2. Aspekty chemie životního prostředí v ekotoxikologii Zatížení ekosystému chemikáliemi je podmíněno: vstupujícím množstvím vlastnostmi látek a prostředí osudu látky v prostředí distribucí dobou pobytu (residence time)
Množství látky
V ekosystému jsou chemikálie: transportovány přeměněny chemicky biologicky odstraněny odbouráním (někdy až po mineralizaci) depozicí (v půdě či sedimentu) ZS 2013
Ekotoxikologie
2
Analytická chemie ŽP Účinky látky je možné kvantitativně popsat pouze se znalostí její koncentrace (expoziční koncentrace) v konkrétním médiu ŽP Charakterizace ekotoxických účinků látky ve vztahu k: koncentraci v ŽP (expoziční koncentrace) chování v ŽP Mohutný rozvoj analytické chemie ŽP - stopové a ultrastopové koncentrace (ppt ~ ng/l, např. pesticidy a jejich metabolity) Určení expoziční koncentrace - analytické metody
Vlastnosti analytické metody: specifická až selektivní vysoce citlivá spolehlivá (přesná & správná) a robustní
ZS 2013
Ekotoxikologie
3
Analytická chemie ŽP Charakteristiky vzorků ŽP: od jednoduchých až velmi komplexní složení od stálého až po velmi proměnlivé složení
Hlavní kroky analýzy vzorků ŽP: Odběr reprezentativního vzorku Úprava vzorku Prekoncentrace (prekoncentrační faktor až 10 000) Frakcionace Derivatizace Detekce/Analýza Vyhodnocení Anorganické látky: iontová chromatografie, AAS, AES, ICP-MS, elektrochemické metody Organické látky: GC & GC-MS, HPLC & HPLC-MS, GCxGC, elektrochemické metody ZS 2013
Ekotoxikologie
4
Koncentrace chemikálií v ŽP Metody zjišťování koncentrace látek v ŽP Metody analytické chemie (analytická chemie ŽP) Výpočet/odhad - pokud experimentální data nejsou k dispozici - možné pouze za předpokladu znalosti: fyzikálně-chemických vlastností látky, zejména rozpustnost ve vodě, S těkavost - tlak nasycených par, Henryho konstanta KH log Kow
reaktivita & způsob odbourávání • fotolýza • hydrolýza • mikrobiální aktivita transportních procesů v příslušném oddíle ŽP meteorologická situace cílový oddíl ŽP
ZS 2013
Ekotoxikologie
5
Ekotoxikologické způsoby zkoumání ŽP Způsoby zkoumání oddílů ŽP jsou jednoznačně určeny typem kladených otázek 1. Pozorování (monitoring) 2. Studium chování látek Laboratorní výzkum (simulace reality)
Reálné systémy v přírodě 3. Modelování
Odhad & predikce koncentrací Predikce chování Predikce účinků
ZS 2013
Ekotoxikologie
6
Monitoring ŽP Trvalé či dlouhodobé sledování koncentrace vybrané chemikálie či určité vlastnosti zkoumaného oddílu ŽP Výhody velmi selektivní (pouze experimentálně měřené veličiny) často lze sledovat pouze jednu formu látky lze automatizovat možnost tvorby časových trendů vývoje
Nevýhody obsáhlá a drahá záležitost sleduje pouze vybrané látky ne vždy lze určit vztah mezi příčinou a následkem nelze zpětně dohledat původce případného toxického efektu
ZS 2013
Ekotoxikologie
7
Monitoring ŽP Tradiční způsob měření účinků toxických látek na organizmy v ekosystémech stanovení hladiny (koncentrace) toxických látek v organizmech
vztáhnout na škodlivé účinky v organizmech Tato korelace je možná jen při znalosti biochemických přeměn toxických látek vztahu mezi koncentrací toxikantu a jeho biologickým účinkem Tyto údaje a vztahy nejsou často známy BIOMONITORING U biomonitoringu nejsou tyto údaje nezbytné ZS 2013
Ekotoxikologie
8
Biomonitoring ŽP Ke zjištění přítomnosti škodliviny je použit indikační organismus (bioindikátor)
Bioindikátory Jakékoliv biologické odezvy organismů na chemickou látku na vyšších stupních organizace (populace, komunity a ekosystém), které jsou znamením odchylky od normálního stavu vybrané organismy a jejich společenstva
reagují citlivě na škodlivé chemikálie a poskytují tak informace o expozici a účincích škodlivin odrážejí změny jednak různých životních funkcí a struktur, tak i bioakumulaci Rreagují na biologicky dostupnou sumu škodlivin!
