RECETOX, Masaryk University, Brno, CR holoubek@recetox.muni.cz; http://recetox.muni.cz Ivan Holoubek CHEMIE ŽIVOTNÍHO PROSTŘEDÍ IV Vybrané typy environmentálních polutantů (01_02) Těžké kovy (HMs) – účinky, toxicita Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 2 Esencialita kovů Řada kovů je v nízkých hladinách nezbytná pro život a musí být součástí výživy (27 prvků). Esenciální kovy jsou zahrnuty v řadě enzymatických a metabolických procesů jako součástí nebo aktivátory enzymů. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 3 Koncentrace a účinky Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 4 Příklady některých esenciálních kovů a jejich funkcí Kov Příklad biologické funkce Co Součást vitamínu B12 Cu Protetická skupina cytochromu a hemocyaninu Fe Protetická skupina hemových enzymů (cytochromoxidáza, hemoglobin) Mn Kofaktor arginázy Mo Kofaktor xanthinoxidázy Ni Kofaktor ureázy Se Kofaktor glutathion peroxidázy V Kofaktor nitrát reduktázy Zn Kofaktor H2CO3 anhydrázy a DNA polymerázy Esencialita kovů Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 5 Nedostatek - toxicita Různé koncentrace esenciálního kovu mohou být nedostatkové nebo toxické – obě varianty mohou způsobovat škodlivé účinky. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 6 Rostoucí oxidační stav kovu – roste jeho Lewisova acidita (příjem elektronů) a tím se zvyšuje i afinita k ligandům. Opačně - silné Lewisovy báze snižují Lewisovu aciditu kovů a tím i jeho afinitu pro ostatní ligandy. Toxicita Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 7 Forma kovu ve vodě Anorganická Organická Rozpustná Nerozpustná Ion Komplexní ion Chelatovaný ion Molekula Koloidní Vysrážený Adsorbovaný Přítomnost jiných kovů nebo jedů Společný účinek Bez interakce Antagonismus Více než aditivní Aditivní Méně než aditivní Faktory ovlivňující toxicitu kovů v roztoku Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 8 Faktory ovlivňující fyziologii organismu a možnou formu výskytu kovu ve vodě -T - pH - rozpuštěný kyslík - světlo - salinita Stav organismu - vývojové stádium - změny v životním cyklu (reprodukce..) - věk a velikost - pohlaví - hladovění - aktivita - adaptace ke kovům - změny chování Faktory ovlivňující toxicitu kovů v roztoku Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 9 Cell membrane disruption Hg, Pb, Zn, Ni, Cu, Cd Inhibition of enzymatic activity (antimetabolite) Hg, Pb, As, Cd, Cu Protein denaturation Hg, Pb, Cd Inhibition of cell division Hg, Pb, Cd, Ni Microbial cell DNA damage Hg, Pb, Cd, As DNA mRNA Protein synthesis Inhibition of transcription Hg Inhibition of translation Hg, Pb, Cd Toxicita kovů Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 10 Metalothioneiny (MT) – rodina na cystein bohatých, nízkomolekulárních, kov obsahujících proteinů s významnými funkcemi pro regulaci esenciálních kovů (Cu, Zn) a pro detoxikaci esenciálních a některých neesenciálních kovů (Cd, Hg). Důležitá role v oddělování kovů, dochází k jejich indukci při expozici kovy – vzrůst množství MT a kovů na ně vázaných může být využita pro charakterizaci expozice Cd, Cu, Zn například u vodních organismů. Mechanismus detoxikace kovů Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 11 Hlavní funkce MT – homeostatická regulace intracelulárních kovů – regulace dostupnosti kovů pro funkce závislé na kovech řídící dostupnost kovů pro specifická intracelulární místa (homeostáze vyžaduje udržování konstantního vnitřního stavu biologických systémů). Předpokládá se, že MT regulují tok některých esenciálních iontů buňkou a podílejí se jako donor/akceptory kovu na biosyntéze a degradaci odpovídajících metalo-enzymů a metaloproteinů. Kovy vázané v MT mají tendenci k bioakumulaci v buňkách vnitřních orgánů, což vede ke zvýšení celkových koncentrací kovů. Měření MT ve vodních organismech je považováno za indikátor na buněčné úrovni