KÖRNYEZETI KÉMIA ÖKOTOXIKOLÓGIA
1
A civilizáció folyamatos fejlődése mellett az emberek egyéni és kollektív tevékenysége folytatható legyen a végtelen jövőben legalább azonos, de ha lehet jobb életkörülmények között. Collins, T. Science, 2001, 291, 48.
A FENNTARTHATÓ CIVILIZÁCIÓ A környezettel és fejlődéssel kapcsolatos rioi nyilatkozat első alapelve (Rio de Janeiro, 1992. Június 3-14.) Az emberek állnak a fenntartható fejlődés középpontjában. Jogosultak egészséges és hatékony életre a természettel harmóniában.
2
A környezeti szennyezés a gazdasági növekedéssel párhuzamosan növekszik. A környezetszennyezés problematikáját először 1970 körül ismerték fel.
Egyértelművé vált a gazdasági fejlődés ára és azok hátrányai. A kialakult környezettudatosság azután a környezetvédelemben és a környezetvédelmi törvényekben tükröződik vissza.
3
A környezettudatosság társadalmi fejlődésének főbb állomásai Idő
környezetkárosítás
1950-60
DDT: ragadozó madarak szaporodásának károsítása Organoklór peszticidek: felhalmozódás a táplálkozásláncban Metilhigany: humán mérgezések (Minamata, Japán)
1960-70
Detergensek, nehézfémek: Vízszennyeződés
1970-80
Poliklórozott bifenilek: bioakkumuláció, tengeri emlősök szaporodásának károsodása Dibenzo-1,4-dioxinok: Seveso-katasztrófa Savas esők: a talaj és a természetes vizek savasodása Mosószerek: természetes vizek szennyeződése
1970-90
Tankhajó-balesetek: tengerpartok szennyeződése Klórozott szénhidrogének (oldószerek): ivóvíz szennyeződés
1980-90
Levegőszennyeződés: erdőpusztulás Szerves ónvegyületek: vízi élőlények pusztulása
1990-től
4 Hormonháztartást, szaporodást befolyásoló környezetszennyező anyagok
A KÉMIA EGYRE ROMLÓ MEGÍTÉLÉSE Az 1950-es és 1960-as években a kémikusok azt hitték, hogy a kémia megoldást adhat a társadalom különböző szükségleteire. A nagyszámú sikeres megoldás mellett, sajnos több előre nem várt súlyos kimenetelű esemény is történt. A DDT nevű klórozott rovarirtószer felgyülemlik a madarakban. Tojáshéj vékonyodást és más szaporodási problémákat okoz. Carson, R. (1962). Silent Spring. Houghton Mifflin Co., New York. A Thalidomide nevű gyógyszert terhes nők használták reggeli rosszullét tüneti kezelésére. Mintegy 10 000 gyermek rendellenességekkel született.
CCl3
Cl
Cl
O O
N NH O
O
5
A tetraetil-ólmot addig használták kopogásgátlóként benzinben, amíg ki nem derült, hogy ólommérgezést okoz és jelentősen csökkenti a gyermekek IQ szintjét. 1982, Times Beach, Missouri (USA) Az utak melletti földek dioxinnal voltak szennyezve . 1972-ben dioxinnal szennyezett olajat használtak az utak felújítása során. A dioxin szintje 300 - 740 ppb között volt ( >1ppb már veszélyesnek számít mindennapi érintkezéskor). 1999, Belgium Különböző hústermékek dioxinnal voltak szennyezve .
Cl
O
Cl
Cl
O
Cl
6
KÉMIAI BALESETEK 1984. december 3. Bhopal, India A Union-Carbide cég rovarirtószert gyártó üzeméből 40 tonna metil-izocianát (CH3NCO) került a város sűrűn lakott részei fölé, melynek következményeként 3500-an meghaltak és 150000-en megbetegedtek. 1996. Október 19. University of Texas, Austin, USA Fém nátriumot tartalmazó éghető szerves hulladék közömbösítése során a nátrium vízzel került érintkezésbe, amely súlyos tüzet okozott. Az egyetem 30.2 millió dollárt költött a kémiai tanszék tűzbiztonsági felszereltségének biztosítására 2000. Tisza Ciánszennyezés került a Tisza folyóba.
7
8
KEMOFÓBIA Az emberek által ában azt hiszik, hogy a vegyi anyagok "rosszak" és a "természetes anyagok" jobbak. Az a vélemény, hogy a "természetes" jobb mint a "kémiai” (szintetikus) megalapozatlan. Számos természetben található vegyület káros O biológia hatással rendelkezik. A természetben található Aflatoxin B1 O az egyik legerősebb rákkeltő vegyület.
O
O O
Babérfa gyökeréből kinyert extraktumot a "root beer" nevű alkoholmentes üdítő ízesítésére használják, melyből az erősen rákkeltő szafrolt el kell távolítani
OCH3
O O 9
Bis-(2-etil-hexil)-ftalát (Dioktil-ftalát) Műanyagipar, lágyító Pszeudoösztrogén hatás, hormonmódosító Spermiumszám csökkenés Cardiotoxicitás (in vitro sejtkultúrákban)
10
A ZÖLD KÉMIA ALAPELVEI Anastas, P. T. és Warner, J. C. Green Chemistry: Theory and Practice, Oxford University Press, Oxford, 1998. Barta, K.; Csékei, M.; Csihony, S.; Mehdi, H.; Horváth, I. T.; Pusztai, Z.; Vlád, G. A zöld kémia tizenkét alapelve, Magyar Kémikusok Lapja 2000, 55, 173.
A kémiai termékek tervezését, termelését és felhasználását irányító elvek egységes alkalmazása, melyek eredményként csökken vagy megszűnik a környezetre veszélyes anyagok előállítása és felhasználása. 1. Jobb megelőzni a hulladék keletkezését, mint keletkezése után kezelni. 2. Szintézisek tervezésénél törekedni kell a kiindulási anyagok maximális felhasználására (atomhatékonyság) 3. Lehetőség szerint már a szintézisek tervezésénél olyan reakciókat célszerű választani, melyekben az alkalmazott és keletkező anyagok 11 nem mérgező hatásúak és a természetes környezetre nem ártalmasak.
Gyakran előfordul, hogy egy “tökéletes hozamú” szintézisben annyi hulladék keletkezik, aminek mennyisége többszöröse a terméknek.
44000 tonna etilénoxid termelése során 111000 tonna kalcium klorid és 18000 tonna víz képződik. (melyek tartalmazhatnak klórozott szénhidrogén származékokat is).
12
Egy folyamatban keletkező hulladék mennyiségét jellemzi a környezeti faktor (E- azaz environmental factor), mely az 1 kg termékre eső hulladék tömegét adja meg.
111 + 18 E= = 2,93 44
13
A különböző, kémiai eljárásokat alkalmazó iparágakra jellemző, hogy minél nagyobb a termelés volumene, annál kisebb a környezeti faktor. *Environmental (E) factor: Sheldon, R. A. CHEMTECH, 1994, 24, 38 – 47. 14
A ZÖLD KÉMIA ALAPELVEI Anastas, P. T. és Warner, J. C. Green Chemistry: Theory and Practice, Oxford University Press, Oxford, 1998. Barta, K.; Csékei, M.; Csihony, S.; Mehdi, H.; Horváth, I. T.; Pusztai, Z.; Vlád, G. A zöld kémia tizenkét alapelve, Magyar Kémikusok Lapja 2000, 55, 173.
A kémiai termékek tervezését, termelését és felhasználását irányító elvek egységes alkalmazása, melyek eredményként csökken vagy megszűnik a környezetre veszélyes anyagok előállítása és felhasználása. 1. Jobb megelőzni a hulladék keletkezését, mint keletkezése után kezelni. 2. Szintézisek tervezésénél törekedni kell a kiindulási anyagok maximális felhasználására (atomhatékonyság) 3. Lehetőség szerint már a szintézisek tervezésénél olyan reakciókat célszerű választani, melyekben az alkalmazott és keletkező anyagok 15 nem mérgező hatásúak és a természetes környezetre nem ártalmasak.
Egy zöld kémiai szempontból ideális reakcióban, vagy folyamatban az összes kiindulási atom megjelenik a termékben. Ezt az atomhatékonyság megállapításával lehet meghatározni, ami megmutatja, hogy a kiindulási anyagok atomjai milyen százalékban alakulnak át a céltermékké Atomhatékonyság = (Mcéltermék /Mkiindulási anyagok) • 100 Trost, B. M.: Science 1991, 254, 1471.
