Vlastnosti látek-ovlivnění účinku a osudu látky v prostředí
Faktory ovlivňující toxicitu • Látka- na jejích fyzikálních a chemických vlastnostech • Exposice -na dávce, na hladině v prostředí, na trvání kontaktu, na způsobu resorpce, na podmínkách kontaktu atd. • Organismus-na jeho individuálních, zděděných a získaných vlastnostech, druhu, pohlaví,věku, výživovém a celkovém funkčním stavu apod. • další okolnosti
Fyzikálně-chemické vlastnosti látky • tlak par • podíl konstant pro: hydrolýzu, fotolýzu, biologickou rozložitelnost, vypařování, sorpci, příjem • rozdělovací koeficienty: vzduch:voda, sediment:voda, oktanol: voda
• Je velice důležité rozumět chemickým (hydrolýza, oxidace, fotolýza, atd.), fyzikálním (struktura molekul, rozpustnost, těkavost, sorpce, atd) a biologickým (biotransformace, bioakumulace) faktorům, které ovlivňují koncentraci chemických látek v prostředí a určují jak se bude chemická látka chovat v prostředí a jak bude ovlivňovat organismy.
Chemické faktory ovlivňující toxicitu • Typ sloučeniny • Tvar molekul chem. sloučeniny • Polarita sloučenin-polární – rozpustné ve vodě - nepolární – rozpustné v tucích • Dávka • Časový průběh
Chemická struktura látky • Látky s vysokou molekulární hmotností nemohou pronikat buněčnými membránami. Tím dochází ke zpomalení enzymatických reakcí, které jsou limitovány na enzymy přítomné vně buňky. • Esterové vazby mohou snadno hydrolyzovat a dovolují tak rychlé rozštěpení větších molekul na menší, které mohou být rychleji degradovány. Enzymatická hydrolýza sama o sobě je podstatně rychlejší a efektivnější než hydrolýza chemická.
1
• Rozpustnost ve vodě umožní transport látky do míst enzymatických reakcí v buňce. Naopak nerozpustnost ve vodě může být vážnou překážkou degradace. Látky které nejsou rozpustné ve vodě nemohou být stanoveny na základě rozpuštěného organického kyslíku (DOC) a jejich konečná biodegradace musí být hodnocena respirometrickými metodami (vývojem oxidu uhličitého, nebo respirometrickou spotřebou kyslíku).
• Terciální uhlík (rozvětvené alifatické řetězce) jsou obvykle rezistentní k biodegradaci. • Substituce halogeny snižuje, nebo úplně zabraňuje aerobní biodegradaci. • Polyaromatické sloučeniny jsou obtížněji degradovatelné než jednoduché deriváty benzenu a alifatických sloučenin. • Povrchově aktivní látky založené na derivátech ethylenoxidu jsou mnohem snadněji biodegradovatelné než jejich homology na bázi propylen oxidu (větvení).
Vlastnosti organismu ovlivňující toxicitu • • • • • •
1) Genetická výbava 2) Pohlaví 3) Věk 4) Zdravotní stav 5) Předchozí expozice 6) Psychologický faktor
Faktory ovlivňující koncentraci toxikantů v prostředí • Ve prostředí je koncentrace, transport, transformace a osud látek ovlivněn v první řadě těmito faktory: • 1) fyzikálně-chemické vlastnosti látky • 2) fyzikální, chemické a biologické vlastnosti ekosystému • 3) zdroj a podíl vstupující látky
Cesty vstupu • Základní cesty příjmu chemických látek do organismu: -enterální vstup-označuje se tak vstup zažívacím ústrojím - parenterální vstup- vstup ostatními cestami • Ovlivňují především rychlost a úplnost absorpce a distribuce v organismu
Vlastnosti vodního ekosystému • • • • • • • • •
Poměr plochy a objemu teplota pH salinita rychlost proudění hloubka obsah suspendovaného materiálu velikost sedimentárních částic obsah uhlíku v sedimentu
2
Vlastnosti zdroje • • • •
Velikost vstupu chemické složení odpadu pozaďové koncentrace látky produkty transformace chemické látky
Chemické látky se ve vodě vyskytují ve třech formách, které ovlivňují jejich dostupnost pro organismy (bioavalability) 1) rozpuštěné (kapalná fáze) 2) asociovány na organický uhlík (huminové látky významně snižují dostupnost pro organismy a tedy toxicitu)
• Tento druh dat není používán jen pro předpověď koncentrace látky v prostředí, ale také pro určení: • 1) pohyblivosti látky a části ekosystému, v které se bude nejčastěji vyskytovat • 2) typu chemických a biologických reakcí, které budou probíhat během transportu a po deposici • 3) možné chemické formy • 4) stálosti a přetrvávání chemické látky
3) sorbované- na biotické a abiotické složky a rozptýlené ve vodním sloupci nebo usazené na dně Freundlichova adsorpční izoterma: S=Kf*C1/n S-hmotnost sloučeniny vázané na tuhou fázi C-koncentrace v kapalné fázi Kf, n-konstanty Při nízké koncentraci polutantů je možné uvažovat lineární vztah
Charakteristiky chemických látek důležité pro osud látky v prostředí • Způsob expozice může také ovlivnit kinetické faktory jako absorpce, distribuce, biotransformace a vylučování a tím může výrazně ovlivnit toxicitu látky.
