Vegyi anyagok a környezetben Környezettoxikológia

A környezetvédelem alapjai

Vegyi anyagok a környezetben –

Környezettoxikológia Dr. Feigl Viktória, Dr. Molnár Mónika 2015. November 2. E-mail: [email protected]

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudományi Tanszék

Környezeti Mikrobiológia és Biotechnológia Csoport

Előadás tematika  Vegyi anyagok a környezetben, veszély és kockázat  Környezeti kockázatfelmérés  Környezettoxikológia

 Környezettoxikológiai tesztek osztályozása  Környezettoxikológiai módszerek (víz és talaj) – példák

Page  2

VEGYI ANYAGOK GYÁRTÁSA Növekvő tendencia a világ minden részében!

http://www.unep.org/pdf/GCO_Synthesis%20Report_CBDTIE_UNEP_September5_2012.pdf

3

Forrás: United Nations Environment Programme, 2012 Page  3

Veszély  Vegyi anyag

KOCKÁZAT  Környezeti minták – szennyezett környezet

Veszélyessége: kémiai szerkezetéből adódó immanens tulajdonság

Mindent ami problémát okoz meg kell ismerni!!

Vegyi anyag kikerül a környezetbe KOCKÁZATMENEDZSMENT

Vegyi anyagok tesztelése Page  4

4

• Vegyi anyag kockázata a környezettel való kölcsönhatás révén nyilvánul meg

A talaj szennyezettség főbb forrásai Európában (2014-es adatok)

A talajszennyezés főbb lokális forrásai Hulladék lerakás és kezelés Ipari és kereskedelmi tevékenység Tárolás Egyéb Szállítási balesetek Hadászat Nukleáris tevékenység

Átlag (22 ország) (%) 38,1 34,0 10,7 8,1 7,9 3,4

0,1

http://www.eea.europa.eu/data-and-maps/indicators/progress-in-management-of-contaminated-sites-3/assessment

Page  5

A TALAJ SZENNYEZŐANYAGAI (2011-ES ADATOK)

Megjegyzés: -PAH: policiklikus aromás szénhidrogének - BTEX: aromás szénhidrogének: benzol, toluol, etil-benzol, xilol - CHC: klórozott szénhidrogének

Hasonló adatok felszíni vizekre és talajvízre! Page  6

A KÖRNYEZETI KOCKÁZAT KIALAKULÁSA SZENNYEZŐFORRÁS

TERJEDÉSI ÚT

jelenlegi oldott szennyezőanyag csóva

HATÁSVISELŐ / EXPOZÍCIÓ

feltételezett csóva

Környezeti kockázat akkor alakulhat ki, ha a szennyezőanyagok a vízzel- vagy a levegővel történő terjedés útján vagy direkt kontaktus révén (pl. a szennyezett talaj közvetlen lenyelésével) a hatásviselők (élőlények vagy ember) expozícióját okozzák. A környezeti kockázat az ökoszisztéma, illetőleg az emberi egészség romlásának, károsodásának várható mértéke és bekövetkezési valószínűsége.

Page  7

Forrás: BGT Hungária Kft.

A KOCKÁZATKEZELÉS

8

Page  8

A KÖRNYEZETI KOCKÁZATFELMÉRÉSEK TÍPUSAI HATÁSVISELŐK SZERINT Humán kockázatfelmérés, azaz egészségkockázat felmérés Védendő érték az emberi egészség. A hatásviselő lehet egyetlen ember, embercsoport vagy egy emberi populáció. Érzékeny (gyerekek, öregek, várandós anyák, kármentesítést végzők) vagy kevéssé érzékeny alcsoportok (munkahelyi hatásviselők). Ökológiai kockázatfelmérés Ökológiai hatásviselő lehet egy mikroba populáció, magasabb rendű élőlények (növények, állatok) vagy egy táplálkozási lánc egésze, de akár a teljes ökoszisztéma is. 9

Page  9

KVANTITATÍV KÖRNYEZETI KOCKÁZATFELMÉRÉS A kockázat mérésének alapja: a kitettség és a hatás összevetése

