(©) Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Mgr. Jana Vašíčková, Ph.D. vas i c ko va@recetox. m u n i. cz Terrestrial Environment (Riparian & Upland) Aquatic Environment y— Cal|1oriH fT y— í i.li-1-r / aval- / VB j B / Ju TíT" TO 13 f- WJldMHIjeV « H * ________ JSht^- ° p * ŕ* Atsesr"eiw ů( CoiiaiiKMiK 1_ _*_ Risk Charartřrisalion TER (Toxicity Exposure Ratio] HQ or 14Q (Hazard or ftisk Qurtintf) RAC (Rigulatorv Accfptnbte Coocentriittcral Centrum pro výzkum toxických látek u prostředí I Rif k Mji[iLi"fiiuiil Hodnocení expozice Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí ,-»-. ^Communicate Results} t Rish Managements^ Fáze analýzy rizik Analýza je proces, který zkoumá dvě hlavní složky rizika, expozice a účinků a jejich vztahy mezi sebou navzájem. Cílem je poskytnout data nezbytné pro stanovení nebo předpovídání ekologické odezvy na stresory za podmínek expozice. Produktem fáze analýzy jsou souhrnné profily, které popisují expozici a vztah mezi stresorem a odpovědí. Tyto profily tvoří základ pro odhad a popis rizika v charakterizaci rizik. Průběh fáze analýzy: - Selekce dat, která budou použita na základě jejich užitečnosti pro vyhodnocení hypotéz - Analýza expozice - zkoumání zdroje stresorů, distribuci stresom v životním prostředí a míru společného výskytu nebo kontakt - Analýza dopadu - zkoumání vztahu stresor-odpověď, důkazy kauzality a vztah mezi měřenými efekty a hodnocenými endpointy Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Expozice v ekotoxikologii a v EcoRA expozice v HHRA: C8580 Analýza rizik Dr. Pavel Čupr toxikologie 1 (contaminant ekologie y/ organely (environmentálni) ^ molekuly toxikologie Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Expozice v ekotoxikologii a v EcoRA • hodnocení efektů bez znalosti expozice je téměř zbytečné • bez expozice není účinek, bez expozice je riziko = 0 • z hlediska poslání / cíle celé ekotoxikologie: nejen řešit efekty, ale popsat celý problém, popsat riziko, odvodit opatření, chránit ŽP: - predikce - hodnocení rizik - pravděpodobnosti, že při dané koncentraci dojde k definovaným efektům - kauzalita - korelace intenzity stresom (koncentrace chemické látky) a míry poškození biologického systému - Výsledek je prognóza koncentrace toxikantů v jednotlivých složkách prostředí = PEC (Predicted Environmental Concetration) - potenciální expozice jako jeden z podkladů pro hodnocení účinků Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Expozice v ekotoxikologii a v EcoRA • Expozice = stav kdy se toxikant dostává do přímého kontaktu s biosystémem - Zahrnuje i cesty, kterými se látka dostává od zdroje k příjemci a osud látky v prostředí • Účinek = změna, kterou svým působením toxikant v biosystému vyvolá • K přímému vlivu toxikantu na biosystém může dojít pouze tehdy, jestliže molekuly toxikantu vstoupí do interakce s molekulami v místě účinku v biosystému • Pouze pokud toxikant vstoupí do organismu a zde dosáhne místa, které je citlivé na jeho působení (= tzv.místo účinku) a vstoupí do reakce s molekulami, které se zúčastňují metabolismu, může nastat škodlivé působení • Nepřímý účinek = zprostředkovaně vztahy mezi organismy - likvidace včel působení pesticidů ovlivní opalování rostlin Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Expozice v ekotoxikologii a v EcoRA všechny tyto procesy je potřeba popsat a vyhodnotit (= změřit/modelovat) pro kvalitní analýzu ekotoxikologického problému, protože v drtivé většině případů platí, že pro účinek musí látka vstoupit do organismu a reagovat s biol. receptorem • expoziční cesta Prostředí Organismus Environmentálni dostupnost - forma Environmentálni - koncentrace biodostupnost (aktivita) . pnjem doba stupeň výskytu efektivita Toxikologická / farmakologická biodostupnost - dávka v cílovém místě Total concentration in soil soil like material L n vir o n ni em ;il availability Potentially available concentration in soil/soil materin! Fraction sorbŕd to >ot! iii.iľ] 1:; Fiaf tiou dissolved ip composed form Fraction dissolved as free inoleriile:'ion Bioiufliienced zone Environmental bioavailability Dynamic or passive uptake Toxicological bioavailability Bio-icTiiimikifiou Internal transport, Metabolism. Evcrerion Effect C BR 3 Food iveb ■S Mein braue ISO 17402 (2006) Guidance for the selection and application of methods for the assessment of bioavailability in soil and soil materials Hodnocení expozice • Princip hodnocení expozice, jakožto základního předpokladu pro existenci účinků je v metodice EcoRA zcela nezbytnou komponentou. • Expozice se vyjadřuje buď ve vazbě na prokazatelně přítomné stresory v prostředí nebo jako funkce dávky, například dle očekávaného přijmu v potravě. • Samostatnou kategorii popisující celkovou dávku přijatou organismem již ve vztahu k předpokládanému účinku je dávkový ekvivalent. • Hodnoceni expozice a hodnoceni účinků spolu úzce souvisejí. Musí byt koordinované s aktivitami charakterizujícími fyzikální a chemické vlastnosti sledované lokality či oblasti. • I přes velmi úzkou souvislost těchto hodnoceni neexistuji standardní přístupy ani specifická sada metod EcoRA pro všechna místa - každé hodnoceni je unikátní a místně specifické. • význam hodnocení spočívá v kvantifikaci skutečné nebo potenciální expozice každého receptoru zájmovými kontaminanty a použite metody musí tudíž spojovat kontaminanty v prostředí s ekologickými receptory. Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Expozice v ekotoxikologii a v EcoRA konstrukce expozičního scénáře - analýza situace Figure 2. Conceptual model for metals in aquatic systems. (1) runoff and point sources; (2) atmospheric deposition {and volatilization for Hg); (3) uptake from dissolved phase; (4) trophic transfer; (5) deposition of detrital organic matter; (6) precipitation/dissolution and sorption/desorption; (7) uptake by rooted macrophytes; (8) benthic organisms may ingested sediment or irrigate their burrows and take up metals from water column; (9) emergence of insects. Me": free metal ions (metal aquo complexes); MeL,.: metal complexes with ligand L (charges are neglected for simplicity); MeS: metal precipitates; =S-OMe: metal adsorbed on particles. Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Chapman et al. (2003) Human and Ecological Risk Assessment 9, 641 Metodiky hodnocení expozice Hodnocení expozice zahrnuje popis a kvantifikaci všech jevů, které se vyskytují mezi výstupem toxikantu ze zdroje a jeho přímým kontaktem s biosystémem, tedy expozicí. - Výstup toxikantu ze zdroje (emise) - Transformace v prostředí včetně změn a transformace látek v průběhu transportu (transmise) - Kontakt toxikantu s cílovými organismy (imise) Emission Lise patterns Air Plants, Seeds Soil Water Foliar invertebrates such as honey bees Plant material Soil micro - / macro-organisms, Ground soil invertebrates Fish Tiip predators t Predators - Carnivores - Piscivores t - Insectivores - Herbivores - Granivores - Fnigivores - Omnivores Terrestrial vertebrates EU Conceptual model for the hazard and risk assessments in the terrestrial ecosystems Chemicals reach the initial exposed compartment (s) (Air, Plants, Seeds, Soil or Water), distribute in the environment and reach ecological receptors. Ecological receptors Zdroje rizik • Identifikace zdroje - relevantní informace mohou pocházet: - Map využití půdy, letecké snímkování - Rozhovory s místními informátory - Historické záznamy - Průzkumy oblasti • Fyzikální stav zdroje • Složení zdroje, a jeho historie, včetně stavu který vedl k nápravě (např. odpad uložen před 15 lety na povrch půdy a zakrytý čistou půdou před 10 lety) Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Zdroje rizik - přehled zdrojů kontaminace BODOVÉ ZDROJE (lze lépe kontrolovat, postihovat) • odpadní komunální vody • průmyslové odpadní vody • pevné městské a průmyslové odpady - skládky / spalování DIFUZNl ZDROJE (obtížná kontrola) • průmysl, produkty motorů, výroba energie • splachy z povrchů (silnice, střechy, nátěry • zemědělské činnosti Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Otázky pro při hodnocení distribuce stresorů Jaké jsou důležité transportní cesty? Jaké vlastnosti stresom ovlivňují jeho transport? Jaké vlastnosti ekosystému budou ovlivňovat transport stresom? Budou se tvořit sekundární stresory? Kam se budou stresory transportovat? /^P~V\ Centrum pro výzkum (■""ji toxických látek V^^y/ v prostředí Charakterizace stresom • Pro chemické stresory, vyhodnocení obvykle začíná určením rozdělovačích koeficientů • Klíčové faktory zahrnují fyzikálně-chemické vlastnosti, jako je rozpustnost a tlak par • Například chemické látky s nízkou rozpustností ve vodě mají tendenci se nacházejí ve složkách životního prostředí s vyššími podíly organického uhlíku, jako jsou půdy, sedimenty a biota • Odtud se hodnocení může zkoumat transport v kontaminovaném médiu • Vzhledem k tomu, směsi látek mohou mít různé vlastnosti, analýza by měla zvážit, jak se složení směsi může měnit v čase v průběhu transportu v životním prostředí • Bioakumulace a biomagnifikace jsou dalšími důležitými parametry Centrum pro výzkum toxických látek v prostřed! OSUD látky v prostředí určuje míru EXPOZICE ENVIRONMENTÁLNI OSUD (fate) popisuje ? V kterých složkách prostředí se látka nachází ROZDĚLOVÁNÍ mezi složky -> ? Jak se uvnitř složek pohybuje TRANSPORT - např. vzduchem —- ? Jak se uvnitř složek přeměňuje TRANSFORMACE .....> - chemické a biologické (© Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Obecné mechanismy transportu a rozptylu stresom • Fyzikálni, chemické a biologické stresory: - Vzdušným prouděním - V povrchových vodách (řeky, jezera, potoky) - Skrze půdní povrch - V podzemních vodách • Primárni chemické stresory: - prostřednictvím potravního řetězce • Primárně biologické stresory: - Lidská činnost - Pasivní transportem jinými organismy - Biologické vektory /^P~V\ Centrum pro výzkum (■""ji toxických látek V^^y/ v prostředí Které parametry určují jaký bude osud chemické látky? ROZDĚLOVÁNÍ TRANSPORT TRANSFORMACE Vlastnosti látky Polarita vs hydrofobicita (Kow, rozpustnost ve vodě) Těkavost, bod varu, vypařování (H, bod varu) i Reaktivita vs stabilita a persistence (t1/2) _ Vlastnosti prostředí Proudění (rychlost, směr, typ ...) Teplota Světlo (a jeho parametry) Chemické složení pH (volné H+) Redox potenciál (... přítomnost 02) Přítomnost anorganických iontů / výměnných míst (např. jíl) Částice - typ, velikost, množství Organický materiál - typ, množství (huminové látky atp.) Voda Sedimenty Půda Atmosféra Vlastnosti bioty vegetace, konzumenti... Počet / Pohyb / Velikost (povrch) / Množství (%) tuku / Stupeň v trofické pyramidě atd. atd. Kombinace uvedených parametrů určí osud a výslednou expozici organismů Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí OSUD látky v prostředí určuje míru EXPOZICE • Transportní procesy - dochází k pohybu látek v prostředí, ale nemění se chemická podstata - Difúze, sorpce, volatilizace, biokoncetrace • Transformační - mění se chemické složení toxikantu - dochází k jeho degradaci ^ - Fotolýza, hydrolýza, oxidace, biologická degradace • Při popisu látek v prostředí je důležitá kinetika, to znamená změna koncentrací látky v závislosti na čase. Rychlost degradace a transformace je důležitým parametrem pro hodnocení možnosti jejich migrace v životním prostředí • Řada těchto procesů probíhá podle kinetiky 1. řádu což znamená, že okamžitá rychlost reakce je úměrná koncentraci výchozí látky v dané fázi. Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Přeměny látek v prostředí - (bio)transformace • Typy transformací organických látek: - částečná změna struktury (např. vstup OH do neutrální mk) - degradace na menší organické molekuly - úplná degradace org. látky (C02, H20) • Hlavní procesy - Chemické - dle typu prostředí • atmosféra - fotochemické reakce, reakce s kyslíkem (!) • voda - hydrolýza, oxidační reakce • anoxické prostředí (sedimenty, podzemní voda) - redukční reakce - Biotické (enzymatická) • Úplná biotransformace („Ready biodegradability") - látka je využívána mikroorganismy jako zdroj uhlíku -> produkce C02 • Kometabolizace - mikroorganismy potřebují jiný (hlavní) zdroj C (transformace látky v rámci „vedlejších" procesů) /^P~V\ Centrum pro výzkum (■""ji toxických látek V^^y/ v prostředí Přeměny látek v prostředí - (bio)transformace • Výsledek transformace - netoxické produkty - tvorba ještě toxičtějších produktů (! př. Hg -> methyl-Hg) • Biodegradabilita vs Persistence - Látky polární a reaktivní - zpravidla krátký poločas života - Halogenované, neutrální látky - persistentní v prostředí /^P~V\ Centrum pro výzkum (■""ji toxických látek V^t^/ v prostředí Sekundární s t res o ry • Sekundární stresory může výrazně změnit závěry o riziku - mohou být větší nebo menší, než se týkají primárního stresom. • Charakterizace sekundárního stresom je obvykle součástí charakterizace expozice - všechny potenciálně významné sekundární stresory jsou brány v úvahu. • Pro chemikálie, vyhodnocení se obvykle zaměřuje na metabolity, biodegradace produkty nebo chemikálie vytvořených pomocí abiotických procesů. - mikrobiální činnost zvyšuje bioakumulaci rtuti přeměnou anorganických forem na organické - sekundární stresory mohou být také vytvořeny pomocí procesů v ekosystému. Přísun nutrientů do řeky může snížit koncentraci rozpuštěného kyslíku protože se zvýší primární produkce a následně dekompozice - Fyzikální disturbance - např. odstranění břehových porostů, může generovat mnoho sekundární stresory, včetně zvýšení živin, teploty, sedimentace a změně toku - tyto faktory mohou ovlivnit úmrtnost ryb v daném místě řeky Centrum pro výzkum toxických látek v prostřed! Expozice v ekotoxikologii a v EcoRA • překryv s environmentálni chemií • expozici předchází osud kontaminantu v prostředí, který nemůže ekotoxikologie přehlížet, protože expozici klíčově ovlivňuje: - změna environmentálni dostupnosti: • změna celkové koncentrace v prostředí • změna distribuce v různých částech prostředí • změna forem výskytu