Rozdělovací koeficienty: 1) Rozdělení ch. látky mezi pevnou a kapalnou fází (vodu) při sorpční/desorpční rovnováze (půda, sedimenty)-Kd Kd=Cs/Cw, Cs≈Comfom
3
Rozdělovací koeficient pro některé látky Látka Těžké kovy Benzo(a)pyren PCB Methoxychlor Naftalen
Rozdělovací koeficient (Kd) 104-105 104-105 105-106 104 103
Koncentrační faktor (Koc) je pro řadu polutantů, hlavně pesticidů, funkcí rozpustnosti ve vodě (S) nebo distribučního koeficientu oktanol-voda (P). Podle Kenaga a Goringa (1980) je možné ho vyjádřit jako: log Koc =3,64-0,55 logS log Koc =1,377+0,541 logP
3) Rozdělení chemické látky mezi oktanol a vodu-Kow Kow=Co/Cw, Koc=0,617Kow. Čím větší je koeficient Kow, tím je větší pravděpodobnost, že se látka bude sorbovat na pevnou fázi, nebo její biokoncentrační faktor (BCF) bude vyšší (přímé závislost platí v oblasti 103≤Kow≤106 )
2) Rozdělení chemické látky mezi org. hmotu pevné fáze a vodou při sorpční/desorpční rovnováze-Koc Koc=Coc/Cw, fom=2foc
• Sorpce na částice sedimentu roste s klesající velikostí částic. • Např. Koncentrační faktor (Koc) pro methoxychlor je pro písek 22 000, ale pro jemný jíl je až 93 000. Tímto způsobem muže zrnitostní velikost sedimentu ovlivnit dostupnost a osud látky v prostředí.
4) Rozdělení chemické látky mezi vzduch a vodu za rovnovážného stavu (uvolňování látky do ovzduší-těkání převažuje při KH>10-5)- KH KH=Pi/Cw
4
5) Rozdělení biologické látky mezi biologické medium (např. ryby) a okolní prostředí (vodu)-BCF (biokoncentrační faktor) BCF=Co/Cw=kp/Kv • Bioakumulační faktor může být také vyjádřen jako funkce S (rozpustnosti) log BCF=2,79-0,564*log S
QSAR • Quantitative Structure-Activity Relationships, kvantitativní vztahy mezi strukturou a biologickou aktivitou • Jednou z metod je sestavení matematických vztahů vyjadřujících závislost velikosti biologického účinku nebo odpovědi na některých fyzikálně chemických vlastnostech nebo parametrech látek, založena na předpokladu, že již malé změny ve struktuře látky mohou významně měnit účinek látky • Dosud však analýza QSAR nedává dostatečně spolehlivé předpovědi o celém spektru možných účinků a nemůže nahradit experimenty na zvířatech.
Biotransformace • Biotransformací se rozumí přeměna látek v organismu. • Škodliviny, které vstoupí do organismu podléhají obvykle chemickým změnám, zpravidla enzymaticky katalyzovaným, vedoucím až k látkám tělu vlastním, nebo produktům,které se z těla vyloučí.
• U řady látek můžeme ze struktury a chemických vlastností se značnou pravděpodobností odhadovat alespoň část účinku. • Získávání, hodnocení a zobecňování informací o vztahu mezi fyzikálně chemickými a biologickými vlastnostmi je předmětem tzv. analýzy QSAR
Synergické a antagonistické působení látek • Synergismus- výsledný efekt působení několika látek je větší než by byl součet jednotlivých efektů každé látky zvlášť. Efekty se potenciují. • Antagonismus- výsledný efekt působení směsy látek je nižší než předpokládaný.
• Při biotransformaci dochází ke změně chemické struktury a tím i změně biologické účinnosti (detoxikaci, nebo naopak biologická aktivace škodlivin) a změně fyzikálních vlastností , na nichž závisí především schopnost průniku biomembránami a v konečném důsledku i vyloučení z organismu.
5
Hlavní principy biotransformace • Změna aktivní látky na látku neaktivní. • Změna neaktivní látky na látku aktivní. • Změna jedné neaktivní látky na jinou neaktivní látku. • Změna jedné aktivní látky na jinou aktivní látku.
Biologická účinnost produktů biotransformace • Biologická účinnost produktů biotransformace je většinou oproti původní škodlivině snížená (detoxikace, bioinaktivace), ale někdy mohou metabolity mít i silnější nebo kvalitativně závažnější účinek než původní látky (toxikace, bioaktivace, metabolická aktivace).
Typy enzymaticky katalyzovaných biotransformačních reakcí • Dvě skupiny: 1) fáze I- nesyntetické reakce- oxidace, redukce, hydrolýza 2) fáze II-syntetické reakce-konjugace
• Význam poznatků o biotransformaci pro toxikologii spočívá v tom, že napomáhají poznání a vysvětlení mechanismu působení škodlivin, umožňují odhad nebezpečnosti látek, o nichž jsou k dispozici jiné dostatečné údaje ( ze struktury lze usuzovat jak bude biotransformována na základě poznatků o přeměnách látek podobných), dovolují cíleným zásahem do biotransformace ovlivnit působení látky (při intoxikaci může být účelné urychlit přeměnu látky na méně toxický metabolit, nebo naopak zpomalit metabolickou aktivaci), jsou podkladem pro vypracování expozičních testů využívaných k hodnocení závažnosti expozice škodlivinám.
6
