E2240 Účinky stresorů v ekosystémech 04 Multistresory v terestrickém prostředí Jakub Hofman 1 Stresory 2 Stresory Stresory §na biologický systém (organismus, populace, společenstvo, ekosystém ..) působí podněty §připomínka: zákon tolerance § 4 PODNĚTY, KTERÉ PŮSOBÍ NA ORGANISMUS BĚŽNÉHO ROZSAHU v rámci normální udržování homeostáze MIMOŘÁDNÉHO ROZSAHU přesahují velikostí možnosti normálních mechanismů stresory Stresory §AJ stress = tlak, důraz, tíseň, nesnáz §ve vědě ale není stres daný podnět prostředí, ale spíše stav organismů (biosystému) §Míchal (1992): stres je stav, ve kterém se nachází živý systém při mobilizaci obranných nebo nápravných procesů vůči podnětům přesahujícím obvyklé rozpětí homeostázy §daný faktor tedy není „stres“ ale spíše „stresor“ § §NAVÍC: označit nějaký faktor jako stresor nelze bez znalosti reakce, stavu organismu (biosystému), a ta je u každého jiná ... 5 Stresory jakákoliv látka, energie, informace, organismus, lidská činnost, které svou velikostí nebo trváním překročí kapacitu homeostatických mechanismů daného biosystému a vedou k mobilizaci vnitřních rezerv a využívání abnormální energie pro udržení systému 6 Stresory §dle povahy ochemické (znečištění, pH, živiny, nedostatek kyslíku ...) ofyzické (teplota, hluk, sluneční záření, UV ...) obiologické (nepůvodní druhy, epidemie ...) okomplexní (souhrn více faktorů vzájemně provázaných, např. klimatická změna) §dle původu opřírodní (určitá míra stresu je nutná pro evoluci; přirozené změny klimatu, počasí, sopečná činnost, přirozené cykly ...) oantropogenní (znečištění, změny krajiny, hluk ...) §dle trvání ojednorázové osetrvalé o 7 Stresory §antropogenní fyzikální stresory - příklady: oúpravy vodních toků, stavby vodních děl ostavby – železniční tratě, silnice, obytné a průmyslové objekty ozměny užívání půdy – přírodní, zemědělská, průmyslová, obytná oeroze ohluk v okolí komunikací sídel ofrakcionace krajiny o… §antropogenní fyzikální stresory - příklady: ointrodukce nepůvodních druhů včetně GMO oi nepřímo: změny podmínek způsobující migrace druhů .. 8 Stresory §antropogenní chemické stresory: okapitola sama pro sebe – environmentální chemie ... ojednak vnášení cizorodých látek, jednak nepřirozené zvýšení koncentrací přírodních látek (eutrofizace)… onespočetné důsledky: -globální změny (recyklace vody a hmoty, atmosféra), změny dopadajícího UV záření (ozonová díra - freony); skleníkový efekt (CO2 a další), změny hydrologických poměrů ... -změny v přírodních ekosystémech + sekundární efekty (toxické produkty), eutrofizace (anorganické živiny, N + P) -přímá toxicita pro živé organismy a její důsledky -... o § 9 Příklad – fyzikální stresor – fragmentace krajiny 10 1 P4190042 Příklad – fyzikální stresor – fragmentace krajiny §vliv na zejména velké savce 11 obalka Stres a biologický systém 12 Stres a biologický systém §„teorie stresu“ - zakladatel Hans Selye 1966, nositel Nobelovy ceny §vychází z jednotlivce (organismu) a je potom přenositelná na vyšší hierarchie (populace, společenstvo, ekosystém) § 1.různé podněty vyvolávají stereotypní („nespecifické“) reakce 2.průběh reakce určuje velikost, trvání a frekvence podnětu 3.existují podstatné odlišnosti v reakcích jednotlivců stejného druhu 4.odolnost je geneticky fixována, ale může být individuálně změněna § 13 Stres a biologický systém Příklad: savec (člověk) reaguje na stresový podnět ... §Primární stresová reakce opřípravou na obranu nebo útok - tzv. záchranná neboli poplachová reakce – základní fyziologické děje: - nadledvinky zvýší vylučování adrenalinu - dojde ke stažení cév – zvýšení krevního tlaku - zvýší se obsah cukru v krvi - zastaví se pohyb a vyměšování trávicího traktu ocelkově tedy adaptace na mimořádný svalový výkon §Sekundární (dočasné) přizpůsobení ofyziologické změny (fyziologická adaptace … ADME!) - změny metabolismu, zvýšení hladin detoxikačních enzymů apod. §Dlouhodobá adaptace = evoluce (evoluční adaptace) § 14 BTW è prof. Julie Dobrovolná, RECETOX výzkum stresu Stres a biologický systém §jednorázové působení stresoru - resistence či resilience (adaptace) § § § § § 15 Míchal (1992) §toto platí obecně §tedy na úrovni ojedince oi populace oi společnstva oi celého ekosystému Stres a biologický systém §setrvalé či opakované působení stresoru 16 Míchal (1992) §toto platí obecně §tedy na úrovni ojedince oi populace oi společnstva oi celého ekosystému Stres a biologický systém §toto platí obecně §tedy