látky (např. kovy - speciace) a transformace • závisí zejména na vlastnostech látky a prostředí - změna biodosažitelnosti a biodostupnosti • vazba na složky prostředí • omezení příjmu organismy • závisí na vlastnostech látky, prostředí ale i organismů (uveďte konkrétní příklady) Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Expozice v ekotoxikologii a v EcoRA • celá řada souvisejících procesů na překryvu ekotoxikologie a environmentální chemie - bioakumulace - biokoncentrace - bioobohacování - biotransformace - biodegradace - toxokinetika - toxodynamika /^P~V\ Centrum pro výzkum fw^j) toxických látek V^^y/ v prostředí Bioakumulace, Biokoncentrace, Bioobohacování Biokoncentrace Míra příjmu látky do organismu (ryby) z vody BCF - Bioconcentration factor BCF = Concentrati on Biota Concentration\VatGr Experimentální stanovení Testy s rybami (standard OECD 305) Dlouhé, náročné testy, testy s rybami in vivo BCF lze predikovat z Kow logBCF = logKow-1.32 Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Bioaccumulat/on A Bioconcentration Procesu Food chain transfer Elimination (respiration & excretion) Bioconcentration (Uptake from water] Bioaccumulation ~ biocanccmrarian + food chain transfer - (climination+ growth dilution) Bioakumulace, Biokoncentrace, Bioobohacování Bioakumulace Akumulace látky (všechny cesty expozice) BAP = ConceDtoti011 ofHMk^fish tisslie gg Kg-1) BAF — BiOaCCUmUlatiOn faCtOr Concentration of HM in rivulet water (mg 1«—*J Bioaccumulation Bioobohacování (Biomagnification) Zvyšování koncentrací látek v organismech v potravním řetězci BMF - Biomagnification factor (Cpredator/Cfood) i_ ^^^^^ Contaminant Levels TIME Contaminant Levels Biomagnification /^P~V\ Centrum pro výzkum (■""ji toxických látek V^ty/ u prostředí Biomagnifi cation Factor Centrum pro v> toxických látek v prostredí B ioac cumulation (ß ioco ncentratfon) factor BAFf (BCFj) = p, uptake from surrouding medium B\ota-Sediment Bioaccumulation Factor Ci organism BMF f m ^jfofganlíiTi t uptake from food mammal {organism) fish (organism, diet) zooplankton {organism, diet) atgae {organism, diet) Hodnocení expozice Environmental Risk Assessment (ERA) ERA life cycle Data evaluation Exposure assessment PEC = Predicted Environmental Concentration RCR< 1 No risk! Effect assessment PNEC = Predicted No-Effect Concentration Risk Characterisation Ratio RCR = PEC / PNEC /^P~V\ Centrum pro výzkum (■""ji toxických látek V^t^/ v prostředí Jak poznat dávku (expozici) ? Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Hodnocení expozice • analýza intenzity, kvantifikace stresoru = chemické látky, toxikantu • cíl = přesná a pravdivá koncentrace/dávka, které jsou biosystémy exponovány + případně četnost a doba trvání expozice a prostorové definování • měření versus modelování • nutno jasně definovat KDE (na jaké „vrstvě") je stresor kvantifikován: koncentrace v prostředí X koncentrace v organismu (dávka) a CO vlastně vyjadřuje • pro hodnocení rizika (Hl = PEC / PNEC) je nutné, aby PEC a PNEC měly stejný kontext: musí být ve stejných jednotkách (např. celková koncentrace ve vodě / účinky při konkrétní celkové koncentraci ve vodě) • u kauzality to nutné není (např. koncentrace ve vodě / počet buněk řas v ml) - ALE kvantifikace stresoru musí být co nejvíce relevantní k následným efektům (biodostupná koncentrace) Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Metody hodnocení expozice • „klasické" - stanovení totální koncentrace v prostředí (externí) - stanovení koncentrace v organismu (interní - body burden) - většinou jednorázové stanovení aktuální koncentrace • „moderní" - stanovení „biodostupných" koncentrací v prostředí - důraz na reálnou frakci - efektivní frakci toxikantu - stanovení reálné expozice z hlediska času - dlouhodobé zprůměrování koncentrace - time weighted average (TWA) - pasivní vzorkování - měření a modelování přestupu do organismu - toxokinetika - efektivní koncentrace v organismu (lethal body burden, incipient lethal level..) + biomarkery expozice - modelování expozice multisložkovými environmentálními modely /^P~V\ Centrum pro výzkum fw^j) toxických látek V^^y/ v prostřed! Hodnocení hladin a koncentrace v prostředí - Principem je odběr vzorků, jejich chemická analýza a vyhodnocení - Výstupem je totální koncentrace na daném místě v daném čase - Základní informace pro retrospektivní studie - Monitoring vybraných látek v ovzduší na měřících stanicích - Monitoring kvality vod v povrchových tocích - Systematický monitoring kvality půd a jejich kontaminace v rámci celé ČR - Účelové studie kontaminace okolí průmyslových závodů - Výzkumné studie zaměřené na určitý zdroj kontaminace - Rozložené koncentrace látek v modelovém ekosystému - Monitoring zdravotního stavu lesních porostů pomocí analýzy síry v jehličí Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Aktuální koncentrace v médiu Celkové - totální - koncentrace Exposure Medium Typical Took for Measurement I Estimation Typical Ancillary Parameters Cautious / Key Issues Soil • Measurement of bulk soil chemistry, based on collection by (Towel or auger * Site-specific, but may include or game matter content. pH. moisture content, soil texture, cation exchange capacity. • Sample depth • Differentiation of soil layers • Spatial design and resolution Surface wafer • Measurement of total or dissolved concentrations using- Typical water sampling gear • Site-specific, but may include hardness. pH. alkalinity, acidity, temperature, dissolved oxygen, anions, cations, nutrients, conductivity, salinity. TSS. DOC • Temporal variability including seasonality Sediment and sediment pare water • Measurement of bulk sediment chemistry using grabs, divers, or cores • Measurement of sediment pore water chemistry (dissolved) by extraction from sediments, or directly (e.g.. using push-point samplers) • For sediment: organic carbon, particle size. pH. sulphides, SEM: AVS. possibly iron and manganese hydroxides • For pore water: redox, plus similar parameters to surface water • Understanding relevance of bulk sediment versus porewater for each receptor type • Sample dqjth • Spatial design and resolution • Understanding and addressing oxygenation of porewater samples dining collection and transport Air Vapour • Rare for ERA. but direct measurement and modeling are both used - see text. Tissues • Direct measurement preferred • Estimation using uptake factors or models • Lipid content • Moistiue content • Consideration of whether to test whole organism or selected tissue types • Consideration of whether To dq^ urate, depending on how tissue data will be used. Government of Canada (2012) Federal Contaminated Sites Action Plan. Ecological Risk Assessment Guidance. Celkové - totální - koncentrace Měření biodostupnosti BIODOSTUPNOST Pojem původně z farmakologie - frakce látky, která je v těle účinná V environmentálních vědách - frakce látky, která může být přijata do organismu = látka je ve formě, která je dostupná (není tedy vázána v prostředí - např. na