Ekotoxikologie. Univerzita Karlova v Praze. Katedra analytické chemie. Přírodovědecká fakulta. R. Čabala ZS 2015

Transkript

1 Ekotoxikologie Univerzita Karlova v Praze Přírodovědecká fakulta Katedra analytické chemie R. Čabala ZS 2015

2 3. Obecné principy ekotoxikologie Toxicita látek druhy působení chemikálií působení látek na různé biologické úrovně vztahy mezi dávkou a účinkem Receptorová teorie Akutní účinky vypovídací hodnota hodnot LD50 Mezidruhové rozdíly Chronická toxicita Přenos na ekosystém ZS 2013 Ekotoxikologie 2

3 Toxicita látek Toxicita = toxický účinek, toxická reakce výskyt negativních následků působení chemikálie na organismus a organismu na chemikálii průběh: celá řada komplexních pochodů - adsorpce, transport, distribuce, metabolismus, exkrece míra: od přechodných následků až po smrt Ekotoxicita chemikálie závislá na dávce a době působení druhově závislá není pevnou vlastností látky (biologickou konstantou) ovlivnitelná abiotickými a biotickými vlastnostmi ekosystému neexistuje nejcitlivější organismus Ekotoxikologie oproti humánní toxikologii - navíc i působení na populace, společenstva a celé ekosystémy ZS 2013 Ekotoxikologie 3

4 Toxicita látek Paracelsus ( ) - "Všechny látky jsou jed a nic než jed; pouze dávka rozhoduje, že látka není jedem." Toxicita = (koncentrace v místě účinku) (doba působení) Koncentrace v místě působení závisí na: celkovém přijatém množství způsobu příjmu biotransfromaci vylučování Toxikokinetika - popisuje druh a rychlost příjmu látky rozdělení uvnitř organismu přeměny (metabolismus) vylučování Toxikodynamika - popisuje vzájemné interakce látky s molekulárními strukturami buňky a organismu ZS 2013 Ekotoxikologie 4

5 Toxicita látek Parametry ovlivňující ekotoxický účinek látek fyzikálně-chemické vlastnosti látky biologická dostupnost látky koncentrace látky v místě působení délka a četnost expozice akutní, chronická cesta expozice z prostředí, z potravy biologické faktory adaptace, věk, potrava transformace látky v ŽP odbourávání, bioaktivace, fotoaktivace stav ekosystému pufrační kapacita, roční a denní doba Účinek Prostředí ZS 2013 Ekotoxikologie 5

6 Druhy působení chemikálií Kategorie Rozdíly Druh působení přímé nepřímé reverzibilní ireverzibilní Doba a množství akutní chronické Intenzita letální subletální, chronická Místo přímého působení lokální systemické Mechanismus selektivní nespecifické, narkotické Společenství & Ekosystém struktura funkce Přímé působení je zaměřeno na životní funkce organismu studováno v laboratoři Nepřímé působení - převážně u společenstev a ekosystémů vzniká sekundárně - vzájemné ekologické vztahy a vazby, charakteristiky ekosystému studováno v reálných či v modelových ekosystémech ZS 2013 Ekotoxikologie 6

7 Druhy působení chemikálií Přímé účinky přímé působení na různé biologické úrovně Nepřímé účinky vzájemné ekologické působení organismů Molekula Buňka Řasy Ryby Draví bezobratlí Organizmus Zooplankton Herbivorní bezobratlí Makrofyty Populace Mikroorganizmy Detrivorní bezobratlí Společenství, ekosystém ZS 2013 Ekotoxikologie 7

8 Ekotoxikologie Ekosystém Působení na různé biologické úrovně studuje účinky chemikálií na různých biologických úrovních od molekuly až po celý ekosystém obrovská biologická diverzita obrovská diverzita v účincích Biologické úrovně se z hlediska účinků chemikálií liší v: časové následnosti citlivosti složitosti Těsné propojení jednotlivých úrovní účinek na populaci je ve vztahu k účinku na molekulární úrovni efekty na úrovni ekosystému vyplývají z poruch na nižších úrovních Jedním ze základních a nejdůležitějších principů ekotoxikologie je zesítění a propojení účinků na různých úrovních biologické hierarchie. ZS 2013 Ekotoxikologie 8