na úrovni ojedince oi populace oi společnstva oi celého ekosystému 17 Stres a biologický systém 18 převzato: Bláha – Obecná ekotoxikologie §toto platí obecně §tedy na úrovni ojedince oi populace oi společnstva oi celého ekosystému Stres a biologický systém 19 převzato: Bláha – Obecná ekotoxikologie §toto platí obecně §tedy na úrovni ojedince oi populace oi společnstva oi celého ekosystému Stres a biologický systém 20 převzato: Bláha – Obecná ekotoxikologie §toto platí obecně §tedy na úrovni ojedince oi populace oi společnstva oi celého ekosystému [USEMAP] Udržování rovnováhy ve stresu §zpětná vazba: podnět „akce“ (stresor) vyvolá „reakci“ 21 pozitivní = nárůst „B“ způsobuje nárůst „A“ A+ B+ negativní = nárůst „B“ způsobuje pokles „A“ A- B+ Kontaminanty v terestrickém ekosystému 22 Znečišťující látky §polutanty – prvky či látky přirozeného či antropogenního původu, jejichž koncentrace se stala přirozeně, či vlivem člověka zvýšenou natolik, že působí škodlivé účinky – poškození zdraví organismů či fungování společenstev a ekosystémů §kontaminanty – zvýšená koncentrace nad přirozené hodnoty §cizorodé látky (xenobiotika) – ty, které nemají přirozený původ § §více o jednotlivých skupinách látek: oEnvironmental pollutants (Melymuk) 23 Znečišťující látky – možné dělení §záměrné vnášení toxických látek přímo do prostředí - pesticidy (insekticidy, herbicidy, fungicidy, rodenticidy ...) §jiné vstupy čistých látek do prostředí - léčiva humánní a veterinární (antibiotika – přímá toxicita pro mikroorganismy, další látky – toxické efekty podle typu účinku) §průmyslové výrobky, jejich součásti, vedlejší produkty výroby - kovy, plasty, ropa, stavby, elektronika, barvení, bělení, průmyslové plyny .... §odpady - průmyslové, komunální, speciální (nemocnice) odpadní vody, pevný odpad §produkty spalování - spalování odpadů, doprava, výroba energie a tepla §zemědělská hnojiva - zvyšování kvality půdy -> vedlejší efekty -> eutrofizace vod § o § 24 Znečišťující látky – možné dělení §dle úmyslnosti šíření látky do prostředí: 1.záměrné šíření v prostředí za určitým cílem - „APLIKACE“ a)kontaminant je látkou, kterou člověk šíří v prostředí za určitým cílem - příklady: pesticidy, hnojiva b)kontaminant není cílovou, ale vedlejší součástí látky, kterou člověk úmyslně šíří v prostředí na určitým cílem - příklady: Cd, Ra ve fosforečnanových hnojivech 2. §pro tyto znečišťující látky existuje relativně snadná možnost regulace, ale musí být zhodnocen vztah mezi přínosem a rizikem aplikace § § § 25 Znečišťující látky – možné dělení §dle úmyslnosti šíření látky do prostředí: 2.neúmyslné šíření do prostředí - „ÚNIK -možné klasifikace podle různých hledisek: -podle skupenství: plynné - plynné emise, kapalné - odpadní vody, pevné - pevné odpady -podle hospodářských odvětví (energetika, průmysl /hutní, strojírenský,chemický, stavební atd./, zemědělství a lesnictví, aj.) -podle režimu uvolňování do prostředí: •havarijní: neplánované, nečekané úniky při selhání bezpečnostních opatření, tendence ke krátkodobé, ale extrémní zátěži •provozní: plánované, regulované, kontrolované úniky tendence k dlouhodobé, střední zátěži - - - - - § § § 26 Osud a biodostupnost v půdě - úvod, koncepce, definice 27 Důsledky expozice v pevné matrici nVelké odlišnosti od akvatického prostředí (podobnost se sedimenty) nPevné matrice jsou dosti heterogenní nObsahuje vždy všechny tři fáze PEVNOU, KAPALNOU (pórová voda) a PLYN (vzduch) nPřítomnost pevné fáze zejména má významný vliv na OSUD a CHOVÁNÍ chemické látky nV závislosti na vlastnostech látky, vlastnostech půdy a čase dojde k DISTRIBUCI látky v půdě, případně vzniku SPECIÍ nStěžejním procesem je SORPCE a důsledkem je klíčový faktor půdních testů (eko)toxicity – BIODOSTUPNOST nTo vše má fatální důsledky pro výslednou toxicitu a riziko nDůsledkem je i ztížená extrapolace mezi půdami, z akvatických testů na půdní a z laboratorních testů na reálnou situaci Půdní prostředí má svá specifika, především … … důsledkem je prostorová distribuce a výskyt různých forem – vázané, rozpuštěné, sekvestrované v nanopórech apod. U kovů je pak velmi výrazná SPECIACE Biodostupnost hraje klíčovou roli v ekotoxikologii půdních organismů Přítomnost kontaminantu ještě neznamená riziko ! Současný přístup k hodnocení rizika nJaká je celková koncentrace v půdě? nKolik se vyplachuje do podzemní vody? nJe celková koncentrace pod limitem X mg/kg? BIODOSTUPNOST je však pro finální