Přítomnost škodliviny stresová reakce bioindikátoru produkce biomarkeru (zátěžového indikátoru)
ZS 2013
Ekotoxikologie
9
Biomarkery Biomarkery
Jakákoliv biologická odezva na chemickou látku na individuální a nižší úrovni, která je znamením odchylky od normálního stavu
Měření: biochemická, fyziologická, histologická, morfologická a chování
Princip založen na sledování změn zdravotního stavu organismu s rostoucí expozicí chemickými látkami – od normálního stavu (zdraví) až po ireverzibilní poškození vedoucí ke smrti: Homeostáze
Stres – první odchylky od normálního stavu, ale organismus je schopen kompenzace Organismus není schopen dále kompenzovat vlivy xenobiotik, ale změny stavu jsou reverzibilní, návrat do původního stavu je možný Ireverzibilní poškození organismu
Smrt
Korelace mezi biochemickými změnami a ekologickými změnami a opačně nejsou vždy přímočaré
ZS 2013
Ekotoxikologie
10
Biomarkery
Vztah mezi expozicí, zdravotním stavem a odpovědí organismu [Depledge M.H., in Fossi C.M.and Leonzio C. (eds), Nondestructive biomarkers in vertebrates, pp. 27195, Boca Raton, 1994, Lewis]
ZS 2013
Ekotoxikologie
11
Druhy biomarkerů A. Biomarkery expozice
Indikují expozici organismu xenobiotikem, jeho metabolitem nebo produktem jeho interakce se specifickou molekulou nebo buňkou
Dokazují tudíž kontakt organismu (současný či minulý) s xenobiotikem
Nedávají informaci o stupni a rozsahu xenobiotikem vyvolaného poškození
Příklady DNA-adukty (alkylační činidla a jejich metabolity, aromatické aminy, nitrosaminy a PAH) indikace kontaktu s genotoxickými látkami kovalentní vazba elektrofilních látek na DNA - bodové mutace často iniciační proces rakoviny Karboxyhemoglobin (expozice CO) lze kvantifikovat v neletálních vzorcích (dech, moč, krev atd.)
ZS 2013
Ekotoxikologie
12
Druhy biomarkerů B. Biomarkery (toxických) efektů (účinků)
Jsou projevem poškození organismu
Biochemická nebo fyziologická změna či změna v chování v rámci organismu - v ideálním případě výsledek takového biomarkeru musí postačovat sám o sobě bez nutnosti chemické analýzy
Příklady inhibice mozkové cholinesterázy (organofosfátové a karbamátové insekticidy) zeslabování vaječné skořápky (DDT, p,p´-DDE) indukce cytochromové P450 1A monooxygenázy (CYP1A) (PAH, halogenované PAH, PCDF, PCB) indukce cytochromu P450 2B (DDT, p,p´-DDE) stresové proteiny stresové reakce produkují velmi specifické proteiny - např. teplo produkuje HSP (Heat-shock-proteins) metalothioneiny a další bílkoviny vážící kovy komplexace hlavně těžkých kovů - Cd, Pb, Hg, As, (Cu, Zn, Mn)
ZS 2013
Ekotoxikologie
13
Druhy biomarkerů C. Biomarkery vnímavosti (citlivosti) jevy nebo příznaky svědčící o změněném fyziologickém nebo biochemickém stavu, který může činit jedince náchylným k působení chemických látek, fyzikálních a infekčních vlivů na rozdíl od biomarkerů toxických efektů se xenobiotikem vyvolané fyziologické či biochemické změny neprojeví jako nemoc často ve spojení s oslabením imunitního systému – zvýšená náchylnost na rakovinu, infekční nemoci a parazity Příklad: nízkoúrovňová expozice cytochromu P4501A1 může způsobit zvýšení aktivity v divoce žijících organismech, ale nezpůsobí žádné pozorovatelné škodlivé následky. Takováto zvýšená enzymová aktivita u lidí bývá často spojována se zvýšeným rizikem rakoviny, jehož možnou příčinou je
bioaktivace prokarcinogenů.
ZS 2013
Ekotoxikologie
14
Biomarkery Interpretace výsledků získaných na základě biomarkerů
Velká péče musí být věnována zvláště při jejich mezidruhové extrapolaci Tatáž chemikálie může indukovat tvorbu rozdílných proteinů a tytéž enzymy mohou zpracovávat rozdílné substráty i u velmi příbuzných druhů, jako např. potkan a myš Mezidruhová extrapolace vyžaduje výbornou znalost srovnávací fyziologie a biochemie Důležitá vlastnost biomarkerů schopnost v sobě celoplošně integrovat odezvy na různé chemikálie typické pro skládky chemického odpadu Příklad 1: aktivita CYP1A1 umožňuje souhrné posouzení stavu skládky z hlediska: • kontaminace dioxiny, polychlorovanými bifenyly (PCBs) a PAHs • jejich bilogické dostupnosti • celkového rizika Příklad 2: změny porfyrinového profilu, obsah metalothioneinů a imunitních funkcí charakterizují kombinovaný vliv těžkých kovů na důlních skládkách a skrývkách.
