Mikrobiální ekotoxikologie při hodnocení ekologických rizik oblem formulation on the local or regional level [components ^j exposure assessment ■ Ecological eilects imenl Risk characterisation Risk management Mikrobiální ekotoxikologie při hodnocení ekologických rizik Formulace problému na lokální či regionální úrovni □Místně specifická či regionální charakterizace zájmové lokality či regionu □Kvalitativní hodnocení vstupů, migrace a osudu stresoru (polutantu) □Identifikace: -kontaminantů s potenciálním ekologickým vlivem -receptoru -expozičních cest -známých účinků □Výběr vhodných koncových bodů □Specifikace objektivnosti a možností I Hodnocení multisložkové expozice □Kvantifikace vstupů, migrace a osudu □Charakterizace receptoru □Měření nebo odhad expozičních bodových koncentrací t Charakterizace rizika □Současné škodlivé účinky □Budoucí škodlivé účinky □Analýza nejistot □Ekologická významnost i Management rizik, nápravná opatření í Hodnocení ekologických účinků □Literární a databázové informace □Testování toxicity □Polní studie 1 LW1\7 ^ K7 Mikrobiální ekotoxikologie při Hodnocení účinku Příklady měřených parametrů: - terénní pozorování (polní, terréní studie) - úhyn určitých druhů (ryb, ptáků..), změny ve struktuře společenstev - terénní testy - mikro- a mezokosmy, studie v klecích.. - laboratorní testy - jednotlivé druhy, multidruhove testy - modely - osud a transport, bioakumulace, účinky • klesá realita • vzrůstá nutnost extrapolace, modelování ■ • klesá možnost zanedbání faktorů • vzrůstá kontrolovanost testu .... atci. Mikrobiální ekotoxikologie při Terénní studie, příklad půda: PŮDA RECEPTOR (hodnocení účinků) STRESOR (hledáme či známe) FYZ.-CHEM. VLASTNOSTI ANALÝZA POLUTANTU STAV MIKROBIÁLNÍCH SPOLEČENSTEV ANALÝZA EKOLOGICKÝCH RIZIK Mikrobiální ekotoxikologie při Retrospektivní hodnocení ekologických rizik, terénní studie, bioindikace - půdní mikrobiální ekotoxikologie: SPECIFIKA Silně heterogenní systém v čase i prostoru (sezónní charakter dějů; směs minerálních a organických komponent s koloidními roztoky; prostorová variabilita) JAK TESTOVAT A. Hledisko vstupu látek Látku aplikovat dle možností daných jejími chemickými vlastnostmi (vhodný organický roztok, fumigace), nejlépe v podobě odpovídající reálné situaci. B. Hledisko časové Lze testovat vliv jednorázových dávek nebo postupnou kumulaci zátěže. Systém testování by měl vycházet z charakteru expozice hodnoceného zdroje._______________ CO MERIT Základní nebo rozšířená sada parametrů V širším pohledu je vhodné mikrobiologické testy doplnit o testy mobility látek v půdním profilu (vyplachovaní) nebo jejich dostupnosti pro rostliny (testy s rostlinami). PRIMA / NEPRIMA APLIKACE Dle reálné situace je cenné testovat vedle přímé aplikace do půdy i vstup kontaminantu společně s organickým substrátem (např. s listím). Retrospektivní hodnocení ekologických rizik, terénní studie, bioindikace - půdní mikrobiální ekotoxikologie: • téměř nikdy není k dispozici kontrolní lokalita při praktickém hodnocení ekologických rizik • systém hodnocení nej častej i založen na korelačních vazbách mezi abiotickými (kontaminací) biotickými parametry půdy = analýza kauzality • v podstatě jde o komparativní posuzování stavu mikrobních společenstev půdy interpretace výsledků Mikrobiální ekotoxikologie při Retrospektivní hodnocení ekologických rizik, terénní studie, bioindikace - pudní mikrobiální ekotoxikologie: Významnou úlohu hrají parametry pudy viz. následující příklad. MONITORING OF SOILS AROUND CZECH HIGHWAYS Environmental study carried out in 1999 by RECETOX and co-operating companies Total 34 soil samples from different ecosystems (grasslands, arable, forest...) Sampling at several distances from the highway (1 - 500 m) Also contamination with heavy metals and POPs was measured 13 soils with GOOD biological quality 13 soils with BAD biological quality 8 MONITORING OF SOILS AROUND CZECH HIGHWAYS soils with GOOD biological quality mostly forest and grasslands