9 Vztahy mezi dávkou a účinkem Kvantitativní popis účinku chemikálie křivka závislosti rozsahu účinku na koncentraci/dávce EC koncentrace způsobující 50%ní efekt NOEL... no observed effect level, LOEL... lowest observed effect level ZS 2013 Ekotoxikologie 9

10 Vztahy mezi dávkou a účinkem Rozlišení látek dle průběhu křivky: esenciální škodlivý účinek jak při nedostatku tak i nadbytku homeostatický interval koncentrace výživné l., vitamíny, minerálie neesenciální prahová hodnota dávky s rostoucí dávkou klesá reversibilita odezvy až po letalitu typické škodliviny v ŽP ZS 2013 Ekotoxikologie 10

11 Vztahy mezi dávkou a účinkem Odezvy populace Gaussovo rozdělení citlivosti - odezev Kumulativní vyjádření typická sigmoidní křivka inflexní bod - 50% efekt akutní - LD 50 chronické - EC 50 Log-probit vyjádření lineární forma směrnice - citlivost ZS 2013 Ekotoxikologie 11

12 Účinek (%) Účinek (%) Vztahy mezi dávkou a účinkem A. Látky s rozdílnou účinností rozdílné hodnoty LC 50 B. Látky se stejnou účinností a rozdílnou citlivostí stejné hodnoty LC 50 rozdílné směrnice Dávka či koncentrace a b ZS 2013 Ekotoxikologie 12

13 Trvání expozice (min) Vztahy mezi dávkou a účinkem Závislost toxicity na době expozice s rostoucí dobou expozice klesají hodnoty LD 50 LC 50 (24h) nezbytnost uvádět u všech hodnot LD 50 i dobu expozice Koncentrace s 50%ní mortalitou mg/l ZS 2013 Ekotoxikologie 13

14 Vztahy mezi dávkou a účinkem A. látka s velmi pomalým vylučováním ( ½ = 1r) B. látka s rychlostí eliminace rovnou frekvenci dávkování ( ½ = 1d) C. látka s velmi rychlou eliminací ( ½ = 5h) ZS 2013 Ekotoxikologie 14

15 Receptorová teorie Molekulární základ vztahů mezi dávkou a účinkem Vazba látky na receptor je předpokladem toxického účinku Nelze použít pro nespecifické interakce Toxický účinek je úměrný koncentraci škodliviny v místě působení Toxický účinek je výsledkem interakce látky a biologické struktury (receptoru) Koncentrace látky vázané na receptor je úměrná přijaté dávce Rozsah toxického účinku je úměrný koncentraci látky navázané na receptor Receptor Chemikálie Komplex chemikálie-receptor Efekt ZS 2013 Ekotoxikologie 15

16 Receptorové bílkoviny Iontové kanály Receptory Estrogenové Ah. Acetylcholinové Na + Receptorová teorie Agonisté Látky Estradiol, 17a-ethinylestradiol, alkylfenoly, DDT PAH, NPAH, PCB, PCDD, PCDF, azaareny acetylcholin, nikotin organochlorové pesticidy, pyrethroidy, lokální anestetika Ca 2+ Cd 2+ a ostatní M 2+ Transportéry Na + /K + -ATPasa Inhibitory glykosidy, kovy, organo-sn Enzymy Vybrané receptory s jejich agonisty popř. inhibitory Acetylcholinesteráza Receptory - převážně nespecifické bílkoviny organofosfátové insekticidy, karbamáty místem působení jsou i další struktury (DNA, lipidy) širší pojetí receptoru ZS 2013 Ekotoxikologie 16

17 Interakce na receptorech Receptorová teorie reverzibilní koncentrační jedy ireverzibilní sumační (součtové) jedy Koncentrační jedy intenzita účinku stoupá s počtem obsazených receptorů působí většinou specificky a při malých koncentracích vazebná místa receptorů - boční řetězce aminokyselin reverzibilní molekulární interakce van der Waalsovy a elektrostatické síly, H-můstky kovalentní vazby s regenerací původního stavu experimentálně měřitelné prahové hodnoty koncentrací Reverzibilní inhibice acetylcholinesterázy karbamátovým insekticidem ZS 2013 Ekotoxikologie 17