ZS 2013
Ekotoxikologie
15
Specificita biomarkerů Specificita biomarkerů Rozsah od vysoce specifických až po zcela nespecifické Vysoce specifické: inhibice dehydratázy kyseliny aminolevulové (ALAD) (pouze) olovem …. Středně specifické: inhibice acetylcholinesterázy organofosfátovými a karbamátovými pesticidy …. Nespecifické: poškození imunitního systému nebo indukce monooxygenáz Korelace biomarkerů a stupně poškození Je velmi užitečné znát vztah mezi stupněm měřené biologické odezvy a poškozením organismu – pro návrhy protiopatření Neznalost přesné korelace nediskvalifikuje použití biomarkeru Biomarker indikuje kontakt organismu s xenobiotikem ZS 2013
Ekotoxikologie
16
Specificita a ekologická důležitost biomarkerů Biochemické testy
Vysoká specificita
Fyziologie celého organismu Nízký ekologický význam
Změny v populaci
Vysoký ekologický význam
Změny v komunitě Nízká specificita
Vztah mezi specificitou a ekologickou důležitostí měření biochemických efektů (upraveno podle Addisson, R.F., Environmental Reviews 4, 225-37, 1996)
ZS 2013
Ekotoxikologie
17
Specificita a ekologická důležitost biomarkerů Některé biomarkery podle klesající specificity k polutantům
Biomarker
Polutant
Poznámka
Inhibice ALAD
Pb
Spolehlivě nahrazuje chemickou analýzu
Indukce metalothioneinů
Cd, Hg, As, Pb, Cu, Zn, …
Obtížná analýza
Ztenčování vaječných skořápek
DDT, DDE, Dicofol
Snadná měřitelnost
Inhibice AChE
Organofosfáty, karbamáty
Snažší a spolehlivější než chemická analýza
Srážení antikoagulačních bílkovin
Rodenticidy
Srovnatelné s chemickou anlalýzou
Indukce monooxygenáz
Chlorované látky, PAH
Snadné určení dioxinového ekvivalentu
Porfirinový profil
Některé chlorované látky
HPLC stanovení
Retinolový profil
Chlorované látky
-
DNA a hemoglobinové adukty
PAH
Dostupné ale komplikované testy
Indukce vitelogeninu
Látky s estrogením účinkem
Citlivé u samců ryb
Sérové enzymy
Kovy, chlorované látky, PAH
Prostudováno několik systémů
Stresové proteiny
Kovy, chlorované látky
Prostudována řada proteinů
Imunitní odezvy
Kovy, chlorované látky, PAH
Dostupná je řada testů
Převzato z Walker et al., Principles of ecotoxicology, 2nd ed., Taylor&Francis, 2003, NY
ZS 2013
Ekotoxikologie
18
Xenobiotiky vyvolané efekty u vybraných divoce žijících druhů Organismus Bezobratlí
Ryby
Obojživelníci
Sloučenina
Měkkýši
Tributylcín
Hmyz
DDE
Ptáci
Savci
imposex metabolická maskulinizace
odpadní vody sulfátových mlýnů
opožděné dospívání, indukce tvorby vitelogeninu u samců, zmenšené gonády, změny v hladině sexuálních hormonů
Pstruh (Salmon gairdeni)
odpadní vody komunálních čističek
feminizace samečků, indukce tvorby plazmového vitelogeninu
Drápatka vodní (Xenopus laevis)
estrogeny
Pakaprovec severní (Catostomus commersoni)
Aligátor americký (Alligator mississippiensis)
100 % samiček obrácení pohlaví, změny na gonádách, změna sex. hormonů
Želva nádherná (Trachemys scripta)
Plazi
Efekt
estrogeny pesticidy
obrácení pohlaví, deformace pohlavních orgánů a žláz, změny koncentrace sex. hormonů
maskulinizace, změna struktury gonád
Racek stříbrný (Larus argentatus)
PCBs pesticidy
Orel bělohlavý (Halieetus leucocephalus)
PCBs pesticidy, dioxiny
ztenčování tloušťky vaječných skořápek, mozková asymetrie
Běluha (Delphinapterus leucas)
chlorované látky kovy
nádory, potlačení imunity, snížené rozmnožování
Norek americký (Mustela vision)
PCBs Dioxiny
snížené rozmnožování, úmrtnost plodů
Upraveno podle Fent K., Ökotoxikologie, Georg Thieme Verlag, 2003, Stutgart ZS 2013
Ekotoxikologie
19
Významné specifické biomarkery 1.
