1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif 1212570_28446780.jpg logo_mu_cerne.gif Luděk Bláha, PřF MU, RECETOX www.recetox.cz Ekotoxikologie - úvod A - OPVK_MU_stred_2 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Chemické znečištění životního prostředí a ekosystémů • • • • • • • • • ISO 14001 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Současnost: nebezpečné chemické látky … „toxicita není smrt“ MICROCYSTIS_201 planktothrix špenát1_new2 1 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Hlavní motivace výzkumu toxických látek? ! ČLOVĚK ! ¡ Rats exposed in the womb to a single low dose of a widespread brominated flame retardant become hyperactive and have decreased sperm counts… ¡ 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Lidské hormony: estrogeny v antikoncepčních přípravcích C:\Documents and Settings\Ludek Blaha\Obrázky\1.jpg 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Kidd, K.A. et al. 2007. Collapse of a fish population following exposure to a synthetic estrogen. Proceedings of the National Academy of Sciences 104(21):8897-8901 Controls +Ethinylestradiol 5 ng/L (!) 7 years 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Dopady léčiv a produktů osobní hygieny (PPCPs) na životní prostředí C:\Documents and Settings\Ludek Blaha\Plocha\1.gif 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Složitost (eko)systému = složité problémy a komplikace … 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Skutečnost … Me in sediment: ºS-OMe MeS Me in porewater MeZ+ MeLx Me in sediment: ºS-OMe MeS Water birds Planktivore Piscivore Air Water 1 2 3 3 3 3 4 4 4 4 5 5 5 5 3 Grazer 5 Phytoplankton 4 4 Filter feeders 4 3 6 Benthos 8 8 4 5 Phytoplankton Zooplankton Benthic feeder 7 4 4 Insectivore Insect 9 4 4 MeZ+ MeLx MeZ+ 6 6 6 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Nepřímé efekty „netoxického“ znečištění (živiny à toxické vodní květy) www.epa.gov 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif www.wikipedia.com Eu- / Hypertrofizace prostředí à toxiny 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Knight et al., NATURE (2005) 437: 880 C:\Documents and Settings\Ludek\Dokumenty\katedra\vyuka\ObecEkotox\Nature-Ecosystem\nature03962-f2.jpg Počty šídel 3 velikostní kategorie (small/med/large) C:\Documents and Settings\Ludek\Dokumenty\katedra\vyuka\ObecEkotox\Nature-Ecosystem\nature03962-f5.jpg „Opylování“ (počty návštěv včel na květech vojtěšky …) EKOLOGIE vs EKOTOXIKOLOGIE 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif EKOLOGIE vs EKOTOXIKOLOGIE • •Klíčové druhy - vliv na okolní ekosystémy C:\Documents and Settings\Ludek\Dokumenty\katedra\vyuka\ObecEkotox\Nature-Ecosystem\nature03962-f1.jpg Knight et al., NATURE (2005) 437: 880 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Boyles et al. (2011) Science 332 (60251) 41-42 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Toxické látky - globální problém ? 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Globální problémy - planetární limity Rockstrom et al. 2009 (Ecology and Society 14(2): 32; Nature 461, 472-475) 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Promíchávání oceánů -> fungování zeměkoule [Nature 447, p.522, May 31, 2007] Propojenost globálních problémů Mořský život přispívá cca 50% k mechanické energii nutné k promíchávání oceánů ! [Dewar, Marine Res 64:541 (2006)] [Katija a Dabiri, Nature 460:624 (2009)] 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Hlavní teze ochrany před toxickými látkami: - Rozlišíme bezpečné a nebezpečné chemické látky a bezpečné budeme používat - Nebezpečné budou zakázány Problémy … ? Odlišení bezpečných látek od nebezpečných (EKOTOXIKOLOGIE) ? Zákaz nebezpečných chemických látek – ekonomické a společenské dopady 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Co je ekotoxikologie ? 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif EKOTOXIKOLOGIE - Věda studující toxické efekty v přírodě, u přírodních organismů, zejména efekty v populacích a společenstvech (nehumánní toxikologie) [Truhaut 1979] Věda studující efekty chemického (i ostatního stresu) v ekosystémech, včetně efektů na člověka Hlavní cíle ekotoxikologie - poznání interakcí mezi živými organismy a chemickými/toxickými látkami v prostředí na všech úrovních - využití poznatků pro racionální ochranu živých organismů, jejich populací, společenstev a ekosystémů před chemickým znečištěním 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Ekotoxikologie Interdisciplinární vědní obor kombinující poznatky věd studujících ekosystémy (ekologie) a vědy studující interakce chemických látek