RECETOX, Masaryk University, Brno, CR holoubek@recetox.muni.cz; http://recetox.muni.cz Ivan Holoubek CHEMIE ŽIVOTNÍHO PROSTŘEDÍ I Environmentální procesy (02) Globální problémy lidstva a životního prostředí Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 2 Problémy životního prostředí Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 3 Máme schopnost tuto planetu zničit ! Avšak máme také schopnost ji zachránit !! Gro Harlem Brundtlandová Problémy životního prostředí Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 4 Rozvoj vědy a techniky  prodloužení života  zvýšení jeho pohodlí  vyšší civilizační a kulturní úroveň Nerovnoměrné rozdělení celoplanetárního produktů 1/4 celoplanetární populace – vysoce ekonomicky rozvinuté, industrializované země Globální problémy Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 5 WHO (World Health Organisation) – Zdraví pro všechny – všichni pro zdraví  1 mld obyvatel (ca 1/5) – chudoba, podvýživa, choroby  průměrná doba života: - průmyslově vyspělé země – 70 let - rozvojové země < 50 let  rozvojové země – počet úmrtí živě narozených dětí do 1 roku života - průmyslově vyspělé země – 5 – 20 - rozvojové země - 200  ženy ve většině chudých zemí – 200-krát vyšší riziko úmrtí během těhotenství a porodu  každý den umírá 40 000 dětí hlady nebo jeho následky Globální problémy Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 6  Rozvoj vědy a techniky - Prométheovský komplex  Pozitivní, ale i negativní stránka vědy – celoplanetární charakter  Vztah člověka a přírody - antagonismus či harmonie ? Globální problémy Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 7  ohrožení života zbraněmi hromadného ničení  technicko - ekonomický aspekt – vyčerpávání přírodních zdrojů umocněné nárůstem populace  problémy životního prostředí – znečištění prostředí, narušení rovnováhy člověk – příroda  problém civilizačních nemocí vyvolaných civilizačním procesem  společensko-politický aspekt vycházející z otázky jak řešit předchozí problémy 5 základních aspektů globální krize Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 8 Globální problémy Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 9 Globální problémy Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 10 Globální problémy Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 11 Příznaky environmentální krize / I  Populační nárůst – počet obyvatel planety vzrostl od počátku průmyslové éry osmkrát  Využívání přírodních zdrojů – průmyslová produkce vzrostla více než stokrát od počátku století  Změny habitatů – za posledních 200 let bylo vykáceno více než 6 000 000 km 2 lesů  Eroze půdy – zátěž sedimentů půdní erozí vzrostla třikrát ve velkých řekách a osmkrát u malých řek během posledních 200 let Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 12  Vodní zdroje – využívání vodních zdrojů vzrostlo ze 100 na 3 600 km3 ročně během posledních dvou století  Znečištění ovzduší – antropogenní aktivity od poloviny 18. století vedla k více než dvojnásobnému zvýšení atmosférických koncentrací CH4, zvýšení koncentrace CO2 o 27 % a významnému narušení ozónové vrstvy  Znečištění vod – antropogenní aktivity vedly k dvojnásobnému zvýšení přírodních emisních rychlostí As, Hg, Ni a V, trojnásobnému u Zn, pětinásobnému u Cd a osminásobnému zvýšení u Pb. Příznaky environmentální krize / II Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 13 Globální problémy Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 14 Globální problémy Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 15 Prostorové a časové aspekty chemického znečištění prostředí Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 16 Prostorové a časové aspekty environmentální toxikologie Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 17  Nebezpečné procesy existovaly vždy (záplavy, zemětřesení, vulkanické erupce – přirozené).  Jsme antropocentričtí – za nebezpečné považujeme jen ty procesy, které mají přímý negativní dopad na člověka.  Některé neovlivnitelné (vulkanické erupce), některé ovlivnitelné (záplavy). Nová kategorie – technologická nebezpečí.  