Kockázati tényező: (RQ= Risk Quotient) RQ= PEC/PNEC

Előre jelezhető környezeti koncentráció: (PEC=Predicted Environmental Concentration) Előrejelzés szerint károsan még nem ható koncentráció: (PNEC= Predicted No Effect Concentration) 10

Page  10

A KOCKÁZATI TÉNYEZŐ ÉRTÉKEIHEZ RENDELHETŐ VESZÉLYEZTETÉSI SZINTEK (EU-TGD) RQ = PEC/PNEC

Veszély

< 0,001

elhanyagolható

0,001 – 0,1

kicsi

0,1 – 1

enyhe

1 – 10

nagy

 10

igen nagy 11

Page  11

DEFINÍCIÓK  Környezettoxikológia:

– A környezettoxikológia a vegyi anyagoknak az ökológiai rendszerek szerkezetére és funkciójára gyakorolt (káros) hatását vizsgálja és ebből igyekszik előrejelzést adni a teljes ökoszisztémára (része az ember). – Teljes ökoszisztémák minden részletére kiterjedő vizsgálata nem lehetséges, ezért kiválasztott, jellemző fajok vagy laboratóriumi tesztorganizmusok válasza alapján következtetünk az ökoszisztéma egészére.

Page  12 http://thechronicleflask.wordpress.com

http://king.portlandschools.org

A környezettoxikológia a kockázatmenedzsmentben  Vegyi anyagok valamint szennyezett területek kockázatának jellemzésére  Támogatja a környezetmenedzsment és környezetpolitika döntéseit • Hatáson alapuló határértékek és más környezetminőségi kritériumok képzéséhez • Károsan még nem ható koncentráció • Monitoring-rendszerek tervezéséhez • Kockázatcsökkentési intézkedésekkel kapcsolatos döntésekhez…

• Kockázatcsökkentési intézkedés kiválasztása • Remediáció célértékének meghatározása… Page  13

Toxicitási tesztek, toxikus anyagok hatása A toxicitás tágabb értelemben egy anyag káros (mérgező) hatása egy biológiai szervezetre. A toxikus anyag lehet szerves vagy szervetlen vegyület, vagy elem, amely a káros biológiai hatást kiváltja.  Vegyi anyag, xenobiotikum

 Természetes anyag pl. botulinum toxin (Clostridium botulinum), aflatoxinok (mikotoxin, Aspergillus flavus), növényi toxinok, állati venomok

Page  14

Vegyi anyagok kölcsönhatása a környezettel és a környezettoxikológia fő funkciói A vegyi anyag kölcsönhatásának leírása az élőlény „aktív helyével” A hatás helye, receptor

Fiziológia és viselkedés

Közösségi paraméterek

Ökoszisztémára gyakorolt hatások

Vegyi anyag bekerülése a környezetbe Biotranszformáció A vegyi anyag sorsának és transzportjának leírása

Biokémiai paraméterek

Populációs paraméterek

A vegyi anyag ökoszisztémára gyakorolt hatásainak leírása és jellemzése Page  15

Ökotoxikológiai tesztek osztályozása a fajok száma szerint  Egy fajt alkalmazó teszt  Jól ismert, kontrollált forrásból  Baktérium, alga, gomba, növény, állat  Több fajt alkalmazó teszt  Kölcsönhatás a fajok között  Mikrokozmosz, mezokozmosz, szabadföldi vizsgálatok

Page  16

http://www.bka.org.uk

Táplálkozási láncok – trófikus szint Trófikus szint: az organizmus táplálkozási láncon belül elfoglalt pozíciója. Környezeti minták tesztelése: ált. három különböző trófikus szintről származó tesztorganizmussal

napfény Autotrófok/ elsődleges termelők

Növényevők/ elsődleges fogyasztók

Húsevők I/ másodlagos fogyasztók

Húsevők II/ harmadlagos fogyasztók

Lebontók

Page  17

légzési veszteség

tápanyagfelvétel

hulladékanyagok

anyagcsere során

Mikrokozmosz és mezokozmosz tesztek  Mikrokozmosz: – 100 cm3 térfogatú rázatott lombiktól vagy 500 kg-os tenyészedény kísérlettől több száz liter térfogatig.