16
17
4. Kémiai termékek tervezésénél törekedni kell arra, hogy a termékekkel szembeni elvárások teljesítése mellett mérgező hatásuk minél kisebb mértékű legyen. 5. Segédanyagok (oldószerek, elválasztást elősegítő reagensek, stb.) használatát minimalizálni kell, s amennyiben szükséges, ezek „zöldek” legyenek. 6. Az energiafelhasználás csökkentésére kell törekedni. 7. Megújuló nyersanyagokból válasszuk a vegyipari alapanyagokat. 8. A felesleges származékkészítést kerülni kell. 18
9. Reagensek helyett katalizátorok alkalmazását kell előtérbe helyezni. 10. A kémiai termékeket úgy kell megtervezni, hogy használatuk végeztével ne maradjanak a környezetben, és bomlásuk környezetre ártalmatlan termékek képződéséhez vezessen. 11. Új és érzékeny analitikai módszereket kell használni a vegyipari folyamatok in situ ellenőrzésére, hogy a veszélyes anyagok keletkezését idejében észleljük. 12. A vegyipari folyamatokban olyan anyagokat kell használni, amelyek csökkentik a vegyipari balesetek (kémiai anyagok kibocsátása, robbanás, tűz) valószínűségét .
19
A zöld kémia néhány napjainkban fontos kihívása 1. A víz hatékony bontása látható fénnyel 2. Olyan oldószerrendszerek tervezése, amelyek hő és anyagátadás mellett katalizátorként is működnek, és lehetővé teszik a termékek könnyű elválasztását 3. Molekuláris építőkocka rendszer tervezése atomhatékony és környezetbarát szintézisekhez 4. Adalékmentes műanyagok kifejlesztése, amelyek használat utáni természetes bomlása a környezetre ártalmatlan anyagok képződéséhez vezet 5. Újra felhasználható anyagok tervezése 6. Nem fosszilis anyagot fogyasztó energiaforrások kiaknázása 7. Szén-dioxid alapú kémiai termékek kifejlesztése 8. Olyan új anyagok és felületek kifejlesztése, amelyek sokáig használhatók 20 és nem igényelnek felületi védőréteget ill. tisztítást
Tejsav
H3C
CH
COOH
OH
ring opening polymerization of lactide to polylactide
21
A gazdasági fejlődés ára, és árnyoldala: a környezetszennyezés
A legfontosabb környezeti problémák: 1. Globális felmelegedés 2. Ózonréteg elvékonyodása, ózonlyuk növekedése 3. Fajok kihalása 4. Élőlények életterének elpusztulása 5. A környezet kémiai terhelése
22
Környezetkémia Vizsgálja a kémiai anyagok viselkedését, sorsát a környezetben (környezeti analitika) Toxikológia A kémiai anyagok és az élő szervezetek közötti kölcsönhatást Biokémiai, molekuláris, fiziológiai, patológiai mechanizmusokat (humán toxikológia a farmakológiából fejlődött ki) Ökológia A különböző organizmusok és környezetük kölcsönhatása Ökotoxikológia Multidiszciplináris környezettudomány Elsősorban a környezeti kémiai anyagok hatásait vizsgálja minden biológiai szinten 23
Az ökotoxikológia tárgya: Az ökotoxikológia a kemikáliák hatását vizsgálja a természetre Multidiszciplinális tudomány, amely kb. 1980-tól kezdve a környezeti kémiából és a toxikológiából fejlődött ki. Összekapcsolja és integrálja a környezeti kémia, a toxikológia és az ökológia alapelveit. A központban a kemikáliáknak a természetre gyakorolt káros hatásainak vizsgálata áll. Vizsgálja a kémiai anyagok útját a természetben, és azok kölcsönhatásait és hatásait a biológiai rendszerekben, az élő természetben. Emberi tevékenységből származó természetes anyagok feldúsulása, másrészt tisztán emberi tevékenységből származó (szintetikus) anyagok. A környezettudományok a diszciplináris kutatások eredményeit használják fel, és integrálják. A cél, hogy megértsük és felderítsük az emberi eredetű kemikáliák 24 hatásait, és így elkerülhessük az ezekhez kapcsolódó veszélyeket.
Ökotoxikus hatás Az ökotoxikológia a kémiai anyagok és anyagkeverékek hatását vizsgálja minden biológiai szinten: Molekula, sejt, szervezet, populáció Elsődleges fontosságúak a hatások a molekuláristól az élő szervezet szintjéig, mivel ezeken a szinteken valósulnak meg a hatásmechanizmusok. A direkt hatások mellett az ökotoxikológia vizsgálja az indirekt hatásokat is (pl. ragadozók – zsákmányállatok) Az ökotoxikus hatása egy anyagnak függ annak fizikai, kémiai tulajdonságaitól, biológiai hozzáférhetőségétől, és a biológiai aktivitásától, ennek megfelelően a dózistól. 25
molekula
sejt
szervezet
populáció
Ökoszisztéma
26
Akut hatások: nagy koncentráció, rövid expozíciós idő (balesetek) A legtöbbször azonban a környezetben előforduló kemikáliák alacsony koncentrációban vannak jelen. Krónikus hatások hosszú expozíciós idő. Ökotoxigológiai szempontból ezek sokkal veszélyesebbek. A hatások mértéke így egyrészt az anyag koncentrációjától, tulajdonságaitól, hatásmechanizmustól, másrészt az expozíció időtartamától, függ. Az expozíció az ökoszisztéma fizikai, kémiai tulajdonságaitól is függ. Expozíció és biológiai hozzáférhetőség A kemikáliák előfordulása, átalakulása a környezetben (transzport-, és transzformációs folyamatok) Expozíciós koncentráció – dózis Biológiai hozzáférhetőség
27
1. Az ökotoxikológia környezeti kémiai vonatkozásai Környezetkémiai folyamatok vizsgálata, mi a sorsa az antropogén kemikáliáknak a környezetben?
Környezeti analitika, vizsgálati koncepciók Érzékenység: ppt (ng/L) pikomól 10-12 Mintavétel Dúsítás, elválasztás Származékkészítés Analitikai módszerek: Ioncserés kromatográfia szervetlen anyagok Atomabszorpciós, atomemissziós spektroszkópia HPLC, GC, MS szerves vegyületek
nehézfémek
28
Műveleti sorrend:
Módszer kiválasztása
Mintavétel
Mintaelőkészítés
Oldás, feltárás Zavaró anyagok eltávolítása
Mérés
Az eredmény kiszámítása
Az eredmény megbízhatóságának ellenőrzése
29
30
Az anyag és az elektromágneses sugárzás kölcsönhatása
Ha az elektromágneses sugárzás szilárd, folyadék vagy gázhalmazállapotú mintán halad át, a minta bizonyos frekvenciájú komponenseket elnyelhet
abszorpció Az anyagok energiaközlés során (termikusan, fény hatására vagy elektronokkal történő bombázással) gerjesztett állapotba kerülhetnek. A gerjesztett részecskék elektromágneses sugárzás kibocsátása közben vesztik el a felvett energiát
emisszió
Az analízis optikai módszerei: abszorpciós és emissziós spektroszkópia 31
Emissziós színképelemzés Gerjesztés: elektromágneses sugárzás, láng, elektromos ív, nagyfeszültségű szikra Induktív csatolású plazmaégő (ICP) Az emissziós spektrum a kisugárzott energia hullámhossz szerinti eloszlását adja meg Atomok: vonalas színkép
Molekulák: sávos színkép
32
Lángfotometria Az oldat finom permet formájában kerül a lángba Atomok termikus gerjesztése Könnyen gerjeszthető alkáli- és alkáli-földfémek analízise Földgáz – levegő 1750-1850 ºC Acetilén-levegő 2200-2400 ºC Acetilén-dinitrogén-oxid 2950-3050 ºC
Vér, vizelet, növényi anyagok analízise: Li, Na, K meghatározás
33
Atomabszorpciós spektroszkópia (AAS) Az abszorbeáló részecskék molekulák 1.
Atomizáció
2. Abszorpció (külső fényforrásból származó sugárzás elnyelése) Alapállapotú atom
első elektrongerjesztési szint
Első rezonancia vonalak a kényelmesen mérhető UV tartományban vannak ( > 200 nm)
34
35
Tömegspektrometria A tömegspektrometria olyan minőségi és mennyiségi analitikai módszer, amelynek segítségével a molekulaszerkezet felderítése, molekulatömeg és izotópgyakoriság meghatározása, továbbá elegyek mennyiségi elemzése végzhető el.
