Ekotoxikologie. Univerzita Karlova v Praze. Katedra analytické chemie. Přírodovědecká fakulta. RNDr. R. Čabala, Dr. ZS

Transkript

1 Ekotoxikologie Univerzita Karlova v Praze Přírodovědecká fakulta Katedra analytické chemie RNDr. R. Čabala, Dr. ZS

2 Negativní účinky chemikálií jejich vzájemné propojení nespecifické chronické na růst a na chování Účinky na vývoj jedince vývojová poškození a poruchy Chronické účinky na tkáně a orgány imunitní systém Vlivy na reprodukci - hormonálně aktivní látky (endocrine disruptors) DDT a ostatní chlorované pesticidy polychlorované bifenyly (PCB) estrogenní a androgenní účinky ZS Ekotoxikologie 2

3 Negativní účinky chemikálií a jejich vzájemné propojení překročení kompenzačních a adaptačních schopností organizmu vzájemné propojení účinků od nejnižší (molekulární) až po nejvyšší stupeň (populaci, společenství, ekosystém) současné působení látek na více úrovní - řetězec následků od nižších úrovní až po nejvyšší výpadek jedince se projeví v populaci společenství ekosystému s časovým zpožděním v rozdílné míře na různých stupních chronické účinky velmi rozmanité na všech úrovních růst, vývoj, chování, poškození orgánů a tkání, imunitní a reprodukční systém ZS Ekotoxikologie 3

4 Toxické účinky chemikálií na vodní organizmy různých biologických úrovní Úroveň Účinek Místo účinku Látka mutace, rakovina jaterní nádory (ryby) PAH Molekula inhibice enzymů cytochrom P 450 (ryby) ATP-ázy, oxidativní fosforylace organo-sn, těžké kovy blokování iontových kanálů nervové buňky (ryby, členovci) pyrethroidy, DDT cytotoxicita buněčná membrána organo-sn, těžké kovy, radikály Buňka membrány nervových buněk poruchy přenosu signálů PCDD poškození orgánů nekróza, apoptóza různé růst a vývoj metamorfóza obojživelníků, poruchy vývoje organo-sn změny chování hledání potravy, útěk před predátory organo-sn, rozpouštědla imunotoxicita snížená obranyschopnost organo-sn, těžké kovy, PCB, PCDD Organizmus neurotoxicita nervový systém pyrethroidy, karbamáty, organofosfáty fyziologické poruchy metabolizmu (hormony, enzymy) různé reprodukce hormonální systém - estrogeny (ryby, obojživelníci) - androgeny (měkýši) - rybí larvy a mladé ryby - ztenčení vaječných skořápek (ptáci) - přerušení reprodukce (vydra říční) alkylfenoly, pestizidy TBT organo-sn, těžké kovy DDE PCB Populace věkové a velikostní složení fyto- a zooplankton, ryby různé Společenství a ekosystém druhové složení a četnost výskytu společenstva planktonu a bezobratlých vymizení druhů pesticidy, těžké kovy, kyselé deště ZS Ekotoxikologie 4

5 Vzájemné propojení účinků na různých biologicko-ekologických úrovních Časová škála škodlivina okamžitě - - dny Změny chování neurologické a endokrinní symptomy, rovnováha/orientace, pohyb, motivace, schopnost učení Molekulárně-biochemické reakce meatbolická aktivita, indukce eliminačních enzymů, změny buněčných membrán, DNA-mutace hodiny - - týdny Fyziologické změny fotosyntéza, příjem potravy, trávení, spotřeba O 2, iontová regulace, vylučování Morfologické změny histologické a cytologické změny týdny - - měsíce měsíce - - roky měsíce - - desetiletí Změny v individuálním životním cyklu embryonální vývoj, rychlost růstu, reprodukce, regenerační schopnost Změny v populaci snížení počtu jedinců, změny věkového složení, změny v genetických zdrojích (genpool) Ekologické následky změny biocenózy/ekosystému v dynamice, struktuře a funkci ZS Ekotoxikologie 5