ZS 2013
Inhibice esteráz Esterázy: Acetylcholin a butyrylcholin estrázy (AChE a BChE) Inhibitory: Ogranofosfáty a karbamáty Vazba polutantu na hydroxylovou skupinu serinu na aktivním centru enzymu vede jeho inhibici a k hromadění AChE (BChE) na nervových synapsích – poruchy nervového systému – třes, motorické poruchy, smrt Měření aktivity AChE je snažší než analýza organofosfátů a karbamátů, které v těle rychle metabolizují
Obratlovci měří se inhibice mozkové AChE (inhibice v krevním séru rychle po expozici mizí, nekoreluje s toxickým efektem a její variabilita je mnohem větší) 50 – 80% inhibice je letální Inhibice způsobená karbamáty je částečně reverzibilní
Ekotoxikologie
20
Významné specifické biomarkery 2. Indukce monooxygenáz
Monooxygenázy vyskytují se v endoplazmatickém retikulu buněk všech bezobratlých a obratlovců - nejvyšší aktivita v játrech Malá množství i v rostlinách existuje více něž 750 isoforem
Funkce monooxygenáz
metabolizují velké množství lipofilních xenobiotik (nesmějí být příliš velká): např. organofosfáty, pyrethroidy, organochlorované pesticidy, PCB, PCDD a PCDF spřažený elektronový transportní systém dvou enzymů NADPH-cytochrom reduktasa (flavoprotein) Cytochrom P450 (obshuje hem) Systém I: N- a S-oxidace: • • •
ethoxyresorufin O-deethylasa (EROD) benzo(a)pyren hydrolasa (BaPH) hydrolasa arylových uhlovodíků (AHH)
Systém II: aromatické a acyklické hydroxylace, deaminace a dealkylace • •
ZS 2013
benzfetamin N-demethylasa aldrin epoxidasa
Ekotoxikologie
21
Významné specifické biomarkery Užití monooxygenáz pro monitoring znečištění moří odpadních vod z papíren (ryby - AHH, EROD) ptáků živících se rybami v Great Lakes (USA) reprodukční poruchy v 60. létech - bioakumulace více než 100 druhů organohalogenovaných látek (např. DDT, PCDD, PCDF, PCB) "dioxinový ekvivalent" (jeden z ekvivalentů toxicity, TEQ) schopnost látky indukovat AHH - 2,3,7,8-TCDD je roven 1 test daleko jednodušší než anlýza polutantů (GC-HRMS) ryb a vodních bezobratlých (PAH, organochlorové látky)
Systém je schopen zjistit dostatečně vysoké expozice mnoha xenobiotiky, která vyvolávají biologické odezvy - lze snadno ohraničit postižené oblasti Systém nezjistí přímý kauzální vztah ke konkrétnímu xenobiotiku
ZS 2013
Ekotoxikologie
22
Významné specifické biomarkery 3. Studie na genetickém materiálu - genotoxické efekty sekvence událostí od prvního kontaktu polutantu s DNA k následné mutaci tvorba aduktu s DNA - znak expozice polutantem druhotná modifikace DNA - rozdělení řetězce, zvýšení aktivity opravných mechanismů fixace strukturní změny DNA tvorba mutantní DNA při dělení buňky - změny funkce genů vztah mezi koncentrací polutantu, množstvím DNA aduktů a výsledným biologickým poškozením je velmi komplexní - obtížně zjistitelný příklad: vztah mezi intenzitou kouření a koncentrací DNA-benzo(a)pyrenu aduktů je jasný, ale vztah mezi koncentrací DNA-benzo(a)pyrenu aduktů a výskytem rakoviny plic není úplně zřejmý
Jedna z nejlepších metod studia expozice PAHy - adukty velmi stabilní i mimo organismus ZS 2013
Ekotoxikologie
23
Významné specifické biomarkery Studie na genetickém materiálu - genotoxické efekty Metody studia tvorby DNA aduktů 2D-TLC separace 32P značených aduktů identifikace specifických DNA aduktů fluorescenční a chromatografické metody, ELISA, RIA PCR (Polymerase Chain Reaction) zjišťování zlomů na chromozomech optickou mikroskopií nebo průtokovou cytometrií sesterská chromatidová výměna - na místech mutací
ELISA - enzyme linked immunosorbent assay RIA - radio-immuno-assay
ZS 2013
Ekotoxikologie
24
Významné specifické biomarkery 4. Syntéza porfyrinů a hemu