Gázhalmazállapotú mintát nagyenergiájú elektronsugárral ütköztetik
Fragmentáció, ionizáció Fragmentumok szétválasztása, a mennyiséggel arányos jel nagyságát mérik
36
Az ionok elválasztása
Egyszer fókuszáló mágneses eltérítésű analizátor
A körpálya sugara:
r=
2V B
m e
V = gyorsító feszültség B = térerősség m = a részecske tömege e = az elektron töltése 37
Kemikáliák a környezetben
ed és
o lg ás
párolgás
BioVíz akkumuláció Biológiai hidrolízis, fotolízis rendszerek mikrobiológiai lebomlás kiválasztás metabolizmus oxidáció
Talaj Fotolízis lebontás
ad sz or de pc ió sz or pc ió
kiülepedés
lep
r pá
Kemikáliák a környezetben
ki ü
Levegő Fotolízis lebontás
38
Ökotoxikológiai hatások kiértékelése: Expozíció ismerete, koncentráció meghatározása, elsődlegesen kémiai analitikai módszerekkel A környezet megfigyelése: monitoring: folyamatos mérés, fizikai-kémiai módszerekkel biomonitoring: bizonyos organizmusokat, (indikátororganizmusokat) vagy meghatározott fiziológiai, biokémiai reakciókat mint a környezeti terhelés paramétereit lehet felhasználni (pl. halak mozgása, vízibolha, kagylóhéj záródása) Bioindikátorok: a környezeti stressz-faktorokra bizonyos organizmusok reagálnak (zuzmók) Biomarkerek: biokémiai indikátorok, pl. a levegőszennyeződés bioindikátorai (pl. CYP1A)
39
1.1. A kemikáliák sorsa és viselkedése a környezetben Környezetkémiai folyamatok A kemikáliák koncentrációját és eloszlását a természetben a következő tényezők befolyásolják: A kibocsátó forrás, az anyag mennyisége Az anyag fizikai, kémiai tulajdonságai Molekulaszerkezet Gőznyomás Víz- és zsíroldékonyság Megoszlási hányadosok Lebonthatóság Az ökoszisztéma fizikai, kémiai és biológiai tulajdonságai pH hőmérséklet sótartalom lebegő szennyeződések, ülepedési tulajdonságok tápanyag-körforgás
40
Folyamatok, amelyek meghatározzák a kemikáliák sorsát a környezetben Transzport
diffúzió,diszperzió transzport, részecskék felületén
kőolaj PAH
Transzfer
Oldódás szorpció, szedimentáció párolgás atmoszférikus depozíció
tenzidek nehézfémek tetraklóretén kén- és nitrogén-oxidok, PCDD
Transzformáció abiotikus biotikus
Átalakulások (transzformációs folyamatok) Fotolízis Hidrolízis Redoxreakciók Biológiai lebontás
peszticidek metilhigany, peszticidek
41
Szerves környezetszennyező anyagok
hidrofil
tetraklóretén Fluor-klór-szénhidrogének
Nitrilotriacetát, etiléndiamin-tetraacetát NTA EDTA
Peroxiacil-nitrát
Tributil-ón
polaritás
Tenzidek Atrazin PAN
TBT PER
Nehézfémek
DDT FCHC
Kőolaj, szénhidrogének
Poliklórozott bifenilek
PCB
Poliklórozott dibenzo-dioxinok, -furánok metán
lipofil
Illékony
VOC
PAH
PCDD, PCDF
illékonyság
aromás szénh. Illékony szerves Policiklusos vegy.
nem illékony 42
Transzportfolyamatok a vizekben a) Oldódás b) Adszorpció c) Ülepedés (szedimentáció) Atrazin Cl
N N
NH N
NH
C2H5
CH(CH3)2
Növényvédőszer, herbicid, kukoricatermesztés Ökotoxikológiai hatások: Gátolja a fotoszintézist, asszimilációt blokkolja Fitoplanktonokat, magasabbrendű növényeket károsítja, zooplanktonokat közvetve, vízminőség megváltozik
Viselkedése a környezetben: bemosódik a földekről, viszonylag nagy vízoldhatóság (33 mg/L) az atmoszférában elhanyagolható a jelenléte kevéssé adszorbeálódik, nagy mobilitás Átalakulás: hidrolízis, fotolízis és mikrobiológiai lebontás csak kis mértékben nincs jelentős felhalmozódás az élö szervezetekben 43
Atmoszférikus transzportfolyamatok
A szennyezőanyagok keveredése: a troposzférában (kb. 12 km-ig) gyors A troposzféra és a sztratoszféra (12-50 km) közötti kicserélődés több évig tart
A szennyező anyagok megjelenése a sarkvidéken klórozott szénhidrogének, kőolajban jelenlévő anyagok, ólom, más szerves illékony anyagok: atmoszférikus transzportfolyamatok az alacsony hőmérsékleten kondenzálódnak a hőmérsékletgradiens okozza a szennyező anyagok feldúsulását pl. HCH, a koncentráció nő az egyenlítőtől, 0,05-0,5 ng/L- től 6-7 ng/L-ig A sarkvidéken fókákban, madarakban viszonylag magas DDT, Lindan, Chlordan, PCB, PCD/PCDF koncentráció
44
O Clm
Cln
Clm
Cln O
O
PCDD
PCDF
Cl Cl
Cl
Clm
Cln
HCH Cl
PCB
Cl Cl
Cl
CH
Cl
DDT
CCl3 45
PCDD, PCDF forrásai - Széntüzelésű erőművek ipari berendezések - Hulladék égetése - Fémkohászat - Diesel-üzemű motorok - Szennyvíz-iszap kezelés - Kezelt faanyagok égetése
Poliklórozott fenolok előállítása Agent orange Cigarettafüst Műanyagok, stb.
Dioxin szennyeződéssel járó balesetek
1949 Növényvédőszer gyártás, West Virginia 1963 Agent orange gyártás során robbanás, Amszterdam 1968 2,4,5-triklórfenol, Csehszlovákia, 60 ember érintő súlyos mérgezés 1976 Nagy mennyiségű dioxin kibocsájtás, Seveso 1982-1985 talajszennyezés, Times Beach, Missouri 1999 Dioxin krízis Belgiumban, takarmányszennyeződés 2001 szeptember 11, New York, World Trade Center 2001 30 éves nő, a normál szint 16000-szerese 2000- 2,4,5-T előállítás, New Plymouth, New Zeeland, Dow Chemical 46
PCDD egészségkárosító hatásai Karcinogén Teratogén Klórakne Nemi fejlődés zavarai Immunrendszer károsító Közpnti és perifériás idegrendszeri rendellenességek Diabetes Hepatotoxicitás Ivararány megváltozása
47
V. Juscsenko (2004)
48
49
Agent Orange
Cl Cl
Cl
O
O
Cl
O
O C
C OH
Cl
OH
50
O Clm
Cln
Clm
Cln O
O
PCDD
PCDF
Cl Cl
Cl
Clm
Cln
HCH Cl
PCB
Cl Cl
Cl
CH
Cl
DDT
CCl3 51
HCH (hexaklór-ciklohexán) γ -Lindán
Inszekticid Rühösség, tetvesség Idegméreg, máj- és vesekárosító Bioakkumuláció
52
PCB
Clm
Cln
Alacsony gőznyomás, sága viszkózus folyadék, jó hővezetőképesség, kémiailag ellenálló Felhasználás: Adalékanyag (PVC, peszticidek, festékek) Hidraulikus folyadékok Lángmentesítés Hűtőfolyadék (transzformátorok) Egészségkárosító hatások Klórakne Májkárosodás Immunrendszert gyengíti Anémia teratogén
53
1,1-di(4’-klórfenil)-2,2,2-triklór-etán, DDT
Cl
1874 1940-1970 1948 1955
a DDT első szintézise a peszticid általános alkalmazása P. Müller Nobel díja a vándorsólymok tojásai abnormális törékenységének felfedezése Angliában 1960 a vándorsólyom populációk csökkenése 1962 a DDE kimutatása a tojásokban Cl 1965 a populációk drasztikus csökkenése 1967 a tojáshéjak nagymértékű elvékonyodása 1968 hasonló hatások más ragadozómadaraknál 1969-1970 kísérleti bizonyíték a DDT és DDE hatására 1972 a DDT betiltása az USA-ban, majd Európában
Cl
CH CCl3
Cl
C CCl2
A DDT- még ma is használják egyes fejlődő országokban (malária)
54
A DDT és metabolitjai CCl3 Cl
CH
Cl
CCl2
CHCl2 Cl
CH
DDD
Cl
Cl
C
Cl
DDE
55
Egészséges emberek zsírszövetének DDT-tartalma az 60-as években (a DDT széles körű használatának megszüntetése előtt) Ország Ausztrália NSZK Anglia Dánia Kanada Olaszország Franciaország Csehszlovákia Magyarország Izrael USA Kalifornia Florida
DDT a zsírszövetben mg/kg 1,8 2,3 3,3 3,3 4,9 5,0 5,2 9,6 12,4 19,2 5,3 19,9 56
Ózonréteg károsodása
57
58
59
60
61
UVA 400 nm–315 nm 3.10–3.94 eV UVB 315 nm–280 nm 3.94–4.43 eV UVC 280 nm–100 nm 4.43–12.4 eV
62
63
Ózonréteg Az ózonréteg képződése a sztratoszférában (Chapman reakciók): O2 + hν
O+O
O + O2
O3
O3 + hν
O2 + O
O3 + O
2O2
1/ ν = γ < ~ 240 nm
64
Sarki sztratoszféra felhők (polar stratospheric clouds) -78°C alatt keletkezik (víz, salétromsav, kénsav)
65