organický uhlík apod.) Biodostupnost popisuje procesy (vztahy) mezi - Látkami přítomnými v prostředí - Vstupem (akumulací) látek do organismů - Vlastnostmi prostředí Příklad - Půda dvě rozdílné půdy (vysoký a nízký obsah organického uhlíku) biodostupnost (a tedy i bioakumulace) je vyšší v případě "low" High Organic Matter Soil Low Organic Matter Soil SYMBOLS High Organic Matter W CoTitent Low Organic Matter Content Earthworm Soil Lipophilic Site Q Soil Negative Charge 0 Lipophilic Pesticide Positive Charge Pesticide BIODOSTUPNOST Toxické kovy ve vodách vs. tvrdost vody -> vyšší tvrdost vody (více Ca / Mg) - snížení biodostupnosti / snížení toxicity kovů (kompetice s toxickými kovy o vazebná místa v biotě) 'Specific binding sites or toxic action ! = Biotic Ligand (BL) Chelation Ca2+, Mg2+, Na+, TT* K+ DOC,POC Organic or Particulate Complexes Cation Competition Inorganic Complexes OH-5 CI % COj2-3 HCOg \ S042% HS ! Organism-Water 1 Interface i______________ Active influx Excretion Passive efflux (©) Centrum pro výzkum toxických látek v prostred BIODOSTUPNOST Hydrofobicita - organické látky vs. organický uhlík (huminové látky) -> hydrofobní látky - tendence akumulace v tucích / v biotě (ale současně i v mrtvé organické hmotě - OC) -> vysoký obsah OC v prostředí (ve vodě): snížení biodostupnosti látek U n conla m infll &í Sedrnent load from Lake Heftweil tributaries (eg.. Keowee and Seneca Rivers) and ferest and undeveloped land »*___ seitmartt t loading from Town Creek Lak.a Harwell Row from Town Creek J Lake Hsrtwoil, Surisce Water PCB Volatile Kůon an d "--^ Aru ospherlc řffpwKion Uirgo Fish [eg., HjhrH anal Fell (4.g.. ,nd Urgsmtulri B*lj 6h n 916 a nd &h Jd) .. Phjb>plfrrikttin ) Centr toxiď u prostředí Flow toward Lake Harhvell Suspended ■j-sed (dispersion) BIODOSTUPNOST Toxické kovy ve vodách vs. pH / složení vod -> vyšší pH: kovy přítomny v nerozpustných hydroxidech (snížení biodostupnosti) -> nižší (kyselé) pH - vyšší rozpustnost a vyšší toxicita kovů Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Měření biodostupnosti bioavailability degree to which chemicals present in the soil may be absorbed or metabolised by human or ecological receptors or are available for interaction with biological systems iso 17402 (2006) je potřeba zejména při analýze kauzality mezi expozicí a účinkem je potřeba pro větší mechanistické poznání tohoto vztahu je potřeba pro možné extrapolace účinků mezi vzorky a kontaminanty Eisenia andrei exponována olovu 2 g/kg (totální koncentrace) o E OJ > — E 100« 90 < 80 < 70 60 i 50 A0 4 30 20 104 o i i i i * III I v- v> o" 4* Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Soil Lanno et al. (2004) Ecotoxicology and Environmental Safety 57, 39-47 Jak změřit biodostupnost ? • pravdivě biodostupnou koncentraci lze stanovit pouze analýzou organismu po jeho expozici případně analýzou efektů • snaha vyvinout jednoduché chemické nástroje pro odhad biodostupné koncentrace / frakce kontaminantu • pouze taková chemická metoda, která koreluje s biologickým příjmem či efekty je validní (biomimetické metody / proxy for biota) % Bíoavaílable % Non-bioavailable Decreasing ! í Sieavailable 1 r Fraction with time 1 Increasing N on- &íc-avaílable Fraction with time 100 90 80 70 60 ■3 50 40 30 20 10 % Easily extractable % Recalcitrant % Non-extractable Decreasing with time Increasing with time Increasing with time Arbitrary Time Arbitrary Time Jak změřit biodostupnost ? Celkový obsah aging, sekvestrace _ 00 Nereverzibilně vázaná frakce 00 Pevná fáze Sorpce Kd, Koc, pH, CEC Frakce vázaná na DOC Pomalu reverzibilně vázaná frakce Rychle reverzibilně vázaná frakce Volně rozpuštěná frakce Vodná fáze Neextrahovatelná frakce Agresivní extrakce Mírná extrakce Ingesce Kow, BCF Hlen Příjem dermální Asimilace Distribuce Metabolismus Eliminace Bioakumulace Dosažení receptoru Toxicita ? Exkrece Jak změřit biodostupnost ? Biodosažitelná Biodostupná + Potenciálně biodostupná Bioavailability processes n both soil and sediment, processes that determine exposure to contamination include release of a solid-bound contaminant (A) and subsequent transport |B), transport of bound contaminants (C), uptake across a physiological membrane (D), and incorporation into a living system E). Note that A, B, and C can occur internal to an organism, such as in the lumen of the gut. The NRC report defines A, B, C, and D to be bioavailability processes, but not E, because soil and sediment no longer play a role. Biological membrane Bound contaminant A NEVER biodostupnost začíná až přestupem přes biomembránu Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Semple et al. (2004) EST 15: 229A Jak změřit biodostupnost ? Chemical measurements {available fractions) soil/water / V membrane organism Toxicity tests Bioaccumulation Biological measurements Řešení: • nemůže existovat jedna univerzální metoda • různé organismy, látky, situace: - toxicita pro organismy žijící v médiu © - biodegradace kontaminantu © - přestup kontaminantu do potravních řetězců © • nutné se ptát: biodostupnost PRO jakou látku ? jaký organismus ? jakou situaci ? jaký cíl ochrany ? ... ? • specifické okolnosti definovat a pro danou situaci hledat vhodnou metodu Centrum pro výzkum toxických látek v prostřed! Metody hodnocení biodostupnosti půda / sediment hydrofóbní polární polutanty polutanty koncentrace v pórové vodě extrakce vodnými roztoky H20, CaCI2, NH4N03 vzorkování volných kovů diffusive gradient in thin film (DGT), Donnan membrane technique (DMT) slabé kyseliny či komplexující činidla CH3COOH, EDTA roztok v kombinaci se sorbenty Tenax, XAD či hydroxypropyl-p-cyclodextrin (HPCD) slabá organická rozpouštědla butanol, metanol, etanol, směsi s vodou superkritická fluidní extrakce (SFE) nastavitelná síla / polarita extrakce biomimetické sorbenty / pasivní vzorkovače polyoxymethylene (POM), polydimethylsiloxane (PDMS), solid phase microextraction (SPME), semi-permeable membrane devices (SPMD) voda/ vzduch hydrofóbní polutanty polární polutanty kovy biomimetické sorbenty / pasivní vzorkovače POM, PDMS, SPME, SPMD, Polar organic compounds integrative sampler (POCIS), Chemcatcher, vzorkování volných iontů kovů diffusive gradient in thin film (DGT), Donnan membrane technique (DMT) Metody hodnocení biodostupnosti -půda / sediment • ISO 17402 (2006) Guidance for the selection and application of methods for the assessment of bioavailability in soil and soil materials • výběr metod dle mnoha kritérií - nejen prostá korelace s biologií (empirické metody), ale důraz na mechanistický / fyziologický princip = logicky souvisí s biologickými efekty / příjmem • validace na více látkách, více půdách/sedimentech Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Median ism Simulates Pathway Method Calibrated Ree Limitations men Contaminant Target ded Neutral extract Pore water concentration DErect contact with water Neutral water extract (NaN03; KNO3NH4NO3: CaCb) Cd/Zn/NI Soil organisms, plant uptake + NH4NO3 may reduce pH in