6 Nespecifické chronické účinky plíživé následky difuzní zdroje látek - zemědělství, ČOV, atmosférické depozice směsi látek, často s nízkou akutní toxicitou látky s narkotickými účinky - rozpouštědla, tenzidy, kovy reverzibilní účinky - možnosti kompenzace (mimo ranná vývojová stadia) Vlivy na růst neoptimální životní podmínky a chronické zatížení organizmu - stresová reakce zpomalení růstu - obecná nespecifická reakce příčiny - změny fyziologických procesů experimentální sledování rychlosti růstu "Scope for Growth" - rozdíl mezi přijatou a vydanou energií metabolické poměry pokles omezení růstu až ztráta reprodukční schopnosti pokles výskytu organizmu další faktory - potravní kompetice, vztahy kořisti a lovce, teplota, množství a kvalita potravy ZS Ekotoxikologie 6

7 Vlivy na chování změny přirozeného chování mohou vést ke snížení pravděpodobnosti přežití organizmu úspěšnost lovu u dravců zhoršení obranných reakcí u kořisti chronické účinky neurotoxických pesticidů - velmi různorodé snaha opustit kontaminovaný prostor (někdy naopak - atrakce) změny orientačních schopností a pohybu změny v plavání a příjmu potravy studenokrevné organizmy - ovlivnění termoregulace metabolizmu hledání a příjmu potravy vyhýbání se predátorům ZS Ekotoxikologie 7

8 Účinky chemikálií na vývoj jedince rozdílná citlivost vývojových stadií - ranná jsou nejcitlivější ryby, obojživelníci a ryby - embrya částečně chráněna vaječnou slupkou (chorionem) - po jeho odhození vzroste citlivost larev některé látky pronikají i chorionem ovlivnění vývoje embrya posun doby líhnutí zabránění líhnutí Účinky organo-sn sloučenin na střevli potoční ZS Ekotoxikologie 8

9 Vývojová poškození a poruchy zvláště citlivá jsou embrya - velmi důležitý je okamžik, kdy dojde k expozici - postižení rozdílných orgánů a tkání vývojové deformace - relativně nespecifické (těžké kovy, chlorované uhlovodíky) často pozorované deformace kostra a zakřivení páteře, lebka srdce, oči a podkožní tkáně (0,4 µg/l TCDD, 24 h - blue sac disease) abnormální struktury střev počet končetin a prstů Čerstvě vylíhnuté larvy střevle potoční a. neexponovaná larva b. larva vystavená krátkodobě 8,6 µg/l TBT ZS Ekotoxikologie 9

10 Vývojová poškození a poruchy Další možné příčiny Parazité - např. viry, houby, červi UV-záření - zvláště citliví jsou obojživelníci úspěšnost líhnutí a přežití larev deformace zadních nohou kombinovaný účinek s chemikáliemi - PAH a oktylfenol (fotoaktivace) Retinoidy - látky strukturně příbuzné s kyselinou retinovou kyselina retinová - endogenní metabolit vitamínu A receptory k.r. (RAR) - kontrola diferenciace buněk - vývoj znaků daného organizmu a druhu pohlaví embrya - u všech obratlovců vazba retinoidů na RAR - deformace mozku, lebky, končetin, atd. Látky s aktivitou hormonů štítné žlázy hormonální systém štítné žlázy je propojen s retinolovým systémem - ovlivnění vývoje embrya ZS Ekotoxikologie 10

11 Vývojová poškození a poruchy Methopren - retinoidní insekticid - proti komářím larvám fotochemický rozklad na řadu produktů 3 produkty fotodegradace (např. trans,trans-(s)- methoprenová kyselina) - vysoce teratogenní, stejně účinná jako kyselina retinolová, 1000 toxičtější než methopren (pulci) Isoproturon - fenylmočovinový herbicid 0,1 µg/l - deformace místních mloků (Bombina sp.) FETAX - Test teratogenity 4 denní larvální test na jihoafrické žábě Xenopus laevis sleduje se vývoj jednotlivých orgánů v současnosti - prodlužování délky testu pro zahrnutí dalších vývojových vlivů ZS Ekotoxikologie 11

