A környezetszennyezés folyamatai – 3) immisszió Immisszió: a szennyezı anyag/energia káros hatásának megnyilvánulása – Formája: külsı hatás vagy inkorporáció – Alanya: ember, növények, állatok, természeti tárgyak, emberi alkotások Hatások élettelen anyagokra: • fizikai átalakulás • kémiai változás A „közismert” környezetkárosító hatások immissziója összetett: erózió, felmelegedés, sugárzások, zaj stb. A hatások az átalakult anyag mennyiségével és/vagy a koncentrációváltozásokkal jellemezhetık, gyakran azokkal arányosak.
1
Immisszió – hatás biológiai rendszerekre Az immisszió biológiai hatása vonatkozhat • ökorendszerre • fajokra • egyedekre A hatás érheti • az adott helyen és idıben élı populáció egyedeit – szomatikus hatás • a következı generáció(ka)t – genetikus hatás Az immissziós hatások elleni intézményes védelem az ember kivételével az ökorendszerekre (természetvédelem) és a fajokra (diverzitás fenntartása) terjed ki. Az embert egyedi védelem illeti meg. (Biodiverzitás Egyezmény 1993. Rio de Janeiro) 2
Immisszió – hatás biológiai rendszerekre Példa az összetett hatásra: felszíni víz hıterhelése (erımő hőtıvizének kibocsátása) A felmelegedés akár 4-5 mg/l -rel is csökkentheti az oldott oxigén mennyiségét. Közvetlen hatások: Fokozódik a vízi növények aktivitása, ami az oxigén elvonás fokozódását okozza, a felszínen elterülı magasabb hımérséklető víz pedig az oxigén felvételét akadályozza. Az oldhatóság növekedése következtében az összes sótartalom növekedhet. Fokozódik a vízben levı toxikus anyagok hatása, ezáltal csökken a letális értékhez tartozó koncentráció nagysága. 10 oC-os hımérséklet emelkedés átlagosan megkétszerezi a biokémiai reakciók sebességét. Közvetett hatások: Életjelenségek zavarai (légzés fokozódása, fotoszintézis növekedés, egyedfejlıdési rendellenességek) A mérgezéssel szembeni csökkenı ellenállás Zavarok a szaporodásban és a kritikus fejlıdési szakaszokban A populációk összetételének változása
3
Immisszió biológiai rendszerekben • Kompartmentek (rekeszek): az inhomogén élettelen rendszerekben (talaj, kızet) és az élılényekben meghatározhatók olyan morfológiailag vagy funkcionálisan jól elkülönülı részek, melyekben az inkorporált szennyezés eloszlása homogénnek tekinthetı. • Ez a feltételezés – ami sok esetben megegyezik a tapasztalattal - a kvantitatív viszonyok leírására arányosságok vagy differenciálegyenletek alkalmazását teszi lehetıvé. 4
Migrációt követı immisszió biológiai rendszerekben Idáig „tart” a migráció
5
Immisszió biológiai rendszerekben A kompartmentek közötti anyag- és energiaáram leírható: - „Krónikus” (Folyamatosan fennálló) helyzetben sztatikus arányosságokkal (CF módszer: concentration factors) - „Akut” (Csak rövid ideig fennálló, pl. baleseti) helyzetben dinamikus differenciál-egyenletekkel (SA módszer: system analysis) A hatás a káros anyag mindenkori koncentrációjától függ. 6
Immisszió biológiai rendszerekben – CF módszer Példa : takarmányból felvehetı fémionok koncentrációja ember által fogyasztott állati szövetekben ∧
csz = ∑ Fj × Q j × c j ≈ F ∑ Q j × c j j
j csz: koncentráció a szövetben [mól/kg] j: takarmány fajtája cj: koncentráció a takarmányban [mól/kg] Q: fogyasztás [kg/nap] F: átviteli (transzfer) tényezı [nap/kg] „egyensúlyban”