low buffered soils. CaCb may reduce DOC concentrations Poorly soluble compounds Depends on concentration of salt Direct contact with water Extraction of pore water Cd/Zn/Ni Soil organisms, plant uptake + Pore water not available in dry soil Equilibration time if water is added Transport Leaching test Inorganic/or ganic Groundwater + Poorly soluble compounds Separation by diffusfon Free metal concentration Uptake DMT, DGT inorganic Soil organisms, plant uptake + Specialized equipment Acid extraction Potential soluble in water Uptake Acid extract (hno3) Cd/Zn/Ni Plant uptake after including soil characterise cs + Transport Leaching test 1 norgantc Groundwater + Uptake Acid extract J;iLl Tenax extraction mimics HOC b inaccessibility Cui etal. (2013) Environmental Pollution 172: 223-234 Metody hodnocení biodostupnosti - půda / sediment XAD • XAD-2, XAD-4 (amberlite) kopolymer polystyrenu • výhoda - stabilita do 200°C - lze použít termální desorpci postup podobný jako u Tenax ©SUPELCO Porosity: Surface Area (Min.) Mean Pore Diameter 0.41 mL pore/mL bead 300m2/g 9DÁ Bead jí f 60 c O re ■o 2 a 10 I liquids. Frbrfi Dean. J. R ., J\I a/axis for ~i rofi f> n'r? i a f Tret a? A/j///vj/5. AnTS Series. Copyright 2003. £g> J oh ii Wi Icy At Sons, Li mi ted. Reproduced wi th permission. Se/ecr appropriate SPAsTE prtase — 1 OO iim polydimethylsiloxane • 3D pirn polydimethylsiloxane • T u m polydimethylsiloxane • 85 nm polyacrylate » mixed phases, e.cj_ 65 urn polydimethylGiloxane/divinylbenzene ©5 mm Carbowax/divinylbon/ene 75 11 m Carboxen/polydimethylsiloxare 50/30 nm divinylbenzene/Carboxen on polydimethylsiloxane GO pi m polydimethylsiloxane/Carboxen 50 m rn Carbowax/templated resin Preiimin a ries • Optimize fibre adsorption time • Stirred or unstirrod solution • Add sail to solution Proce dure • Retract fibre into holder and pass the needle through the sample vial septum • Depress plunger lo expose fibre lo the liquid sample or headspace above Ihe samp le * Analytes adsorb to the fibre (see preliminaries above) * Retract the tibre into the holder and remove the needle from the sample vial Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Anaiys-is- fry GG • Insert the needle into the GO injector port — Depress the plunger, exposing the fibre in the heated zone of the injector, to desorb the analytes onto the column » Relract the fibre and remove Ihe need le Ariafysis fry f-fPi-G — Insert the needle into the SPME/HPLC interface desorption chamber • Depress the plunger, exposing the fibre to the mobile phase and dosorbing the analytes onto the column • Retract the fibre and remove the needle Figure 3. lO Typical procedure vised For the so lid-phase microextrac ti on o F liquids. From Dean, J. R ., ÍVfefft and log Km (both in L/L) for PAHs (triangles) and PCBs (squares). Metody hodnocení biodostupnosti - půda / sediment / voda PDMS a POM - pro bezobratlé a rostliny mnohem lepší predikce biodostupnosti než u rozpouštědel a HPCD !!! Figure 1, Relationships between PAH concentrations measured in E. fetitlu and concentrations in soil measured by (A) acetone/hexane extractions, (B) cyclodextrin extractions, and (C) butanol extractions! and concentrations in earthworms predicted (based on equilibrium partitioning calculations;) by (D) solid phase micro extraction, and (E) polyoxymethylene solid phase extraction. The solid black lines represent the 111 relationships, whereas the dotted black lines delimit the 1 order uť magnitude deviation intervals. Metody hodnocení biodostupnosti -voda POCIS polar organic compounds integrative sampler Chemcatcher Empore disks styrenedivinylbenzene (SDB) 450 sampler housing sampler rrceivinp, diffusion housing phase limiting layer Q c 300 O 150 -P j (9, 0 SO 100 150 200 DEQcai fngSDB"1) Vermeirssen et al (2009) Water Research 43, 903-914 Fig. I. Differences in polar organic chemical integrative samplers (POCIS) fouling from different deployment environments. Very lightly fouled POCIS (upper picture) deployed in the Norwegian Sea (^200 km offshore) for42d and moderately fouled POCIS (bottom picture) from wastewater treatment works after 14 d exposure. [Color figure can be seen in the online version of this article, available at wileyonlinelibrary.com.] CO CO r- CM I CN CN CO u5 O T3 CZ CO o o o x o CO E cz o > CZ LU č\T o CN^ cz CO CO x Metody hodnocení biodostupnosti -voda různé sorbenty (PDMS, PE, POM ...) http ://voutu. be/xZn QtO I Kl RE výhoda je zejména cena a jednoduchost Polyethylene Polyoxy methylene Solid Phase Micro-Extraction í H I H (a) C-, i i ' - C • H I H H I C I H ' c ■ I H • C ■ I H C I H (b) H I C, I (c) H I H-C -H I Si.... i h -C -h I H US EPA (2012) Guidelines for Using Passive Samplers to Monitor Organic Contaminants at Superfund Sediment Sites Metody hodnocení biodostupnosti - půda / sediment kovy: A. stanovení pomocí extrakce včetně sekvenční extrakce • (Weak) salt extractions (e.g.. CaCli, Ca(N03):, NH4Ac. NaNOj. Mg salts. BaCk in concentrations from as low as 0.001 M and up to 1 M salt solutions). • Reductive extractions (c.g., sodium ascorbate, hydro-xylaminc HCL sodium dithionitc). • Weak: acid extractions (c.g., acetic acid, citric acid). • Strong complcxation methods (e.g., DTPA-TEA. EDTA, NTA). • Dilute strong acids (e.g.. HNO}. HCl. "double acid" (HCl + H2S04)) • Combined extractants (e.g.. Ammonium oxalatc-oxalic acid. Mehlich III (dilute acid, salt, and EDTA)). Peijnenburg and Jager (2003) Ecotoxicology and Environmental Safety 56 : 63-77 Exchangeable fraction i Loosely bound, labile or exchangeable metals Metals most available for plant uptake, leading to possible contamination of groundwater and soil Sequential Extraction Reducible fraction Metals bound to iron and manganese oxides Oxidizable fraction Unstable metal forms transfer to available forms for plants Metals bound to organic matter, e.g. detritus Metals bound to organic matter can be released Residual fraction 1 Metals bound within crystal matrix Metal present are not expected to be released under normal conditions in nature Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Figure 4.7 Overview of the sequential extraction method for metals, as applied to the analysis of soils and sediments [45 J. From Dean. J. R.. Methods for Environmental Trace Analysis, AnTS Series. Copyright 2003. © John Wiley & Sons. Limited. Reproduced with permission. Table 4.1 Extraction procedures used to ise-Jale nominal soil/sediment phases [II Metody hodnocení biodostupnosti - půda / sediment Phase extrakce kovů Extraction clcctroíylcii acetic acid (hufTcrl acetic acid (reducing) oxalic acid (buffer) diluted mineral acid digestion: hit id mixture + H_F alkaline fusion (extracts + acid) Type -i I■■isi'Jii! - inn surface prec i pi late Cop red pit ate organic occlusion ■ ■ ■ ineral exchange adsorption carbonates* (amorphous complexes {crystalline crystal sutphidesor hydroxides) hydroxides) lattice hydroxides) MgCľlj CHjCOOľí + CHjCOOfR'CHjCOONa CHjCOOH * MHjOH HSO, - HNOj -+ HF basic solution NsQH ^ comply* formers complex former* citric otid thr*t> j> E ro t= O U (U E t= o 1_ ■> o o s: T3 ro o o rsi ro (U Q Reagent or met bod ■: .