Klórozott szénhidrogén fotolízise: CCl2F2 Az ózon katalitikus bomlása: O3 + Cl ClO + O
Cl + CF2Cl ClO + O2 Cl + O2
Klórtárolók keletkezése OH + ClO HO2 + Cl ClO + NO2
HCl + O2 HCl + O2 ClONO2
PSC HCl + ClONO2
Cl2 + HNO3
66
67
68
69
70
Levegőszennyezők Nitrogén-oxidok Forrás: motorizáció (NO, NO2, 0,2 ppm), villámlás Ózonkárosítók, troposzférikus ózonképződés savas eső képződés
2NO2
N2O4
71
NO2 szennyeződés Európában (2003)
72
Ózon (troposzférikus) Másodlagos szennyező anyag, nitrogén-oxidok és szerves anyagok jelenlétében képződik napfény hatására (0,5 ppm) Légutakat, nyálkahártyát izgatja, légzést nehezíti Növények zöld leveleit károsítja
73
Kéndioxid Kéntartalmú tüzelőanyagok elégetésekor keletkezik (0,1-2 ppm) Levegőn UV fény hatására nedvesség jelenlétében oxidálódik (SO3)
SO2 kibocsátás az USA-ban (ezer t)
Halema’ uma’ u crater
*1999 *1998 *1997 *1996 *1990 *1980 *1970
18,867 19,491 19,363 18,859 23,678 25,905 74 31,16
Illékony szerves vegyületek (VOC) Nagy gőznyomás, alacsony vízoldhatóság
Metán, alkánok, alkének, aromás szénhidrogének, formaldehid Ipari eredet, oldószerek, festékek tisztítószerek, nyersolaj tankolás üzemanyagok nem tökéletes égése Fák izoprén-, terpén-kibocsátása
75
Szén-monoxid Évente kb. 30 % újratermelődik Helyi feldúsulások: városi forgalom, cigarettafüst (500 ppm) O2
O2 N
2
N
Fe
2
Fe
N
2
Fe
N N
N N
N
N N
76
Szén-dioxid, vízgőz Hőháztartás, üvegházhatás
77
Üvegház-hatású gázok eltávolítása az atmoszférából Fizikai folyamatok eredményeképpen (kondenzáció, precipitáció) Kémiai folyamatok következtében (metán oxidációja) Határfelületi folyamatok során Fotoszintézis Széndioxid átalakítása (pl. metán előállítás)
78
Transzferfolyamatok
Különböző fázisok közötti átmenetek: 1.
talaj
függ a szennyező anyag tulajdonságaitól a környezeti körülményektől
atmoszféra
víz
atmoszféra
Ezeket az egyensúlyi folyamatokat (párolgás, kicsapódás) a környezeti körülmények nagy mértékben befolyásolják: pl. szélsebesség, turbulencia Henry állandó
cg
pi KH = = cv cv
Minél nagyobb az állandó, annál gyorsabban kerül az anyag a levegőbe A nehezen lebomló anyagok kis Henry állandó esetében is szennyezik az atmoszférát (DDT, PCB, PCDD, PCDF) 79
2.
talaj
víz
A megoszlás (adszorpció, deszorpció) függ az anyag hidrofil vagy hidrofób tulajdonságaitól és az adszorbens (talaj) összetételétől Megoszlási hányados (víz – szilárd anyag):
cs Kp = cv 3.
víz
élő szervezet
A szennyező anyag élő szervezetbe való bejutását elsősorban annak lipofil jellege határozza meg. A sejtmembránon való átjutást, így a bioakkumulációt legjobban az oktanol/víz megoszlási hányadossal jellemezhetjük
Ko/ v
co = cv 80
Transzformációs folyamatok A kemikáliák, szennyező anyagok szerkezeti átalakulása
a) Abiotikus átalakulások Fotolízis: elsősorban az atmoszférában fontosak, de lejátszódnak a vizek ill. a talaj felületén is. Gyökös mechanizmusú reakciók, fény hatására Hidrolízis: reakció vízzel, C – Cl kötés, észterek hidrolízise (peszticidek), erősen függ a pH-tól és a hőmérséklettől általában kevésbé toxikus anyagok keletkeznek Redox folyamatok: elektron leadással ill. felvétellel járó reakciók Gyakran nem lehet kideríteni hogy biotikus vagy abiotikus átalakulásról van-e szó β-Eliminációk 81
Fotokémiai folyamatok Fényabszorpció
gerjesztett állapot
Addíció kettőskötésre Chlordan hν Cl6 Cl6
Musca domestica elhullás (10µg/állat): 45%
100%
Kettőskötés izomerizáció
Cl6
hν
Cl6
82
Fotodisszociáció tetraklór-etén reduktív halogén eliminációja (aktiválás) CCl2 = CCl2
hν
CH2 = CH - Cl
Fotomineralizáció Szerves környezetkárosító anyagok
hν
CO2, CO, H2O, HCl
Pl. klórozott szénhidrogének, bifenilek stb.
83
Hidrolízis
Cl6 Cl
CH3O
OR
Cl6 OH
CH3O
P CH3O
OH P
S
CH3O
+
ROH
S
84
Reduktív folyamatok Lindán Cl Cl
Cl
Cl
Cl Cl
Parathion CH3CH2O
O
NO2
CH3CH2O
P CH3CH2O
O
NH2
P S
CH3CH2O
S
85
Oxidatív folyamatok Oxidálószerek: O2, O, O3, OH Troposzférikus szennyező anyagok reakciói hidroxil-gyökökkel .
HSO3
H2O + HO2. SO2
.
HCO + H2O
H2CO
NO2
H2O2
.OH
CO
CO2 + .H
CH4
H2
H2O + .CH3 HNO3
.
HSO3 + O2
H2O + H.
.
HOO + SO3 86
b) Biotikus átalakulások (enzimatikus folyamatok)
Felszíni vizekben, talajvízben és a talajban, üledékekben játszódnak le. Legtöbbször kevésbé mérgező metabolitok keletkeznek A teljes mineralizáció végeredménye széndioxid és víz Biotikus átalakulások a növényekben és állatokban is lejátszódnak,ahol a szerves szennyező anyagok inaktiválódnak
Enzimatikus metilezés: szervetlen higany-, ólom-, titán-, króm-, arzén-, ón-, szelénvegyületek átalakulása Megnövekedett toxicitást eredményeznek, kivéve az arzént
87
Fémek metabolizmusa Higany
HgS
HgSO3
CH3Hg+ Hg2+ NADH/H+
HgSO4
(CH3)2Hg Hg + CH4
Hg
Cink, ólom, arzén
88
Minamata-öböl
89
Minamata betegség (1956) Chisso Corporation Acetaldehid gyártás, higany-szulfát katalizátor
Központi idegrendszer károsodása Ataxia, izomgyengeség, halláskárosodás, beszédkészség elvesztése, paralízis, kóma, halál 1932-1968 2001-ben 2265 hivatalosan elismert áldozat
90
Arzén Inszekticid, baktericid, fungicid Fakonzerválás Salvarsan
A szerves arzénszármazékok kevésbé toxikusak
Arsenicosis: ivóvízből származó krónikus arzén-mérgezés (egészségügyi határérték: 0,01 mg/l
91
OH
Az arzén természetes körforgása HO
As
arzénsav
OH
O baktérium
Üledék
O
As
OH
arzénessav
baktérium
CH3 HO
As
OH
CH3
baktérium
HO
O
As
CH3
O penészgomba
baktérium
Víz CH3 CH3
As
CH3 CH3
H
As
CH3
ocxidáció
Levegő
CH3 HO
As O
CH3
92
Szerves ónvegyületek Antropogén szenyezők, eltekintve a környezetben képződő metil-származékoktól C4H9
TBT (tributil-ón-klorid, biocid)
C4H9
SnCl C4H9
1980, Franciaország, osztriga Hajók víz alatti részének festése: alga-, gombaképződés megakadályozása 1986-tól kisebb hajóknál betiltották Bizonyos fa- és textilvédő anyagokban TPT (trifenil-ón-vegyületek)
mezőgazdaság, fungicid
MBT, DBT (butil-ón-, dibutil-ón-vegyületek) PVC, stabilizátor poliuretán, katalizátor Kommunális, ipari szennyvizek
93
Nagy koncentráció az üledékben Nagymértékű lipofilitás: az vízi szervezetek akumulálják (kagylók, halak) Biológiai lebomlás: min. 1-3 hét Anaerob lebomlás gyakorlatilag nincs
Nucella lapillus
94
Kadmium Cinkkel együtt fordul elő, a szervezetben is képes helyettesíteni a cinket Mérgező, rákkeltő Felhasználás: szárazelemek, festékek, fémipar Itai-itai betegség (a Jinzu folyó (Japán) szennyeződése bányászati tevékenység során) Tünetek: csontok károsodása, anémia, köhögés, veseelégtelenség
95
Szerves vegyületek metabolizmusa 1. Közvetlen mineralizáció, biológiailag aktív köztitermékek nélkül 2. Kisebb molekulák keletkezése, amelyek a természetes anyagcsere-folyamatokba kerülnek 3. Az anyag kémiai változása ugyan bekövetkezik, de a szervezet ezeket az anyagokat nem tudja hasznosítani, akkumulálódnak, kiválasztódnak H N
Etilén-bisztiokarbamát fungicid
O N H
S NH
C
H2N S
CH2
Me 2
CH2 NH
H N
C S
S
HOOC S
N H
CH2
CH2
NH2
COOH
H2N
CH2
H2N
C
COOH NH2
O
96 Laktóz, tejfehérje
Oxidatív folyamatok Enzimrendszerek: oxidázok, peroxidázok, oxigenázok A legfontosabb monooxigenáz: cytochrom-P-450 cytochrom-P-450-CO 450 nm Elsősorban a májban Enzimatikus oxidatív folyamatok Hatás aktiválás után
Reakció
példa
Akt./dezakt.
