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 ve vodných systémech Proces bioakumulace Farmakokinetika a bioakumulace Modelový popis bioakumulace Jednooddílový model - reakce prvního řádu Dvouoddílový model Víceoddíloý model Faktory ovlivňující a podmiňující bioakumulaci Fyzikálně-chemické vlastnosti látek Faktory ŽP Biologické faktory Biomagnifikace Význam pro ekotoxikologii a ŽP ZS Ekotoxikologie 2

3 Definice pojmů obohacení organizmu o neesenciální cizorodé látky nezávisle na jejich zdroji obecný termín pro akumulaci chemikálií v organizmu Biokoncentrace přímé obohacení organizmu chemikálií z abiotického okolí Biomagnifikace vzrůstající akumulace škodlivin v organizmech podél potravního řetězce od nižších k vyšším trofickým úrovním Biokoncentrační faktor (BCF) poměr rovnovážných koncentrací škodlivin v organizmu a v okolním prostředí, popř. v potravě ZS Ekotoxikologie 3

4 - závislost na fyzikálně-chemické vlastnosti látek perzistentní lipofilní biologické a fyziologické vlastnosti organizmu rychlost příjmu je větší než rychlost vylučování obsah tuku v organizmu vlastnosti okolního ŽP bilogická dostupnost speciace látky teplota Biogenní, esenciální a přirozeně se vyskytující látky evolučně vyvinuté mechanizmy pro jejich akumulaci a vylučování Antropogenní chemikálie neexistence selektivních mechanizmů pro odbourávání a vylučování ZS Ekotoxikologie 4

5 Příklady bioakumulace a biomagnifikace Přístav Vierwaldstattersee, Švýcarsko Long Island, USA, 1967 Koncentrace (DDT mg/l, mg/kg) BCF Voda 0, Zooplankton 0, Bezobratlí 0,16-0, Ryby 0,23-1, Dravé ryby 2, Racci 3,5-18, Kormoráni 26, Druhová specificita bioakumulace ZS Ekotoxikologie 5

6 Farmakokinetika bioakumulace rychlý příjem pouze biologicky dostupná část pouze příjmu schopná část rozdělení uvnitř organizmu vazba na sérové proteiny krve transport krví a hemolymfou ukládání v orgánech bohatých na tuky pomalý průběh metabolismu, eliminace a vylučování Příjem Potrava Organizmus Trávící soustava Metabolizmus játra Eliminace Voda, vzduch půda Rozdělení krev, hemolymfa Kůže, plíce, žábry Uložení tuky ZS Ekotoxikologie 6

7 Farmakokinetika bioakumulace Vyšší organizmy (hlavně savci) - fyziologické bariéry bránící průniku škodlivin do určitých tkání a orgánů bariéra krevní řečiště - mozek placentární bariéra TBT v čerstvě vylíhnutých larvách střevle potoční Orgánově specifická akumulace chloridu trifenylcínu pro pstruha duhového Látková specificita bioakumulace ZS Ekotoxikologie 7

8 Farmakokinetické metody výzkumu bioakumulace vybrané organizmy jsou za standardních laboratorních podmínek vystaveny polostatické či konstantní subletální expozici cizorodé látky stanovení koncentrace látky v celém organizmu nebo ve vybrané tkáni Rovnovážná metoda akumulační doba trvá do ustálení rovnováhy mezi rychlostí příjmu a vylučování v pravidelných intervalech odebírány vzorky média a organizmů koncentrace - netoxická ~ subletální v reálných hodnotách ŽP Kinetická metoda během akumulace odebírány vzorky média a organizmů - určení rychlosti akumulace - rychlostní konstanta reakce 1. řádu akumulační perioda přerušena v definovaném čase (4 dny) výměna média za čisté - počátek eliminace během eliminace odebírány vzorky média a organizmů - určení rychlosti eliminace - rychlostní konstanta reakce 1. řádu ZS Ekotoxikologie 8

9 Metody výzkumu bioakumulace Suchozemské organizmy expozice příjmem potravy dýcháním Organizmy žijící v půdě a sedimentu expozice celým povrchem těla pórovou vodou Metody výzkumu biomagnifikace laboratorní akvarijní modelové ekosystémy - půda, sediment, voda, rostliny a organizmy propojené potravním řetězcem malá reprodukovatelnost měření reálných ekosystémů složité a nákladné, ale poskytuje reálné hodnoty BCF ZS Ekotoxikologie 9

10 Modelový popis bioakumulace Úkoly modelů: matematický popis procesu přispět k lepšímu pochopení děje umožnit předpověď chování látek v organizmu Jednooddílový model organizmus považován za homogenní oddíl (kompartment) - jednoduchá nádoba tuku bioakumulace jednoduchý rozdělovací proces mezi vodnou a lipidovou fází výsledek dvou kinetických procesů - příjmu a výdeje - procesů popisovaných kinetikou reakcí 1. řádu - rychlostní konstanty popsána rozdělovacím koeficientem K lip/w mezi lipidy a vodou neuvažuje rozdělování látek mezi tkáněmi a orgány v organizmu, ani další fyziologické parametry velmi dobře popisuje bioakumulaci většiny látek a umožňuje její odhad ZS Ekotoxikologie 10