riziko klíčovým faktorem!!! Protože celkové koncentrace látek jsou zcela nerelevantní viz dva extrémní příklady: nKoncentrace PAHs v asfaltu je velmi vysoká, ale nejsou biodostupné nKoncentrace ftalátů v plastech jsou až %, ale většinou nejsou biodostupné Vazba kontaminantu na matrici (retence v půdě) většinou snižuje riziko (biodostupnost a mobilitu) a zhoršuje možnosti jak jej z matrice odstranit (remediaci) Celková koncentrace je nerelevantní pro riziko Eisenia andrei exponována olovu 2 g/kg (totalní koncentrace) Převzato z Bradham et al. (2003) Proč se zabývat osudem látek a biodostupností ? soil nSprávné a nezkreslené hodnocení rizik pro: nPůdní organismy (jedinci, společenstva) nOrganismy pojídající půdu (např. děti) nRostliny nPredikce biodegradací a účinnost bioremediací nLegislativní rámec nzatím se používají pouze totální koncentrace nMožnost extrapolace: nmezi různými půdami nz akvatické ekotoxikologie na půdní ekosystém nz laboratorních výsledků na terénní studie Poznání zákonitostí, kterými se řídí, je podmínkou správného hodnocení ekologických rizik plynoucích z kontaminace půdních ekosystémů. http://www.landfood.ubc.ca/soil200/images/01images/1.3.1Kaolinte_photo.jpg humic2single Představa situace v půdním prostředí organický kontaminant 100 x zvětšený anorganický 100 x zvětšený 10 µm Anorganický kontaminant 0.1 nm 100 nm Houbové vlákno 2-10 um Organický kontaminant 1 nm Bakterie 1-2 um 1 nm 10 um 1 um 10 nm 0.1 nm 100 um Jílová částice či huminová kyselina 2-0.2 um Stationery folsom01 1 mm Chvostoskok 1 – 2 mm Stationery Stationery Stationery Stationery Stationery Představa situace v půdním prostředí folsom01 Tkaná rohož Stationery Tkaná rohož Velikost kontaminantů a jejich fyzikálně chemické vlastnosti předurčují jejich osud v půdním prostředí. Organismy se také pohybují v prostoru a mají vztah k půdě daný jejich velikostí a ekologií (potravní strategií). K expozici toxikantem může dojít pouze tehdy, pokud dojde k interakci s organismem Různé expoziční cesty Schéma expozice v půdním prostředí Vstup POLUTANTU ORGANISMUS Polutant v organismu Metabolismus, eliminace, efekty POLUTANT v půdě prostorově distribuován a v různých formách EXPOZICE je funkce: osudu polutantu v půdě + vlastností organismu (morfologie, fyziologie, ekologie ...) Koncepce biodostupnosti nstatická koncepce - rovnováhy (equilibrium partitioning) – rozdělení celkové masy/koncentrace polutantu na frakce (pooly) – důsledek procesů adsorpce, mobility, bioakumulace n ndynamická koncepce – zapojení času - aging, sequestration, transformace, degradace, kinetika příjmu a eliminace Koncepce biodostupnosti - statická earthwrm Neextrahovatelná frakce Agresivní extrakce Mírná extrakce Frakce vázaná na DOC Volně rozpuštěná frakce Vodná fáze Příjem dermální Exkrece Modifikováno dle Landrum (1989), EST 23: 588 Rychle reverzibilně vázaná frakce Pevná fáze Ingesce Nereverzibilně vázaná frakce Pomalu reverzibilně vázaná frakce ?? ?? Celkový obsah Hlen Asimilace Distribuce Metabolismus Eliminace Bioakumulace Dosažení receptoru Toxicita ? aging, sekvestrace Sorpce Kd, Koc, pH, CEC Kow, BCF Koncepce biodostupnosti - dynamická three principal processes (Dickson, 1994) The dynamic approach of bioavailability Solid Liquid PARTITION WHOLE BODY TRANSLOCATION TARGET Organs Inert Storage pH OM Ca pH OM Ca Mg ASSIMILATION ELIMINATION Koncepce biodostupnosti - dynamická Převzato z Semple et al. (2003), E J Soil Sci 54: 809 Go to fullsize image Go to fullsize image Go to fullsize image Go to fullsize image nBiodostupnost (bioavailibility) – dostupnost látky v okolním prostředí (voda, sediment, půda, vzduch ...) pro příjem organismem n nBIODOSTUPNOST pro biodegradace nBIODOSTUPNOST pro akumulaci v těle nBIODOSTUPNOST pro toxický účinek n nrealizuje se či ne ? jde o potenciální frakci či frakci skutečně ve styku s biotou ? Co to je biodostupnost ? j0383550[1] Definice biodostupnosti nMnoho definic díky různým pohledům (toxikologické, ekotoxikologické, farmakologické, toxokinetické …) nfrakce chemické látky dostupná pro absorpci živými organismy (National Research Council, U.S. (2002): Bioavailability of Contaminants in Soils and Sediments: Processes, Tools and Applications) nBiodostupnost je míra jakou chemikálie v půdě může být absorbována, metabolizována či vůbec být v interakci s živým organismem (ISO 11074 Soil Quality – Vocabulary) nBiodostupná (bioavailable) a biodosažitelná (bioaccessible) složka (Semple et al., 2004) ndosažitelnost a chemická aktivita (Reichenberg and Mayer 2006) Je mnoho definic – toxikologická, ekotoxikologická, farmakologická, ALE základní poslání je STEJNÉ Jak už napovídá samotné slovo, „biodostupné“ je množství (koncentrace, frakce) chemické látky v půdě, které může vejít do interakce s živými organismy, být jimi akumulováno, dosáhnout receptor uvnitř organismu a být transformováno, degradováno, či způsobit nepříznivé efekty. Biodostupnost není univerzální všezahrnující pojem, je specifická pro danou situaci. ISO 11074 Soil Quality - Vocabulary: Bioavailability is the degree to which chemicals present in the soil matrix may be absorbed or metabolised by human or ecological receptors or are available for interaction with biological systems Definice biodostupnosti rybicka Zpřesnění definice I Je biodostupná frakce jen ta, co se opravdu dostává do organismu, či ta, které se teoreticky může do organismu dostat ???????????????? Zpřesnění definice I Dostupnost a dosažitelnost kontaminantů Semple et al., 2004, EST 15: 229A NOW MAYBE AFTER NEVER Biodosažitelná = Biodostupná + Potenciálně biodostupná Bioaccessible = NOW Bioavailability is the fraction of a contaminant actually available at a given moment in time in soil. NOW Bioaccessibility encompasses what is actually bioavailable now plus what is ‘potentially bioavailable’. Jak je to z metodického pohledu Biodostupná Biologicky definovaná Chemicky definovaná Biodosažitelná (rozpuštěná a rychle desorbovatelná) Odolná (pomalu desorbovatelná) Neextrahovatelná (velmi pomalu / ne - desorbovatelná) Ageing Sand Autor schématu K.T. Semple Zpřesnění definice II Zajímá nás z pohledu biodostupnosti frakce chemické látky, která vstoupí či může vstoupit do organismu či potenciál/tendence chemické látky vstupovat do živých organismů ????????? Frakce či rovnovážné rozdělování ? n Převzato z Reichenberg and Mayer, 2006, Environ Toxicol Chem 25: 1239 Kolik je celkem Kolik se může uvolnit PRO .. Jaký je difúzní tlak pro vstup do … Totální extrakce Slabá rozpouštědla, desorpční extrakce … Rovnovážné vzorkování Definice biodostupnosti j0286034 nněkdy se zdá jakoby biodostupnou frakcí byla chápána pouze např. mobilní frakce n nevidentní diskrepance v definicích a nedostatek dalších termínů jako biodegradovatelnost, bioakumulovatelnost, biopřijímatelnost atd. n ns ohledem na akvatické prostředí převládá definice biodostupné frakce jako té, která je skutečně bioakumulována organismem, biodegradována atd. j0286034 Faktory a procesy biodostupnosti Faktory ovlivňující biodostupnost nVlastnosti půdy nsložení půdy, organická hmota, zrnitost, pH, CEC, vlhkost, teplota, struktura půdy - velikost pórů nVlastnosti látek nChemická struktura, Kow, Sw, Koc, pKa, MW, H, pv nVlastnosti organismů nFyziologie (příjem, metabolismus, eliminace), morfologie, ekologie (chování) nVliv času nAging, sekvestrace nPřítomnost jiných chemikálií (např. NAPL) a interakce Výsledkem jsou PROCESY, které mění biodostupnost Závisí na látce, půdních vlastnostech, okolních podmínkách, čase a vlastnostech organismu. Klíčové vlastnosti jsou u nepolárních polutantů jejich hydrofobicita a u kovů jejich speciace v půdě. Z půdních vlastností se jako klíčové opakovaně ukazují obsah a vlastnosti půdní organické hmoty, pH a kationtová výměnná kapacita, protože všechny tyto faktory stěžejně ovlivňují sorpci kontaminantů. Faktory ovlivňující biodostupnost nU vlastností látek je třeba si uvědomit, že: njsou definovány za určitých podmínek nnapř. Kow by mělo být pro každou látku jedno číslo nALE Koc určitě není jedno číslo pro jednu látku a BCF také ne – závisí na podmínkách, při kterých jsou měřeny Závisí na látce, půdních vlastnostech, okolních podmínkách, čase a vlastnostech organismu. Klíčové vlastnosti jsou u nepolárních polutantů jejich hydrofobicita a u kovů jejich speciace v půdě. Z půdních vlastností se jako klíčové opakovaně ukazují obsah a vlastnosti půdní organické hmoty, pH a kationtová výměnná kapacita, protože všechny tyto faktory stěžejně ovlivňují sorpci kontaminantů. Osud těžkých kovů v půdě nje velmi složitý, liší se u jednotlivých prvků a zahrnuje celou řadu velmi komplikovaných fyzikálních a chemických procesů nchemické formy prvků v půdě = speciace kovů; ovlivňuje sorpční a desorpční charateristiky, změny při různém pH či redoxním potenciálu, biologická, biochemická a chemická dostupnost kovů nosud