Riziko – je vždy přítomno ve vzájemném vztahu člověkplaneta (změny klimatu, rychlosti zvětrávání …). Nebezpečné procesy Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 18 Geologické procesy, které označujeme jako „nebezpečné“, probíhaly na Zemi po celou dobu jejího vývoje. Geologické procesy, které ovlivňují lidský život, mohou být:  nenápadné ale také výrazné  užitečné ale také zhoubné Nebezpečné geologické procesy Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 19 Geologická nebezpečí  zemětřesení  vulkanické erupce  záplavy  sesuvy (patří mezi přírodní nebezpečí spolu s nálety sarančat, ohni, tornády) Doba účinku:  Krátkodobá – zemětřesení, tornáda (vteřiny)  Dlouhodobá – sucha (až desetiletí) Technologická nebezpečí – radon, azbestová vlákna, rtuť, uhelný prach (člověkem vybudované prostředí) Antropogenní nebezpečí – kyselé deště, kontaminace povrchových a podzemních vod, ochuzení ozonové vrstvy (probíhá v přírodním prostředí, způsobeno člověkem) Dopady:  primární: pochází od samotné události (záplavy, cyklony, zemětřesení)  sekundární: pochází z nebezpečných procesů, které jsou spojeny s hlavní událostí, ale nejsou jí přímo způsobeny (hořící les zapálený lávovým proudem, požáry domů způsobené hořícím plynem z plynového vedení rozrušeného zemětřesením)  terciární: dlouhodobé efekty (ztráta divoké zvěře nebo změna koryt řek v důsledku záplav, změna topografie a reliéfu v důsledku zemětřesení) Geologická nebezpečí Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 20 Geologická nebezpečí Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 21 Biosféra Ekosystém Neživé složky + živé organismy Životní prostředí Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 22 Zdroje  Jsme kriticky závislí na zemských zdrojích, abychom mohli udržet „moderní život“ (minerály, horniny, kovy, energie, půda, voda).  Zemské zdroje jsou omezené. Jeden z důsledků Země jako uzavřeného systému. Některé z nich jsou obnovitelné (voda), jiné neobnovitelné (rudy, ropa).  Se zdroji je možné nakládat šetrně. V dohledné budoucnosti pravděpodobně nevyčerpáme zdroje. „Neplatíme“ plnou cenu – dopady do životního prostředí, omezujeme jejich dostupnost pro další generace. Jámový důl na měď Bingham v Utahu (4 km průměr, 800 m hloubka). Hlušina v okolí uhelného dolu Mulla v Coloradu. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 23 Jaké PROBLÉMY v ŽP působí člověk svojí činností ? 1) Katastrofy Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 24 1) Katastrofy 2) „Rychlé“ změny krajiny s místním dopadem Jaké PROBLÉMY v ŽP působí člověk svojí činností ? Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 25 1) Katastrofy 2) Změny krajiny s místním dopadem 3) „Rychlé“ změny s celosvětovým dopadem Jaké PROBLÉMY v ŽP působí člověk svojí činností ? Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 26 1) Katastrofy 2) Změny krajiny s místním dopadem 3) Změny s celosvětovým dopadem 4) Pomalé a postupné uvolňování škodlivin Jaké PROBLÉMY v ŽP působí člověk svojí činností ? Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 27 Hippocrates (460-377 BC) “Whoever wishes to investigate medicine properly should proceed thus…We must also consider the qualities of the waters, for they differ from one another in taste and weight, so also do they differ much in their quality” So… Hippocrates appreciated the significance of human health in context of the characteristics of the natural environment Chemicals in the environment: nothing new…. C. Janssen Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 28 Cause - effect paradigm: nothing new…. What is there which is not a poison?  All things are poison and nothing without poison.  Solely the dose determines that a thing is not a poison.’ Paracelsus (1493 - 1541) Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 29 Problémy s chemickými látkami v životním prostředí Do 19. století téměř žádné “problémy” v ŽP neexistovaly (výjimky - např. lesy v Británii) Konec 19. a celé 20. století - velký rozvoj lidského poznání a aktivit “vědecko-technická revoluce” Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 30 Toxické látky  Chlorované organické látky  Pesticidy - DDT, dioxiny, furany  Težké kovy - Cd, Pb, Sn, Pu, Hg – většinou působí na nervový systém, játra, ledviny  Uhlovodíky  Benzen – průmysl, neúplné spalování benzinu Toxické znečištění  Je známo kolem 20 milionů chemických látek  100 000 se využívá komerčně Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 31 Odpady  Lidská činnost produkuje odpadky. Je v principu nemožné využívat zdroje a neprodukovat odpady.  