soils farther from highway higher content of Corg higher content of Ntot higher content of clay lower pH higher CEC mostly arable soils near to highway lower content of C lower content of N lower content of clay more neutral pH lower CEC org tot soils with BAD biological quality core (%) org GOOD BAD Ntot (%) GOOD BAD Clay (%) GOOD BAD pHKCI (%) GOOD BAD CEC(mmol.kg" 400 300 200 100 0 GOOD BAD MONITORING OF SOILS AROUND CZECH HIGHWAYS CONTAMINATION: surprisingly, soils with GOOD biological quality display higher values of heavy metals and POPs ! Cd (mg.kgi) Hg (mg.kg1) n c U,<9 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 n n ■x U,U GOOD BAD PAHs (ng.g-1) PCBs (ng.gr1) 10000 GOOD BAD GOOD BAD Pb (mg.kgO GOOD BAD HCHs (ng.r0 GOOD BAD Zn (mg.kg1) innn 800 600 400 200 0 MTM ^lp GOOD BAD GOOD BAD DDT(ng.rO HCBing.gr1) GOOD BAD • Is there possible long-term stimulation with slightly higher contamination? • Is this only co-occurrence of both events caused by higher C and clay contents? 10 Prospektivní hodnocení ekologických rizik, identifikace nebezpečnosti (ekotoxicity) látek nebezpečí pro půdní mikroorganismy: NA ČEM TESTOVAT 9------------------- a) Umělý substrát (např. OECD, 1984) - 70% křemenný písek; 20% jíl; rašelina 10%; Voda: 40 - 60% WHC; pH 6,0 0,5 b) Přímo na zasažených (nebo potenciálně zasažených) vzorcích půd (nutná znalost: Cox, pH, obsah jílu, písku, KVK, půdní typ) JAK TESTOVAT Látka (látky) přidané do půdy podle své chemické podstaty (vhodný roztok, smíchání, fumigace, v organickém rozpouštědle). Nutno založit relevantní kontrolu simulující i způsob aplikace. Pokus uspořádat dle požadavků ve formě "dávka - odpověď". Pokus lze uspořádat jako laboratorní (mikrokosmos, mezokosmos) nebo i polní. • JAK DLOUHO O------------------ Lze měřit akutní účinek látky (hodiny - dny) nebo chronické působení v dlouhodobých inkubacích (měsíce - roky) CO MĚŘIT Základní sada parametrů, případně doplněná dalšími testy s vhodnými substráty * VYHODNOC INTERPRET ENI/ ACE Křivky "dávka - odpověď" pro jednotlivé parametry. Potenciální vliv testovaných látek 11 Příklad: Effects and risk assessment of linear alkylbenzene sulfonates (LAS) in agricultural soil. 1. Short-term effects on soil microbiology. • autoři sledovali účinek LAS mikroorganismy písčité zemědělské půdy během 11-ti denní laboratorní inkubace •10 mikrobiálních parametrů: degradace ethylenu potenciální oxidace amoniaku potenciální aktivita dehydrogenázy ß-glukosidazova aktivita redukce železa populace cellulolytických bakterií, hub a aktinomycét bazálni respirace půdy- obsah PLFA jako necitlivé se ukázaly ß-glukosidazova aktivita, bazálni respirace půdy a obsah PLFA, důvodem byla pravděpodobně kombinace stimulu a inhibice různých částí mikrobiálního společenstva W o. f OJ > i. 1. Ume response of ß-glucosidase activity in agricultural snil aller linear alkylbenzene sulfonate (LAS) exposure for 7 d. Data represent the mean £ standard deviation (vertical bars) of three replicates. Mill-' ■» 4-methylumnelliferone. O .2 U> % I •~ "D C .. r 6 - (U IX en 3. 0 8 22 62 174 488 LAS (mg kg'' dry weight soil) Tig. 5. Dose response of iron reduction in agricultural sou after linear alkylbenzene sulfonate (LAS) exposure for 5 d. Dilta represent the mean ± standard deviation (vertical bars) of three replicates. g 125 - c _ o ľ> o E T> .52 ^ o .E 2 č o n ■S« >. 793 >488 NAh (2-8) (6-47) (24-63) (2-6) (0-12) (0-20) (0-19) NA NA EC50 24 40 128 >488 17 24 32 80 >793 >488 NA (24-76) (99-154) NA (15-18) (15-40) (11-76) (0-206) NA NA NOEC NA 0 22 174 0 8 8 8 >793 >488 LOEC NA 10 62 488 8 22 22 22 >793 >488 * For ECH) and EC50. the 95% confidence limits are given in parentheses. Data for LAS in snil are presented as mg/kg dry weight. h NA = not available. v PLEA - phospholipid fatty acid. 14 87 Mikrobiální ekotoxikologie při hodnocení ekologických rizik Table 2. Illustration of the role of microbiological bioassays in setting soil loading guidelines for smelter emissions. Shown are the five most sensitive bioassays considered for setting soil critical load limits for atmospheric deposition of each of 6 metals/mettaloids. For each bioassay, the reference source as cited in Bird et al. (1999) is shown and the corresponding dissolved free-ion concentration in soil (mg L_1) is given. The shaded references are those based on microbiological bioassays. Cd Cu Ni Zo As 0.28 Weteeiaad Ö.01 meui IbekweetaL 0.0018 Miles and 0,010 Paliouris and 0.01 Balbaetal. 