CHEMIE ŽIVOTNÍHO PROSTREDÍ I Environmentálni procesy (04) Chemické látky v prostředi - základni definice a pojmy Ivan Holoubek RECETOX, Masaryk University, Brno, CR holoubek@recetox.muni.cz; http://recetox.muni.cz (04) Chemické látky v prostředí - základní definice a _pojmy_ Chemické látky v prostředí - základní pojmy a definice. Environmentálne nebezpečné chemické látky. Osud chemických látek v prostředí. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 2 Environmentálni chemie - současné přistupy a trendy aneb Chemie vně reakčni nádoby Ekotoxikologie - Studium vlivů chemických, fyzikálních a biologických faktorů na populace a společenstva nehumánních druhů Chemické látky - > 56 OOO OOO Chemické látky v prostředí Esenciálni, nezbytné pro různé životní procesy (vitamíny, aminokyseliny, biogenní prvky Bez zjevných škodlivých účinků (argon, celulóza) nebo jsou snadno nahraditelné jinými (aminokyseliny, cukry) S nežádoucími, negativními vlivy pro některé nebo všechny formy života (těžké kovy - Hg, Pb, Cd, PCDDs/Fs, PCBs..) Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 5 Hodnocení výskytu chemických látek v prostředí Chemické látky v prostředí Chemická struktura Biologická aktivita Co znamená přítomnost chemických látek v prostředí pro živé organismy ? Riziko spojené s jejich přítomností — akutní, chronické Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 6 Definice, základní pojmy Škodlivina I polutant Chemická látka přítomná v prostředí v koncentraci vyšší než je přírodní jako důsledek lidské aktivity a mající široké, nežádoucí vlivy na prostředí Cizorodá látka I xenobiotikum Sloučeniny antropogenního původu, přírodě cizí Jed Všechny látky jsou jedy, nic není bez jedovatých vlastností. Je to pouze dávka, která činí z látky jed. Paracelsus, 1493 -1541 Sekundární toxicita Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 7 Antropogenní látky v prostředí Od průmyslové revoluce ^> nárůst koncentrací antropogenních chemických látek v prostředí [man-made chemicals] Proč ?? Populační exploze ^ Zemědělství Průmysl Válečné konflikty CÍP f/M^\0" Research Centre for Toxic Compounds in the Environment g http: / / recetox.muni.cz Kontamince vs. znečištění ^ Kontaminace = chemická(é) látka(y) jsou přítomny v koncentracích vyšších je přírodní pozadí ^ Znečištění = chemická(é) látka(y) jsou přítomny v koncentracích způsobujících negativní dopad Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 9 Co je škodlivé P Co je škodlivé ? Smrt Vážné poškození Vážné onemocnění Genetické mutace Vrozené vady Snížení obranyschopnosti Neurotoxicita Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz io Znečištěni Kontaminace: % Nevykazuje škodlivé účinky Znečištěni: Škodlivé účinky jsou přitomny Mohou to být stejné chemické látky, záviset bude na: % Koncentraci % Organismu % Přitomnosti dalšich látek f(M^&° Research Centre for Toxic Compounds in the Environment ^ http: / / recetox.muni.cz Typy polutantů Primární polutanty ^ Nebezpečné v původní podobě ^ Látky primárně vstupující do prostředí z určitých zdrojů (bodových, plošných, difuzních) Sekundární polutanty Mohou být nebezpečnější než primární V jednotlivých složkách prostředí vznikají přeměnou látek primárně emitovaných biologické procesy chemické reakce Research Centre for Toxic Compounds in the Environment ^ http: / / recetox.muni.cz Cause - effect paradigm: nothing new____ Paracelsus (1493 -1541) 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.' Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 13 Definice, základní pojmy Toxicita_| Toxicita (toxicity) - schopnost látky poškozovat živý organismus, je dána jejími fyzikálně-chemickými vlastnostmi Expozice Expozice (exposure) - proces, při kterém organismus přichází do styku s látkou a při kterém lze předpokládat přestoupení hranice organismu. Expoziční cesty (inhalační, perorální, dermální..) Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 14 Expozice 15 Expozice Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 16 Cyklus kontaminantů H2O O2 Rostlinné živiny NH4+ SO42- NO3- CO2 H2PO4- Mikrobiální atak Metabolismui Rostlinné polymery H2O O2 -Vymyväni??? Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz i? Energie Procesy znečišťováni 18 Nehody 19 Cesty kontaminace a expozice Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 2D Expozice lidské populace Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 21 Fyzikální, chemické a biologické mechanismy řídící migraci polutantů Příklady: Vstupy chemických látek z půd (vymývání) Transport vodou v nasycených a nenasycených půdních zónách Tok volné fáze (LNAPL migrace) Sorpce Biodegradace [C.W.Fetter, 1999] Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 22 Chování chemických látek Společným jevem je adsorpce rozpuštěných látek na povrchu tuhé fáze. Typické pro hydrofóbní organické látky. Podobně některé kationy kovů mají afinitu k jílovým minerálům a může docházet k iontové výměně. Rozpuštěné látky také difundují z/do zón s nízkou rychlostí toku. Mobile fluid [t.K.Nyeretaľ, 1996J Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 23 Definice, základní pojmy Dávka Dávka (dose) - množství látky vstupující do organismu během expozice vztažené na jednotku tělesné hmotnosti a jednotku času (např. mg.kg-1.d-1) Účinek Výsledek interakce chemické látky s živým organismem Účinek (effect) - kvalitativní pojem (hepatotoxický, genotoxický...) Odpověď (response) - měřitelná míra téhož (změna aktivity některého jaterního enzymu.. ) f(M^& Research Centre for Toxic Compounds in the Environment 24 http: / / recetox.muni.cz Koncentrace a účinky Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 2S Definice, základní pojmy Druhy účinků ^ akutní - expozice vysokou koncentraci toxické látky, ^ chronický - opakovaná, dlouhodobá expozice relativně nízkými koncentracemi ^> genotoxický — ovlivnění genetické informace (mutagenní, teratogenní, karcinogenní) Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 26 Koncept rizika pro lidskou populaci Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 27 Hodnocení rizik Expozice EUSES Účinky European Union System for the Evaluation of Substances Předpovídaná_expoziční koncentrace (PEC) Předpovídaná koncentrace bez účinku (PNEC) Research Centre for ompounds in the Environment http:77recetox.muni.cz 2S Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 29 Definice, základni pojmy Persistence Environmentálni persistence - představuje odolnost látky vůči rozkladu — chemickému, fotochemickému, termickému, biochemickému — charakterizuje dobu setrváni (života) chemické látky v prostředi. Nejčastěji se vyjadřuje pomoci poločasu života (t1/2), tedy doby, kdy koncentrace sledované látky klesne na polovinu původni hodnoty v dané složce prostředi. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 30 Definice, základní pojmy Persistence_ Persistence za daných environmentálních podmínek závisí na: ^ vlastnosti dané sloučeniny ^ vlastnosti dané složky prostředí - intenzita slunečního světla - koncentrace hydroxylových radikálů - složení mikrobiálních společenstev - teplota... Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 31 Definice, základni pojmy Persistence Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 32 Definice, základní pojmy Biodostupnost_ Biodostupnost (bioavailibility) - chemická látka je biodostupná, když může být přijímána organismem z okolního prostředí (voda, sedimenty, půdy, potrava..). Je funkcí vlastnosti dané sloučeniny (forma výskytu, polarita, rozpustnost ve vodě..) a fyzikálních a chemických vlastností prostředí, ve kterém se nachází (sorpce..). Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 33 Schéma možných forem výskytu POPs v půdách nebo sedimentech (C0 = koncentrace v čase t = 0; C = koncentrace v čase t) 34 Biodostupnost Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 35 Adapted from: Semple et al., 2004, ES&T 38: 209A Slow biodegradation as problem Non-bioavailable Bioaccessible temporarily constrained Bioavailable ^/)_ . _ -VC*" Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 36 Definice, základni pojmy Bioakumulace Bioakumulace (bioaccumulation) — je proces, během kterého jsou chemické látky akumulovány organismy přimo z okolniho média nebo prostřednictvim potravy kontaminované těmito sloučeninami. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 37 Definice, základní pojmy Biokoncentrace Biokoncentrace (bioconcentration) - je proces, během kterého dochází k akumulaci chemické látky přímo ze zevního prostředí do živého organismu jako výsledku simultánního příjmu a vylučování. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 38 Definice, základni pojmy Bioobohacováni Bioobohacování (biomagnification) - je výsledkem procesů bioakumulace a biokoncentrace, přičemž tkáňová koncentrace látky vzrůstá průchodem dvěma nebo více trofickými úrovněmi. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 39 Bioobohacování Tento proces popisuje transfer z potravy do konsumenta tak, jak residuální koncentrace narůstají z jedné trofické úrovně do další. Bioobohacování je ovlivňováno řadou faktorů: • vlastnostmi bioakumulované sloučeniny • počtem trofických úrovní, • druhem organismů tvořících potravní řetězce, • schopností organismu metabolizovat danou látku • koncentrací látky na každé úrovni Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 40 Biokumulace, bioobohacoväni Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 41 Biokumulace, bioobohacoväni Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 42 Biokumulace, bioobohacoväni Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 43 Biokumulace, bioobohacování Pesticide: DDD Pesticide: Toxaphene FIGURE 5-28 Biomagnification of pesticides in aquatic food chains Mna m Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 44 Biokumulace, bioobohacoväni Fig. 3.24 Contamination of the food chain of the pike in Sweden (this diagram has been based on one by Duvigneaud (1974) and on analytical data on mercury contamination from various Swedish researchers). (In Ramade, 1982. Reproduced by permission of McGraw-Hill) Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 45 Biokumulace, bioobohacoväni HHALATX5N A depiction of the diverse modes of exposure of a fox on an oil field. Contaminants occur in sumps, soils, and the air. Direct routes include inhalation, ingestion of soil, and consumption of water. Indirect routes include ingestion of prey, and scavenging of oiled animals. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 46 Příklad potravního řetězce 47 Definice, základní pojmy Biokoncentrační faktor Biokoncentrační faktor (bioconcentration factor) BCF — je poměr koncentrací chemické látky nalezených v biotě ku koncentraci v zevním prostředí (voda..), ve kterém daný organismus žije. Je uvažována expozice při ustálených podmínkách. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 48 Definice, základni pojmy Bioakumulačni faktor Bioakumulačni faktor (bioaccumulation factor) BAF - je odvozen z poměrů koncentraci ve vodě a v potravnim řetězci. Hodnoty BCF jsou dostupnějši, obecně hodnoty BAF jsou technicky obtížněji měřitelné. Výpočty BCF i BAF jsou často velice variabilni i pro jeden druh organismu. Variabilita je dána: testovacimi podminkami fyziologickým stavem testovaného organismu, který může být u polnich experimentů ovlivněn sezónnimi variacemi, dostupnosti potravy a dalšimi faktory. f/M^\0" Research Centre for Toxic Compounds in the Environment ^g http: / / recetox.muni.cz Definice, základní pojmy Rozdělovací koeficient n-oktanol-voda Rozdělovači koeficient n-oktanol-voda (partition coefficient n-octanol-water) Kqw (P) - představuje odhad lipofility látky nebo odhad rozdělovači tendence mezi vodou a organickým rozpouštědlem jako jsou lipidy. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 5D Definice, základní pojmy Rozdělovací koeficient n-oktanol-voda Stanovení Kqw: experimentálně - HPTLC, HPLC, výpočtem - z molekulární struktury.. Kqw je experimentálně snadněji měřitelný než BCF či BAF, environmentálne však méně významný. Pro ryby - obecný předpoklad - hodnota log Kqw kolem 5 odpovídá BCF řádově kolem 5 000. Hodnota log Kqw vyšší než 7 musí být používána s opatrností, látka nemusí být akumulována tak, jak by z této hodnoty vyplývalo (nepřístupnost, stérické zábrany..). f/M^\0" Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http: / / recetox.muni.cz Definice, základní pojmy Environmentálně nebezpečná chemická látka Chemický prvek nebo sloučenina, které mohou být nebezpečné přírodnímu prostředí již v malých koncentracích, protože jsou toxické, mohou být odolné vůči různým formám rozkladu, mají tendenci ke kumulaci v abiotických i biotických složkách prostředí. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 52 Definice, základni pojmy Environmentálně nebezpečná chemická látka G Nejproblematičtějši vlastnosti z hlediska možného nebezpeči pro životni prostředi: ^ toxicita ^ persistence ^ schopnost kumulace a bioakumulace ^ schopnost dálkového transportu ^ produkce v určitém množstvi ^> určitá environmentálni hladina Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 53 Globální transport Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 54 Globální transport High latitudes Drpuiiliun -■ evapuraliuii POP migration processes IUI l/^rsv'j Research Centre for Toxic Compounds in the Environment 55 w A^jrf- http: / / recetox.muni.cz Definice, základni pojmy Osud chemické látky v prostředi Osud (fate) chemické látky v prostředi zahrnuje: Os vstup do jednotlivých složek prostředi během produkce a spotřeby transport danou složkou prostředi, event. kumulace v této složce přechod do jiné složky prostředi přes mezifázové rozhrani transport novou složkou a dalši přechody - koloběh prostředim chemické, biochemické, fotochemické, termické reakce v prostředi, vznik metabolitů a reakčnich produktů vedoucich k sekundárnimu znečištěni Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 56 Biodegradace Příznivé podmínky prostředí Nepříznivé podmínky prostředí Mikrobiální aktivity Degradace přítomných Přírodních látek Akumulace Rašelinové půdy Uhlí Surová ropa (Znečištění ???) Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 57 Degradace přírodních látek Proč ?? Evoluce biopolymerů a organických látek T Velmi pomalý proces Paralelní evoluce mikrobiálního katabolismu Miliardy let Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 58 Distribuce chemických látek v prostředi Výsledkem je všudypřitomnost chemických látek v prostředi, jejich koloběh prostředim, možný globálni výskyt a možné vlivy na organismy, jejich populace, společenstva a ekosystémy Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 59 Osud chemických látek v prostředí Zemský systém Zemský systém se skládá z menších podsystémů, které spolu intenzivně „komunikují" m m m m atmosféra hydrosféra biosféra litosféra Ty mohou být rozděleny na další podsystémy -hydrosféra = oceány, ledovce, vodní toky, podzemní voda. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 61 Složky prostředí Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 62 Složky prostředí IUI Research Centre for Toxic Compounds in the Environment w http://recetox.muni.cz Globálni antropogenni cyklus Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 64 Geochemický cyklus Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Ö5 Biochemický cyklus Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 66 Cyklus látek v prostředi Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 67 Ovzduší Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 68 Hydrologický cyklus Pedosfera / Püda Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 70 Terestrický (suchozemský) louky / lesy / pole Akvatický (vodní) mořský sladkovodní řeky I rybníky I podzemní vody I močály Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 7i Ekosystém Neživé složky ekosystémů Podloží Půda Voda Sedimenty Ovzduší Klima, krajina Organismy Viry Bakterie Houby Rostliny Živočichové • + Člověk Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 72