Není k dispozici místo, kam by bylo možné odpady „uklidit“ – důsledky Země jako uzavřeného systému.  Lidé se stali geologickou silou, se kterou je nutné počítat. Protože člověk přemísťuje každý rok obrovská množství materiálů, výrazně zasahuje do biogeochemických cyklů, stal se významným činitelem geologických změn i na globální úrovni. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 32 Kontaminace prostředí Kontaminanty v abiotickém prostředí Odpady a znečištění jsou různé pojmy, jsou však spolu těsně spojeny. Nejvážnější znečištění půd, povrchových a podzemních vod souvisí s antropogenní produkcí odpadů a emisemi. Prakticky každá lidská činnost je spojena s produkcí odpadů. Znečištění není spojeno pouze se skládkami a úložišti odpadů. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 33  Bodové  Plošné Zdroje kontaminace prostředí Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 34 Kontaminanty mohou vstupovat do životního prostředí mnoha cestami. Jejich další chování závisí na mnoha faktorech:  Rychlost rozkladu  Doba zdržení v daném rezervoáru  Mechanismus transportu  Interakce s dalšími kontaminanty a látkami Rozpad a rozklad:  Chemická stabilita  Biodegradace  Persistentní látky – 239Pu: poločas rozpadu 24 000 let  Biokoncentrace - DDT Chování kontaminantů v prostředí Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 35 Doba zdržení: Průměrný čas, po který látka zůstává v daném rezervoáru. Atmosféra:  N2 – 44 milionů let  H2O – 10 dní  Pb – 14 dnů Transportní mechanismy:  Vítr  Voda  Živé organismy Chování kontaminantů v prostředí Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 36 Chemická látka VSTUPUJE do prostředí Chemická látka má v prostředí svůj OSUD Chemická látka má (škodlivé) ÚČINKY na živé organismy Chemická látka má škodlivé ÚČINKY na prostředí Chemické látky v prostředí Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 37 Chemická látka VSTUPUJE do prostředí Chemická látka má v prostředí svůj OSUD Chemická látka má (škodlivé) ÚČINKY na živé organismy Chemická látka má škodlivé ÚČINKY na prostředí Chemické látky v prostředí Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 38 Chemická látka VSTUPUJE do prostředí Chemická látka má v prostředí svůj OSUD Chemická látka má (škodlivé) ÚČINKY na živé organismy Chemická látka má škodlivé ÚČINKY na prostředí Chemické látky v prostředí Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 39 The Chemical UniverseThe POTENCIAL Chemical Universe  The KNOWN UNIVERSE of chemicals – more than 56 millions of chemical compounds  The Universe of POTENCIAL chemicals - existed and identified compounds - existed and not been identified yet - compounds which could be possibly synthesized and added to a seemingly limitless, ever expanding chemical universe? 1060 compounds (30 atoms just C, N, O, or S) - expanding to other heteroatoms (e.g., P a halogens), the number of possible structures defies our imagination -chemical space – Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 40 The Chemical UniverseThe KNOWN Chemical Universe  KNOWNN CHEMICAL UNIVERSE - more than 56 millions chemical compounds (org. + inorg.) - more than 62 million sequences indexed in CAS Registry ca 12 000 comounds !!! daily  COMMERCIALLY AVAILABLE chemicals ca 14 millions ca 250 000 chemicals were regulated worldwide only ca 1.8 % from commercially available compounds less than 0.5 % of the known universe of chemicals Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 41 Metabolites Pharmaceuticals antibiotics, betablockers, anti-epileptics, analgetics) ~ 50000 producs, ~ 2900 effective substances Human care products (cosmetics, perfumes (~300), chemicals for hair bleaching and permanents, UV-filters) (n=???) Pesticides (herbicides, insecticides,fungicides…) ~ 