18 Receptorová teorie Sumační jedy vyvolávají ireverzibilní změny receptorů - kovalentní vazby mají aditivní účinky - účinky jednotlivých expozic se sčítají působí i při velmi nízkých koncentracích prahové hodnoty jsou problematické log-probit křivky někdy, ne však vždy, procházejí nulou nejasný průběh křivek závislosti účinku na dávce Genotoxické látky jejich působení může vést ke kancerogenitě s bioaktivací - samy neaktivní, aktivují se tvorbou reaktivních meziproduktů - vazba na DNA ( adukty) PAH bez bioaktivace - aktivní - přímo se mohou vázat na DNA alkylhalogenidy, Pt-deriváty (cis-pt) ZS 2013 Ekotoxikologie 18

19 Omezená platnost receptorové teorie Nespecificky působící látky - nelze použít receptorovou teorii nereagují s receptory interagují s většími molekulárními strukturami často buněčná membrána účinkují většinou až při vyšších koncentracích většinou lipofilní těkavá narkotická rozpouštědla silné kyseliny a báze hydrolýza fosfolipidů buněčné membrány - celkové zničení ZS 2013 Ekotoxikologie 19

20 Akutní toxicita jednorázové působení látky krátká doba působení Akutní a chronická toxicita charakterizace hodnotami LD 50 a LC 50 roste s dobou působení Organizmus Metoda, měřená veličina Čas, parametr Akutní toxicita Baktérie Inhibice bioluminiscence min, EC 50 Řasy Inhibice růstu 72 h, EC 50 Dafnie Znehybnění, mortalita 24 h, LC 50 Ryby Mortalita 96 h, LC 50 Chronická toxicita Baktérie Inhibice růstu hodiny, NOEC Řasy Inhibice růstu, inhibice fluorescence chlorofylu 72 h, NOEC Dafnie Reprodukce 21 d, NOEC Ryby Mortalita, symptomatika d, NOEC ZS 2013 Ekotoxikologie 20

21 Akutní toxicita - Vypovídací hodnota LC 50 Limity použitelnosti hodnot LC 50 /LD 50 pouze směrné hodnoty, žádné biologické konstanty nedají se metodicky přesně určit ovlivněny (a)biotickými faktory přirozený rozptyl hodnot (různé laboratoře, různá provedení) rozdílné hodnoty pro rozdílné organismy - mezidruhové rozdíly rozdílné hodnoty pro různá vývojová stadia téhož organismu nezahrnuje citlivost chronické účinky nepřímé účinky Ekotoxikologická praxe (realita) toxicita chemikálie se nedá jednoduchými testy popsat často jediná dostupná data experimentální hodnoty se liší faktorem 5-10 (jedna látka, jeden organismus) ZS 2013 Ekotoxikologie 21

22 Nehody - zřídkavé události Akutní toxicita - nehody působí krátce, přechodně vysokými koncentracemi dokazují hranice použitelnosti LC 50 /LD 50 Druhová specificita účinnosti hodnocená na základě LC 50 /LD 50 není předpověditelná - k testování se používá omezený počet vybraných druhů zástupně pro celý ekosystém jakákoliv extrapolace na jiný druh obsahuje velkou nejistotu Působení směsí - téměř neprobádaná oblast aditivní synergické (zesilující) antagonistické (zeslabující) Nepřímé efekty v LC 50 /LD 50 nejsou vůbec zohledněny v posuzování nebezpečnosti a rizik jsou neodmyslitelné lze je rozpoznat pouze ve vztahu k potravním mezidruhovým vztahům a celkovým poměrům v ekosystému ZS 2013 Ekotoxikologie 22

23 Akutní toxicita - Mezidruhové rozdíly Mezidruhové rozdíly ekotoxicity jsou charakteristickým rysem ekotoxikologie Mezidruhové rozpětí ekotoxicity závislé na druhu látky rozdíl faktorem 10 a vyšším (až do ) Příčiny mezidruhových rozdílů evoluční biologické fyziologicky-morfologické rozdíly rozdílná aktivita metabolismu (toxikokinetika) rozdílné mechanismy působení (toxikodynamika) Přísně vzato nejsou veličiny akutní toxicity mezidruhově přenositelné. ZS 2013 Ekotoxikologie 23

24 Akutní toxicita - Mezidruhové rozdíly Mezidruhové rozdíly akutní toxicity jsou látkově závislé Studie na 627 látkách na nižších vodních organismech ukázala rozdíly (f): 55 látek f > (z toho 40 pesticidů) 36 látek f > látek f > Žádný organismus není nejcitlivější! Řasy, dafnie, ryby, LC 50 mg/l, 96h Jiná studie EU na látkách registrovaných od r (ELINCS) ukázala jako velmi citlivé: ve 44% řasy ve 22% Dafnie v 16% ryby Obecně se ukazuje, že členovci a ryby jsou citlivější než obojživelníci ZS 2013 Ekotoxikologie 24