-kí: :■ :ľl Comments Water-soluble, snil solution, sediment pore water Exchangíablc Organically bound Mn ox idc-bound - Carbonate m m (U <_> <_> ro O in I? S _ro ro > g Fe (amorphous) S oxide Fc (crystalline) oxide Water, centri fugation, displacement, filtration, dialysis MgCln. NH^OAc, HOAc NaiPiOT. HiO: at pH VNaOAC NaQAc al pH 5 mOAc) NHnOH.HCI ťNH^QA in the lNHj^Oj under U V light Contains the most mobile and hence potentially available metal species Contains weakiv bound i elottroslalically 1 metal species, tltal can be released! by ion-exchange with cations such as Ca1+H Mg2i" or NH^+. Ammonium acetate is the preferred extractant as the eftmplesing power of acetate prevents re-adsorption or precipitation of released metal ions. In addition, acetic acid dissolves the exchangeable species, as well as more lightly bound exchangeable forms Contains metals bound to the humic material of soils. Sodium hypochlorite is used to oxidize the soil organic matter and release the bound metals. An alternative approach is to oxidize the organic matter with 30% hydrogen peroxide, acidified lo pH 3. followed by extraction wilb ammonium acetate lo prevent metal ion re-adsorption or precipitation Contains metals that are dissolved by sodium acetate acidified to pH 5 with acetic acid Acidified hydroxy]amine hydrochloride releases metals from the manganese oxide phase with minimal attack on the iron oxide phases Amorphous forms of iron oxides can be discriminated between by extracting with acid ammonium oxalate in the dark Crystalline forms of iron oxides can be discriminated between by extracting wilb acid ammonium oxalate under UV lieht Metody hodnocení biodostupnosti - půda / sediment extrakce (nejen) kovů napodobující pórovou vodu Salt solution Concentration [M) Reference Calcium chloride (CaCI2) 0.01 Smith et a/(2010) Krishnamurti (2008) Peijnenburg et al (2007) Barriuso et at (2004) Houba etal (2000) 0.05 Krishnamurti (2008] Cheng(1990) 0.1 Peijnenburg ef al (2007) Calcium nitrate (Ca(N03}2) 0.1 Peijnenburg ef al (2007) Lanno etal (2004) Ammonium acetate (NH4Ac) 1.0 Peijnenburg et al (2007) Mg-salts n/a1 Peijnenburg et al (2007) Barium chloride (BaCl2) n/a1 Peijnenburg et al (2007) Sodium nitrate (NaNC^) 0.01 Yin et a/(2002) 0.1 Peijnenburg et al (2007) Ammonium nitrate (NH4[\i03) 0.1 Peijnenburg et al (2007) n/a: not available A 0.01M CaCI2 solution has been documented as the preferential extraction solution because the concentration of Ca2+ ions is similar to that measured in soil pore water solutions (Peijnenburg et al, 2007) and a similar ionic strength (Houba et at, 2000). centrum pro výzkum toxických látek u prostředí ECETOC (2013) Understanding the relationship between extraction technique and bioavailability . TR 117 .ISSN-0773-8072-117 Metody hodnocení biodostupnosti - půda / sediment extrakce kovů Place 10 g of dry sediment/soil in a 250 ml polyethylene bottle Add 100 ml of CaCI2 solution (0.01 mol ľ1) Shake the container for 3 h at ambient temperature (20 ± 2CC) on an 'end-over-end' mechanical shaker at a speed of 30 rpm Place 20 g of dry sediment/soil in a 100-150 ml PTFE or polyethylene bottie Add 50 ml of NH4NO3 solution (1 mol ľ1) Shake the container for 2 h at ambient temperature (20 ± 2°C) on an 'end-over-end' mechanical shaker at a speed of 50-60 rpm Decant 60 ml into a centrifuge tube and centrifuge for 10 min at 3000 g. Measure pH in extract before centrifugation Analyse solution immediately Figure 4.5 Procedure adopted in the single extraction method for metals (employing calcium chloride (CaCl2)), as applied to the analysis of soils and sediments [2]. Filter supernatant through an acid-washed filter paper into a 50 ml polyethylene bottle (discard the first 5 ml of filtrate). Stabilize by adding 1 ml of HN03 _*_ If solids remain, centrifuge or filter through a 0.45 jam membrane filter. Analyse solution immediately Figure 4.4 Procedure adopted in the single extraction method for metals (employing ammonium nitrate (NH4NO3)). as applied to the analysis of soils and sediments [2]. Dean (2007) Bioavailability, Bioaccessibility and Mobility of Environmental Contaminants. ISBN: 978-0-470-02577-2 Metody hodnocení biodostupnosti - půda / sediment extrakce kovů Place 5 g of dry sediment/soil in a 100 ml PTFE bottle r Add 200 ml ot acetic acid (0.43 mol I"1) Shake the container for 16 h at ambient temperalure (20 ± 2°C) on an 'end-over-end' mechanical shaker at a speed of 30 rpm Centrifuge at 3000 rpm for 10 min and Ihen remove the supernatant with a pipette.This liquid is then stored in a clean polyethylene bottle at 4°C prior to analysis Place 5 g of dry sediment/soil in a 100 ml PTFE bottle Add 50 ml of EDTA (0.05 mol ľ1) Shake the container for 1 h at ambient temperature (20 ±2=C) on an 'end-over-end' mechanical shaker at a speed of 30 rpm Centrifuge at 3000 rpm for 10 min and then remove the supernatant with a piepette.This liquid is then stored in a clean polyethylene bottle at 4CC prior to analysis The sample should be rehomogenized prior to analysis by manually shaking for 5 min Figure 4.2 Procedure adopted in the single extraction method for metals (employing acetic acid), as applied to the analysis of soils and sediments [45]. From Dean, J. R„ Methods for Environmental Trace Analysis, AnTS Series. Copyright 2003. © John Wiley & Sons. Limited. Reproduced with permission. _i_ The sample should be rehomogenized prior to analysis by manually shaking for 5 min Figure 4.1 Procedure adopted in the single extraction method for metals (employing ethylenediamine tetraacetic acid (EDTA)), as applied to the analysis of soils and sediments [45]. From Dean, J. R., Methods for Environmental Trace Analysis, AnTS Series. Copyright 2003. © John Wiley & Sons. Limited. Reproduced with permission. Passive sampling - ovzduší často je kladen více důraz na TWA, biomimetické schopnosti jsou v pozadí http://voutu.be/w-Cn8LzB21c Global Atmospheric Passive Sampling (GAPS) Network stainless steel dome PUF disk support ring air circulation mounting bracket stainless steel mesh tube containing XAD stainless steel housing http://www.ec.gc.ca/rs-mn/default.asp?lang=En&n=6AA18234-1 Centrum pro výzkum toxických látek u prostředí Modelování expozice Modelování expozice scénáře („worst case scenario" či jiné) modelování: - transportu od zdroje - změny koncentrace - degradace a vzniku transformačních produktů - distribuce v ŽP - distribuce v rámci dané složky prostředí (např. v půdě) zdrojem jsou data o zdrojích + data vlastnostech látek a prostředí pna töysis A Iři lydj-pxyl radicals ozone reactions •WATER o ^2.06 x 103 x 1 mg/kg 200 = 10.3 mcj / kg This assumes a soil density of I tonne / m3. Given □ low water solubility, and high log Kow, it is anticipated that leaching will be minimal. This assessment takes no account of