Ekotoxikologie. Univerzita Karlova v Praze. Katedra analytické chemie. Přírodovědecká fakulta. RNDr. R. Čabala, Dr. ZS

Ekotoxikologie Univerzita Karlova v Praze Přírodovědecká fakulta

Katedra analytické chemie RNDr. R. Čabala, Dr. ZS 2006 - 2013

Bioakumulace  Bioakumulace 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 2006 - 2013

Ekotoxikologie

2

Bioakumulace Definice pojmů

Bioakumulace  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 2006 - 2013

Ekotoxikologie

3

Bioakumulace Bioakumulace - 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 2006 - 2013

Ekotoxikologie

4

Bioakumulace Příklady bioakumulace a biomagnifikace Přístav Vierwaldstattersee, Švýcarsko Long Island, USA, 1967 Koncentrace (DDT mg/l, mg/kg)

BCF

Voda

0,00005

-

Zooplankton

0,04

800

Bezobratlí

0,16-0,42

3200-8400

Ryby

0,23-1,28

4600-25600

Dravé ryby

2,07

41400

Racci

3,5-18,5

70000-370000

Kormoráni

26,42

528400

Druhová specificita bioakumulace ZS 2006 - 2013

Ekotoxikologie

5

Bioakumulace 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

Organizmus Trávící soustava

Potrava

Metabolizmus játra

Eliminace

Rozdělení krev, hemolymfa

Voda, vzduch půda ZS 2006 - 2013

Kůže, plíce, žábry Ekotoxikologie

Uložení tuky 6

Bioakumulace 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 2006 - 2013

Ekotoxikologie

7

Bioakumulace 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 2006 - 2013

Ekotoxikologie

8

Bioakumulace 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 2006 - 2013

Ekotoxikologie

9

Bioakumulace 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 Klip/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 2006 - 2013

Ekotoxikologie

10

Bioakumulace Jednooddílový model dCb  k1Cw  k2Cb dt

Příjem k1 Cw

Organizmus

Eliminace k2

Cb

Integrace

Cb  Cw

k1 1  e k2 t   Cb, t 0e k2 t  k2

pro Cb, t 0  0

BCF 

Cb 1  e  k2 t   Cw

za rovnováhy, kdy

BCF 

ZS 2006 - 2013

Cb, t  Cw, t 



dCb 0 dt

k1 k2 Ekotoxikologie

11

Bioakumulace Bioakumulace TBTCl z vody Daphnia magna k1= 4,85 k2= 0,025 r = 0,99

Bioakumulace Trifluarinu ze vzduchu listy azalky vonné dw ... suchá hmotnost

ZS 2006 - 2013

Ekotoxikologie

12

Bioakumulace 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 Eliminace Příjem farmakologické procesy Hlavní k01 k10 Cb1 Cw k12 Vedlejší

ZS 2006 - 2013

Ekotoxikologie

k21 Cb2 13

Bioakumulace 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 2006 - 2013

Ekotoxikologie

14

Bioakumulace Faktory ovlivňující a podmiňující bioakumulaci Faktory

Příslušné vlastnosti

fyzikálně-chemické vlastnosti látek

velikost molekuly, náboj, lipofilita, chemická speciace

biologická dostupnost

chemická speciace, pH, sorpce

ŽP

teplota, pH, salinita

biotické

druh, obsah tuku, vývojové stadium, trofická úroveň, ekologie organizmu

fyziologické

průtok vody a krve žábrami, rychlost metabolizmu a eliminace organizmu

cesty příjmu

potrava, médium

biomagnifikace

druh potravního řetězce

ZS 2006 - 2013

Ekotoxikologie

15

Bioakumulace Fyzikálně-chemické vlastnosti látek 

Bioakumulace 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, Klip/w  stupni ionizace látky  molekulovou hmotností látky Rozdělovací koeficient lipidy/voda, Klip/w  prakticky nezměřitelný  nahrazení lipidové fáze nepolárním organickým rozpouštědlem (olivový olej, liposomy, n-oktanol) Rozdělovací koeficient n-oktanol/voda, Kow  nejpoužívanější systém popisu lipofility v eko- a toxikologii  pouze model buněčné membrány ZS 2006 - 2013

Ekotoxikologie

K ow 

coktanol cwater 16

Bioakumulace Akumulace organických látek  přímo úměrná Klip/w  Kow Rozdělovací koeficient n-oktanol/voda, Kow  není termodynamická konstanta - je funkcí pH, teploty, salinity, ...  existuje velmi těsná korelace logBCF - logKow  pouze modelové přiblížení realitě - nutnost kritické interpretace log BCF  a  b  log Kow  látky s logKow  4 - 6 přestává platit lineární závislost BCF menší než odpovídá logKow

ZS 2006 - 2013

Ekotoxikologie

17

Bioakumulace  30 % látek se liší v hodnotě BCF o 1 řád oproti předpovědi

Důvody nepřesností korelace logBCF-logKow  omezená průchodnost lipidové membrány příliš vysoká lipofilita, logKow  4 - 6 - při přechodu do buňky musejí látky z membrány difundovat zpět do hydrofilního prostředí krve/hemolymfy/cytosolu - látky zůstávají v membráně Ryby molekulová struktura či velikost - makromolekuly a polymery nad 1 nm - difuzní bariéra  rychlý metabolizmus a eliminace - BCF menší než odpovídá logKow  odchylky modelu n-oktanol/voda od systému lipidy/voda Hrubý odhad BCF dle modelu možný ZS 2006 - 2013

Ekotoxikologie

18

Bioakumulace 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 pKa kovy - jiný mechanizmus vstupu do buňky - iontovými kanály s pomocí transportních bílkovin - přednostně volné - komplexace snižuje BCF - vyšší BCF v měkké vodě ZS 2006 - 2013

Ekotoxikologie

19

Bioakumulace Faktory životního prostředí Bioakumulace TBT-Cl Daphnia magna

ZS 2006 - 2013

Ekotoxikologie

20

Bioakumulace 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 2006 - 2013

Ekotoxikologie

21

Bioakumulace 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 ... 7400  10000 Rhadinocentrus ornatus BCF ... 6000  50000

ZS 2006 - 2013

Ekotoxikologie

22

Bioakumulace 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 ZS 2006 - 2013

Ekotoxikologie

Bioakumulace Lindanu v rybách 23

Bioakumulace 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

1440

1,8

Poecilia reticulata

13000

5,4

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 2006 - 2013

Ekotoxikologie

24

Bioakumulace 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

ZS 2006 - 2013

Bioakumulace TBT u střevle potoční

Ekotoxikologie

25

Bioakumulace 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. Pb2+)

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 2006 - 2013

Ekotoxikologie

26

Bioakumulace 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 2006 - 2013

Ekotoxikologie

27