– Laboratóriumban. – 3–10 hét

http://njwrri.rutgers.edu http://www.glerl.noaa.gov

 Mezokozmosz: – Valóságos ökoszisztéma hűségesebb modellje. – Általában szabadban. Sokszor az ökoszisztéam izolált része. – 5–6 hónap Page  18 http://web.njit.edu/

Szabadföldi vizsgálat  Megfigyelés vagy kísérlet – Pl. in situ biomonitoring

http://cpcb.ku.edu

• Indikátor-organizmusok vizsgálata (passzív biomonitoring) • Vizsgáló által a környezetbe helyezett organizmus (aktív biomonitoirng)

 Természetes rendszerek időszakos, térbeli és evolúciós heterogenitása  Nehéz, drága, ellentmondásos Glasgow et al. 2004

Page  19

Ökotoxikológiai tesztek: tesztelendő ökoszisztéma szerint Tesztelendő ökoszisztéma – Vizi ökoszisztéma (víz + üledék) • Tengeri ökoszisztémák

• Édesvízi ökoszisztémák – Szárazföldi ökoszisztéma

Page  20

http://studentweb.usq.edu.au

EGY FAJT ALKALMAZÓ KÖRNYEZETTOXIKOLÓGIAI TESZTEK - PÉLDÁK

Page  21

Aliivibrio fischeri biolumineszcencia gátlási teszt  Tesztorganizmus: Aliivibrio fischeri Tengeri baktérium, fényt emittál

A kurtafarkú tintahal hordozza a Aliivibrio fischeri-t az úgynevezett "fényszervben".  A teszt elve a Aliivibrio fischeri által emittált lumineszcens fény detektálása; toxikus anyagok jelenlétében a fényemisszió csökken.

Kurtafarkú tintahal Euprymna scolopes Page  22

Baktériumszuszpenzió mikroszkópos képe (fluoreszcens festett sejtek)

Folyadék kultúra jól megvilágított helyen

Folyadék kultúra sötétben

Koncentráció-válasz összefüggés Szigmoid görbe

EC20

EC50

EC10, EC20, EC50, EC90 = hatásos koncentráció (Effect Concentration), mely a mérési vagy végpont 10, 20, 50, 90 %-os csökkenését okozza. Page vizsgálati 23

Protozoa (Tetrahymena pyriformis) szaporodás gátlási teszt  Állati egysejtű (protozoa), csillós  Mérete 25–90 µm között, nevét körteszerű alakjáról, ill. a sejtszáj négy mozgó, hártyaszerű képletéről kapta.  Kutatások kedvelt tesztorganizmusa könnyű fenntarthatósága, gyors szaporodása miatt, de főként azért, mert sejtje sokban hasonlít a fejlettebb gerincesek sejtjeihez (sejtmembrán összetétele, kulcsenzimek, inzulin és adrenalin termelés).  Mérési végpont: sejtszám http://www.microscopyu.com/

Page  24

Vízibolha (Daphnia magna) teszt  Daphnia magna tesztorganizmus  http://www.youtube.com/watch?v=m4G2YFFZQcA

 Akut teszt – Daphnia magna immobilitási teszt (ISO 6341:1996, OECD 202), 24–48 óra – Daphnia magna szívritmus teszt • http://www.youtube.com/watch?v=MJCnZ0pB3q4&featur e=related

 Krónikus teszt – Daphnia magna reproduktivitási teszt (ISO 10706:2000, OECD 211), 21 nap • http://www.youtube.com/watch?v=b7UFjsAYr3Y Page  25

Békalencse (Lemna minor) teszt  A békalencsék a víz felszínén úszó egyszikű, lágyszárú vízinövények. Nagyon elterjedt, gyorsan szaporodó évelők.