1004 effective substances registered) Industrial chemicals ( ~ 80000 registered by EPA, ~ 4000 neurotoxins) Tensides, detergents (~ 800 substances) Chemické látky v prostředí Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 42  Průmyslové chemikálie  Zemědělské chemikálie  Polutanty globálního dopadu – CFCs, POPs, těžké kovy, radionuklidy, částice  Farmaceutika a prostředky osobní péče  Látky modulující endokrinní systém  Metabolity, degradační produkty  Částice, nanočástice Chemické látky v prostředí Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 43 Chemical sales by country – top 30 Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 44 Environmental pollution Global inventory and regulation Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 45 Chemické látky - > 56 000 000 Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 46 More and more chemical substances...  1 million t in 1930, 100 millions t today  100 000 different chemical substances in Europe - 10 000 > 10 T - 20 000 between 1 and 10 T  Among the 100 000 chemicals only 140 are documented for risk assessment in the EU  Long and expensive procedures... Chemodiversity...  It can be assumed due to European policy (REACH), diversity of individual chemical will be decreased Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 47 What are hazardous substances ? „Hazardous substances” means substances or group of substances that are toxic, persistent, and liable to bio-accumulate, and other substances or groups of substances which give rise to an equivalent level of concern. (Water Framework Directive, EU) Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 48 Do you believe that chemicals in products sold to consumers have been proven safe? Most chemicals in modern use have simply not been tested for their impacts on human health, even very basic effects. C. Janssen Chemicals in the environment Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 49 Předmět zájmu POPs = Persistent organic polutants PTS= Persistent toxic substances PBTs = Persistent, bioaccumulative and toxic substances Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 50 POPs (Persistent organic polutants) God created 90 elements, man round 17, but Devil only 1 – chlorine (Otto Hutzinger)  The group of most fascinating pollutants (Kevin C. Jones)  Ghost of the past (Terry Bidleman) CCl Cl CCl3 H Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 51 Persistentní toxické látky  Persistentní  Tendence k bioakumulaci/kumulaci  Toxické  Potenciál k dálkovému transportu  POPs podskupina Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 52 Persistentní toxické látky Persistentní  Resistantní vůči chemické, biochemické, fotochemické degradaci - degradace v prostředí je pomalá nebo prakticky zanedbatelná  Dlouhá doba života v prostředí (roky) Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 53 Persistentní toxické látky Tendence ke kumulaci a bioakumulaci  Mohou se kumulovat v abiotických aložkách prostředí (interakce s organickou hmotou v půdách a sedimentech)  Kumulace v tukových tkáních živých organismů – biokoncentrace, bioakumulace) Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 54 Persistentní toxické látky Toxické  Toxické vlastnosti v nízkých koncentracích (ng-mg.kg-1) nebo mohou být metabolizovány na toxické látky  Imunotoxicita  Neurotoxicita  Vývojová toxicita  Narušování hormonální rovnováhy O OCl Cl Cl Cl Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 55 Persistentní toxické látky Potenciál k dálkovému transport  Fyzikální vlastnosti podporují vysoký stupeň mobility v prostředí  Mohou se vyskytovat v plynné fázi nebo v kondenzovaných stavech (sorbované nebo rozpuštěné) za environmentálních podmínek - semi- volatilita;  Mohou být transportovány ovzduším, vodami, erozí, biotou, odpady, produkty  Mohou vytěkávat z teplejších regionů a kondenzovat v chladnější atmosféře  Mohou ovlivňovat regiony, kde se nikdy nepoužívaly Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 56 Persistentní toxické látky POPs - podskupina  Hlavní skupiny: technické chemikálie, pesticidy a nechtěné/nežádoucí vedlejší