med citalopram, ett antidepressivt läkemedel som ofta påvisas i vattenmiljön, för att undersöka om förändringar i beteende kan påvisas även vid väldigt låga koncentrationer av varje ämne och, om så är fallet, vilka effekter en kombination av de två ämnena ger. Vuxna zebrafiskar uppvisade beteendeförändringar även vid dessa låga koncentrationer efter två veckors exponering och de två ämnena påverkade beteendet olika var för sig och i kombination. Vidare, användes vildfångad storspigg i ett exponeringsexperiment för att undersöka om resultaten från zebrafisken, som är en avlad laboratoriefisk, kan ses också i vilda fiskpopulationer. Även storspiggar som exponerades för EE₂ under utveckling fick ett modifierat beteende samt en skev könsfördelning som vuxna: fler honor fanns hos de storspiggar som exponerats och vidare undersökningar visade att dessa var genetiska hanar som utvecklats som honor.

Den här avhandlingen visar beständiga förändringar i zebrafiskens transkriptom i hjärna och testikelvävnad efter exponering för EE₂ i låga halter under utveckling. Både icke-reproduktiva beteenden och fertilitet visade sig känsliga för EE₂ i såväl zebrafisk som storspigg och effekterna verkar vara permanenta. Sammanfattningsvis har EE₂ effekter på ekologiskt relevanta faktorer hos fisk i de halter som förekommer i vattenmiljön och hormonstörande föroreningar som EE₂ kan ge långvariga effekter som syns senare i livet även vid låga koncentrationer.