Půdní ekotoxikologie od osudu kontaminantů v půdách po hodnocení jejich efektů Jakub Hofman a kol. hofman@recetox.muni.cz Letní škola ochrany půd 2 3. září 2013, Milovy, ČR
Ohrožení půd eroze zábory kompakce desertifikace zasolení poškození vodního režimu ztráta organické hmoty kontaminace pokles půdní biodiverzity sesuvy povodně 1,7 mld. ha půdy 85 % 76 mil. ha půdy na světě 8,7 mld. ha 2 mld. ha degradováno kontaminováno či ohroženo kontaminací 22 mil. ha (19 mil. ha v EU) 10% problému půdy
Půda je živá Kontaminace Paul E.A. (2007): Soil Microbiology, Ecology and Biochemistry
Půdní ekotoxikologie a ochrana půdy Politika Legislativa Výchova Výzkum toxicology CONTAMINANT ORGANISMS soil environ. chemistry HABITAT soil ecology SOIL SCIENCE vývoj nástrojů výzkumná základna
Biodostupnost kontaminantů v půdě
Biodostupnost PROČ? Převzato z Bradham et al. (2003) Převzato z Semple et al. (2003), E J Soil Sci 54: 809
Biodostupnost JAK? Metody hodnocení biodostupnosti potenciální nástroje pro legislativu KORELACE KALIBRACE Biologické metody Přímé testy bioakumulace, rezidua (CBR) Nepřímé testy toxicity, biomarkery expozice Chemické metody Celková extrakce NE! Extrakce vodnými roztoky (NH 4 NO 3, CaCl 2 ) Extrakce pórové vody Extrakce organickými rozpouštědly (MeOH, BuOH) Desorpční metody (HPCD, Tenax, XAD-4) Superkritická fluidní extrakce (SFE) Extrakce na pevnou fázi (biomimetika, SPME, POM) Persulfátová oxidace Slabá kyselina či komplexotvorné činidlo Modelování WHAM, EqP, BLM, FIM ISO 17402 Soil quality - Guidance for the selection and application of methods for the assessment of bioavailability in soil and soil materials
Půdní biologické testy toxicity (biotesty)
Biologické testy (biotesty) PROČ? CHEMICKÉ ANALÝZY samotné NEDOKÁŽOU postihnout reálné riziko pro živé organismy: 1) reálná expozice se liší podle biodostupnosti toxických prvků a látek v dané situaci, 2) jde vždy o směs toxikantů, která působí jinak než jednotlivé toxikanty zvášť 3) Negativní vlivy matrice samotné bez ohledu na obsah toxikantů na živé organismy či interakce vlivu matrice s efekty toxikantů 4) spektrum analytických metod (tedy i limitních hodnot) je omezené a ve vzorku mohou být přítomny neanalyzované významně toxické látky. Pro pevné matrice kontaktní (půdní) testy
Biologické testy (biotesty) JAK? Chemické látky a biocidy Přípravky na ochranu rostlin Response Dose
Biologické testy (biotesty) JAK? Vyhláška 257/2009: Limity pro vytěžené sedimenty na půdu ISO 16387 (2004) ISO 11267 (1999) 11269-1 (1993) ISO 15685 (2004)
Biologické testy (biotesty) JAK? Zahraniční návrh pro EC (EN 14735) vycházející z rozsáhlého ringtestu UBA Eluate testing Solid waste testing ISO 16387 (2004) Test organisms Reference Endpoint Algae DIN EN ISO 8692 Growth 20% Daphnids DIN ISO 6341 Immobilisation 10% Toxicity criteria Salmonella typhimurium ISO 13829 Gen induction Dmin 2 Brassica rapa ISO 11269-2 Growth 30% Eisenia fetida/ andrei ISO 17512-1 Behaviour 20% Arthrobacter globiformis ISO/WD 10871 Dehydrogenase 20% ISO 11267 (1999) ISO 11269-1 (1993) Nové návrhy Metodických pokynů ke stanovení ekotoxicity pro účely H14 a aplikaci na terén pro H14 ředění 100 g/kg a 100 ml/l pro terén ředění 500 g/kg a neředěný výluh o o Zkušební organismus Bakterie Vibrio fischeri o Perloočka Daphnia magna Straus o Řasa Desmodesmus subspicatus o Chvostoskok Folsomia candida o Roupice Enchytraeus crypticus o Salát Lactuca sativa Doba působení o 15 min 30 min o 48 hodin o 72 hodin o 28 dní o 28 dní o 120 hodin I. II. o neprokáže se ve zkoušce inhibice světelné emise bakterií větší než 25 % o procento imobilizace perlooček nesmí ve zkoušce přesáhnout 20 % o neprokáže se ve zkoušce inhibice růstu řasy větší než 25 % ve srovnání s kontrolními vzorky o neprokáže se ve zkoušce inhibice nebo stimulace světelné emise bakterií větší než 25 %, o procento