 Méretük 2–12 mm lehet.  Virágaik egyivarúak. Ritkán virágoznak, általában testük sarjadzásával szaporodnak.

 Mérés végpontja: levélkeszám, ép, zöld levélrészek területe, klorofill tartalom (etanolban extrahálva, mérés: spektrofotométer)

Page  26

Fehér mustár

Növényi biotesztek

Sinapis alba réz-oldatban, növekvő koncentráció balról jobbra

 Alkalmazott tesztnövények: fehér mustár (Sinapis alba), kerti zsázsa (Lepidium sativum), retek (Raphynus sativus), búza (Triticum sativum), angolperje (Lolium perenne) stb.  A növényi magokat közvetlenül a talajba ültetjük  direkt kontakt a növényi gyökerek és a talaj között, vagy szűrőpapírra mért tesztoldatra/vízmintára. Page  27

A talaj komplex rendszere

http://egeology.blogfa.com/

Prescott et al., 1993

28

Page  28

Mátrix – szennyezőanyag – bióta közötti kölcsönhatás vizsgálatára: direkt kontakt talajtesztek

Folsomia candida mortalitási teszt A Folsomia candida (Collembola) az ugróvillások rendjébe tartozó, ősi rovar. Apró (3–4 mm hosszú) fehér állatkák.

 Talajban élnek (m2-enként ~ 100 000 állatka). Fontos szerepük van a „talajfunkció” fenntartásában  Hasi tömlővel lélegeznek, talajgőzökre érzékenyen reagálnak → Illékony szerves szennyezőanyagokra érzékenyek.  Mérési végpont: pusztulás (akut), utódok száma (reprodukciós)

http://extension.misso uri.edu

A vizsgálathoz azonos korú (14 napos) állatkák szükségesek

Page  29

Kifejlett állat petékkel

Kifejlett egyedek fiatal állatokkal

Kifejlett Collembola

Földigiliszta (Eisenia fetida) teszt – Közepesen érzékeny tesztorganizmus. – Az expozíciós útvonalak közül a bőrkontaktus és az emésztés dominál. – Mérési végpontok: • Akut és krónikus toxicitás esetében: az állatok száma, letalitás

http://gogreennow5.blogspot.com/

• Reproduktivitásnál: az utódok száma • Bioakkumuláció vizsgálata esetén: koncentráció a szövetekben. http://veracruzinforma.com.mx/

Page  30

Talajlégzés mérése  A talajban lévő mikroorganizmusok aktivitása mérése CO2 termelés mérésével – Aktivitás és aktiválhatóság mérés – Szennyezőanyag bontás intenzitásának mérése (biodegradáció, termelt CO2 mennyisége arányos az elbontott szennyezőanyag mennyiséggel) – Remediáció tervezése (pl. levegőztetés hatása, tápanyag adagolás hatása, hozzáférhetőséget növelő adalékanyag hozzáadása)

31

Page  31

Talajmikrobiológiai vizsgálatok  Általános talajmikrobiológiai vizsgálatok – Összcsíraszám meghatározása

Összes coliform, Endo-agar

– Gombaszám meghatározása…

 Higiénés talajmikrobiológiai vizsgálatok – Coliformszám, fekálcoliformszám meghatározása – Fekálstreptococcus-szám meghatározása …

Page  32

http://www.nowpublic.com/

Ajánlott irodalom  Gruiz Katalin, Horváth Beáta, Molnár Mónika: Környezettoxikológia. Műegyetemi kiadó, 2001 http://enfo.agt.bme.hu/drupal/sites/default/files/kornyezettoxikologia3.pdf

 KÖRINFO weboldal (www.körinfo.hu)  A témával foglalkozó tárgyak: – Környezettoxikológia, biomérnök és környezetmérnök MSc – Környezeti kockázatmenedzsment, biomérnök MSc

Page  33

Köszönöm a figyelmet! Elérhetőség: Dr. Feigl Viktória, [email protected]