Porfyriny - součást biosyntézy hemu, normální koncentrace velmi nízká Biosyntéza - velmi přesně regulována
Porucha syntézy hemu vyvolaná xenobiotiky Hepatická porfýrie masivní akumulace porfyrinů v játrech a vylučování uroporfyrinu a porfyrinheptakarboxylové kyseliny močí mechanismus indukované porfýrie není přesně znám možná příčina: inhibice uroporfyrinogen dekarboxylasy
Prostudovány dva systémy tvorba nadbytku porfyrinů v důsledku organohalogenovaných látek hexachlorbenzen (HCB) - nezbytné koncentrace mnohem větší než environmentální PCB - velké rozdíly účinnosti mezi kongenery
inhibice dehydratasy kyseliny aminolevulové (ALAD) olovo 10 000x účinnější než ostatní kovy - specifické stanovení velmi jednoduché, instrumentálně a časově nenáročné měření ZS 2013
Ekotoxikologie
25
Významné specifické biomarkery 5. Indukce tvorby vitellogeninu Vitellogenin protein vaječného žloutku produkovaný pouze samicemi ryb tvorba u samců známkou expozice endokrinními rozpojovači zjištěn hermafroditismus u bělic žijících v blízkosti ústí odpadních vod do řek Zjištění hladiny vitellogeninu u samců ryb - biomarker expozice látek s endokrinním působením Alkylfenoly, estrogeny - příklady endokrinně působících látek
ZS 2013
Ekotoxikologie
26
Významné specifické biomarkery 6. Biomarkery chování
Toxikologie chování - chování organismu představuje konečný a integrovaný výsledek rozdílných biochemických a fyziologických procesů nedosáhly zatím stavu aby mohly být akceptovány jako součást formálních testovacích postupů Příčiny nejprostudovanější a nejsnáze měřitelné parametry chování mají nejmenší environmentální důležitost - např. odpověď na barevné podněty v laboratoři parametry s nejvyšší environmentální důležitostí jsou nejvíce chráněny proti změnám nebo se nedají kvantifikovat - např. schopnost učení, vyhýbání se predátorům, schopnost lovu znecitlivění organismů způsobené preexpozicí nadhodnocení příčin
nejpropracovanější u ryb - akvária s videomonitoringem a PC vyhodnocováním systémy včasného varování některé testy citlivější než testy životního cyklu nebo testy ranných vývojových stadií
ZS 2013
Ekotoxikologie
27
Významné specifické biomarkery Biomarkery v rostlinách nejsou tak rozsáhle prostudovány jako u živočichů měly by umožnit odhalení expozice ještě před výskytem viditelného poškození rostliny - ideální cíl rostliny - stacionární organismy hladiny rozdílné pro citlivé a tolerantní rostliny Publikované příklady Se - syntéza selenoproteinů (methylselenocystein) markerem Se stresu F- - syntéza fluoroacetylkoenzymu A a jeho přeměna na fluorocitrát v citrátovém cyklu - akumulace fluorocitrátu - inhibice akonitasy (Těžké) kovy (Cd, As, Se, Pb, Hg, Zn, Cu) - syntéza fytochelatinů a organických kyselin s komplexačními účinky Obecné biomarkery - aktivita peroxidasy - expozice atmosférickými polutanty, např. SO2 ZS 2013
Ekotoxikologie
28
Studium chování látek v ŽP Studium chování látek = Studium procesů, kterým látky podléhají Fyzikálně-chemické procesy ovlivňují: pobyt & transport transfer odbourávání látek v ŽP. Postupy výzkumu: Laboratorní měření (silně zjednodušená simulace reality) Sledování reálných systémů Výsledky + znalosti konkrétní části ŽP
ZS 2013
Ekotoxikologie
- odhady expozice - analýza rizik
29
Studium chování látek v ŽP Nominální × Efektivní koncentrace Nominální koncentrace připravená v laboratoři, navážením, rozpuštěním a naředěním látky zanedbává ztráty analytu
Efektivní koncentrace skutečně působící, reálná koncentrace látky (expoziční) zodpovědná za výsledný účinek je v kauzálním vztahu s účinkem chemikálie (vztah dávka/koncentrace a účinek) lze ji odvodit od nominální zahrnutím všech reálných efektů sorpce odbourávání speciace apod.