25 Akutní toxicita - Mezidruhové rozdíly Obecně platí (až na výjimky): specificky působící látky ovlivňují selektivně důležité funkce a buňky (nervové, imunitní) mezidruhové rozdíly relativně menší nespecificky působící látky interagují nespecificky s obecnými strukturami buněk (membrány) veliké mezidruhové rozdíly ZS 2013 Ekotoxikologie 25

26 Chronická toxicita Chronické působení chemikálií má v ekotoxikologii veliký význam. Subakutní toxicita organismus je vystaven látce o nízké koncentraci po krátký čas žádné akutní příznaky účinku Chronická toxicita expozice organismu nízkou koncentrací po dlouhou dobu či po celý život Veliké rozdíly v působení látek mezi akutní a chronickou toxicitou Chronická toxicita není odvoditelná z akutní! Chronická toxicita není předpověditelná! Při ekotoxikologickém posuzování nebezpečnosti látek a odhadu rizik je nutno zohledňovat obě toxicity. ZS 2013 Ekotoxikologie 26

27 Chronická toxicita Ekotoxikologické testy pro posouzení chronické toxicity úplné chronické testy (celý reprodukční cyklus) vajíčko-vajíčko, matka-dcera - "life-cycle tests" generační doba - doba trvání jedné generace organismu nejméně 5 koncentračních hladin částečné chronické testy doba testování kratší než generační doba testována pouze citlivá vývojová stadia organismu Následky chronického působení chemikálií je velmi obtížně předpovědět V historii byly zjištěny následky chronického působení ex-post (DDT, PCB, organo-sn, estrogeny), po jejich projevu na organismech a ekosystému Celkový nedostatek údajů o chronické toxicitě - nedostatek systematických studií Zvláštní pozornost nutno věnovat perzistentním látkám, které nízkými koncentracemi chronicky zatěžují ekosystémy. ZS 2013 Ekotoxikologie 27

28 Dlouhodobé působení látky Chronická toxicita následky chronického působení adaptační reakce organismu/ekosystému Znaky chronické toxicity dle kategorií fyziologie - růst, vývoj biochemie - krevní parametry, enzymová aktivita histologie - buněčné struktury chování - sběr potravy, útěkové a obranné reakce, vztahy lovec-kořist reprodukce - plodnost, změny poměru pohlaví Sekundární efekty - některé sekundární efekty jsou závažnější než primární Nepřímá působení změny fyzikálně-chemických a ekologických vlastností ekosystému ztráta kořisti, zvýšená kompetice ZS 2013 Ekotoxikologie 28

29 Praktická ekotoxikologie bezpečnostní faktory (bf) Chronická toxicita jejich hodnota se definuje podle kvality a kvantity dostupných údajů vhodnější jsou vstupní data o chronickém působení limitní povolené koncentrace dělené tímto faktorem nesmí vést k žádným účinkům Srovnání akutních LC50 a chronických NOEC dat pro dafnie Chemikálie LC 50 mg/l (24h) NOEC mg/l (21d) LC 50 /NOEC Aldicarb 0,93 0, amino-4-chlorfenol 5,2 0, chlor-2-nitroanilin 5,9 0,63 9 1,2,3,4-tetrachlorbenzen 1,2 0,1 12 Chlorbenzen 34 2,5 14 2,5-dichloranilin 4,1 0,16 19 Xylol 81 3,2 25 2,6-dichlor-3-methylanilin 2,5 0,13 26 Maneb 1,9 0, Propiconazol 26 0, chlor-3-nitrobenzen 20 0, ZS 2013 Ekotoxikologie 29

30 variabilita Přenos Aplikace na ekosystém Fyzikálně-chemické vlastnosti látky Laboratorní experimenty na vybraných organismech akutní toxicita (LC 50, LD 50, EC 50 ) chronická toxicita (NOEL, LOEL, NOEC) Veliká nejistota Bezpečnostní faktory fyzikálně-chemické vlastnosti ekosystému vztahy dávka-účinek aditivní-synergické-antagonistické efekty nepřímé účinky adaptační procesy společenstva organizmů biocenózy ekosystémy ZS 2013 Ekotoxikologie 30