F függ: • a szennyezést képezı vegyülettıl • a szennyezést felvevı szövet metabolizmusától
7
Immisszió biológiai rendszerekben - CF módszer F transzfer együttható tej, hús és tojás „célszövet”-re (nap/kg) Elem (vízoldható vegyület)
Élelmiszer fajtája Tej (tehén)
Hús (tehén)
Hús (sertés)
Hús (tyúk)
Tojás (tyúk)
Kobalt
0,00007 *
0,0001*
0,002
2
0,1
Stroncium
0,0028
0,008
0,02
0,08
0,2
0,01
0,04
0,003
0,01
3
0,0079
0,05
0,24
10
0,4
Jód Cézium
*: szervetlen vegyületek
8
Immisszió biológiai rendszerekben - SA módszer
Egyes növényi részek szennyezettsége egy gyors légköri kontaminációt követıen
9
Immisszió biológiai rendszerekben - SA módszer
dci = ∑ k ji * c j − ∑ kij * ci dt j j
Egyszerő dif. egyenlet az „i”-edik rekeszre, ahová j rekeszbıl van be- és kijárat
Jódkinetikai kompartment modell a szarvasmarha esetén
10
Immisszió biológiai rendszerekben - SA módszer Inkorporáció az emberi szervezetben: belégzés vagy lenyelés útján 1
át
2
át
3
ki ki ki Belégzés: 3 szekvenciális kompartment: orr-garat (NP), légcsı-hörgık (TB), tüdı (P) – finomabb felosztásokat is alkalmaznak Lenyelés-emésztés: 4 szekvenciális kompartment: gyomor (S), Vékonybél (SI), felsı vastagbél (ULI), alsó vastagbél (LLI) 11
Immisszió biológiai rendszerekben - SA módszer inkorporáció
kilépés a metabolikus rendszerbıl
• dC 1 = c in . Q − k 12 .C 1 − k 1 o C 1 dt kiürülés a 2. kompartmentbe
k értékek: sebességi együtthatók
dC 2 = k12 .C1 − k 23 .C 2 − k 2 o .C 2 dt Az inkorporáció befejezése után az 1. kompartment egyenletében csak kiürülési tagok maradnak
C1: A szennyezı koncentrációja az 1. kompartmentben [mól/kg] •
Q
bemenı anyagáram [kg/s], [m3/s]
C2: A szennyezı koncentrációja a 2. kompartmentben [mól/kg] cin: koncentráció a bemenı anyagáramban [mól/kg] 12
Immisszió biológiai rendszerekben - SA módszer Integrálegyenlet és grafikonja az 1. kompartmentre .
c in . Q (1 − exp( − ( k 12 + k 1o ).t ) ) C1 = k 12 + k 1o C [mól/kg] I. szakasz: felvétel és kiürülés C1,max
II. szakasz: kiürülés
Hatás: a koncentráció integráljával, azaz az éppen jelenlévı káros anyag mennyiségével arányos
C 1 = C 1, max . exp (− ( k 12 + k 1o ).t ) ) t [óra] 13
Immisszió biológiai rendszerekben – példák a sejti hatásokra A fémtoxicitás molekuláris mechanizmusai • 1. A mérgezı fémionok kapcsolódnak az enzimmolekulák funkciós csoportjaihoz. [Ólommérgezés – vérszegénység - az ólomionok a hemoglobin bioszintézisében ható enzimek mőködését gátolják.] • 2. A szükséges fémiont egy mérgezı kiszorítja az enzim aktív helyérıl. [Az alumíniumionok a magnézium aktiválta enzimekben a magnéziumionok helyébe lépnek- foszfátanyagcsere zavar oszteomalácia (csontlágyulás)] [Kadmium – cink versengés, a gyorsabban beépülı, erısebb kötést létesítı kadmiumion válik az enzim integráns részévé - rendkívüli csonttörékenység] • 3. Megváltozik a biomolekuláknak a funkció szempontjából elınyös térbeli felépítése. [A DNS konformációváltozásának következményei lehetnek: rák, torzfejlıdés - kadmium, berillium, higany hatására] • 4. A hidrofil fémionból lipofil molekula képzıdhet - be tud jutni a sejtek belsejébe. [Higany -baktériumok hatására metilhigany-klorid - súlyos károsodást okoz az agysejtekben és a központi idegrendszerben.] 14