C-hidroxilálás
Benzol-szárm. PCB DDT benzpirén
A D A
karcinogén
epoxidálás
Ciklodiéninszekticid
A
neurotoxikus
Oxidatív C-C kapcsolás
anilin
A
citotoxicitás
foszfortionátoxidáció
Parathion Malathion
A A
neurotoxicitás 97
Környezetszennyező anyagok és expozíció Kőolaj, tankhajó-balesetek Évente 4-6 millió t köolaj kerül az óceánokba 30% 40% 6-8%
szokásos tankhajó működés során szennyvizekből tankhajó-baleset illegális olajürítés
Az olaj sorsa a környezetben függ annak összetételétől és az érintett környezet tulajdonságaitól. A hatásait és a sorsát az óceánban különböző transzport- és transzformációs folyamatok kombinációi határozzák meg.
98
Az olajmennyiség 25%-a elpárolog 5%-a a vízben oldva marad 5%-a fotokémiailag oxidálódik (levegőben) 30%-a mikrobiológiailag lebomlik (vízben, üledékben) 15%-a lesüllyed az üledékbe 20% visszamarad változatlanul (elsősorban kátrány, PAH)
Exxon Valdez katasztrófa (1989, Alaszka, 36000 t) Hatásait tekintve az egyik legpusztítóbb tankhajó-baleset Transzportfolyamatok:
párolgás szétterjedés (diszperzió) 300 km2 3 napon belül oldódás
Kb. 50%-a fotolízissel és mikrobiológiailag lebomlott 99
A katasztrófa következményei 100.000 – 300.000 madár pusztult el (hőszabályozás, repülési képesség elvesztése) Halászat Aljnövényzet pusztulása Tengeri emlősök: 1000 vidra 30 fóka 17 bálna 14 oroszlánfóka
A partszakasz tisztítása Kézi tisztítás Forró víz Műtrágyázás Kémiai diszpergálószerek Biotechnológiai módszerekkel előállított mikroorganizmusok 100
Az ökotoxikológia általános alapelvei Környezetszennyező anyagok hatása Abiotikus környezet hatása
Biológiai hozzáférhetőség
Anyagi minőség
Molekuláris kölcsönhatások a sejtben (receptor elmélet)
Dózis 101
Fajta függőség
A toxikus hatás időbeli lefutása
Expozíciós fázis
Kinetikus fázis
Dinamikus fázis
Az anyag és a receptor Eloszlás közötti kölcsönhatás - passzív és - aktív transzportfolyamatok - az expozíció időtartama - Szerkezeti feltételek - körülmények a felvétel helyén - körülmények a kötőhelyen Biotranszformáció -esetleges átalakulások - az anyag szerkezete - a szerv enzim-készlete A toxikus anyag felvétele
Kiválasztás - az anyag tulajdonságai - a kiválasztó szerv
102
Toxicitás
A szervezet és az idegen anyag kölcsönhatása, amely toxikus reakciót, tehát negatív változást okoz a szervezetben Ökotoxicitás Toxikus hatások minden biológiai szinten A mérgező hatása egy anyagnak relatív: dózisfüggő Reverzibilis zavarok
halál
Metabolizmus
koncentráció a célhelyen
A toxicitást meghatározza: koncentráció expozíció (a hatás időtartama) 103
Toxikokinetika: leírja a toxikus anyag felvételének módját és sebességét, az eloszlását, a metabolizmusát a szervezetben és a kiválasztását Toxikodinamika: leírja az anyag és a sejt kölcsönhatását molekuláris szinten a célhelyen A toxikus hatások fajtái Direkt hatások a szervezet életfunkcióit befolyásolják reverzibilis irreverzibilis akut krónikus Indirekt hatások másodlagos kölcsönhatások az ökoszisztémán belül Szelektív toxicitás a toxikus anyag bizonyos sejteket támad ill. celluláris folyamatokat befolyásol 104 a hatás lehet specifikus bizonyos szervezetekre is
Hatások különböző biológiai szinteken Az ökotoxikológia egyik fő feladata: a hatások kapcsolatának vizsgálatakülönböző biológiai szinteken A szerves ónvegyületek ökotoxikus hatásai A hatás helye
a hatás leírása
molekula
Az energiatermelés gátlása Az ioncsatornák blokkolása Cytochrom P450 (méregtelenítő enzimek gátlása)
sejt
a sejtmembrán elpusztítása az érzékeny immunsejtek károsodása (limfociták)
szervezet
szervek károsodása: immunotoxicitás (halak, emlősök); idegrendszer, szem (halak); vese (halak); viselkedési zavarok; növekedési, fejlődési zavarok; szaporodás: hallárvák károsodása, vízicsigák ivararányának megváltozása
populáció
szaporodási zavarok: populáció elpusztulása
ökoszisztéma
fajtapusztulás
105
Dózis – hatás összefüggések Fogalmak: akut toxicitás: egyszeri, vagy rövid ideig tartó toxikus hatás LD50 és LC50: az adott kemikáliának az a dózisa, amely egyszeri adagolás esetén a kísérleti állatok 50%-ának elpusztulását okozza, adott időn belül, illetve vízi szervezetek esetében a szennyező anyag koncentrációja a vízben. EC50: hatásos koncentráció, melynél az adott hatás 50%-os szubakut toxicitás: toxikus hatás az alatt a koncentráció alatt, melynél a mortalitás bekövetkezik krónikus toxicitás: hosszabb expozíciós idő után bekövetkező toxikus hatás NOEL- ill. NOEC-érték: nincs megfigyelhető hatás LOEL- ill. LOEC-érték: legalacsonyabb hatásos koncentráció 106
MATC: a toxikus anyag még elfogadható maximális koncentrációja
Dózis-hatás görbék
107
A környezetszennyező kemikáliákat a dózis – hatás összefüggés szempontjából két csoportba sorolhatjuk: 1.
Esszenciális anyagok - tápanyagok, vitaminok, ásványi anyagok, amelyek hiánya hiánybetegséget idézhet elő, a túladagolás azonban károsodáshoz, mérgezéshez vezethet pl. fémek (Cu: gerinceseknél a hiánya vérszegénységet, túladagolás toxikus reakciókat vált ki, A-vitamin túladagolás: gyomor- bélpanaszok, hajhullás, bőrelváltozás, csontok fájdalma)
2.