the potential effects of repeat applications of sludge. Of course, the assumptions made above must be justified (see below). The Edinburgh Centre for Toxicology. UNEP/IPCS Training Module No. 3, Section B, Environmental Risk Assessment. Centrum pro výzkum toxických látek u prostředí Modelování expozice multimedia fate models (Mackay) fugacitní modely I až IV fugacita = tendence utíkat/prchat z příslušné fáze C = f. Z C - koncentrace v dané fázi f - fugacita Z - konstanta fugacity v rovnováze platí: ^soil — ^air — ^sediment — ^ biota Water Air Soil Animal Plant Affinity biota biota S in H in log Koc log Kow log Koa g/L Pa mVmol high >1 >10 >5 >5 >8 medium high 1 - 10"2 10 - irj1 5-4 5-3.5 8-7 medium 10/2-10/3 10'1- 10'2 4-2 3.5-3 7-5 medium low 1Q-3- in-5 10'2 - 10"4 2- 1 3-1 >4 low <10"5 <10"4 <1 <1 <4 Air - 6x109 ma Terrrestrial plant biomass roots - 3.7 x 103 m3 stem - 4.6 x 103 m3 foliage -9.2 x 102 ms Water - 7 x 10s ms Soil 4.5 x 10* m3 Suspended solids - 35 Aquatic biomass - 7m3 1km Sediment-2.1 x 10-* ma FIGURE A4.2 The "unit of world" in Mackay's fugacity model with the inclusion of terrrestrial plant biomass The Edinburgh Centre for Toxicology. UNEP/IPCS Training Module No. 3, Section B, Environmental Risk Assessment. Měření a modelování toxikokinetiky Sci! samples (10 g of air-dried soil) spiked and placed in SO ml screw-capped culture rubes Six earthworms (EisanJa foa covered with Al foil containin ;da \ addad to Bach tube and 3 five small holes for aeration Tubes placed in a moist ct 2'C After 9 days, wort containing sterile. amber in the dark at 21 ± ns transfer red to tubes i ■ Worms removed after 24h, frozen witti liquid nitrogen and ground with a mortar and postlg Worm tissue placed in 50 ml Teflon centriluge tubes and 2& ml dichoromettiane (DCM} added i ■ Tubes shaken for 24 ti ar 21 ± 2°C and centritugod. 1.0 mi of the supernatant mixed with 19.0 ml of liquid scinüllatiort cocktail BSAF ors oin where BSAF= biota-soil accumulation factor Cors = concentration in the worm = concentration in soil solid phase = weight fraction of lipid in the organism ^om — weight fraction of OM. ScHufion analysed for1 ^radioactivity Figure 5.3 Procedure adopled in the earthworm uptake studies used by Kel&cy et a!. [3]. critical Body Residues (CBR) internal concentration accumulated in a tissue, organ or all body that is correlated with an adverse effect /^P~V\ Centrum pro výzkum (■""ji toxických látek V^l^/ v prostředí Equilibrium Partitioning Theory (EqP) Environmental Toxicology and Chemistry, Vol. 10, pp. 1541-1583, 1991 Printed in the USA. Pergamon Press pic Annual Review TECHNICAL BASIS FOR ESTABLISHING SEDIMENT QUALITY CRITERIA FOR NONIONIC ORGANIC CHEMICALS USING EQUILIBRIUM PARTITIONING Dominic M. Di Toro* Water Only Exposure Sediment - Pore Water Exposure t Water Sediment Carbon K oc Equilibrium Partitioning • v rovnováze lze namodelovat pomocí Kd koncentrace v pórové vodě a půdě / sedimentu a pomocí BCF potom koncentrace v organismu • následně lze použít k extrapolacím mezi různými látkami (QSAR) či mezi různými půdami/sedimenty • předpokládá, že klíčovou koncentrací pro následný vstup do organismu a efekty je rozpuštěná koncentrace Cfree c = CS/(K0C foc) Cpw concentration in pore water; Cs concentration in solid phase; Koc chemical-specific partition coefficient; foc mass fraction of organic carbon (kilograms organic carbon per kilogram sediment). Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Modelování expozice • Plant protection products (PPP) - pesticides • FOCUS modely EU - http://focus.irc.ec.europa.eu/ • PELMO, PEARL, MACRO, PRZM - podzemní voda • STEP 1 a 2, SWASH, TOXWA, SWAN - povrchová voda • EVA-ovzduší cílem jsou hodnoty PECS, PECSW, PECsed, PEC http://www.pesticidemodels.eu/home Měření a modelování příjmu kontaminantů organismy Měření a modelování toxikokinetiky TOXIKOKINETIKA 1: příjem látek do organismu Příjem látek u různých organismů 1) jednobuněčné organismy - pasivní difúze přes membránu - „selektivní" vstup přes existující transportní systémy 2) vícebuněčné organismy / řasy - difúze toxikantu přes membránu a mezi buňkami 3) terestrické rostliny - rozpuštěné ve vodě/půdě - vstup kořeny/listy - plyne toxikanty - vstup přes stomata na listech - lipofilní látky (některé herbicidy) - penetrace voskové kutikuly - vstup do buňky □ přes membránu /^P~V\ Centrum pro výzkum (■""ji toxických látek V^^y/ v prostředí TOXIKOKINETIKA 1: příjem látek do organismu Příjem látek do organismu: 4) živočichové - 3 hlavní cesty vstupu do organismu - potrava/pitná voda - průchod trávicím traktem, změny/transformace dle pH, mikroflóry střeva, př. cykasin: netoxický - ve střevě konverze->silný mutagen - respirační cesta - trachee u hmyzu, žábry u akvatických organismů, plíce - velká plocha pro výměnu/vstup látky (často 25x > povrch těla) - povrchem těla - větší význam u menších organismů (relativně větší plocha) a akvatických organismů /^P~V\ Centrum pro výzkum (■""ji toxických látek V^t^/ v prostředí ULOŽENÍ (sequestration) Uložení xenobiotik v inertních tkáních => omezení cirkulace a snížení expozice Živočichové - tuk (organochlorové látky), zuby, vlasy, rohy (kovy) - u bezobratlích popsáno ukládání nerozpustných zinkových granulí ve střevě pijavek Rostliny - vakuoly, listy, kůra (-> opadání) Uvolnění ze zásob PCBs a další organochlorové látky -> tuk: ALE: rychlá potřeba energie (strádání, tvorba mléka ...) uvolnění ze zásob -> náhlá větší expozice a/nebo uvolňování v mléce Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí ULOŽENÍ (sequestration) Metalothioneiny (MTs, MT-like proteins) - cytoplasmatické nízkomolekulární proteiny (6-10 kD) bohaté na Cys - známy u velké řady eukaryot - vazba kovů : Zn, Cd, Hg ... => snížení expozice / toxicity - dlouhý poločas života proteinů (~ 25 dní) - původní biologická funkce - ? snad regulace dostupnosti esenciálních kovů (např. Zn) ? INDUKCE MTs • expozice kovy • jiný méně specifický stres - hypoxie, změny teploty ... • Indukce MTs - další příklad BIOMARKER EXPOZICE Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Expozice volně žijících živočichů • externě vystaveny kontaminaci orální, dermální a inhalační cestou • orální expozice zahrnuje spotřebu kontaminovaných potravin, vodu, nebo v půdu. • dermální expozice nastává, když jsou kontaminující látky absorbovány kůží. • inhalační expozice nastane, když jsou vdechnuty těkavé sloučeniny nebo jemné částice. • celková expozice je celkový součet expozice: »Ecelk = Eoral + Edermal + Einhal Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Dermální expozice - půdní organismy • Předpoklady: • 1) organismus je exponován kontaminantům při kontaktu povrchu těla s W půdou • 2) organismus je vystaven expozici půdou která přilne k jeho povrchu (kůži), ne všechny kontaminanty jsou absorbovány • Model převzatý z hodnocení rizik pro lidi: D = (A*P*S*C*F*B)/W Kde: A= plocha povrchu organismu (cm2) P = podíl kontaminované plochy S = adhezní faktor pro kůži (mg/cm2) C = Koncentrace kontaminantu v půdě (mg/kg) F = konverzní faktor (103 kg/mg) B = hustota půdy (kg/cm2) W= hmotnost organismu (kg) Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Inhalační expozice - půdní organismy • Inhalační expozice je často zanedbatelná: 1) většina kontaminovaných lokalit jsou buď pokryta vegetací 2) většina těkavých organických látek (VOC) se rychle odpaří z půdy a povrchové vody mísí se vzduchem, kde se rychle ředí a disperguuje Difúze není pravděpodobná, pokud Henryho konstanta je >24.3 Pa/m3/mol /^P~V\ Centrum pro výzkum (■""ji toxických látek V^^y/ v prostředí Orální expozice • Orální expozice zkušený volně žijících živočichů může pocházet z kontaminované potravy (rostlinného nebo živočišného), vody, nebo z W půdy. ^\ • Požití půdy může být náhodné nebo zatímco se zvíře pase a nebo účelné. • Celková perorální expozice je součet expozic připadající na jednotlivé vstupy ^oral — Efood + Ewater + ESOj| + Edjrect • Ef00d = exposure from food consumption; • Ewater = exposure from water consumption; • Esoi| = exposure from soil consumption; • Edirect = exposure from direct consumption. • Vyjádření je v jednotkách mg kontaminantu/kg tělesné hmotnosti/den Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Wildlife Exposure Factors Handbook (US EPA 1993) Model pro odhad orální ingesce potravy where Ej = oral exposure to contaminant {/) (mg/kg/d); m = number of ingested media (e.g., food, water, or soil); It — ingestion rate for medium (/} (kg/kg body weight/d or L/kg body weight/d); and C)j — concentration contaminant {/} in medium (/) (mg/kg or mg/L). Ej represents the daily exposure averaged over the exposure duration, which at most waste sites is likely to be chronic, measured in terms of months or years. /^P~V\ Centrum pro výzkum (■""ji toxických látek V^^yy v prostředí Calculation of fresh food consumption may be estimated as: where Ig- — total food ingestion rate (kg food (fresh weight)/kg body weigh t/d); m = total number of food types in the diet; P{ = proportion of the iih food type in the diet; and WCi = percent water content (by weight} of the /th food type. Water ingestion rates can be estimated for mammals and birds from allometric models (Calder and Braun 1983): /ir = 99PFa90 Mammals and /„- = 59 W^1 Birds where /u. = water ingestion rate (mL water/d); and W — body weight (g live weight). Více informací: Wildlife Exposure Factors Handbook (US EPA 1993) Centrum pro výzkum toxických látek u prostředí In the absence of re lev a nL data, food consumption values can be estimated from a Home trie regression models based on metabolic rates. Nagy (1987) derived equations to estimate food consumption for birds and mammals, including: 1$ = 0,235Wni~ Eutherian mammals I4 =0.621 M"*** Rodents % = 0.577 Vŕ 727 Herbivores t# =0.492 W°An Marsupials Uf = 0.648 W° 651 All birds /# = 0.495 W°704 Seabirds ldf = 0.398 W^*50 Passerine birds 1$ = O.OnJf0 77- Insectivorous iguanid lizards /j, = 0,019 WuMl Herbivorous iguanid lizards where ]&= food ingestion rate (dry weight) in (g/d); and W = body weight (g live weight). Centrum pro výzkum toxických látek v prostredí Modelování příjmu kontaminantu • Koncentrace kontaminantu ve složce prostředí včetně bioty v expozičních bodech • Faktory přenosu z prostředí do bioty • Informace o životním cyklu receptoru: ^ - Dieta (typ potravy, proporce různých druhů potravin) - Metabolická rychlost, rychlost příjmu potravy - Rozsah domovské oblasti vs. Plocha sledované lokality - Využití lokality - Chování Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Modelování expozice - denní dávka ADD = (C* IR*F) Kde: • ADD = aplikovaná denní dávka konzumentem (mg/kg/d) • C = koncentrace kontaminantu v potravě nebo složce prostředí (mg/kg) • IR = rychlost příjmu (normalizovaná) (kg potravy.kg tělesné váhy.d) • F = frakce dané potravy v dietě (0-1) /^P~V\ Centrum pro výzkum (■""ji toxických látek V^t^/ v prostředí Ukázka výpočtu: modelování expozice ADD = (C* IR*F) The western harvest mouse Reithrodontomys megalotis Kde: ADD = aplikovaná denní dávka konzumentem (mg/kg/d) C= koncentrace kontaminantu v potravě nebo složce prostředí (mg/kg) IR = rychlost příjmu (normalizovaná) (kg potravy.kg tělesné váhy.d) F= frakce dané potravy v dietě (0-1) /^P~V\ Centrum pro výzkum (■""ji toxických látek V^^y/ v prostředí Odhad expozice Pb pro Western harvest mouse (Reithrodontomys megalotis Známé informace: • Expoziční bodová koncentrace pro Pb v povrchové vodě a půdě z dané lokality • Odhad koncentrace Pb ve vegetaci založený na přenosovém faktoru půda/rostlina • Měřená koncentrace Pb v hmyzu sbíraném na daném místě (kobylky) /^P~V\ Centrum pro výzkum (■""ji toxických látek V^^y/ v prostředí Expozice z příjmu potravou Dieta: 16% bezobratlí, 81% vegetace, 3% půda Rychlost příjmu potravy: 0.15.kg.kg bw1.ď1 Rychlost příjmu vody: 0.10 L.kg bw1 d~1 Koncentrace Pb v potravě: ^ - Bezobratlí: 9.7 mg.kg-1 - Vegetace: 2.1 mg.kg-1 - Pitná voda: 0.0012 mg.I"1 - Půda: 105 mg.kg-1 White-Footed Mouse Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Expoziční faktor Průměr Tělesná váh 20.6 Min 14.0 Max 26.3 SD 3.4 Rychlost příjmu potravy [g-g^.ď1] 0.45 0.38 0.55 0.06 Rychlost příjmu vody [g.g^.d"1] 0.19 0.123 0.287 0.04 Frakce příjmu z půdy [%] 2.0 0.0 5.0 0.03 Oblast výskytu [ha] 0.06 0.054 0.072 0.005 Dieta [%] Hmyz Vegetace 58 42 Denní dávka Pb z požití bezobratlých • IR (rychlost příjmu potravy) = 0.15. kg potravy.kg1 bw.ď1 • C = 9.7 mg Pb.kg1 bezobratlých • F (frakce bezobratlých v dietě) = 16% • ADD = C*IR*F • ADD = 9.7 mg Pb . kg1 * 0.15 kg potravy.kg1 bw.ď1 * 0.16 • ADD = 0.23 mg Pb.kg1 myši.ď1 Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Denní dávka pb z požité vegetace • IR = 0.15. kg potravy.kg1 bw.ď1 • C vegetace = 2.1 mg Pb.kg 1 vegetace • Frakce vegetace v potravě = 81% • ADD = Cveg * IR * FRveg • ADD = 2.1 mg.kg-1 vegetace * 0.15. kg.kg1 bw.ď1 * 0.81 • ADD = 0.26 mg Pb.kg1 myši.ď1 Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Denní dávka z náhodného požití půdy • IR = 0.15. kg potravy.kg1 bw.ď1 • C soil = 105 mg Pb.kg1 půdy • Frakce v dietě = 3% • ADD = Csoil * IR* FRsoil • ADD = 105 mg.kg1 vegetace * 0.15. kg.kg1 bw.d1 * 0.03 • ADD = 0.47 mg Pb.kg1 myši.d1 Centrum pro výzkum toxických látek v prostřed! Denní příjem požitím povrchové vody • IR water = 0.10 L vody.kg1 bw.ď1 • C water = 0.0012 mg Pb.kg1vody • ADD = Cwater * IRwater ^ • ADD = 0.0012 mg Pb.kg1vody * 0.10 L vody.kg1 bw.d1 • ADD = 0.0001 mg Pb.kg1 myši.ď1 Centrum pro výzkum toxických látek u prostředí Celkový denní příjem Pb • ADDinvertebrates = 0.23 mg Pb.kg-1 myši.d-1 • ADDvegetation = 0.26 mg Pb.kg-1 myši.d-1 • ADDsoil = 0.47 mg Pb.kg-1 myši.d"1 • ADDwater = 0.0001 mg Pb.kg-1 myši.d"1 • ADD total = X (ADD invertebrates + ADDvegetation + ADD soil + ADDD water) = 0.96 mg Pb.kg-1 myši.d-1 • Pro charakterizaci rizika bude tato hodnota srovnána s hodnotami charakterizující možný škodlivý účinek (např. NOAEL, LOAEL) Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí