E2240 Účinky stresorů v ekosystémech 01 Úvod Jakub Hofman 1 Případová studie 1 Minamata 2 3 4 Yokoyama (2018) 5 Hg HgS Hg2+ bakterie CH3Hg ryby člověk savci ptáci přírodní i umělé zdroje plankton dravé ryby (CH3)2Hg H2S 6 Hg HgS Hg2+ CH3Hg bakterie CH3Hg+ člověk savci ptáci toxické účinky H2S přírodní i umělé zdroje rybyplankton dravé ryby (CH3)2Hg 7 Yokoyama (2018) Minamata  https://www.youtube.com/watch?v=0Yhaei1S5oQ  https://www.youtube.com/watch?v=ihFkyPv1jtU  https://www.youtube.com/watch?v=Sf6FHMR7LVQ  http://www.mercuryconvention.org/  https://www.imdb.com/title/tt9179096/ 8 Případová studie 2 Rezidua pesticidů v orných půdách ČR 9 Pesticidy v orné půdě ČR  únor–březen 2015 = dlouhodobá rezidua CUPs  75 orných půd, 0-25 cm, vysušení, mělnění, přesátí, archivování, analýzy ...  půdní vlastnosti (TOC, CEC, pH, textura, HA/FA ...)  QuEChERS extrakce + LC/MS/MS analýza 53 CUPs a 15 TPs včetně 2 zakázaných triazinů + TPs díky jejich frekventovaným výskytům ve vodách 10 Pesticidy v orné půdě ČR  99% půd s alespoň jedním pesticidem > LOQ  51% půd s ≥ 5 pesticidy > LOQ  81% půd s alespoň jedním pesticidem nad 0.01 mg/kg  36% půd s ≥ 3 pesticidy nad 0.01 mg/kg 11Hvězdová et al. (2018)  Simazine nemůže být dědictvím minulosti (před 2005 jen 200-300 kg/rok)  ALE (!!):  simazin je povolená nečistota přípravků s terbuthylazinem – až 3% (!)  od 2006 se aplikuje až 110 t/rok TER = až 3.3 t/rok simazinu (!!)  potvrzeno i korelacemi SIM a TER a asociací s výskytem kukuřice  Atrazine – nemůže pocházet z 0.1% nečistot – permanentní dědictví (v podobě hydroxy-atrazinu) vysokých spotřeb před 2006 Pesticidy v orné půdě ČR 0 2011 2012 2013 2014 maize -0,002 0,000 0,002 0,004 0,006 0,008 0,010 SIM-DET=ATR-DIP Mean Mean±SE Mean±1,96*SE Pesticidy v půdě ČR  výsledky zaslouží pozornost z hlediska možných dopadů o dle provedené analýzy ekologických rizik je v 35% půd významné riziko pro půdní biotu (RQ > 1) o také zahraniční limity založené na výpočtu rizik byly často překročeny 13 Vašíčková et al. (2019) Pesticidy v půdě ČR 14 https://www.stream.cz/adost/10028599- zamorena-puda-alarmujici-vysledky-testu- pudy-v-cesku https://ct24.ceskatelevize.cz/veda/2376595-ceska- zemedelska-puda-je-plna-pesticidu-vcetne-10-let- zakazaneho-toxickeho-simazinu Pesticidy v podzemní vodě ČR ČHMÚ, dr. Vít Kodeš, 2014-2016:  63% z cca 660 objektů – nalezen alespoň jeden pesticid  43% objektů – nad limit 0.1 µg/L pro jednotlivý pesticid  31% objektů – nad limit pro sumu pesticidů 15 [10,11] Pesticidy v podzemní vodě ČR  https://www.lidovky.cz/domov/zasoby-pitne-vody-zamorila-chemie-nejproblematictejsi-jsou-pesticidni- latky.A181103_122800_ln_domov_rsa  https://domaci.ihned.cz/c1-65848450-pesticidy-nici-ceskou-vodu-dokazuje-rozsahla-studie-muze-za- to-pestovani-repky-naprava-prijde-na-miliardy  https://ct24.ceskatelevize.cz/veda/2612102-v-ceske-podzemni-vode-jsou-pesticidy-zamorily-uz- vetsinu-pramenu-40-procent-ma  https://www.stream.cz/adost/10019123-otravena-voda-alarmujici-vysledky-testu-vody-v-cesku  http://hydro.chmi.cz/isarrow  http://hydro.chmi.cz/pasporty 16 Loos et al. Pan-European survey on the occurrence of selected polar organic persistent pollutants in ground water (Water Research 44, 2010, 4115-4126) Podzemní voda - EU Případová studie 3 Úhyn aligátorů v roce 1997 18 Úhyn aligátorů v roce 1997  Griffin, Florida, USA, 1997 – náhlé úhyny stovek aligátorů  letargie, narušení nervové koordinace, nepohyblivost, utopení  6 let výzkumu, poškození neuronů v mozku  NE – infekce, intoxikace pesticidy, Hg, toxiny sinic  ANO – nedostatek thiaminu (vitamin B1) 19 Anděl (2001) O co tedy jde v předmětu E2240? 