11 Jednooddílový model dc dt b k C k C 1 w 2 k C C 1 e C e 1 k t b w b, t 0 k2 BCF bt, 0 C C Integrace pro C 0 b w 1 e b k t 2 2 k t dc za rovnováhy, kdy b 0 dt C k BCF C k 2 b, t 1 wt, 2 Příjem Eliminace k 1 Organizmus k 2 C w C b ZS Ekotoxikologie 11

12 TBTCl z vody Daphnia magna k 1 = 4,85 k 2 = 0,025 r = 0,99 Trifluarinu ze vzduchu listy azalky vonné dw... suchá hmotnost ZS Ekotoxikologie 12

13 Dvouoddílový model dva oddíly různých vlastností hlavní (centrální) - zprostředkuje rychlý příjem a vylučování (většinou krev) vedlejší (periferní) - lipofilní povahy - ukládá - v rovnováze s hlavním oddílem akumulace ve vedlejším odd. je přímo úměrná koncentraci látky v hlavním odd. zahrnuje fyziologické a farmakologické procesy C w Příjem Eliminace k 01 Hlavní C b1 k 10 k 12 k 21 Vedlejší C b2 ZS Ekotoxikologie 13

14 Víceoddílový model cizorodé látky se rozdělují rozdílnými rychlostmi mezi hlavním a několika periferními oddíly - rychlostní konstanty reakce 1. řádu rychlosti výměny jsou závislé na rychlosti průtoku krve, rychlostech metabolizmu v jednotlivých odd. a rychlosti eliminace popisuje přesněji realitu - nárůst počtu specifických parametrů (rychlostní konstanty, rozdělovací koeficienty) specifické parametry - nezbytné nastavit individuálně pro každou chemikálii a každý organizmus - není obecný ani univerzální matematický popis velmi komplikovaný nárůst přesnosti oproti jednooddílovému modelu je nevýznamný (kromě savců) Jednooddílový model je nejobecnějším, nejpoužívanějším a dostatečně přesným modelem schopným i realistických předpovědí. ZS Ekotoxikologie 14

15 Faktory ovlivňující a podmiňující bioakumulaci Faktory fyzikálně-chemické vlastnosti látek biologická dostupnost ŽP biotické fyziologické cesty příjmu biomagnifikace Příslušné vlastnosti velikost molekuly, náboj, lipofilita, chemická speciace chemická speciace, ph, sorpce teplota, ph, salinita druh, obsah tuku, vývojové stadium, trofická úroveň, ekologie organizmu průtok vody a krve žábrami, rychlost metabolizmu a eliminace organizmu potrava, médium druh potravního řetězce ZS Ekotoxikologie 15

16 Fyzikálně-chemické vlastnosti látek roste s lipofilitou (hydrofóbností) látky Lipofilita látky charakterizuje tendenci látky rozpouštět se v buněčné dvojvrstvé membráně Specifická propustnost (permeabilita) dvojvrstvé buněčné membrány koreluje s: jejím složením z fosfolipidů a bílkovin rozdělovacím koeficientem mezi lipidy a vodou, K lip/w stupni ionizace látky molekulovou hmotností látky Rozdělovací koeficient lipidy/voda, K lip/w prakticky nezměřitelný nahrazení lipidové fáze nepolárním organickým rozpouštědlem (olivový olej, liposomy, n-oktanol) Rozdělovací koeficient n-oktanol/voda, K ow nejpoužívanější systém popisu lipofility v eko- a toxikologii pouze model buněčné membrány K ow c c oktanol water ZS Ekotoxikologie 16

17 Akumulace organických látek přímo úměrná K lip/w K ow Rozdělovací koeficient n-oktanol/voda, K ow není termodynamická konstanta - je funkcí ph, teploty, salinity,... existuje velmi těsná korelace logbcf - logk ow pouze modelové přiblížení realitě - nutnost kritické interpretace látky s logk ow 4-6 přestává platit lineární závislost BCF menší než odpovídá logk ow logbcf a b logk ow ZS Ekotoxikologie 17

18 30 % látek se liší v hodnotě BCF o 1 řád oproti předpovědi Důvody nepřesností korelace logbcf-logk ow omezená průchodnost lipidové membrány příliš vysoká lipofilita, logk ow při přechodu do buňky musejí látky z membrány difundovat zpět do hydrofilního prostředí krve/hemolymfy/cytosolu - látky zůstávají v membráně molekulová struktura či velikost - makromolekuly a polymery nad 1 nm - difuzní bariéra rychlý metabolizmus a eliminace - BCF menší než odpovídá logk ow odchylky modelu n-oktanol/voda od systému lipidy/voda Hrubý odhad BCF dle modelu možný Ryby ZS Ekotoxikologie 18