imobilizace perlooček nesmí ve zkoušce přesáhnout 20 % o neprokáže se ve zkoušce inhibice nebo stimulace růstu řasy větší než 25 % ve srovnání s kontrolními vzorky o neprokáže se ve o neprokáže se ve zkoušce inhibice reprodukce chvostoskoků větší než 50 % ve srovnání s kontrolními zkoušce inhibice reprodukce chvostoskoků větší než 50 % ve srovnání s kontrolními vzorky vzorky o neprokáže se ve zkoušce inhibice reprodukce roupic větší než 50 % ve srovnání s kontrolními vzorky o neprokáže se ve zkoušce inhibice růstu kořene salátu větší než 50 % ve srovnání s kontrolními vzorky o neprokáže se ve zkoušce inhibice reprodukce roupic větší než 50 % ve srovnání s kontrolními vzorky o neprokáže se ve zkoušce inhibice růstu kořene salátu větší než 50 % ve srovnání s kontrolními vzorky
Bioindikace hodnocení biologické kvality půd
Biologická kvalita půd JAK? MO - funkčně nejdůležitější složkou bioty Dobrý stav MO - celkový dobrý stav půdy MO právem navrženy do sad indikátorů půdní kvality Příklady sledovaných parametrů: velikost mikrobiální biomasy Cbio respirační aktivita - bez přídavku substrátu - bazální respirace BR či s přídavkem substrátu - substrátem indukovaná respirace SIR mineralizace dusíku - amonifikace a nitrifikace bez přídavku substrátů (AMO, NIT) či po přídavku substrátů (potenciální amonifikace PAMO a potenciální nitrifikace potenciální oxidace amoniaku PAO) diverzita společenstva půdních mikroorganismů měřená jako strukturní, genetická či funkční diverzita LZE doplnit parametry uhlíku (Corg, Cext) LZE vypočítávat různé eko-fyziologické indexy qco2 apod. a další (enzymy, rozklad substrátů apod.)
Biologická kvalita půd JAK? Doelman, P. and Eijsackers, H.J.P. (2004): Vital Soil - Function, Value and Properties. Elsevier. 358 p. ISBN: 0-444-51772-3.
Biologická kvalita půd JAK? http://soils.usda.gov/sqi/assessment/state_sq_cards.html
Shrnutí půdní ekotoxikologie je zajímavá věda řešící základní témata týkající se osudu a efektů kontaminantů v půdě slouží jako výzkumná základna pro vytváření racionálních nástrojů a strategií ochrany půdy: nástroje pro relevantní hodnocení obsahů kontaminantů biotesty bioindikační metody TRIAD chemie za posledních 10 let udělal výzkum půdní ekotoxikologie významný pokrok, bylo vyvinuto množství metod a testů je na nás překlopit tyto poznatky a metody do praktické ochrany půd
Standardy půdních metod - ISO Půdní bezobratlí ISO 11268-1:1993 Soil quality -- Effects of pollutants on earthworms (Eisenia fetida) -- Part 1: Determination of acute toxicity using artificial soil substrate ISO 11268-2:1998 Soil quality -- Effects of pollutants on earthworms (Eisenia fetida) -- Part 2: Determination of effects on reproduction ISO 11268-3:1999 Soil quality -- Effects of pollutants on earthworms -- Part 3: Guidance on the determination of effects in field situations ISO 11267:1999 Soil quality -- Inhibition of reproduction of Collembola (Folsomia candida) by soil pollutants ISO 16387:2004 Soil quality -- Effects of pollutants on Enchytraeidae (Enchytraeus sp.) -- Determination of effects on reproduction and survival ISO 15952:2006 Soil quality -- Effects of pollutants on juvenile land snails (Helicidae) -- Determination of the effects on growth by soil contamination ISO 20963:2005 Soil quality -- Effects of pollutants on insect larvae (Oxythyrea funesta) -- Determination of acute toxicity ISO 17512-1:2008 Soil quality -- Avoidance test for determining the quality of soils and effects of chemicals on behaviour -- Part 1: Test with earthworms (Eisenia fetida and Eisenia andrei) ISO/DIS 17512-2 Soil quality -- Avoidance test for determining the quality of soils and effects of chemicals on behaviour -- Part 2: Test with collembolans (Folsomia candida) ISO 23611-1:2006 Soil quality -- Sampling of soil invertebrates -- Part 1: Hand-sorting and formalin extraction