zcela stěžejní pro dostupnost prvků organismům a tedy pro projevy jejich toxicity novlivňován řadou půdních vlastností jako pH, CEC, obsahem organického materiálu, redoxním potenciálem, obsahem oxidů železa, obsahem jílů, aktivitou půdních mikroorganismů, zrnitostí a strukturou půdy, mateřskou horninou a dalšími faktory Příklad - Efekt pH a OM na toxicitu Zn pro Eisenia fetida npH 4, 5 a 6 a OM 5, 10 a 15 % nToxicita vyšší při nižším pH a nižším % OM n Převzato z Spurgeon and Hopkin (1996), Pedobiologia, 40: 80-96. Osud POPs v půdě Chování POPs v prostředí tím i jejich nebezpečnost lze charakterizovat zejména pěti environmentálně-chemickými parametry: 1.Rozpustnost ve vodě WS (mg.l-1). Čím je její hodnota nižší, tím je látka hydrofobnější a lipofilnější, tím má větší tendenci kumulovat se v půdním prostředí a v živých organismech. 2.Těkání vyjádřené hodnotou Henryho konstanty (H v Pa.m3.mol-1). Čím je hodnota H vyšší, tím je látka těkavější, má vyšší tendenci přejít z půdního prostředí do atmosféry. 3.Rozdělovací koeficient n-oktanol-voda Kow. představující míru tendence látky kumulovat se v živých organismech. Hodnota logKow v rozmezí 3-6 představuje látky s vysokou tendencí k bioakumulaci. 4.Sorpce na organický uhlík (půdní organickou hmotu) vyjádřená pomocí rozdělovacího koeficientu organický uhlík (v tuhé fázi) – voda Koc. Hodnoty logKoc vyšší než 3 charakterizují látky silně se sorbující v půdním prostředí, dlouhodobě v něm přítomné, ovšem také méně biodostupné. 5.Environmentální persistence vyjádřená pomoci poločasu života (t1/2). V případě půdního prostředí se používá například označení t1/2(S) (poločas života polutantu v půdním prostředí). Vlastnosti látky, které zejména ovlivňují osud v půdě Kontaminant bude v půdě perzistentní jestli Dá se zhruba shrnout: pokud log Koc > 3, látka bude významně sorbována na půdní organickou hmotu a pokud log Kow > 5, látka bude vykazovat významnou bioakumulaci Polarita Rozpustnost ve vodě Hydrofobicita Lipofilicita Tlak par Molekulární struktura Nízká Nízká Vysoká Vysoká Nízká Odolná degradaci Různé formy výskytu organického polutantu v půdě Pevná částice polutantu Kapalný film NAPL – Non-aqueous phase liquid Povrchová adsorpce na půdu Absorpce do půdy Difúze do vodní fáze v půdních pórech Zaplnění mikro- či nano-pórů pevným či kapalným polutantem Chemická vazba na půdu Fyzikální formy Chemická forma Komplexy v půdní vodě Rozpuštění v půdní vodě Hlavní procesy v půdě ovlivňující osud látky nLze rozdělit na procesy, které 1.snižují celkovou koncentraci látky v půdě 2.nemění celkovou koncentraci, ale mění distribuci 3.mění formy látky, způsob výskytu, speciaci n nHlavní roli hrají fázové procesy, difúzní přechody: 1.solubilizace - transport mezi čistým kontaminantem a kapalnou fází (u kapalných kontaminantů mísitelnost) 2.volatilizace - transport mezi kapalnou a plynnou fází (Henryho zákon) 3.sorpce - transport mezi kapalnou a pevnou fází Různé mechanismy retence v půdě kationtová výměna nparametr CEC (kationtová výměnná kapacita) nnegativně nabité povrchy jsou schopny vázat kationty nvýznamný mechanismus zejména u těžkých kovů nionizovatelné organické látky často spíše negativní náboje - např. fenoly, chlorfenoly sorpce na půdní organický materiál nzejména pro nepolární, hydrofóbní organické kontaminanty nčástečně může být nahrazena sorpcí na minerální složku půdy, zejména u půd s nízkým obsahem Corg Sorpce nSorpce chemických látek z kapalné fáze (vody, půdní pórové vody, půdního roztoku) na půdní částice nsorpce = adsorpce + absorpce nnejdůležitější proces ovlivňující transport, degradaci a biodostupnost nněkolik mechanismů – závisí na podstatě látky (sorbátu) a sorbentu: nionty – iontová výměna norganické látky – hydrofóbní vazba nfyzikální či chemické vazby 10 µm Prach (50 µm - 2 µm) 10 µm Písek (2000 µm - 50 µm) 10 µm Jíl (2 µm – 0,2 µm) humic2single Organická hmota (N/A) 10 µm Kontinuum vazebných míst v půdě Rozdělování půda – voda: Kd a KOC nKd hodnoty pro látky mají poměrně výrazný rozptyl, protože různé půdy mají různý obsah OM, který je zejména zodpovědný za sorpci è rozdělovací koeficient se normalizuje na OC: KOC = Kd x fOC nopět ale poměrně velká variabilita v dostupných hodnotách, protože závisí na povaze organické hmoty a dalších faktorech Sorpce disociovatelných látek nNAVÍC pro ionizovatelné látky (např. fenoly) je nejprve nutné stanovit distribuci mezi neutrální a ionizovanou frakci, až