s organismy (toxikologie) = ekotoxikologie EKOLOGIE TOXIKOLOGIE 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Životní prostředí vs. ekosystémy Mezi oběma pojmy neexistují jasné hranice Životní prostředí Rozumí se zpravidla životní prostředí člověka (tj. vše co ho obklopuje - pracovní prostředí, životní styl a potrava, příroda = ekosystémy) Ekosystémy Heterogenní systém tvořený abiotickou a biotickou složkou C:\Program Files\Common Files\Microsoft Shared\Clipart\cagcat50\NA01441_.wmf C:\Program Files\Common Files\Microsoft Shared\Clipart\cagcat50\NA00864_.wmf C:\Program Files\Common Files\Microsoft Shared\Clipart\cagcat50\AN02097_.wmf C:\Program Files\Common Files\Microsoft Shared\Clipart\cagcat50\BL00381_.wmf 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Chemikálie v prostředí Biodostupnost “Expozice” akutní chronická Toxikokinetika Biotransformace, bioaktivace, metabolismus, vylučování … Cílové místo “Efekt” Hladiny, osud, procesy Chemikálie v organismu biomonitoring 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif KONCEPT EKOTOXIKOLOGIE Chemická látka Vstup do prostředí Časová a prostorová distribuce v prostředí Fyzikální – Chemické – Biologické Procesy Analýza účinků - ekotoxikologie Toxické a ekotoxické účinky Geny – Buňky – Organismy – Populace … Analýza expozice – chemie ŽP Prostředí Organismus 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Akvatická ekotoxikologie - “klasická” ekotoxikologie - voda = dobré médium, první experimenty v ekotoxikologii - akvatické prostředí - autotrofové (řasy, vyšší rostliny), živočichové (korýši, larvy hmyzu, ryby), bakterie ... Terestrická ekotoxikologie - efekty toxikantů v suchozemském prostředí, les / pole / louka ... - půda a její funkce / bakterie a další dekompozitoři (žížaly, larvy hmyzu ...) - terestrické rostliny a vyšší živočichové (včely, ptáci, hlodavci = rodents, zvěř obecně = wildlife) Environmentální humánní toxikologie ČLENĚNÍ EKOTOXIKOLOGIE dle ekosystémů 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Ekotoxikologie je interdisciplinární obor = ekotoxikolog se musí orientovat v řadě oblastí - vědní obory vztahující se k ekotoxikologii - charakteristiky obecné vědecké práce - právní aspekty problematiky životního prostředí 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Vědy studující životního prostředí (ekosystémy) a jednotlivé složky: Vědy studující biotické složky ŽP: ekologie biologie (hydrobiologie, taxonomie ...) pedologie atd… Vědy o abiotických složkách: meteorologie geologie hydrologie geografie atd... Vliv člověka, antropogenní zásahy: environmentální chemie (CHŽP) ekotoxikologie technologie, remediace atd… C:\Program Files\Common Files\Microsoft Shared\Clipart\cagcat50\SO01038_.wmf C:\Program Files\Common Files\Microsoft Shared\Clipart\cagcat50\AN02542_.wmf C:\Program Files\Common Files\Microsoft Shared\Clipart\cagcat50\BD06662_.WMF 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Ekotoxikologie vs. Toxikologie Toxikologie Ekotoxikologie Cílem chránit člověka před toxickými látkami Cílem chránit populace mnoha druhů Vždy vychází ze zvířecích modelů (testování na člověku ?) Může využít přímého testování citlivosti druhů Člověk je dobře charakterizován – menší chyby při extrapolacích Jednotlivé druhy jsou velmi rozdílné – míra nejistoty při extrapolacích velká Testovací organismy i člověk jsou teplokrevní – dobrá predikce účinků Mnoho chladnokrevných živočichů, mnoho rostlin !, bakterií ! Jednoduché dávkování a měření toxicity (výsledek LD50) Nejednotné dávkování (vnější, vnitřní), koncentrace ve vnější vodě není stejná s dávkou v těle ... Dobře charakterizované mechanismy působení Méně informací o biochemických mechanismech Dobře standardizované testovací metody Mnoho metod, málo standardních, ? predikce efektů v ekosystémech ? 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Ekotoxikologie vs. Ekologie 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 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Ekotoxikologie vs. Environmentální chemie Environmentální chemie - studuje OSUD chemických látek v prostředí (odkud se berou, v jakých množstvích, kam "migrují", jaké jsou koncentrace v jednotlivých složkách prostředí – voda, půda, vzduch ...) + navazující obory, zejm. env. analytická chemie - Ekotoxikologie - studuje EFEKTY chemických látek (různé látky a jejich koncentrace, různé organismy, různé úrovně organismů (molekuly, jedinci, populace ... ) 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Jak uvažují obyčejní ekotoxikologové? 