produkty průmyslových chemických nebo spalovacích procesů  Legislativa, mezinárodní konvence - POPs - persistentní organické polutanty (Stockholmská úmluva, POPs Protokol Úmluvy o dálkovém přeshraničním transportu látek zněčišťujících ovzduší) ClyClx Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 57 Globální problémy životního prostředí / I  ubývání tropických deštných pralesů  zmenšování druhové diversity a vymírání živočišných a rostlinných druhů  pozvolné rozšiřování druhů mutací  dopad období sucha a povodní na prostředí Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 58  kyselá atmosférická depozice  klimatické změny v důsledku zvyšujícího se obsahu CO2 v ovzduší  narušování ozónové vrstvy  zvládnutí nebezpečných chemikálií a odpadů  ztráta produktivity půdy v důsledku zasolení  „populační bomba“ a urbanizace Globální problémy životního prostředí / II Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 59  současná a budoucí potřeba energie  rozšiřování pouští  zvládnutí patogenů z lidských výkalů  obhospodařování říčních povodí  ochrana mořského prostředí  nedostatek palivového dříví Globální problémy životního prostředí / III Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 60 Vybrané problémy chemického znečištění prostředí/I Ovzduší:  Znečištění městského ovzduší  Regionální znečištění ovzduší včetně kyselé depozice  Nebezpečné nebo toxické vzdušné polutanty  Radon ve vnitřním prostředí  Znečištění vnitřního prostředí jiné než radon  Radiace jiná než radon  Narušení ozónové vrstvy (freony, NO…)  Globální klimatické změny (CO2, freony, CH4, N2O) Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 61 Vybrané problémy chemického znečištění prostředí/Ia Ovzduší:  Radon ve vnitřním prostředí  Znečištění vnitřního prostředí jiné než radon Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 62 Voda:  Vypouštění průmyslových odpadních vod z bodových a plošných zdrojů do povrchových vod  Kontaminovaný kal  Znečištění moří a oceánů z různých zdrojů  Znečištění mokřadů  Znečištění pitné vody chemicky, biologicky, radiačně  Znečištění podzemních vod průsakem ze skládek, septiků, splachem ze silnic, vrtů, podzemních nádrží  Nehody vedoucí ke kontaminaci vod  Ropné znečištění hydrosféry Vybrané problémy chemického znečištění prostředí/II Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 63 Voda: Vybrané problémy chemického znečištění prostředí/IIa Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 64 Půda:  Používání pesticidů a dalších agrochemikálií  Spad z atmosféry  Používání kontaminované vody k závlahám  Používání kontaminovaných kalů z ČOV Nové toxické chemikálie Geneticky modifikované organismy Vybrané problémy chemického znečištění prostředí/III Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 65 Trvale udržitelný rozvoj společnosti je takový rozvoj, který současným i budoucím generacím zachová možnost uspokojovat své základní životní potřeby a přitom nesnižuje rozmanitost přírody a zachovává přirozené funkce ekosystémů Zákon č. 17/1992 Sb., § 6 Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 66 Cíle a směry  interakce jsou mnohem složitější a dynamičtější než jsme byli ochotni připustit  biologicky důležité chemické látky velmi rozsáhle cyklují rezervoáry  klima je velmi těsně svázáno s oceánickou a atmosférickou cirkulací  člověk je významným činitelem geologických změn  musíme studovat Zemi spíše v celku jako biofyzikální systém než jako souhrn jednotlivých fragmentů Teprve nyní začínáme chápat, že: Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 67 Pro úspěšnou budoucnost potřebujeme  zjemnění a prohloubení znalostí o Zemi jako celém systému  zvládnout praktický užitek z prostředí bez jeho ohrožení  umět rozlišit mezi změnami vyvolanými člověkem a přirozeným během věcí  umět předvídat dopady obou  zvýšit význam vědeckého poznání a závěrů pro ty, kteří přijímají rozhodnutí (politici, ekonomové a nakonec všichni občané) Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 68 Budoucnost planety Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 69 Nenechme se klamat povrchy v hloubkách je veškerý zákon Rainer Maria Rilke