expozice a toxicity kovů. Mechanismus detoxikace kovů Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 12 Mikrobiální resistence k toxicitě kovů Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 13 Biokoncentrace, bioakumulace a bioobohacování kovů Hodnocení biokoncentrace, bioakumulace a bioobohacování kovů:  bioakumulace je jedno z kritérií pro identifikaci nebezpečnosti a hodnocení rizik  biokoncentrační a bioakumulační faktory se používají pro hodnocení bioakumulace  bioakumulace odvozuje sklon k bioobohacování a oznamuje nárůst toxicity pro organismus na vyšších trofických úrovních potravních řetězců  bioakumulace esenciálních prvků je mechanismem regulujícím nezbytnou koncentraci prvku pro organismus. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 14 Řada kovů má potenciál k bioakumulaci ve vodních potravních řetězcích, ale pouze u Se a methylrtuť dochází k bioobohacování. Biokoncentrace je nejdůležitější cestou příjmu kovů vodními organismy (As, Cd, Cu, Pb, Zn) – korelace obsahu biodostupného kovu ve vodách a obsahu ve vodních organismech. BCF pro As a říční bezobratlé – 17 pro anorganický As3+, 6 a méně pro anorganický As5+ a 9 a méně pro organicky vázaný As. Rozsah bioakumulace je různý, závisí na biodostupnosti kovu, na organismech, expoziční koncentraci a na vlastnostech prostředí. Vodní potravní řetězce Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 15 Vysoká bioakumulace – zooplankton. Negativní korelace mezi velikostí organismu a bioakumulaci kovů. Akumulace některých esenciálních kovů může být organismy regulována pro udržení potřebné koncentrace kovů v buňkách – to stěžuje použití hodnot BCF jako kritéria pro predikci škodlivých účinků na základě bioakumulačního nebo bioobohacovacího potenciálu kovů. EU – pro esenciální kovy s BCF > 100 – nebezpečné pro vodní organismy používají se výpočty BCF a modely deficience- toxicita. Vodní potravní řetězce Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 16 Biokoncentrace – hlavně pro vodní organismy; pro terestrické se pro kovy využívá bioakumulace a bioobohacování. Kovy se všeobecně bioakumulují v terestrických potravních řetězcích, ale hodnoty BAFs jsou poměrně nízké (Cd, Cr, Cu, Ni, Zn). Řada kovů se absorbuje prostřednictvím střev bezobratlých (žížaly), plazů, ptáků a savců. Bioobohacování – pouze u Cd, CH3Hg+, Pb – nevýznamné – bioobohacování není významným environmentálním parametrem pro kovy. Terestrické potravní řetězce Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 17 Málo literárních důkazů - dle EU – kov s BCF > 100 – potenciální bioobohacování. Výpočet: koeficient trofického přenosu (Trophic Transfer Coefficient – TTC): koncentrace v predátoru dělená koncentrací v kořisti – potenciál pro bioobohacování – > 100 – jen u methylrtuti. Terestrické potravní řetězce Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 18 Nárůst koncentrace kovů v čase Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 19 Akumulace těžkých kovů Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 20 Prvek KARCINOGENITA Riziko IARC DFG Kadmium 2A A2 1,2 x 10-2 Olovo 2B NK Rtuť NK NK Arsen 1 A1 4,0 x 10-3 (plíce) Chrom (VI) 1 A2 4,0 x 10-2 (plíce) Nikl 1 A1 4,0 x 10-4 (plíce) Karcinogenní riziko odvozené z humánních studií Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 21 Klasifikace podle IARC Účinek látky Skupina 1 Karcinogenní pro člověka 2A Pravděpodobně karcinogenní pro člověka 2B Potenciálně karcinogenní pro člověka 3 Neklasifikovaný jako karcinogen pro člověka 4 Pravděpodobně nekarcinogenní pro člověka Klasifikace podle DFG A Jednoznačně prokázaný karcinogen v pracovním prostředí A1 Podle zkušeností způsobuje zhoubné nádory A2 Dosud při experimentech se zvířaty za podmínek srovnatelných s pracovní expozicí jednoznačně prokázané karcinogenní účinky B Podezřelý karcinogenní potenciál Karcinogenní riziko odvozené z humánních studií