Souhrnné parametry: DOC (dissolved organic carbon), BSK, CHSK, AOX (Adsorbable Organically bound Halogens)
ZS 2013
vhodné pro celkovou charakterizaci zátěže částí ŽP nevhodné pro vztahy dávka-účinek
Ekotoxikologie
30
Chemické procesy v ŽP Vstup látky do ŽP Zapojení do globálních biogeochemických cyklů Chování látky v ekosystému = f (vlastnosti látky, vlastnosti ekosystému) Rozšíření & Rozdělení chemikálií do oddílů ŽP závisí na: zdroji, množství a způsobu vstupu
fyzikálně chemických vlastnostech látky struktura, pnas, rozpustnost ve vodě (S, KH) a tucích (Kow), sorbovatelnosti na pevné fázi (Kads), reaktivita (k)
fyzikálně-chemických a biologických vlastnostech ekosystému teplota, tlak, pH, salinita, obsah pevné fáze (DOM), redoxní poměry, sedimentační rychlost, potravní cykly, transferové toky
transformačních procesech fotolýza, hydrolýza, redoxní a biologické reakce ZS 2013
Ekotoxikologie
31
Chemické procesy v ŽP Globální biogeochemický cyklus uhlíku Atmosféra (720) 100
100
120
Povrchová voda (700)
121
6
Živé organismy, vegetace, půda, org. odpady (2 750) 0,1
Hluboká moře a oceány (38 000)
Sedimenty Litosféra (66 000 000)
0,2
Množství :
ZS 2013
Oddíly Toky
Naleziště (5 000)
- 109 t vztaženo na C - 109 t/a vztaženo na C
Ekotoxikologie
32
Transportní procesy Transport ve vodách - parametry objemy & průtoky
rozpouštění adsorpce pohlcení organismy transfer (viz dále)
Transport v atmosféře Vertikální troposféra (do 10-15 km) - rychlé míšení, rychlá výměna tropopauza - bariéra difuzního a konvekčního toku (poločas výměny látek troposféra-stratosféra - roky) stratosféra (do 50 km) - rychlé proudění (jets)
Horizontální intrahemisférický poločas proudění (1 – 2 měsíce) interhemisférický poločas proudění (1 - 2 roky, vnitrotropická konvergenční zóna) atmosférická "destilace" (grashopper effect) - transport perzistentních org. látek do polárních regionů a-HCH: Pacifik na rovníku 0,05-0,5 ng/l, na 80°SŠ 6-7 ng/l; polární koncentrace DDT, PCB, PCDD/F - srovnatelné s místy emisí
ZS 2013
Ekotoxikologie
33
Transportní procesy v atmosféře Doba promísení
t doba života t1/2 poločas
- doba za kterou se určitá chemikálie rovnoměrně rozptýlí v určité oblasti atmosféry
• Hemisférická doba promísení - pro zemskou hemisféru, 1 až 2 měsíce
• Interhemisférická doba promísení - v rámci celé Země, 1 až 2 roky
Hemisférická doba promísení
Interhemisférická doba promísení
• Vnitrotropická konvergenční zóna (ITCZ) kolem celé Země v blízkosti rovníku
Doba života ZS 2013
Ekotoxikologie
34
Přehled nejdůležitějších transferových dějů v ŽP #
Oddělení 1
Oddělení2
Mechanismus
1
Troposféra
Stratosféra
Turbulentní difuze
2
Troposféra
Vodní kapky
Povrchová výměna plynů, vypařování
3
Troposféra
Aerosol (suchý)
Adsorpce/Desorpce
4
Aerosol
Vodní kapky
Kondenzace vody/Odpařování
5
Troposféra
Hladina vody/povrch půdy
Suchá depozice
6
Aerosol
Hladina vody/povrch půdy
Suchá depozice
7
Kapky vody
Hladina vody/povrch půdy
Mokrá depozice
8
Voda
Hladina vody
Turbulentní difuze
9
Voda
hluboký oceán
Turbulentní proudění
10
Voda
Pevné částice ve vodě
Adsorpce/Desorpce
11
Voda
Spodní voda
Adsorpce/Desorpce, proudění
12
Vodní hladina
Atmosféra
Odpařování, volatilizace
13
Vodní hladina
Aerosol
"White capping"
14
Voda
Sediment
Adsorpce/Desorpce
15
Pevné částice ve vodě
Sediment
Sedimentace
16
Půda
Povrch půdy
Louhování
17
Půda
Spodní voda
Louhování
18
Povrch půdy
Atmosféra
Odpařování
19
Půda
Aerosol
Rozvíření
20
Půda
Rostliny
Osmóza, adsorpce, odpařování
ZS 2013
Ekotoxikologie
35
Transferové procesy Základní transferové procesy Rozdělení voda/vzduch Henryho konstanta KH oktanol/voda Rozdělovací koeficient oktanol/voda - Kow organismus/voda Biokoncentrační faktor - BCF pevná fáze/voda Rozdělovací koeficient pevná fáze/voda - Ksw Ksw vztažený na obsah organického uhlíku - Koc
Volatilizace a suchá depozice
ZS 2013
Ekotoxikologie
36
Transferové procesy (1) - rovnovážný popis Rozdělení voda/vzduch - Henryho konstanta KH Parciální tlak
Vzduch
Pi [Pa]
Molární koncentrace
Voda
Ca K CW ´ H
Cw [mol/l ]
[-]
KH = f (Konc., T) ZS 2013
Henry W., Experiments on the quantity of gases absorbed by water, at different temperatures and under different pressures. Phil.Transactions 1 (1803) 29 - 42
Pi KH CW
ni Pi Pi V ni R T Ca V RT
K Hsat
P0 sat Cw Ekotoxikologie
[Pa L / mol]
KH K RT ´ H
log(Cw / Cw,s ) = Ks • CS 37
ZS 2013
Ekotoxikologie
38
Transferové procesy (2) - rovnovážný popis Rozdělení oktanol/voda - Kow
Pow K ow
Ci ,o Ci , w
Ci,o ... Ci,w ...
koncentrace látky i v n-oktanolu koncentrace látky i ve vodě
Proč je Kow v ekotoxikologii důležitý ? Kow
ZS 2013
n-oktanol je dobrým modelem buněčné membrány je měřítkem lipofylity látek vykazuje dobrou korelaci s biokoncentračním faktorem (BCF) vykazuje dobrou log-log korelaci s rozpustností ve vodě lze snadno vypočítat z molekulárních parametrů a jiných vlastností
Ekotoxikologie
39
ZS 2013
Ekotoxikologie
40
Transferové procesy (3) - rovnovážný popis Biokoncentrační faktor - BCF
Cbio k1 BCF Cw k 2 dCbio k1Cw k2Cbio dt
ZS 2013
Cbio Cw k1 k2
... koncentrace v biomateriálu ... koncentrace ve vodě ... rychlostní konstanta příjmu ... rychlostní konstanta vylučování
Za rovnováhy : k1Cw = k2Cbio
Měkkýši : Ryby :
log BCF = 0,844 log Kow - 1,235 log BCF = log Kow - 1,32
Lindan : DDT :
BCF = 100 BCF = 48 100
Ekotoxikologie
Kow = 6,5 •104 Kow = 1,5 •106
41
Transferové procesy (4) - rovnovážný popis Rozdělení voda/pevná fáze suspendované částice - adsorbenty látek s nízkou KH a malou rozpustností transport adsorbovaných látek společně s nosičem adsorpce sedimentace (dočasné odstranění ze systému) desorpce remobilizace (navrácení do systému)
K sw
Cs Cw
( l/m2 , l/kg)
Cs ... koncentrace sorbované látky (mol/m2, mol/kg) Cw ... koncentrace látky ve vodě (mol/l)
Lipofilní látky - Ksw přímo úměrný Kow a obsahu organického uhlíku v částicích Skupiny látek obvykle sorbovaných na pevné fázi: • polyhalogenované uhlovodíky • polární látky • těžké kovy ZS 2013
Ekotoxikologie
Rozdělovací koeficient vztažený na obsah organického uhlíku
K oc
K sw 100 [% oc ] 42
Příklad rozdělení mezi vodou a pevnou fází Transport hexachlorbenzenu (HCH) v řece - sorbovaný × rozpuštěný
Výchozí data: log Kow= 6, Cw=10 ng/L, koncentrace pevných částic 40 mg/m3, [% oc] = 5%, průtok = 2000 m3/s, log Koc = 0,989 ·log Kow - 0,346 Výpočet: log Koc = 0,989 · 6 - 0,346 = 5,588 Koc= 3,87 · 105 Ksw = Koc [% oc] / 100 = 3,87 · 105 · 5 / 100 = 1,94 · 104 Ca = Ksw · Cw = 1,94 · 104 · 10 = 1,94 · 105 ng/kg 0,2 mg/kg Celkové množství pevné fáze/rok = 2000 · 40 · 31536000 = 2,52 · 106 kg/r Množství rozpuštěného HCH: 10-8 · 2 · 106 · 31536000 = 630,7 kg/r Množství sorbovaného HCH: 0,2 · 2,52 · 106 = 0,50 kg/r tj. 0,008% rozpuštěného množství ZS 2013
Ekotoxikologie
43
Transferové procesy (5) - nerovnovážný popis Volatilizace/suchá depozice - transfer látek mezi vodou (půdou) a atmosférou Rozdělení látky mezi vodou a atmosférou rovnovážný stav popsáno KH nerovnovážný stav koncentrační gradienty kinetika & látkové toky směr látkového toku dle gradientu volatilizace - voda vzduch suchá depozice - vzduch voda Princip: na obou stranách fázového rozhraní existují dvě tenké stacionární vrstvy ve kterých probíhá látkový tok pouze molekulární difuzí, mimo tyto vrstvy probíhá navíc turbulentní difuze a konvekce ve stacionárních vrstvách panuje rovnováha popsaná KH obě vrstvy vytvářejí aditivní odpor převodu hmoty skrz fázové rozhraní Předpoklady teorie: žádný prudký teplotní spád na fázovém rozhraní dostatečné proudění pro rychlý transport do atmosféry dostatečná turbulentní difuze a konvekce ve vodě ZS 2013