12 Chronické vlivy na tkáně a orgány Histopatologie - výzkum poškození buněk a orgánů, - výzkum mechanizmu působení oči, kůže, svaly, ledviny, atd. Histopatalogické účinky TBT a TPT na oči (a) a svaly (b) střevle potoční a. vpravo - po 5,1 µg/l TPT b. vpravo - po 8,6 µg/l TBT Imunitní systém - změny počtu a složení krvinek a imunitních buněk - změna odolnosti vůči infekcím u bezobratlých a obratlovců vyvolávána PCB, PCDD (TCDD), kovy (Cu u ryb), pesticidy zvýšení citlivosti na parazity a nemoci ZS Ekotoxikologie 12

13 Vlivy na imunitní systém Imunotoxicky účinkující látky na vodní organizmy Látka Organizmus Účinek Koncentrace, čas Tributylcín ústřice pstruh duhový redukce fagocytózy µg/l (in vitro) 0,25 mg/kg Trifenylcín pstruh duhový redukce leuko- a lymfocytů 4 µg/l, 28 dní Ni, Zn pstruh redukce sérových protilátek 1 µg/l, 38 týdnů Cu pstruh duhový zvýšená náchylnost k infekcím 2-5 µg/l, 9 dní Endrin pstruh duhový redukce sérových protilátek 0,15 µg/l, 30 dní Malathion ryby redukce lymfocytů 4,5 mg/l, 96 hod PCB pstruh duhový zvýšená nemocnost 0,4-0,6 µg/l, 90 dní 2,3,7,8-TCDD pstruh duhový omezené imunitní reakce 0,1-10 µg/kg PAH platýz změněné imunitní hodnoty mg/kg, 30 měsíců ZS Ekotoxikologie 13

14 Vlivy na reprodukci - hormonálně aktivní látky Ovlivnění reprodukce - veliký ekotoxikologický dopad - změny populace - celkové přežití druhu Endokrinní systém - vysoce komplexní s jemnou regulací a množstvím zpětných vazeb Dosud známo asi 70 látek s vlivem na endokrinní systém - endocrine disruptors - exogenní látky, které změnami neurohormonálních funkcí ruší rovnováhu organizmu - druhově a látkově vysoce specifické účinky na organizmy rozdílné dle vývojového stupně organizmu na ranná vývojová stadia - poruchy embryonálního vývoje na dospělé jedince - inhibice či napodobování funkce hormonů poruchy vývoje a vlastností vajíček a spermií poruchy určení pohlaví změny rozmnožovacího chování a péče o potomstvo pokles plodnosti (fertility) přeměny pohlaví ZS Ekotoxikologie 14

15 Poruchy embryonálního vývoje Poruchy v určení pohlaví - ve velmi ranném stupni vývoje plodu Primární určení pohlaví - genetika Savci - ranná embrya všechna samičí - v určitém stupni vývoje dojde vlivem chromozomu Y u samců k produkci testosteronu a k vývoji samčích pohlavních orgánů - velmi jemná regulace - náchylná na rušení Ptáci - ranná vývojová stadia všechna samčí - v určitém stupni vývoje dochází vlivem chromozomu ZW u samiček (samci ZZ) k produkci estradiolu a k vývoji samičích znaků - estradiol je produkován z testosteronu P450 závislou aromatázou (CYP19) - inhibice aromatázy brání vývoji samiček Ryby - obdobná hormonální regulace Obojživelníci - kromě genetiky ještě další vnější faktory - teplota ZS Ekotoxikologie 15

16 Poruchy u dospělých organizmů Možné účinky chemikálií na neuroendokrinní systém: rušení biosyntézy, odbourávání a rovnováhy pohlavních hormonů inhibice (antagonisté) či imitace struktury hormonů (aktivace, agonisté) vazbou na jejich receptory rušení rozmnožování a rozmnožovacího chování výchova a chování k potomstvu Působení steroidních hormonů - částečně reverzibilní Vliv hormonálně aktivních látek na neuroendokrinní systém přímé vlivy - vazba na estrogenní či androgenní receptory o,p -DDT, methoxychlor, kepon - estrogenní receptory 4-nonylfenol, neionogení tenzidy a jejich produkty odbourávání - blokování aromatázy - omezení produkce estradiolu nepřímé vlivy - působením na jinou část endokrinního systému řídící systém hypotalamus-hypofýza-gonády ZS Ekotoxikologie 16

17 DDT a ostatní chlorované pesticidy Ptáci objev chronických účinků DDT - po 20 letech jeho používání postižení ptáků na špičce potravního řetězce a ptáků živících se převážně rybami Účinky orel bělohlavý, orel mořský, pelikán hnědý, racci a kormoráni redukce populací až o 80% - velká druhová specificita účinků redukce tloušťky vaječné skořápky - korelace s obsahem DDE (obr.) embryonální toxicita podobné účinky: aldrin, dieldrin, heptachlor, toxafen Vodní organizmy vysoká toxicita - zvl. bezobratlí Ryby poruchy vývoje a reprodukce, neurotoxické reakce, < 3 g/l LC 50 (DDT) = 1,5-56 g/l, o,p -DDT - navíc estrogenní účinky ZS Ekotoxikologie 17

18 Odbourávání DDT H - H + O DDT - H DDE + O O OH + H 2 O OH H - + H DDD H DDMU + O O H H DDA H O H HO H O ZS Ekotoxikologie 18

19 DDT a ostatní chlorované pesticidy Estrogenní účinky DDT a dalších chlorovaných látek (PCB, PCDD, aldrin, parathion, 2,4-D, 2,4,5-T, simazin) změny tkání pohlavních žláz - u dospělých jedinců i u embryí racci - tvorba buněk, vyskytujících se normálně pouze ve vaječnícícch, ve varlatech (ovotestis) zvýšená embryonální mortalita změny chování a vývojové vady kormoráni - zkřivené zobáky, deformované nohy a oči, poškození mozku zmenšení velikosti pohlavních orgánů a feminizace aligátoři - jezero Apopka (USA), 1980, zmenšení populace o 50% po havárii chemičky Reálné koncentrace ve tkáních ptáků živících se rybami dosahují efektivních koncentrací (EC 50 až LC 100 ) Mortalita embryí kormoránů v koloniích Great Lakes (USA) v závislosti na koncentraci chlorovaných organických látek (TEQ) ZS Ekotoxikologie 19

20 DDT a ostatní chlorované pesticidy Mechanismy účinku DDT DDE nervový jed vysoká afinita k fosfolipidové vrstvě membrány nervových buněk, kde se hromadí a blokuje Na + -kanály - brání navrácení potenciálu membrány do klidového stavu estrogenní účinky o,p -DDT (20% technického DDT) - vazba na estrogenní receptor - biologicky nejúčinnější p,p -DDT - silný antagonista androgenních receptorů (anti-androgen) vlivy na štítnou žlázu zvětšování štítné žlázy - nárůst produkce thyroxinu (regulátor oxidativního metabolizmu) - vzrůst intenzity metabolizmu blokuje Ca 2+ -ATPázu - omezení přísunu Ca 2+ pro tvorbu vaječné skořápky - rušení kalcifikace ZS Ekotoxikologie 20

21 Ekotoxikologické testy cíleně nezkoumají účinky DDT - jen u několika pesticidů zkoumány účinky na reprodukci prováděné na kuřatech kura domácího a bažantech oba druhy na DDT necitlivé Evropa, USA, Kanada a Japonsko - DDT zakázáno Rozvojové země Asie a Afriky (asi 20 zemí) - výjimka ze zákazu používání - DDT používáno v boji s malárií (komár rodu Anopheles) ZS Ekotoxikologie 21

22 Polychlorované bifenyly (PCB) Kongenery PCB - technické směsi rozdílné chování, ukládání a metabolizmus bioakumulativní - nejvyšší koncentrace na špičce potravního řetězce, roste i s věkem jedince nebezpečné výšehalogenované a koplanární kongenery - vazba na Ah-receptory jako PCDD/PCDF méně halogenované jsou metabolizovány Toxicita Člověk a savci Akutní - malá, > 1g/kg, LD g/kg (potkan), 1-3 g/kg (králík) pro techn.směs PCB Závislost na prostorové konfiguraci (LD 50, morče) 3,3,4,4,5,5 -hexachlorbifenyl - 0,5 g/kg 2,2,4,4,6,6 -hexachlorbifenyl - 64 g/kg ZS Ekotoxikologie 22

23 Polychlorované bifenyly (PCB) Akutní toxicita Závislost na prostorové konfiguraci koplanární PCB - srovnatelná toxicita s PCDD/F vazba na Ah-receptor indukce monoxygenázy závislé na cytochromu P 450 (CYP1A) Vyjádření toxicity v TEQ vzhledem k 2,3,7,8-TCDD Sloučenina TEQ 2,3,7,8-TCDD (Dioxin) 1 Ne-orto PCB koplanární 3,3,4,4 -tetrachlorbifenyl (PCB 77) 0,01 3,3,4,4,5-pentachlorbifenyl (PCB 126) 0,1 3,3,4,4,5,5 -hexachlorbifenyl (PCB 169) 0,05 Mono-orto PCB - atom v pozici 2 0,001 Di-orto PCB - 2 atomy v pozici 2 0,00002 ZS Ekotoxikologie 23

24 Polychlorované bifenyly (PCB) Chronická toxicita NOEL 0,25-5 mg/kg (potkan, opice) poškození jater, imunity, nervový systém, promotory rakoviny snížení hladiny hormonů štítné žlázy (člověk) nejcitlivější marker - indukce monoxygenázy závislé na cytochromu P 450 (CYP1A), NOEL 0,25 mg/kg Ekotoxikologické účinky Akutní toxicita velmi toxické - pro řasy (LC µg/l), bezobratlé a ryby (velké druhové rozdíly) významná biomagnifikace: BCF (ryby) nejtoxičtější koplanární nejsou akumulovány přednostně Chronická toxicita vysoká - zvl. jednobuněčné org. - řasy, zooplankton + mlži a ryby (LC 50 jednotky µg/l) ZS Ekotoxikologie 24

25 Polychlorované bifenyly (PCB) Ekotoxikologické účinky - chronická toxicita Účinky poškození jater, kůže, CNS, imunitního systému rozmnožování změny v rovnováze pohlavních hormonů a hormonů štítné žlázy endokrinní efekty hlavně hydroxylované PCB - estrogenní aktivita některé kongenery - antiandrogenní a antiestrogenní aktivita snížení porodní hmotnosti, a přežívání mláďat, pokles počtu spermatocytů ve varlatech náznaky synergického působení kongenerů Populace vydry říční (Lutra lutra) - příklad vlivu na celou populaci ve střední Evropě prakticky vyhubena, žije pouze na okrajích Evropy prokázána korelace výskytu s koncentrací PCB v rybách a tuku vyder nad 50 µg/kg PCB v rybách - úplné potlačení reprodukce některé další škodliviny, jako organo-hg látky, zesilují účinky PCB ZS Ekotoxikologie 25

26 Vliv androgenních látek - Maskulinizace Vodní šneci zhroucení populací některých druhů v pobřežních oblastech více než 100 druhů - výrazná maskulinizace - působení organo-sn (TBT, TPT) - již od koncentrací ng/l - od r zcela zakázány maskulinizace samiček - vývoj samčích pohlavních orgánů - sterilita (Imposex) posun rovnováhy samečci/samičky - snížení reprodukční výkonnosti populace až vymizení druhu Mechanizmus působení: inhibice aromatázy CYP19 produkující estradiol z testosteronu - kumulace testosteronu Ryby a savci TBT a TPT - vlivy na systém pohlavních hormonů - zvýšení transkripce genů zprostředkované androgenními receptory Potkani v II. generaci po podávání 125 mg/kg TBT - redukce velikosti varlat, počtu spermatidů a spermií Platýz - 1 g/l TBT - genotypové samičky se stávají fenotypovými samečky (31%) ZS Ekotoxikologie 26

27 Vliv androgenních látek - Maskulinizace Hormonální aktivita odpadních vod - vlivy na ryby odpadní vody celulózek a papíren - snížení počtu vajíček, zpoždění doby reprodukce, zpomalený vývoj varlat, redukce testosteronu v krvi, posun rovnováhy samičky/samečci ve prospěch samečků příčiny - přírodní fytoestrogeny ( -sistosterol, stigmostanol) a fytosteroly splachy zemědělské půdy (hlavně USA) - syntetické pohlavní hormony (anabolika: trebolonacetát, - trebolon) používané ke zrychlení růstu dobytka + přírodní hormony produkované dobytkem komunální odpadní vody - stopy mužských pohlavních hormonů mg/l jednotek dihydrotestosteronu (Anglie) ZS Ekotoxikologie 27