poté stanovení Koc pro obě tyto frakce è slábne úloha OC a narůstá role CEC a jílů Příjem látky organismem nBiokoncentrační faktor npoměr koncentrací chemické látky nalezených v biotě ku koncentraci v zevním prostředí (voda..), ve kterém daný organismus žije nBCF(BAF) = CB / CW nCB – koncentrace v organismu např. mg/kg (živé váhy, sušiny, lipidů …) nCW – koncentrace v okolní kapalině mg/L nPro půdu se často koncentrace v organismu standardizuje na frakci lipidů a koncentrace v půdě na frakci OC è BSAF – biota – soil accumulation factor nnezávislý na KOW !!!!! nflipids např. u žížal bývá uvažováno 0,01 Vliv vlastností organismu a jeho ekologie nVlastnosti organismu nu bezobratlých rozdíl mezi měkkými a tvrdými tělními pokryvy ntracheata mohou být exponovány při dýchání volatilním polutantům ndélka života vs časový osud kontaminantu nmetabolismus (toxokinetika) nEkologie organismu: ndistribuce kontaminantu je heterogenní è organismy, které jsou toho schopné, mohou uniknout npotravní preference a chování při hledání potravy (žížaly endogeické vs epigeické; žížaly vs hlístice vs chvostoskoci) nchování - žížaly preferují vlhké prostředí a v suchu se stahují do nižší, čistší vrstvy půdy endogeics epigeics anecics (Bouché, 1972) Ekologie organismů aneics Příjem látek živými organismy njednobuněčné organismy npasivní difuze přes membránu n„selektivní“ vstup přes existující transportní systémy n nvícebuněčné organismy / řasy ndifuze toxikantu přes membránu a mezi buňkami n nterestrické rostliny nrozpuštěné ve vodě/půdě - vstup kořeny/listy nplynné toxikanty - vstup přes stomata na listech nlipofilní látky (některé herbicidy) - penetrace voskové kutikuly [USEMAP] Expoziční cesty bezobratlých 1.ingesce a orální vstup - potrava a půdní částice norganismy konzumují minerální a organickou hmotu nvýznamná expoziční cesta pro sorbované chemikálie nbioobohacování - např. houby, které konzumují chvostoskoci nvýznamná cesta pro členovce 2.dermální vstup - z půdy, z půdního roztoku nzejména organismy, které mají tenkou kutikulu a jsou v kontaktu s půdou a pórovou vodou (žížaly, roupice a hlístice) nlze modelovat výsledky i z testů v akvatickém prostředí při doplnění modelu distribuce látky mezi půdní roztok a sorpci na částice = Equilibrium Partitioning theory (EqP) 3.dýcháním nnejsou téměř žádná data Jsou metody jak zkoumat převládající expoziční cestu nLumbricus rubellus s ústy zalepenými chirurgickým lepidlem lijmworm kapjes Převzato z Vijver et al. (2003) Příklad vlivu vlastností látky, půdy a expoziční cesty 036 3% OM 20% OM oral uptake dermal uptake Princip „mass transfer“ (přesunu polutantu) ? Reakce nachýlená ve prospěch desorpce Rovnováha B Vliv mikroorganismů A Žádná interakce mikroorganismů Půdní roztok Autor schématu K.T. Semple Jestliže biota nemůže jít ke kontaminantu ……, ………… tak kontaminant musí jít k biotě !!!!! Biodegradace či toxicita BAKTERIE Autor schématu K.T. Semple Příklad fungování „mass transfer“ Půdní částice a pór v ní Metody hodnocení biodostupnosti [USEMAP] Chemická extrakce vs biologická interakce nKlasický přístup měření totální koncentrace musí být nahrazen metodami stanovení biodostupné frakce/koncentrace/potenciálu !!! nAle jaké metody ? A lze vůbec mít CHEMické metody pro hodnocení BIOdostupnosti ??? nAsi ANO, ale je vždy nutné ujasnit si, PRO CO chceme biodostupnost hodnotit (mikrob, žížala, rostlina) a Z JAKÉHO DŮVODU (remediace, toxicita, riziko) nNEEXISTUJE ani nemůže jedna metoda pro biodostupnost nProtože různé organismy (typy ale možná až druhy) a různé typy interakcí biota-půda-kontaminant vyžadují specifické metody Chemická extrakce vs biologická interakce nChemická extrakce – více rozděluje jednotlivé frakce nLehce extrahovatelná nOdolná nVázaná a neextrahovatelná nBiologická interakce – zásadní a jednoduché rozdělení nBiodostupná nNedostupná % Easily extractable % Recalcitrant % Non-extractable Arbitrary Time 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Decreasing with time Increasing with time Increasing with time Increasing Non-Bioavailable Fraction with time % Bioavailable % Non-bioavailable 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Arbitrary Time Decreasing Bioavailable Fraction with time Extrakce vs biologický přístup Autor schématu K.T. Semple Biologické metody vs chemické metody nNezbytné ke stanovení samotné biodostupnosti n nZahrnují další aspekty (forma expozice, metabolismus, chování