20 Působení stresorů v ekosystémech Jaké rysy na těchto příkladech pozorujeme? Jaká hlavní klíčová slova?  komplexnost – prostředí a biosystémy  interakce – polutanty s prostředím, biodostupnost, transformace  vztahy – trofické řetězce (bioakumulace), zpětné vazby  směsi – mnoho polutantů, různé formy, vztahy přirozených stresorů a polutantů  přímé a nepřímé účinky ...  terénní studie ... vyšší realita a variabilita ...  ... 21 O co jde? 22 toxické látky (a další stresory) organismy populace společenstvo ekotoxikologie vodní prostředí suchozemské komplexita interakce ekosystém směsi biota prostředí kontaminanty  NELZE ZANEDBAT PROSTŘEDÍ, VE KTERÉM SE ODEHRÁVÁ SLEDOVANÝ VZTAH POLUTANT – ORGANISMUS  komplexními vztahy nejen mezi organismy a kontaminanty, ale také mezi prostředím a organismy a prostředím a kontaminanty O co jde? O co jde?  působení toxických látek a dalších stresorů na živé soustavy ve vodních a suchozemských ekosystémech  komplexní interakce polutanty - prostředí - organismy  směsi polutantů, polutanty a jiné stresory  vliv prostředí na rizikovost toxikantů  účinky na vyšších úrovních biologické organizace  bioindikační metody, hodnocení biologické kvality ekosystémů, biodiverzita, stav populací a ekosystémové funkce 24 O co jde? 25 Holoubek, přednášky CHŽP 1 O co jde? 26 Holoubek, přednášky CHŽP 1 O co jde? 27 Návaznost  Chemie ŽP 1-4 (Holoubek)  Environmental Pollutants (Melymuk)  Obecná ekotoxikologie (Bláha)  Exp. a apl. toxikologie a ekotoxikologie (kolektiv)  seminář podzim 2019 28 Cvičení 4 bloky: 1. terénní exkurze – voda 2. terénní exkurze – ČOV 3. terenní exkurze – půda 4. laboratoř – bioindikace kvality půdy - půdní mikrobiologie 29 Povinná literatura  Anděl (2011): Ekotoxikologie, bioindikace a biomonitoring 30 Doporučená literatura  Newman M.C. (2009): Fundamentals of Ecotoxicology, Third Edition 3rd Edition  Connel et al. (1999): Introduction to Ecotoxicology  EEA (2001): Late lessons from early warnings: the precautionary principle 1896–2000  EEA (2013): Late lessons from early warnings: science, precaution, innovation  a další ... viz jednotlivé přednášky 31 Úvod do problematiky 32 Degradace ŽP, hlavní problémy  voda, půda, ovzduší  viz přednášky CHŽP 2,3 (prof. Holoubek)  semináře podzim 2019  jaké vidíte hlavní problémy? 33 Degradace ŽP, hlavní problémy 34 Rockström et al. (2009) Degradace ŽP, hlavní problémy 35 Degradace ŽP, hlavní problémy 36 Pérez et al. (2018) Degradace ŽP, globální chemické znečištění Pesticidy Léky Odpady Produkty denní spotřeby Průmyslové chemikálie Vedlejší produkty činností Plasty atd ..... 37 Skupiny znečišťujících látek  anorganické plyny  kovy  průmyslové kyseliny  radionuklidy  nutrienty (živiny, anorganická hnojiva)  organické (degradabilní, komunální, fekální) znečištění  komunální chemie – PCPs, detergenty, mýdla, změkčovadla ...  nehalogenovaná rozpouštědla (alkoholy, etery, BTEX ...)  halogenované alifatické uhlovodíky (freony ...)  látky průmyslu gumy a plastů (ftaláty, polybromované difenylethery, PFAS ...)  