Ekotoxikologie
44
Transferové procesy (5) - nerovnovážný popis Volatilizace/suchá depozice - transfer látek mezi vodou (půdou) a atmosférou Cg Cg Vzduch
F
Cg,i
Hraniční vrstva
Fázové rozhraní
KH
ZS 2013
C g ,i
F
Cw,i
Voda
x
Cg,i
Cw
Cw,i Cw
C
C w ,i Volatilizace
Suchá depozice
F kw (Cw Cw ,i ) kg (Cg ,i Cg )
F kg (Cg Cg ,i ) kw (Cw ,i Cw )
Ekotoxikologie
45
Transformační procesy Všechny látky podléhají v ŽP průběžným změnám - transformace struktury Abiotické procesy fotolýza (přímá a nepřímá) hydrolýza (alkalická, neutrální a kyselá) oxidace/redukce b-eliminace pyrolýza Biotické procesy (aerobní/anaerobní) alkylace těžkých kovů dechlorace mineralizace Většina látek ztrácí s postupným odbouráváním toxicitu (pozor na výjimky) ZS 2013
Ekotoxikologie
46
Transformační procesy Abiotické transformace
Fotolýza - změna struktury způsobená zvýšenou reaktivitou molekul v excitovaném stavu přímá (monomolekulární) - pokud látka může přímo absorbovat záření (hlavně UV) hν A A B
nepřímá (bimolekulární) - molekulu nelze přímo fotonem excitovat (zakázaný přechod ST), molekula obdrží excitační energii srážkou s energeticky bohatou částicí (HO, HOO, ROO, 1O2) hν S S
A S A S A B Kvantitativní popis - kvantový výtěžek = f() Látky podléhající fotolýze: chlorované aromáty, PCDD/PCDF, DDT, bromované difenylétery, EDTA-Fe komplex ZS 2013
Ekotoxikologie
47
Transformační procesy Abiotické transformace
Hydrolýza - reakce s H2O, H+ či HO- (nukleofilní substituce), převážně v hydrosféře
V ŽP probíhá: převážně ireverzibilně většinou spolehlivě dle známých mechanismů vede k malému počtu dobře definovaných produktů Hydrolýze podléhají hlavně: estery amidy kyselin halogenované látky epoxidy karbamáty sulfoestery ZS 2013
Ekotoxikologie
48
Transformační procesy (A)biotické transformace Oxidačně-redukční reakce - reakce přenosu elektronů Neostré (neznalost) rozlišení na abiotické a biotické Biotické - metylace těžkých kovů (Hg) Abiotické - významná role volného metylkobalaminu (koenzym vitaminu B12) a CH3I (donor CH3 )
Oxidativní procesy Troposféra: reakce energeticky bohatých částic (1O2, O, O3, HO, HOO) Hydrosféra: reakce s H2O2, HO, HOO, ROO, 1O2 Reduktivní procesy Anaerobní procesy - hlavně sedimenty a půda Příklady: reaktivní dechlorace PER, DDT, Toxafenu a Lindanu, metylace Hg ZS 2013
Ekotoxikologie
49
Transformační procesy Biotické transformace Převážně ve vodě, sedimentech a půdě Transformace mikrobiální (enzymatické) - bakterie a houby vyšších organismů - deaktivace a vyloučení škodlivin Odbourávání na převážně méně škodlivé látky a až po mineralizaci Hlavní cesty biotického odbourávání v organismech: dýchací proces - škodliviny jsou využívány jako zdroj energie a esenciálních prvků kometabolismus - škodliviny jsou metabolizovány souběžně s podobnými látkami standardním metabolismem Příklad - metylace těžkých kovů nárůst toxicity (lipofility & bioakumulace) - aktivace u Hg, Pb, Ti, Cr, Sn, Se pokles toxicity - As ZS 2013
Ekotoxikologie
50