19 Faktory životního prostředí Faktory snižující biologickou dostupnost a průchodnost látek membránami snižují také schopnost organizmu látky akumulovat pouze volné/rozpuštěné látky jsou akumulovány (roztoky, pórová voda) sorpce - suspendované částice, sediment, půdní částice, humínové látky, makromolekuly - roste s klesajícím průměrem částic a s rostoucím obsahem uhlíku (DOC, TOC) salinita - zvl. u mořských organizmů (kompetice Na + a Cs + ) ph a chemická speciace organické látky - pouze nenabité látky prostupují membránami - slabé kyseliny a báze - ionizace funkcí ph a pk a kovy - jiný mechanizmus vstupu do buňky - iontovými kanály s pomocí transportních bílkovin - přednostně volné - komplexace snižuje BCF - vyšší BCF v měkké vodě ZS Ekotoxikologie 19

20 Faktory životního prostředí TBT-Cl Daphnia magna ZS Ekotoxikologie 20

21 Faktory životního prostředí humínové látky - pevné komplexy s org. látkami a kovy - vzhledem k velikosti nemohou procházet difuzí membránami - s rostoucím obsahem DOC klesá BCF - PAH, PCB, pyrethroidy - s rostoucí lipofilitou látky roste síla její vazby na humíny a klesá BCF koncentrace živin - pokud je velká vyšší produkce biomasy - zředění způsobené objemem biomasy - rychlejší metabolizmus a eliminace ZS Ekotoxikologie 21

22 Teplota a fyziologické faktory Teplokrevné organizmy - malý vliv teploty, pouze přes rozpustnost látek Studenokrevné organizmy - přímá teplotní závislost příjmu, metabolizmu a eliminace - veliké mezidruhové rozdíly Důsledky zvýšení teploty zrychlení difuze zrychlení příjmu zrychlení cirkulace tělních tekutin zrychlení příjmu příjem DDT: živé/mrtvé Daphnia magna... 2/1 zrychlení dýchání zrychlení příjmu 5 C 15 C, Pstruh duhový BCF Rhadinocentrus ornatus BCF ZS Ekotoxikologie 22

23 Biologické faktory Stejně jako toxicita - BCF závisí na druhu, pohlaví, vývojovém stadiu, zdravotním stavu,... Druhové rozdíly z velké části dány rozdílným obsahem tuků - normování BCF na jeho obsah růst BCF s rostoucím průměrným obsahem tuku u jednotlivých druhů - tučnější ryby (úhoř, losos, herinek) obsahují více škodlivin Korelace BCF 1,3,4-trichlorbenzenu s obsahem tuku v rybách Lindanu v rybách ZS Ekotoxikologie 23

24 Biologické faktory Trofická úroveň BCF roste od destruentů, přes producenty až ke konzumentům (biomagnifikace) obsah tuků roste podél trofických úrovní Organizmus BCF Obsah tuku (%) řasa (Scenedesmus) 200 0,5 Daphnia magna ,8 Poecilia reticulata ,4 Ekologie způsob příjmu potravy, preference pobytu, věk a vzrůst - např. hladinové ryby akumulují méně těžkých kovů než ryby žijící u dna Růst růstové zřeďování škodlivin přibývající biomasou (přírůstek biomasy rychlejší než příjem škodlivin) ZS Ekotoxikologie 24

25 Biologické faktory Vývojové stadium po vylíhnutí larev (odhození ochranného obalu vajíčka - chorionu) - prudký nárůst akumulace Ukládání akumulovaných škodlivin do vajíček - tvorba vajíček vede k mobilizaci metabolizmu tuků - uvolňování škodlivin - uložení ve vajíčku do mateřského mléka - mobilizace tuků při kojení - až 15ti násobné zatížení kojenců oproti dospělým TBT u střevle potoční ZS Ekotoxikologie 25

26 Biomagnifikace vzrůstající akumulace škodlivin v organizmech podél potravního řetězce od nižších k vyšším trofickým úrovním s rostoucí trofickou úrovní klesá celkové množství biomasy objevena na reálných vzorcích (DDT) prakticky žádné laboratorní studie a práce halogenované látky (DDT, PCB, PCD, PCDF, PBDF, PFC) nelze ji automaticky předpokládat (např. Pb 2+ ) Důsledky významná zátěž perzistentními látkami organizmů ve vzdálených oblastech (Arktida a Antarktida) bez přímé expozice atmosférický transport škodlivin do vzdálených a chladných oblastí a transport přes potravní řetězec nejvíce postiženi dravci na vrcholu potravního řetězce ZS Ekotoxikologie 26

27 Význam pro ekotoxikologii a životní prostředí fixace perzistentních látek v organizmech - mimo dosah odbourávacích procesů nepřímá zátěž organizmů přes potravní řetězec bez jejich přímé expozice zvýšené zatížení organizmů při hladovění a reprodukci - mobilizace lipidů - poškození následující generace humánně-toxikologické dopady - bioakumulace v potravinách - bioakumulace v tuku - kontaminace lidského mateřského mléka - asi 15ti násobné zatížení kojenců perzistentními látkami ZS Ekotoxikologie 27