persistentní organické látky (POPs), halogenované [produkty průmyslu (PCBs, PBBs) a vedlejší produkty (PCDD/Fs, PBDD/Fs)]  pesticidy [insekticidy – nehalogenované vs. halogenované (patří mezi POPs), herbicidy]  farmaka, léčiva  produkty denní spotřeby (PCPs)  PAHs – polycyklické aromatické uhlovodíky  ... 38 Terminologie  kontaminant  polutant  xenobiotikum  toxikant  toxin  bodový / difúzní zdroj 39  HPVC  POPs  PBTs  PAHs, PCBs, PCDDs/Fs, OCPs  BTEX  VOCs  PCPs  PPPs  EDCs  emerging pollutants Směsi stresorů a polutantů  faktory prostředí: teplota, EM záření, voda, chemismus, radioaktivita, hluk ...  přírodní chemické látky a jejich degradační produkty  cizorodé chemické látky a jejich degradační produkty  interakce – příklady ? 40 Příklad interakce 41 Moe et al. (2013) Vliv prostředí na polutanty 42 vstup kontaminantu kontaminantvpůdě prostorovědistribuován, v různých formách, různě vázán… kontaminantvorganismu distribuce, metabolismus, eliminace, bioakumulace … molekuly organely buňky orgány organismus populace společenstvo ekosystém Vliv prostředí na polutanty  Vlastnosti prostředí o složení půdy, organická hmota, zrnitost, pH, CEC, vlhkost, teplota, struktura půdy velikost pórů  Vlastnosti látek o Chemická struktura, Kow, Sw, Koc, pKa, MW, H, pv  Vlastnosti organismů o Fyziologie (příjem, metabolismus, eliminace), morfologie, ekologie (chování)  Vliv času o Aging, sekvestrace  Přítomnost jiných chemikálií (např. NAPL) a interakce Výsledkem jsou PROCESY, které mění biodostupnost 43 Příklad - situace v pevných matricích Příklad - kovy a biodostupnost Redox  při aerobních podmínkách (0-800 mV) jsou kovy ve formě volného kationtu  při anaerobních podmínkách (-400-0 mV) jsou vysrážené, např. v sulfidech, uhličitanech pH  vyšší pH – kovy jsou ve formě nerozpustných fosfátů a uhličitanů, také se snižuje kapacita pH-dependentní CEC  nižší pH – volné kationty nebo rozpustné organokovy, stoupá rozpustnost, naopak vyšší sorpce aniontových specií Příklad - interakce kovů s MO Příklad - interakce organických polutantů s MO  evoluční strategie MO v kontaminovaném prostředí = interakce a transformace chemikálie s „cílem“ energetického profitu, růstu či snížení toxicity resistence  celá řada kontaminantů je transformována MO molekuly organely populace kontaminant osud v ŽP environmentální chemie živý systém ekologie (environmentální) toxikologie toxikologie buňky orgány, org. soustavy organismus společenstvo ekosystém Co je to ekotoxikologie ? Věda na průniku ekologie a toxikologie studující a hodnotící přímé i nepřímé účinky přírodních i uměle vytvořených škodlivých chemických látek a případně dalších stresorů na živočichy (kromě člověka), rostliny a mikroorganismy na všech úrovních biologické organizace. Ekotoxikologie  široká škála přístupů 49 Rozdělení podle použití modelových nebo reálných systémů BIOSYSTÉM modelový přirozený TOXIKANT modelový A toxikologické testy B terénní pokusy přirozený C transplant. pokusy D terénní studie bioindikace Cíle ekotoxikologie vědecké cíle:  zisk znalostí a vědomostí, popis a analýza, poznání a porozumění dějům, procesům, zákonitostem a mechanismům týkajících se účinků kontaminantů (případně dalších stresorů) na biotu, osudu a biodostupnosti kontaminantů v prostředí a expozice organismů  chápání příčin a následků škodlivých účinků praktické cíle:  využít získané poznání a vytvořené metody k efektivní a racionální ochraně ŽP a bioty před účinky chemických látek a dalších stresorů  charakterizace rozsahů účinků, škodlivosti a nebezpečnosti kontaminantů (stresorů) – jednotlivých i směsí  predikce a modelování škodlivých účinků technické cíle:  tvorba nových metod, testů a nástrojů pro hodnocení škodlivosti chemických látek (a dalších stresorů) a pro bioindikaci kvality ŽP  návrhy limitů a nové legislativy 50 Ekotoxikologie versus ekologie 51 Ekologie Ekotoxikologie Velmi široký záběr (vztahy mezi organismy navzájem a organismy a prostředím) Zúžený zájem – organismy vs. prostředí, resp. negativní vlivy změn prostředí (vyvolané člověkem) Studuje spíše "fyziologické" (přirozené) stavy - vlivy běžných faktorů prostředí – teplota, vlhkost, světlo Studuje nefyziologické stavy – nepřirozené látky v prostředí, nadměrné působení fyzikálních stresorů (hluk, záření, stavby ...) Ekologie vychází z polních (ekologických) studií Více informací o jednotlivých druzích, polní studie jen v omezeném množství, často nejednoznačné výsledky Interakce toxickantu a biosystému 52 Interakce toxickantu a biosystému Interakce toxickantu a biosystému Typy efektů a úrovně působení 55 Úroveň Příklady typů účinků a hodnocených parametrů (endpointů) biochemická/ molekulární • interakce s enzymy (dehydrogenáza, β-glukosidáza, nitrogenáza, acetylcholinesteráza, glutathion-S-transferáza, peroxidáza...) • oxidativní stres (glutathion, lipidní peroxidace...) • biochemické markery (heat shock proteiny, cytochrom P450, etoxyresorufin-O-deetyláza - EROD, metalothioneiny...) • genotoxicita (testy genotoxicity s mikroorganismy, rostlinami, živočichy) • narušení membrán (integrita a fluidita membrán nepolární narkózou, narušení iontových pump či transportních systémů…) • interakce s receptory (AhR receptor…) buněčná • vitalita a funkce buněk (studium hemocytů, coelomocytů, počítání buněk, dělení a růst mikroorganismů, hodnocení spermií ...) • buněčné dělení • narušení proteosyntézy individuální • přežívání (testy mortality, testy klíčivosti...) • nekrózy, léze, onemocnění (pozorování organismů na konci testů…) • přijímání potravy • fyziologie (hodnocení neurotoxicity …) • energetický metabolismus • chování (únikové testy…) • aktivita (měření fotosyntézy u rostlin…) • růst (testy inhibice růstu …) • bioakumulace populace • populační dynamika – mortalita, natalita, reprodukce (reprodukční testy toxicity …) • fitness populace (vícedruhové kompetiční testy…) • růst populace (růst specifických skupin mikroorganismů, více-generační testy…) • prostorový výskyt populace v terénu, bioindikace společenstva • biodiverzita a struktura společenstva • vztahy • fungování • stabilita společenstva • selekce rezistentních druhů, vznik tolerance • využití indikátorových druhů – citlivé druhy na daný typ stresu ekosystému • cykly C, N, P, S (měření respirace, nitrifikace, denitrifikace…) • dekompozice (měření rozkladu organických reziduí…) • energetické toky • bilance (uhlík vázaný v biomase…) • vývoj (hodnocení sukcese…) • hodnocení ekosystémových služeb („ecosystem services“) a funkcí (produktivita, výnos, schopnost biodegradace polutantů…) AOP – adverse outcome pathways 56 Molecular Initiating Event Key Event 1 Key Event 2 Adverse Outcome Key Event 3 Receptor/Ligand Interactions DNA Binding Protein Oxidation Gene Activation Protein Production Altered Signaling Altered Physiology Disrupted Homeostasis Altered Development / Function Lethality Impaired Development Impaired Reproduction Altered Sex Ratio Extinction Chemical Macro-Molecular interactions Cell Response Organ Response Organism Response Population Response Tissue Response In silico In chemico In vitro, Ex vivo In vivo Field and observational studies The existing KNOWLEDGE is organized to link the two anchor points: Molecular Initiating Event (MIE) and Adverse Outcome (AO) via a series of intermediate steps: Key Events through Key Event Relationships (KERs) http://aopkb.org/ Terminologie  biokoncentrace, bioakumulace, bioobohacování  toxikokinetika vs. toxikodynamika  ADME  ... 57 Nebezpečnost versus riziko  Riziko = pravděpodobnost, že za dané situace dojde ke škodlivému (negativnímu) působení na hodnocený systém 58 Identifikace nebezpečnosti Hodnocení expozice Identifikace účinku(-ů) Charakterizace rizika Interpretace Systémový přístup  systém = soubor pravidelně na sebe působících a vzájemně na sobě závislých složek, které tvoří jeden celek  celek je víc než součet částí  stupňovité (hierarchické) uspořádání  celek i jeho části se vzájemně ovlivňují  systém má vstup a výstup a s okolím si vyměňuje energii, hmotu, informace 59 Ekosystém  Ucelený soubor organismů (biocenoza) a jejich prostředí (ekotop) – prostředí je zpravidla primární a určující.  Tvoří základní strukturně funkční jednotku krajiny i celé biosféry  Je prostorový útvar, v němž biotické (živé) a abiotické (neživé) složky jsou vzájemně propojené rozmanitými vztahy  Terestrický (suchozemský) - louky, lesy, pole, půda  Akvatický (vodní) - mořský - sladkovodní - řeky, rybníky, podzemní vody, močály 60 Studium ekosystémů je multidisciplinární Vědy studující biotické složky ŽP:  ekologie, biologie (hydrobiologie, taxonomie ...), atd… Vědy o abiotických složkách:  meteorologie, geologie, hydrologie, geografie atd... Vliv člověka, antropogenní zásahy:  environmentální chemie (CHŽP), ekotoxikologie, technologie, remediace atd… 61 Hlavní pojmy  ekologická nika  symbioza, kooperace, kompetice, predace, parazitismus  pozitivní zpětná vazba  negativní zpětná vazba  strukturní versus funkční parametry  biodiverzita  bioindikátor, biomonitoring  sukcese, klimax 62 Ekosystémy - biomy  tundra  tajga  opadavé listnaté lesy  vždyzelený subtropický a tropický les  step  savana  tropický deštný prales  poušť 63 Ekosystémy - biotopy 64 formační skupiny základní jednotky podjednotky V Vodní toky a nádrže M Mokřady a pobřežní vegetace R Prameniště a rašeliniště S Skály, sutě a jeskyně A Alpínské bezlesí T Sekundární trávníky a vřesoviště K Křoviny L Lesy X Biotopy silně ovlivněné člověkem L5 Bučiny L5.4 Acidofilní bučiny L Lesy Vztahy v ekosystémech 65 Toky látek a energií  vstupy: sluneční záření, oxid uhličitý, voda, živiny  výstupy: vyzařování (teplo), vymýváním látek z půdy, povrchový odtok, větrná eroze, vystěhování organismů, sklizeň biomasy 66 Přímé a nepřímé účinky 67Knight et al. (2005) Přímé a nepřímé účinky 68 Sušina rostlin (A), celkový obsah fosfátů (B), kolonizace kořenů (C) a délky hyf (D) u AM symbiozy ošetřené 0, 0.1, 1.0, 10.0 µg carbendazimu na gram půdy. Resilience a resistence Resilience  schopnost obnovit své vlastnosti po nějaké změně / narušení Resistence  schopnost odolávat vůči působícímu stresu  při definování je třeba definovat vůči čemu, vůči jakému druhu stresu – není žádná obecná resilience/resistence Ekologické principy  zákon minima  zákon