organismů) n nPoskytují informace o případné toxicitě látky nČasově a prostorově náročné, vysoké náklady nBez korelace s biologickými nedávají informace o biodostupnosti nNezahrnují další aspekty (forma expozice, metabolismus, chování organismů) nNeposkytují žádné informace o případné toxicitě látky nČasově a prostorově méně náročné, nižší náklady n Biologické Chemické Rozdělení metod hodnocení nBiologické metody nPřímé – testy bioakumulace, rezidua (CBR) nNepřímé – testy toxicity, biomarkery expozice … nChemické metody nCelková extrakce NE nExtrakce vodnými roztoky (CaCl2) nExtrakce pórové vody nExtrakce organickými rozpouštědly (MeOH, BuOH) nDesorpční metody (HPCD, Tenax, XAD-4) nSuperkritická fluidní extrakce (SFE) nExtrakce na pevnou fázi (biomimetika, SPME, POM, SPMD) nPersulfátová oxidace nSlabá kyselina či komplexotvorné činidlo nModelování nWHAM, EqP, BLM, FIM … KORELACE KALIBRACE ISO 17402 Soil quality - Guidance for the selection and application of methods for the assessment of bioavailability in soil and soil materials nPotřeba zajistit: expozice testovaného organismu biodostupné formě kontaminantu ve vzorku nTesty toxicity, bioakumulační studie a biodegradační pokusy Biologické hodnocení biodostupnosti n vodné výluhy nve vodě rozpustná frakce nextrakty nextrahovatelná frakce n kontaktní testy s pevnou fází n biodostupné množství Přímé hodnocení biodostupnosti PRO mikroorganismy Biologický přístup – mineralizační test 14C-značení je na místě primárního ataku degradátorů 14C respirometr 30ml MBS 14CO2 sorbce 10g půdy 14CO2 + H2O Autor schématu J. Stroud Mikroorganismus Chemická metoda Hydrofóbní kontaminant (HOC) vázaný na půdu Desorbovaný HOC Napodobení biodostupnosti PRO mikroorganismy ? Autor schématu K.T. Semple HPCD extrakce beta_cd Hydroxypropyl-b-cyclodextrin Komplex Hydroxypropyl-b-cyclodextrin-kontaminant Hydrofobní kavita Hydrofilní navenek HPCD extrakce Teflonové centrifugační zkumavky, půda (1.5 g) HPCD (25 mL) Třepačka (20 h) Centrifugace 5000 g Supernatant odebrán Analýza HPLC po štěpení MeOH či analýza na LSC pro 14C značené látky HPCD extrakce vs mineralizace HPCD extrakce vs mineralizace Soil Time (days) 14C-phenanthrene removed with one HPCD extraction (%) 14C-phenanthrene after 10 x 24h mineralisation steps (%) Ratio A 0 86.5 ± 1.8 82.5 ± 1.8 0.95 (2.7%) 25 85.4 ± 1.0 82.0 ± 4.9 0.96 50 86.3 ± 1.0 80.1 ± 2.7 0.92 100 82.3 ± 0.7 81.4 ± 0.5 0.99 B 0 90.5 ± 2.4 89.4 ± 3.6 0.99 (5.3%) 25 81.9 ± 1.6 81.3 ± 4.0 0.99 50 81.1 ± 0.4 80.9 ± 5.8 1.00 100 80.2 ± 1.4 77.0 ± 5.0 0.96 C 0 83.7 ± 2.0 82.9 ± 2.8 0.99 (7.8%) 25 78.9 ± 0.8 78.0± 0.7 0.99 50 73.4 ± 1.0 74.2 ± 0.4 1.01 100 70.0 ± 1.6 69.9 ± 4.8 1.00 D 0 82.8 ± 0.5 80.6 ± 1.7 0.97 (9.3%) 25 72.3 ± 0.4 70.4 ± 0.3 0.97 50 67.9 ± 0.4 64.2 ± 1.6 0.95 100 67.6 ± 0.1 62.7 ± 1.0 0.93 Klíčový transfer Vázaný na půdu Cyclodextrin Enkapsulace Biodegradace Transfer do roztoku Rozpuštění do rozpouštědla Extrakce organickým rozpouštědlem Extrakce HPCD nExtrakce cyklodextrinem dokáže mimikovat biodostupnost pro bakterie SPME – biomimetické metody Glas Pincet Zkumavky, půda (1.5 g) 10 mM NaN3 a PDMS vlákno 30 µm Třepačka (20 h) Extrakce a analýza SPME – biomimetické metody nPatří mezi metody, kde se vychází z rovnovážného rozdělování – equilibrium sampling devices nObecný postup: nNechat potřebný čas k dosažení rovnováhy roztok – vzorkovač nStanovit koncentraci ve vzorkovači nPřepočítat fugacitu či koncentraci látky v roztoku Polymery – biomimetic devices nPOM – polyoxymethylene nSPMD - polydimethylsiloxyne http://journal.chemistrycentral.com/content/figures/1752-153X-2-8-graphical-abstract.gif http://t1.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcS-aNSTWzLIcdnBOz0CRj-0qYJk5lVBv2zx4frf8JGUGbmXnvk3 http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/35/Polyoxymethylene.svg/420px-Polyoxymethylen e.svg.png http://wwwaux.cerc.cr.usgs.gov/SPMD/new_images/2.jpg nSPMD – náplně různé, např. triolein Extrakce pórové vody RhizonKoe nExtrakce, tlaková filtrace, centrifugace, vytláčení nRhizon, tzv. umělý kořen rhizon Extrakce roztokem CaCl2 pro kovy From: Posthuma et al. (1998) Další možná extrakční činidla pro kovy - 1 [USEMAP] Další možná extrakční činidla pro kovy - 2 [USEMAP] Modelování nModelování nám umožní, že pokud známe základní mechanismy a principy chování látek v půdě a zákonitosti jejich přijmu organismy, lze extrapolovat: nMezi různými půdami nMezi různými látkami (pokud mají podobný mode of action nMezi starou a novou kontaminací nZ akvatické ekotoxikologie na půdní nZ laboratorních testů na reálnou situaci Modelování – Equilibrium Partitioning - EqP žížala Pórová voda Příjem/eliminace Sorpce/desorpce půda Equilibrium partitioning = rovnovážné rozdělování „Stačí“ znát sorpční chování látky a poté z koncentrace v pórové vodě lze odvodit příjem a efekty na organismus Kd BSAF BCF Dle C.A.M. Van Gestela Modelování koncentrace v půdní pórové vodě 088 nRovnovážné koncentrace v půdní pórové vodě (µg/L) vypočítané pomocí Kd žížala voda příjem/eliminace Sorpce / desorpce soil soil půda sekvestrace Degradace / volatilizace / úbytek Ageing: Sorpce s časem narůstá a není už predikovatelná z laboratorně stanovených Kd hodnot V pórové vodě ubývá Pore-water hypothesis: má i svá ALE Dle C.A.M. Van Gestela [USEMAP] Modelování osudu a biodostupnosti pro kovy njejich biodostupnost je funkcí jejich chemické formy (speciace) a ta je závislá na celé řadě faktorů npH nEh (redox poteciál) nVýměnná kationtová kapacita nIontová síla roztoku nObsah organického uhlíku nAnorganické ligandy (F-, Cl-..) nAnorganické oxidy Fe, Mn, Al, Si nSulfidy nOrganická komplexotvorná činidla (huminové látky, organický uhlík..) nKoncentrace jiných kovových iontů [USEMAP] 006 Speciace je závislá na faktorech např. pH Protože huminové látky jsou lépe rozpustné v zásaditém prostředí, je také kromě jmenovaných specií častá specie M-DOC, zejména pro Pb, Cu, Zn Kyselé prostředí Zásadité prostředí [USEMAP] From Lock & Janssen (2001) scan0004 scan0005 Příklad – toxicita mědi pro Enchytraeus albidus Příklad – vliv pH na biodostupnost kovu Převzato z ISO 17402: Soil quality - Guidance for the selection and application of methods for the assessment of bioavailability in soil and soil materials Závěry I nNeexistuje a ani nemůže existovat univerzální metoda pro hodnocení biodostupnosti, jde však spíš o to, vytvořit ucelený soubor metod určený pro různé typy scénářů n nMezi biologickými a chemickými měly být ustanoveny závislosti a korelace a tyto dvě větve by se neměly vyvíjet odděleně n nNení jedna všezahrnující BIODOSTUPONOST, ale vždy je biodostupnost PRO … biodegradace, bioakumulace, toxicitu … Závěry II Pokud se zabýváme problematikou biodostupnosti: nZnát základní vědecké poznatky o biodostupnosti (mechanismy, principy, modely, vztahy mezi výsledky CHEM a BIO metod, atp.) nSprávný výběr metod a přístupů (např. ISO 17402, HPCD pro mikroorganismy, SPME pro bezobratlé …) nHodnotit biodostupnost relevantně k cíli studie (toxicita vs biodegradace …) Web of Science: nbioavailability – 49 933 článků !!! nbioavailability and soil – 5 781 článků nbioavailability and sediment – 3 278 nbioavailability and freshwater – 503 nbioavailability and water – 8 296 Příklad - Baterie metod v RECETOX Biologické metody Přímé metody Akumulační test s E. fetida Nepřímé metody Test toxicity F.candida Chemické metody Extrakce pórové vody Rhizon Extrakce vodnými rozpouštědly HPCD, CaCl2 Extrakce slabými organickými rozpouštědly butanol Mikroextrakce na pevnou fázi SPME Superkritická fluidní extrakce SFE Když zminene metody shrneme do tabulky, tak je videt, ze jimi pokryjeme celou škálu metod hodnocení biodostupnosti. Což nám dá celou řadu informací o dané problematice. Literatura Míchal I. (1992): Ekologická stabilita. 244 s. ISBN 8085368226. Tan, K.H. (2011): Principles of Soil Chemistry. Fourth edition. CRC Press. ISBN: 978-1-4398-1392-8 Bleam, W.F. (2012): Soil Environmental Chemistry. Elsevier. ISBN: 978-0-12-384980-9. Dean, J.R. (2007): Bioavailability, bioaccessibility and mobility of environmental contaminants. Analytical techniques in the sciences. John Wiley and Sons, ISBN 0470025778, p. 292. Allen, H.E. (2002): Bioavailability of Metals in Terrestrial Ecosystems: Importance of Partitioning for Bioavailability to Invertebrates, Microbes, and Plants (Metals and the Environmental Series). SETAC, ISBN-10: 1880611465. Naidu. R. (2008): Chemical bioavailability in terrestrial environments. Elsevier, ISBN 0444521690, p. 809. National Research Council (2003): Bioavailability of contaminants in soils and sediments: processes, tools, and applications. National Academies Press, ISBN 0309086256, p. 420. Hamelink, J.L. (1994): Bioavailability: physical, chemical, and biological interactions. SETAC special publications series. Lewis Publishers, ISBN 1566700868, p. 239. 103