0.011 Posthumaet 1996 Parker 1979b Hutchinson 1991 al. 1997 Medicago Andropogon 1991 Silene Lycopersicum Enchytraeus saliva shoot scoparius root vulgaris root esculantum cryptkus yield dry weight length dry weight of reproduction reduction_______________„________________„_________________________fruit_______________________________ lbekw#ét;a1. : 1996 Rkis&jbiiim melUotV: number of nodules___________________________________ Wetzel and Ö.GQ90 HaIsaU1977 Ô.022 Werner 1995 Phtytophthora ■ Rhi^hě^^^^^^^^éš^ roots melihti number of nodules.i ;^;r-|;-.________.___________ Bingham et al. 0.06 Chang andÔ.024 Dixon and 0.26 Miles and 0.03 Chang and 0.54 iWoobon 1973 0.07 1975 Spinacia Broadbent Buschena Parker 1979b Broadbent /Phaseolus oleracea 1981 1988 Andropogon 1981 vulgaris plant shoot yield microbial : ectomyeorrhiza scoparius root microbial yield activity reduced dry weight activity CO; reduction in.:,: »ötatJon ________________________ÉÉ~£ ;í i___________/ _______________________________________:;- . ■ ■__________________ Bingham et aí. 0.07 SchatandTen 0058 Dixon 1988 0.38 1975 Glycine Bookum 1992 Quercus rubra max dry bean Silene leaf area yield vulgaris root growth ; 0.0022 - s :van Geste i et at. 1991 ; 1 Eiseniafetida WM growth 0.021 Dixon 1988 mycorrhiza percent laterals 0:19 Balba et al. 11991 i Lycopersicum esculantum dry weight of fruit 0.013 Smit and van Gestel 1996 Folsomia Candida number at 4 weeks 0.32 Wtike 1988 dehydrogenase activity 0.22 Sieevens et al. 1972 Pisum sativum fresh weight of shelled peas Balba et al. 1991 Lycopersicum esculantum dry weight of fruit 0.0Í7 Sheppard et al. 1993 Brassica rapa time to first bloom 0.46 Jacobs et al, 1970 Phaseolus vulgaris fresh weight of pods________ Seiler and Paganelli 1987 Picea rubens shoot and root growth 0.12 Sheppard et al. 1993 Lumbricus terrestris survival 0.55 Wooison 1973 Phaseolus vulgaris plant yield 0.05 0.06 0.13 15 Mikrobiální ekotoxikologie při Table 3. Illustration of the role of microbiological bioassays in setting guidelines for atmospheric ammonia. Shown are the five most sensitive bioassays considered, with references as cited in Sheppard (1999). The shaded reference was based on a microbiological bioassay. Concentration (nmol NH3 moľ1 air) Plant Effect Source 18 35 42 55 m Grass (Agrostis capillaris) Calluna vulgaris Bryophyte (Racomitrium lanuginosum) Scots pine (Pinus sylvestris) Scots pine {Pinus sylvestris) Growth increase Van der Eerden (1991) Decreased water potential after drought Visual symptoms Increased biomass, lower water potential after drought Decreased mycorrhizal infection Van der Eerden (1991) Van der Eerden (1991) Duecketal.(1998) Pérez-Soba et al. (1995) 16 Ideální je syntéza obou přístupů SOIL MICROBIAL ECOTOXICOLOGY Present trends (Garland and Mills, 1994; Powlson, 1994; Insham, 1996, Garland, 1996): Approach concentrated on ecosystem functioning Laboratory studies with soil samples In vitro studies Hazard identification and evaluation of effects Specified pollutants vs. microbes with respect to specified soil properties [Laboratory > field] "^ Exposure assessment Monitoring or model studies simulating time profile of exposure, with respect to specified soil properties [Field studies or laboratory simulations] Complex ecological risk assessment Retrospective / predictive studies Survey and analytical sampling RISK CHARACTERIZA TION H 17 Mikrobiální ekotoxikologie při Ideální je syntéza obou přístupu 18