of earthworms ISO 23611-2:2006 Soil quality -- Sampling of soil invertebrates -- Part 2: Sampling and extraction of micro-arthropods (Collembola and Acarina) ISO 23611-3:2007 Soil quality -- Sampling of soil invertebrates -- Part 3: Sampling and soil extraction of enchytraeids ISO 23611-4:2007 Soil quality -- Sampling of soil invertebrates -- Part 4: Sampling, extraction and identification of soil-inhabiting nematodes ISO/DIS 23611-5 ISO/DIS 23611-6 Soil quality -- Sampling of soil invertebrates -- Part 5: Sampling and extraction of soil macro-invertebrates Soil quality -- Sampling of soil invertebrates -- Part 6: Guidance for the design of sampling programmes with soil invertebrates Suchozemské rostliny ISO 11269-1:1993 ISO 11269-2:2005 ISO 17126:2005 ISO 22030:2005 ISO/CD 29200 Soil quality -- Determination of the effects of pollutants on soil flora -- Part 1: Method for the measurement of inhibition of root growth Soil quality -- Determination of the effects of pollutants on soil flora -- Part 2: Effects of chemicals on the emergence and growth of higher plants Soil quality -- Determination of the effects of pollutants on soil flora -- Screening test for emergence of lettuce seedlings (Lactuca sativa L.) Soil quality -- Biological methods -- Chronic toxicity in higher plants Soil quality -- Assessment of genotoxic effects on higher plants -- Micronucleus test on Vicia faba
Půdní mikroorganismy ISO 10381-6:2009 ISO 14240-1:1997 ISO 14240-2:1997 ISO 16072:2002 ISO 17155:2002 ISO 15685:2004 ISO 14238:1997 Standardy půdních metod - ISO Soil quality -- Sampling -- Part 6: Guidance on the collection, handling and storage of soil under aerobic conditions for the assessment of microbiological processes, biomass and diversity in the laboratory Soil quality -- Determination of soil microbial biomass -- Part 1: Substrate-induced respiration method Soil quality -- Determination of soil microbial biomass -- Part 2: Fumigation-extraction method Soil quality -- Laboratory methods for determination of microbial soil respiration Soil quality -- Determination of abundance and activity of soil microflora using respiration curves Soil quality -- Determination of potential nitrification and inhibition of nitrification -- Rapid test by ammonium oxidation Soil quality -- Biological methods -- Determination of nitrogen mineralization and nitrification in soils and the influence of chemicals on these processes ISO 23753-1:2005 Soil quality -- Determination of dehydrogenase activity in soils -- Part 1: Method using triphenyltetrazolium chloride (TTC) ISO 23753-2:2005 Soil quality -- Determination of dehydrogenase activity in soils -- Part 2: Method using iodotetrazolium chloride (INT) ISO/DIS 11063 Soil quality -- Method to directly extract DNA from soil samples ISO/TS 29843-1:2010 Soil quality -- Determination of soil microbial diversity -- Part 1: Method by phospholipid fatty acid analysis (PLFA) and phospholipid ether lipids (PLEL) analysis ISO/PRF TS 29843-2 ISO/TS 10832:2009 ISO/TS 22939:2010 ISO 11266:1994 ISO 15473:2002 ISO 14239:1997 Soil quality -- Determination of soil microbial diversity -- Part 2: Method by phospholipid fatty acid analysis (PLFA) using the simple PLFA extraction method Soil quality -- Effects of pollutants on mycorrhizal fungi -- Spore germination test Soil quality -- Measurement of enzyme activity patterns in soil samples using fluorogenic substrates in micro-well plates Soil quality -- Guidance on laboratory testing for biodegradation of organic chemicals in soil under aerobic conditions Soil quality -- Guidance on laboratory testing for biodegradation of organic chemicals in soil under anaerobic conditions Soil quality -- Laboratory incubation systems for measuring the mineralization of organic chemicals in soil under aerobic conditions
Děkuji(jeme) za pozornost