tolerance  + biogeografická pravidla 70 Zákon tolerance 71 interval tolerance letální minimum letální maximum optimumprosperita systému ekologický faktor Zákon tolerance Příklad:  Na, K, Mg, Ca, (Cr), V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo a W – mají v buňkách nějakou roli  ve stopových množstvích jsou nezbytné (= esenciální) pro růst a metabolismus, ale ve vyšších koncentracích mohou mít na organismy inhibiční účinek a ve vysokých koncentracích se mohou stát toxickými  toxické kovy (≠ ne-esenciální) = nemají žádnou známou biologickou funkci - Ag, Cd, Sn, Au, Hg, Tl, Pb, Al, Be, Li a polokovy Ge, As, Sb, Se 72 Zákon tolerance V intervalu tolerance se mezi sebou liší:  jednotlivé druhy organismů  jednotliví jedinci uvnitř populace druhu  jednotlivá období v životě jedince 73 Ekosystémové služby  dopady na člověka  holistický přístup  příklad - půda 74 http://www.fao.org/soils-2015/en 75 https://www.soil-journal.net/2/111/2016/soil-2- 111-2016-supplement.pdf 76 https://www.soil- journal.net/2/111/2016/soil-2- 111-2016-supplement.pdf Ekosystémové služby  v ekosystémech je všechno propojeno  příklad netopýři: Insectivorous bat populations, adversely impacted by white-nose syndrome and wind turbines, may be worth billions of dollars to North American agriculture 77 Boyles et al. (2011) Literatura Yokoyama H. (2018): Lecture on Methylmercury Poisoning in Minamata (MPM). In: Mercury Pollution in Minamata. SpringerBriefs in Environmental Science. Springer, Singapore. https://doi.org/10.1007/978-981-10-7392-2_2 Hvězdová, M., Kosubová, P., Košíková, M., Scherr, K.E., Šimek, Z., Brodský, L., Šudoma, M., Škulcová, L., Sáňka, M., Svobodová, M., Krkošková, L., Vašíčková, J., Neuwirthová, N., Bielská, L., Hofman, J. (2018): Currently and recently used pesticides in Central European arable soils. Science of The Total Environment 613-614: 361-370. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2017.09.049 Vašíčková J., Hvězdová M., Kosubová P., Hofman J. (2019): Ecological risk assessment of pesticide residues in arable soils of the Czech Republic. Chemosphere 216, 479-487. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2018.10.158 Kodeš V. (2017): Pesticidy v podzemních vodách ČR. Podzemní vody ve vodárenské praxi, Jablonné nad Orlicí, 29.-30.3.2017 Kodeš V. (2017): Výskyt a chování pesticidů v podzemních vodách ČR. 22. konference Ústředí monitoringu, Milovy, 11.10.2017 Anděl P. (2011): Ekotoxikologie, bioindikace a biomonitoring. Evernia. ISBN 9788090378797. Rockström et al. (2009): A safe operating space for humanity. Nature 461, 472. Pérez A.P., Rodríguez Eugenio N. (2018): Status of local soil contamination in Europe: Revision of the indicator “Progress in the management Contaminated Sites in Europe, EUR 29124 EN, Publications Office of the European Union, Luxembourg, 2018, ISBN 978-92-79-80072-6. Moe S.J., De Schamphelaere K., Clements W.H., Sorensen M.T., Van den Brink P.J., Liess M. (2013): Combined and interactive effects of global climate change and toxicants on populations and communities. Environ Toxicol Chem 32: 49–61. doi:10.1002/etc.2045 Knight T., McCoy M., Chase J. et al. (2005): Trophic cascades across ecosystems. Nature 437: 880–883. https://doi.org/10.1038/nature03962 Boyles J.G. et al. (2011): Economic Importance of Bats in Agriculture. Science 332: 41-42. DOI:10.1126/science.1201366 78