Egyszerű dózis – hatás görbével rendelkező anyagok. A hatás egy bizonyos küszöbkoncentráció elérése után lép fel reverzibilis hatás, irreverzibilis károsodás, halál, maximális hatás
A hatáserősség jellemzésére azt a koncentrációt alkalmazzuk, amely a maximális hatás felét eredményezi (EC50), amely akut hatások esetén megfelel az LD50 ill. az LC50 értéknek A hatáserősséget a dózis – hatás görbe meredeksége is befolyásolja 108
Receptorelmélet Hatóanyag – receptor kölcsönhatás
biológiai reakciók
A receptorelmélet a dózis – hatás kapcsolat molekuláris alapja 1. A toxikus hatás a receptor és a hatóanyag kölcsönhatására vezethető vissza 2. Az anyag koncentrációja a receptoron a dózissal arányos 3. A toxikus hatás mértéke arányos az anyag koncentrációjával a receptoron Hatóanyagok: agonisták: aktiválják vagy serkentik a receptorokat antagonista: gátolják a receptorokon való megkötődést
109
110
Néhány receptor és agonistái ill. antagonistái
Receptorok
Hatóanyagok
Receptorproteinek ösztrogén-receptor aryl-szénhidrogén-receptor acetilkolin-receptor
Agonisták Ösztradiol, alkylfenolok, DDT PAH, PCB, PCDD, PCDF Acetilkolin, nikotin
Ioncsatornák Na+-csatornák Ca2+-csatornák
Antagonisták Organoklór-peszticidek, piretroidok, helyi érzéstelenítők Kétértékű kationok (Cd2+)
Transzporter Na+/K+-ATP-áz
Antagonisták Fémek, szerves ónvegyületek
Enzim Acetilkolinészteráz
Antagonisták Szerves foszfátészter inszekticidek, karbamátok
111
Receptor – hatóanyag kölcsönhatás reverzibilis
koncentrációs mérgek
A hatás erősödik azáltal, hogy több receptorhelyet foglalnak el a molekulák
Receptor – hatóanyag kölcsönhatás irreverzibilis
szummációs mérgek
A hatás additív, a molekulák irreverzibilisen kovalens kötésekkel kapcsolódnak a receptorhoz, nincs küszöbérték Genotoxikus anyagok (karcinogén) PAH vegyületek reaktív intermedierek
kovalens kötések a DNS-sel
Nem-specifikus módon ható anyagok: általában nagy koncentrációban hatnak, a hatás gyakran a lipofil jellegükre vezethető vissza Pl. narkotikumok a sejtfalon felhalmozódnak, savak bázisok a sejtfalat károsítják 112
Az LC50 értékek egyedül nem mérvadóak az ökotoxicitás szempontjából, csak akut toxicitás estén Néhány organizmust kell kiválasztani, amelyek az ökoszisztémát reprezentálják
Az LC50 értékét egy anyagnak nem mindig lehet exakt módon meghatározni: Biotikus és abiotikus tényezők befolyásolják Pl. Cu-toxicitás lazacok esetében a legkisebb és a legnagyobb mért értékek közötti faktor 1,4 különböző laboratóriumokban LC50 : 330 µg/L
113
Akut hatások az ökoszisztémára: balesetek felszíni vizekben Cianid -mérgezések Biogén cianidok: B12 vitamin, glikozidok (növényekben), 3-indolilacetonitril (növekedési hormon)
Az antropogén szennyeződés forrása: cianid-sók alkalmazása a galvanizálásban, Nemesfémek kinyerése a bányászatban (HCN és sói) CN- : erős légzésbénító és sejtméreg 4Au + 8NaCN + O2 + 2H2O
4Na[Au(CN)2] + 4NaOH
1995 Guyana: aranybánya, gátszakadás, a szennyvíz több folyót szennyezett 1995 Svájc: 25 km hosszan halpusztulás, ~100000 hal 2000 Magyarország (Verespatak, Románia) 114
0,1 mg/l
http://www.ktm.hu/cian/framecian.htm
30
http://tiszadoku.origo.hu/
http://www.cian.hu/index.htm
http:// www.etk.hu//cian/ http://www.etk.hu cian/
http://www.ktm.hu/cian/framecian.htm
A CN- - ion mérgezés mechanizmusa A proteinek prosztetikus csoportjainak fémionjaival komplexet képeznek közvetlenül a légzésláncra hat, a belső mitokondrium-membránokban, szerkezetileg más citokrómok keletkeznek (citokrómoxidáz blokkolása, sejtlégzés gátlása) Sok állatban a CN- - ion átalakul CN-
rodanáz
SCN-
A SCN- - ionnak jelentős krónikus hatása is van: pajzsmirigy jódfelvételét gátolja, negatív hatások a reprodukcióban (halaknál 7,3 mg/L)
A cianid-tartalmú szennyvizek (170-680 mg/L) méregtelenítése: CuSO4, SO2, O2
117
Piretroid inszekticidek
Hieronymus Bosch
118
Felhasználásuk során kerülnek a felszíni vizekbe (gyümölcstermesztés, erdőgazdálkodás) Idegmérgek, az emlősök és a madarak kevésbé érzékenyek mint a halak Gátolják az idegsejtek plazmamembránjának nátriumcsatornáit ill. azok záródását, hasonlóan a szerves klórvegyületekhez Tünetek: túlérzékenység a szenzoros izgatással szemben, izomgörcs, hiperaktivitás, bénulások, nyálfolyás
Cl
R
Cl
O
O O
O
R2
O R1
O
Piretrin I; R = CH3 Piretrin II; R = COOCH3
Permetrin; R1 = H, R2 = H Cypermetrin; R1 = CN, R2 = H
119
A piretroidok mint modern peszticidek széles körben elterjedtek Emlősökre kevésbé veszélyesek Viszonylag könnyen lebonthatók (talajban a felezési idő 28 nap, növények felületén 10 nap) A vízi élőlényekre veszélyesek
Piperonil-butoxid
máj enzim inhibitor
120
Növényvédőszerek
Kikerülhetetlenek (csak a rovarok kb. 33 millió t gabonát tesznek tönkre évente) Omnicid hatásúak (így az emberi szervezetre is toxikusak) Mezőgazdasági dolgozók (egyszeri nagyobb adag) Lakosság (egész életen át küszöbdózisú mérgezés)
121
Rovarirtó szerek: Klórozott szénhidrogének (DDT) - máj endoplazmatikus retikumában erős enziminduktor (lebontás!) /ilyenek pl. még a barbiturátok (altatók egy része) is/ - idegsejtek Na-ion csatornáinak gátolt inaktivációja miatt tartós membránaktiválódás (görcsök) - lipoidoldékonyak, zsírszövetben felhalmozódnak; (ábra) biológiai felezési ideje több mint 1 év! (éhezéskor, daganatos betegségben hirtelen felszabadulhat) -biomagnifikáció – a táplálékláncban feldúsul (madarak fokozottan veszélyeztetettek, meddő tojások a hormonháztartás zavara miatt) Akut mérgezés: ritka, mert nagy a hatásszélessége – a rovarok igen érzékenyek: 20-30 g halálos Krónikus mérgezés: idegrendszeri tünetek, parenchymás szervek károsodása lehet (pl. tetű, rühatka kezeléskor) Th.: paraffinolaj (oldódik benne a DDT, és a paraffin nem szívódik fel) 122
OH HO
P
OC2H5 S
O2N
O
OH
P
S
OC2H5
tionfoszforsav
Paration dietil-4-nitro-fenil-tiofoszfát
S H5C2S
S
P(OR)2
O Cl2C
CH
O
P(OCH3)2
123
Szerves foszfátészterek akut toxicitása vízi élőlényekben (LC50 értékek mg/L)
Peszticid
ponty
Chlorporyphos
0,13
Diazinon
aranyhal
hering
guppi
vízibolha
020
047
0,74
0,005
3,2
5,1
5,3
4,1
0,08
Dichlorphos
>40
10-40
18
-
2,8
Diszulfoton
8,7
10-40
21
0,37
0,07
Fenitrotion
8,2
3,4
7,0
0,75
0,05
Malathion
23
7,8
0,75
1,4
0,030
Parathion
4,5
1,7
2,9
-
0,005
Phenthoat
2,5
2,4
0,17
0,2
0,008
Thiometon
7,5
10-40
10-40
-
5,5
Fenthion
3,3
1,9
2,5
2,3
0,07 124
Kolinészteráz bénító alkil foszfátok Ach (acetilcholin) hatásai: Paraszimpatikus izgalom Misosis (pupilla szűkület); fényreflex, hörgő görcs (asthmás roham), Gyomor-bél görcs, epehólyag és vezeték valamint a húgy-vezeték és hólyag simaizmai összehúzódnak, záróizmok megnyílnak, erek tónusa csökken (vérnyomás esik), szívfrekvencia gyérül általános szekréció fokozódás (nyál, gyomornedv, hasnyál verejték) Normális körülmények között, a gyors bontás miatt, rövid ideig hat az Ach.
125
Az alkifoszfátok lebomlanak, a környezetben nem tárolódnak, de jelentős az akut toxicitásuk Inverzibilisen gátolják az acetilkolinészteráz enzimet Felszívódás Gyors (5-10 percen belül megjelennek a tünetek) Tünetek Extrem paraszimpatikus izgalom - görcsök, izomrángások - szorongás, fejfájás, ataxia - keringésromlás, légzészavar, később: vesekárosodás, polineuritis Therápia atropin – ACH receptor gátló (nyálzás normalizálódásig) gyomormosás aktív szénnel, NaHCO3 , Na2SO4 enzimreaktiválás
126
II. Gyomirtók Klórozott fenoxikarbonsavak Növényi növekedési hormon, auxin analógok Kétszikű növényekre hatnak, gyenge mérgek (6,5 g körül halálos) Izomgörcsök, kamrafibrillávió Gyártási melléktermék a DIOXIN Vietnam; parenchymás szervek (endocrin mirigyek) károsoknak Teratogen és carcinogen hatású
Cl Cl
O
CH2
COOH
Cl
127
Biszpiridinium vegyületek Praquat (Gramoxon), diquat (Reglon) Több órás latencia idő után jelennek meg a tünetek: Bőr: hólyag, fekély Gyomor. Ulcerosus gastritis, enteritis Vese: toxikus nephritis Tüdő. Kb. 10 nap után: bronchiolitis obliterans – fulladás Th.: gyomormosás, erőltetett diurezis, tüdőszövődmények Megelőzése: glycocorticoidok
H3C
N
N CH3
2Cl
1,1’-Dimethyl-4,4’-bipyridyliumdichlorid Paraquat Totalherbizid LD50 = 35 mg/kg (becsült) 128
Krónikus hatások (növekedés, fejlődés, enzimaktivitás, sejtszerkezet, viselkedés, szaporodás) Krónikus expozíció Krónikus hatások a szervezetre (halak) nem specifikus paraméterek növekedés gátlása fejlődés visszamaradása békák metamorfózisa szaporodás befolyásolása spermium-szám csökkenés nemi szervek fejlődése tojáshéj elvékonyodás a korai stádium túlélése vérparaméterek légzés ozmoreguláció anyagcserefunkciók viselkedési zavarok
mérgező anyag különböző különböző trifenil-ón tiocianát, DDT tiocianát alkil-fenolok, DDT DDT nehézfémek peszticidek cianidok nehézfémek különböző fenolok, narkotikus hatású anyagok
Specifikus paraméterek hisztopatológiai szövetkárosodások szerves ón, peszticid mutagén, karcinogén PAH kisebb ellenállás parazitákkal szemben szerves ón Indirekt hatások táplálékállatok, növények pusztulása
129
peszticidek
Biológiai hozzáférhetőség, és az ökotoxicitást befolyásoló tényezők
Ökotoxikológiai és toxikológiai hozzáférhetőség
Fizikai jellemzők
Kémiai jellemzők
Hőmérséklet Oldhatóság Fázisállapot
pH Ligandumok vízkeménység természetes szerves ligandumok (huminsavak)
130
Ökotoxikológiai hozzáférhetőség A pH jelentősége
NH3/NH4+ A pH növekedése növeli a toxicitást 1 egységnyi pH növekedés 10-szeres NH3-koncentráció növekedést és kb. 6-szoros toxicitás-növekedést eredményez A toxikus hatást tehát elsősorban az ammónia okozza, a sejtfalon könnyebben hatol át Akut toxicitás lazacban: LC50 0,25-0,41 mg/L gerinctelenekben: LC50 0,39-22,84 mg/L NOEC: 0,005-0,014 mg/L A pH mellett szekunder tényezők is befolyásolják a toxicitást: O2-tartalom, hőmérséklet
131
Az ammónia akut toxicitása földigilisztában
Össz-ammónia
Disszociálatlan Ammónia NH3
132
A nitrogén körforgása Növényi és állati fehérjék
NH3 + HNO3 eső
Biológiai N2-megkötés
Proteinek, Növények, mikroorganizmusok
denitrifikáció
humusz proteolízis nitrifikáció
proteolízis
bomlástermékek 133
CN-, H2S
A pH növekedésével csökken a toxicitás A biológiai membránokon elsősorban a HCN és a H2S hatol át Fém-cianidok Halaknál a HCN kétszer olyan toxikus mint a CNKénhidrogén: pH 8,7 pH 6,5
LC50: 800 µg/L LC50: 64 µg/L
134
Fémek Kémiai speciáció adszorbeált ionok
szervetlen komplexek
fémionok
szerves komplexek
kolloidális részecskék
A fém megjelenési formája függ annak tulajdonságaitól,és a közeg kémiai összetételétől
Ligandumok: szervetlen anionok, természetes szerves molekulák, szintetikus ligandumok 135
A környezet kémiai tulajdonságainak legfontosabb jellemzői:
pH érték Összes keménység, alkalinitás Természetes szerves ligandumok koncentrációja Szalinitás (Cl- koncentráció) Abszorbeáló részecskék koncentrációja Komplexképző tulajdonságokkal rendelkező szennyező kémiai anyagok A fémek ökotoxicitásáért elsősorban a szabad fémionok ill. az akvakomplexek a felelősek Nagymértékű biológiai hozzáférhetőség, közvetlen kötődés a receptorokon 136
Kadmium Cd(II) pH Sótartalom: a Cl- -koncentráció növekedésével csökken a toxicitás: Akvakomplex CdCl2 Az ökotoxikológiai hatásért elsősorban az akvakomplexek felelősek Itai-itai betegség Japán, 1950
137
Vízkeménység
Ca2+ és Mg2+ koncentráció Alkalinitás: erős savval titrálható anyag koncentrációja (CO32-, HCO3-) Pb2+:
adott pH-nál, kemény vízben kevésbé toxikus
Cu2+:
az ökotoxicitásért elsősorban az akvakomplex felelős: [Cu(H2O)4]2+
Növekvő vízkeménységgel csökken a biológiai hozzáférhetőség: csökken a fémionok toxicitása Szervetlen ligandumok Al3+ komplexek képződése, F-, citrát, szilikát csökkenti a toxicitást
138
Természetes és szintetikus szerves anyagok Általában kisebb a koncentrációjuk a természetes vizekben mint a szervetlen ligandumoké Glicin, oxálsav, huminsav, fulvinsav DOC: dissolved organic carbon TOC: total organic carbon Humin-anyagok: biológiailag rezisztensek, változatos szerkezetűek Komplex ill. kelátképzők Erős affinitás az ólom, réz, vas, ionokkal szemben Kisebb affinitás: cink, nikkel, kadmium, mangán, kobalt Szintetikus komplexképzők: HOOCCH2 N(CH2COOH)3
NTA
CH2COOH N
HOOCCH2
CH2
CH2
EDTA
HC(NH
N CH2COOH
CH2
TRIS
OH)3 139
A pH hatása a biológiai hozzáférhetőségre 1. 2.
Befolyásolja a fémek speciációját A hozzáférhetőséget és az aktivitás a biológiai membránokon
Alacsonyabb pH-értéken nagyobb a szabad fémion-koncentráció
magasabb toxicitás a membrán felületen konkurálnak a protonok
alacsonyabb toxicitás
Pl. a halak kopoltyúja negatív töltést hordoz
kölcsönhatás az ionokkal 140
Szerves és fémorganikus vegyületek A legjobb hozzáférhetősége apoláris oldott anyagoknak van A bázikus vagy savas jellegű anyagok hozzáférhetőségét a pH erősen befolyásolja A humin-anyagok gyakran megkötik az oldott szerves anyagokat
A hőmérséklet hatása Magasabb hőmérsékleten általában nagyobb oldhatóság A hőmérséklet a fiziológiai folyamatokat is befolyásolja Általában a magasabb hőmérséklet növeli a toxicitást Vant’t Hoff-szabály: 10 °C hőmérsékletemelkedés 2-3-szorosára növeli a toxicitást A fémek esetében az akut toxicitás növekszik, a krónikus csökken a hőmérséklet emelkedésével 141
142
Alkalmazkodás a környezeti szennyező anyagokhoz
Az élőlényekben kifejlődhet bizonyos tolerancia a szennyező anyagokkal szemben Pl. fémek esetében Kísérletileg is meghatározható, akut toxicitási tesztekkel A halak toleranciája annál nagyobb, minél nagyobb a szubletális koncentráció az akklimatizációs fázisban A jelenség a metalloproteinek képződésére vezethető vissza Komplexálás
csökken a biológia hozzáférhetőség
Policiklusos szénhidrogéneknél a tolerancia a következő generációban is növekszik Cianid esetében viszont megnövekedett érzékenység lép fel
143
A környezetszennyező anyagok sorsa a szervezetben Kemikáliák a környezetben
Kemikáliák a táplálékban
Biológiai korlátok kopoltyú, tüdő, emésztőrendszer
Szervezet Vér
Szövetek Szervek
transzport eloszlás metabolizmus
akkumuláció metabolizmus elimináció Kiválasztás
144
A kemikáliák felvétele Vízből, levegőből, táplálékkal A sejtmembránon keresztül (diffúzió) általában oldott formában Két lépcső:
adszorpció a hámszövetek felületén (gyors) transzport a sejtmembránon keresztül (lassú)
A sejtmembrán kettős szerepe ökotoxikológiai szempontból: korlátot állít a környezeti szennyező anyagok elé célhelye az idegen anyag hatásának A membrán lipidkaraktere: lipofil anyagok számára egy bizonyos molekulanagyságig könnyen átjárható diffúzió a foszfolipid kettősrétegen keresztül szelektív módon a proteincsatornákon keresztül poláris vízoldható molekulák számára a membrán nem átjárható 145
Transzportfolyamatok Passzív diffúzió:
foszfolipid kettősrétegen át (lipofil anyagok)
Kis vízoldható molekulák és ionok felvétele: speciális csatornák (pl. K+, Cl-) Nagyobb hidrofil molekulák felvétele: Ionok felvétele:
transzport-proteinek ionofórok
Aktív transzport:
energiát igényel, koncentrációgradienssel szemben (K+/Na+-pumpa)
Nagy molekulák (proteinek, hormonok):
endocitózis (fagocitózis, pinocitózis, receptor közvetített endocitózis)
Idegen anyagok esetében az aktív transzport szerepe kicsi 146
Hidrofób Molekulák
Kis, töltés nélküli molekulák Nagy, töltés Nélküli Molekulák
Ionok
147
MolekulaTranszport
csatorna protein
külső
Szállító protein
energia
KettősRéteg
belső Egyszerű Diffúzió
könnyített diffúzió
aktív transzport
Passzív transzport
148
Az idegen anyagok eloszlása a szervezetben Véráram Az eloszlás a szervezetben függ az anyag áthatolóképességétől a membránon A lipofil kemikáliák a szérum és plazmaproteinekhez kötődnek és a szervezet zsírban gazdag részeibe kerülnek Lipofil anyagok anyagcseréje: vérből a szervek felé passzív diffúzióval történik A hidrofil anyagok koncentrációja a vér vizes közegében a legnagyobb Amíg az idegen anyagok a zsírszövetekben tárolódnak, biológiailag nem hozzáférhetők: nincs toxikus hatás Már a transzport során bizonyos szövetekben ill. szervekben az idegen anyagok átalakulnak, metabolizálódnak A metabolizmus csökkenti a bioakkumulációt és a toxicitást
149
A kemikáliák anyagcseréje: biotranszformáció és metabolizmus Csak vízoldható poláris anyagok tudják a szervezetet elhagyni A lipofil, apoláris anyagok esetében fennáll a veszély, hogy a szervezetben maradnak Biotranszformáció: biológiai-metabolitikus enzimatikus átalakulása az idegen anyagoknak Lipofil anyagok vízoldható termékek Elsősorban a májban játszódnak le, kisebb mértékben vesében, tüdőben A biotranszformációs aktivitás függ az egyedtől, táplálkozástól, évszaktól stb.
150
A toxikus anyag metabolizmusa két fázisban játszódik le
Toxikus anyag
1. fázis
Metabolit 1
Oxidáció Redukció hidrolízis
2. fázis
Metabolit 2
konjugáció
kiválasztás A naftalin biotranszformációja lepényhalban
Citokróm P450-függő monooxigenáz 1. fázis
OH
O
SO2OH
szulfatáz 2. fázis 151
1. Fázisban lejátszódó reakciók Funkciós csoportok bevitele ill. felszabadítása enzimekkel (-OH, -SH, NH2, COOH) A legtöbb ilyen enzim az endoplazmatikus retikulumban lokalizált Oxidáció (monooxigenáz, peroxidáz enzimmek) Biotranszformációk (Citokróm P450 monooxigenáz) R NH2 +
N
R
OH
H
O
R
OH
+
R
OH
OH 152
O
S R
R
OR
P
P
OR
R
R
R
R
OH
O
R
R
H
H
R
R O
NH2
O
153
Bioaktiváció Pl. Parathion
O
deszulfurálás
O2N
O
S O2N
O
P
P
OC2H5 OC2H5
Paraoxon
OC2H5 O2N
OH
Vinilklorid
H2C
CH
O
O
[O]
Cl
Cl
CH2
C H
Cl HN
NH2 N N
OC2H5
O N
N
CH2
C
N
N
H Cl
Cl N
N
154
II. Fázisban lejátszódó reakciók
Az idegen anyagok vízoldhatóvá alakulása: kiválasztás Konjugációs reakciók: acetilezés, szulfatálás, glükuronsav, glutation A glükuronsavval glükuronidok képződése az egyik leggyakoribb II. fázisú reakció
COOH
UDPO OH
O
HO HO
COOH
HO
O
HO OH
HO
O
155
Injekció a gyomorüregbe
OH
HO2SO
kopoltyú
vese
epe
OH
92%
1%
-
OH
3%
1,5%
-
HO2SO
COOH O
HO HO HO
O
nyomok
0,25% nyomok
0,25%
2% 156
A Benzo[a]pirén metabolizmusa
O2
6-hidroxi-BP
OH
O2
O
O
+
O
O
7,8-epoxi-7,8-dihidro-BP
BP-1,6-kinon
O
O
BP-3,6.kinon
+
O BP-6-12-kinon
H2O
epoxidhidroláz O2
OH 7-hidroxi-7,8-dihidro-BP
glükuronid- és szulfát konjugátumok
HO OH
7,8-dihidroxi-7,8-dihidro-BP
157 Glükuronid és szulfát konjugátumok
O2 citokróm P450
O
HO
HO OH 7,8-dihidroxi-7,8-dihidro-BP
carcinoma
OH 7,8-dihidroxi-9,10-epoxi-7,8,9,10-tetrahidroB
Kovalens kötés az RNS-val, Fehérjével, DNS-val
158
Kiválasztás (elimináció)
Vese (vizelet) kis molekulatömegű anyagok (400-500 Da) máj (epe) > 500Da Tüdő, bőr Kopoltyú A legfontosabb transzportfolyamat a passzív diffuzió Az elimináció sebessége meghatározó a toxicitás szempontjából
159
Bioakkumuláció
Az idegen anyagok feldúsulása a szervezetben
Biomagnifikáció
Az idegen anyagok feldúsulása a táplálékláncon keresztül
Gyors felvétel
lassú metabolizmus és kiválasztás
160
A bioakkumuláció modellezése Egy cellás modell (elsőrendű reakció) felvétel
elimináció
k1
cv
k2
cb
dcb dt
= k1.cv – k2.cb
Két cellás modell cv k01 k12
cb1 k10
k21
cb2
161
Az idegen anyagok sorsa a szervezetben Szervezet
Környezet kiválasztás
Poláris konjugátumok
O2, H2O, további termékek antioxidációs enzimek
II. Fázisú metabolitok
Metabolitok
redox és más reakciók
I. fázisú metabolitok felvétel
Toxikus anyag
Szerves szabad gyökök O, O2-, OH, H2O2
Toxikus metabolitok
Molekuláris toxikus hatások Membránkárosodás Lipidperoxidáció DNS károsodás Proteinkárosodás Enzimgátlás Egyéb hatások Szubcelluláris hatások
Toxikus anyag
Celluláris hatások
leadás Felhalmozódás a zsírszövetekben Metabolizmus, felhalmozódás
Hatások a szervezetre 162
Toxikus hatás
A vegyszerek előálításához és forgalmazásához szükséges vizsgálatok Alapfokozat (1 t/év – vagy összesen 50t) 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
Fizikai kémia tulajdonságok Akut toxicitás emlősökben, LD50 Szubakut toxicitás Bőr- és szemirritáció Mutagén hatás Abiotikus és biotikus lebonthatóság Akut toxicitás LC50 , Daphnia magna Akut toxicitás LC50 , halak
1.
Fokozat
100t/év- vagy összesen 500t)
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
Szubkrónikus toxicitás emlősökben Reprodukciós hatások (1-2 generáció) Karcinogén, teratogén hatások Hosszútávú biotikus lebomlás Növekedési teszt (zöldalgák, 72 óra) Krónikus toxicitás (Daphnia magna, 21 nap) Toxicitás növényekben Toxicitás földigilisztában
163
2. Fokozat 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.
1000t/év vagy összesen 5000t)
Toxikokinetika, biotranszformáció Krónikus toxicitás Karcinogén hatás (hosszú távú vizsgálat) Viselkedéstoxikológia Termékenységre gyakorolt hatás (3 generáció, emlős) Viselkedés a környezetben Bioakkumuláció (hal) Hosszútávú toxicitás (hal) Akut és szubakut toxicitás madarakban További toxicitásvizsgálatok más fajokban
164
"Minden dolog méreg, ha önmagában nem is az; csupán a mennyiség teszi hogy egy anyag nem méreg."
Theophrast von Hohenheim
Paracelsus (1493-1541)
165
