Thousands of organic micropollutants and their transformation products occur in water. Although often present at low concentrations, individual compounds contribute to mixture effects. Cell-based bioassays that target health-relevant biological endpoints may therefore complement chemical analysis for water quality assessment. The objective of this study was to evaluate cell-based bioassays for their suitability to benchmark water quality and to assess efficacy of water treatment processes. The selected bioassays cover relevant steps in the toxicity pathways including induction of xenobiotic metabolism, specific and reactive modes of toxic action, activation of adaptive stress response pathways and system responses. Twenty laboratories applied 103 unique in vitro bioassays to a common set of 10 water samples collected in Australia, including wastewater treatment plant effluent, two types of recycled water (reverse osmosis and ozonation/activated carbon filtration), stormwater, surface water, and drinking water. Sixty-five bioassays (63%) showed positive results in at least one sample, typically in wastewater treatment plant effluent, and only five (5%) were positive in the control (ultrapure water). Each water type had a characteristic bioanalytical profile with particular groups of toxicity pathways either consistently responsive or not responsive across test systems. The most responsive health-relevant endpoints were related to xenobiotic metabolism (pregnane X and aryl hydrocarbon receptors), hormone-mediated modes of action (mainly related to the estrogen, glucocorticoid, and antiandrogen activities), reactive modes of action (genotoxicity) and adaptive stress response pathway (oxidative stress response). This study has demonstrated that selected cell-based bioassays are suitable to benchmark water quality and it is recommended to use a purpose-tailored panel of bioassays for routine monitoring.

Chemical regulation is challenged by the large number of chemicals requiring assessment for potential human health and environmental impacts. Current approaches are too resource intensive in terms of time, money and animal use to evaluate all chemicals under development or already on the market. The need for timely and robust decision making demands that regulatory toxicity testing becomes more cost-effective and efficient. One way to realize this goal is by being more strategic in directing testing resources; focusing on chemicals of highest concern, limiting testing to the most probable hazards, or targeting the most vulnerable species. Hypothesis driven Integrated Approaches to Testing and Assessment (IATA) have been proposed as practical solutions to such strategic testing. In parallel, the development of the Adverse Outcome Pathway (AOP) framework, which provides information on the causal links between a molecular initiating event (MIE), intermediate key events (KEs) and an adverse outcome (AO) of regulatory concern, offers the biological context to facilitate development of IATA for regulatory decision making. This manuscript summarizes discussions at the Workshop entitled “Advancing AOPs for Integrated Toxicology and Regulatory Applications” with particular focus on the role AOPs play in informing the development of IATA for different regulatory purposes.

The OECD validation study of the zebrafish embryo acute toxicity test (ZFET) for acute aquatic toxicity testing evaluated the ZFET reproducibility by testing 20 chemicals at 5 different concentrations in 3 independent runs in at least 3 laboratories. Stock solutions and test concentrations were analytically confirmed for 11 chemicals. Newly fertilised zebrafish eggs (20/concentration and control) were exposed for 96 h to chemicals. Four apical endpoints were recorded daily as indicators of acute lethality: coagulation of the embryo, lack of somite formation, non-detachment of the tail bud from the yolk sac and lack of heartbeat. Results (LC50 values for 48/96 h exposure) show that the ZFET is a robust method with a good intra- and inter-laboratory reproducibility (CV < 30%) for most chemicals and laboratories. The reproducibility was lower (CV > 30%) for some very toxic or volatile chemicals, and chemicals tested close to their limit of solubility. The ZFET is now available as OECD Test Guideline 236. Considering the high predictive capacity of the ZFET demonstrated by Belanger et al. (2013) in their retrospective analysis of acute fish toxicity and fish embryo acute toxicity data, the ZFET is ready to be considered for acute fish toxicity for regulatory purposes.

Abstract Prymnesins produced by an algal bloom of Prymnesium parvum led to the death of several hundred tons of freshwater fish in the Oder River in summer 2022. We investigated effects on aquatic life and human cell lines from exposure to extracts of contaminated water collected during the fish kill. We detected B-type prymnesins and >120 organic micropollutants. The micropollutants occurred at concentrations that would cause the predicted mixture risk quotient for aquatic life to exceed the acceptable threshold. Extracts of water and filters (biomass and particulates) induced moderate effects in vivo in algae, daphnids and zebrafish embryos but caused high effects in a human neuronal cell line indicating the presence of neurotoxicants. Mixture toxicity modelling demonstrated that the in vitro neurotoxic effects were mainly caused by the detected B-type prymnesins with minor contributions by organic micropollutants. Complex interactions between natural and anthropogenic toxicants may underestimate threats to aquatic ecosystems.

Per- and polyfluoroalkyl Substances (PFAS) are synthetic chemicals widely detected in humans and the environment. Exposure to perfluorooctanesulfonic acid (PFOS) or perfluorohexanesulfonic acid (PFHxS) was previously shown to cause dark-phase hyperactivity in larval zebrafish.

Internal concentrations (ICs) are crucial for linking exposure to effects in the development of New Approach Methodologies. ICs of chemicals in aquatic organisms are primarily driven by hydrophobicity and modulated by biotransformation and efflux. Comparing the predicted baseline to observed toxicity enables the estimation of effect specificity, but biological processes can lead to overestimating ICs and bias the specificity assessment. To evaluate the prediction of a mass balance model (MBM) and the impact of biotransformation on ICs, experimental ICs of 63 chemicals in zebrafish embryos were compared to predictions with physicochemical properties as input parameters. Experimental ICs of 79% (50 of 63) of the chemicals deviated less than 10-fold from predictions, and the remaining 13 deviated up to a factor of 90. Using experimental ICs changed the classification for 19 chemicals, with ICs 5 to 90 times lower than predicted, showing the bias of specificity classification. Uptake kinetics of pirinixic acid, genistein, dexamethasone, ethoprophos, atorvastatin, and niflumic acid were studied over a 96 h exposure period, and transformation products (TPs) were elucidated using suspect- and nontarget screening with UPLC-HRMS. 35 TPs (5 to 8 TPs per compound) were tentatively identified and semiquantified based on peak areas, suggesting that biotransformation may partly account for the overpredictions of ICs.