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Život se odehrává na různých úrovních organizace = molekuly/buňky - populace/ekosystémy - Na každé úrovni se realizují základní biologické funkce = růst / rozmnožování / interakce / metabolismus - - Cíle ekotoxikologie: 1) poznání interakcí mezi životem a chemikáliemi … účinky na všech úrovních (mol-biol à populace à ....) - 2) využití poznatků pro racionální ochranu ekosystémů KONCEPT EKOTOXIKOLOGIE 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Hlavní teze ochrany před toxickými látkami: - Rozlišíme bezpečné a nebezpečné chemické látky a bezpečné budeme používat - Nebezpečné budou zakázány Řada problémů ? Odlišení bezpečných látek od nebezpečných (EKOTOXIKOLOGIE) ? Zákaz nebezpečných chemických látek – ekonomické a společenské dopady 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Definice bezpečnosti ? 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. ¡ 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Příčina -> Důsledek Dávka -> Účinek -> Risk assessment = Hodnocení rizik Expozice (dávka) Atmospheric Deposition Erosion & Runoff Untreated discharges Efekt (Jaká expozice vyvolá efekt ?) bosmina FISH Laboratorní a polní studie Ekotoxikologické testy sample56 lab2 faCTORY1 WWTP 2 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Jak poznat dávku (expozici) ? Expozice (dávka) Atmospheric Deposition Erosion & Runoff Untreated discharges faCTORY1 WWTP 2 foto3 - Analytika kontaminantů životního prostředí - Modelování hladin kontaminantů 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Jak poznat, zda je látka „bezpečná“? TESTOVÁNÍ PŘEDPOVĚDI / modely As, Hg … akutní toxicita pro ryby log (1/LC50) = 0.907 . log Kow - 4.94 - toxicita - ekotoxicita 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif lake%20trout Ekotoxikologické výsledky vs. realita (ekosystémy?) • – dna Wetlands Ekologická relevance 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Charakterizace rizika Definice nebezpečnosti EXPOZICE ÚČINEK PEC Predicted Env. Concentr. RIZIKO ? PEC/PNEC > 1 < 1 PNEC Predicted No Effect Concentr. 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Řízení rizika •Riziko prokázáno? ANO •Řízení - jak mu lze předejít, resp. omezit jeho dopady (úplně eliminovat)? –Preventivní kroky (omezení úniků chemických látek do prostředí) •Uzavřené nakládání (průmyslové chemikálie) •Zákaz používání (olovo v benzínu) •Legislativní postihy - pokuty –Nápravy škod •Remediace apod. 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif 1 REALITA = LIMITY 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Náplň studia ekotoxikologie souvisí s požadovaným cílem (co chceme poznat ?) Ekotoxikologie studuje efekty na živé složky v ekosystémech RETROSPEKTIVNÍ přístup - studie reálných ekosystémů - studie poškození v minulosti, odhady pro budoucnost - srovnání poškozený/zdravý PROSPEKTIVNÍ přístup - laboratorní studie efektů „nových“ chemikálií a směsí - studie v simulovaných mikro/mezo ekosystémech - předpovědi efektů v ekosystémech 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Krátká historie chemického věku M:\blaha\PREDNES_BK\figs\katastrofa_i.jpg M:\blaha\PREDNES_BK\figs\hurikan.jpg 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Chemický věk - odhady pro současnost: - užívá se ~ 70 000 různých umělých chemikálií - každý rok 200-1000 nových chemikálií uvedeno na trh Od pradávna - člověk produkuje ODPAD: - pravěk/starověk/středověk - vypouštění/ukládání přímo do vodních toků/jezer/moří, nebo do jímek a na skládky, spalování přímo v sídlech - větší komunity - problém: př. Atheny 500 př.Kr. - zákon o možnosti ukládání odpadu pouze mimo zdi města - ! složení odpadu - přírodní / přirozená degradace ... Průmyslová revoluce: - stěhování lidí do měst - velká centra/problém s odpady i znečištěním prostředí Krátká historie chemického věku 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Průmyslová revoluce -první informace o znečištění - používání uhlí, př. Londýnský doktor Percival Pott již v polovině 18. století poznal souvislost mezi vzrůstem rakoviny a znečištěním ovzduší - - na počátku 20.stol. - uvedení nafty a její rafinace -> nové látky pro průmysl (PCBs, CFCs ...) - v 20. letech - zavedení olova jako antidetonátoru do motorů - 1913 - první velkovýroba umělých dusíkatých hnojiv - velkou skupinou biocidy - zejm. pesticidy a herbicidy - př. DDT, problémy s nespecifitou (zabíjení „necílových“ organismů) a nepředvídatelnými efekty - - další rozvoj průmyslu od konce II. světové války - podstatné zvýšení produkce těžkých kovů (Hg, Cd ...), př. Hg - Minamata Krátká historie chemického věku 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif 1962 © Patuxent Wildlife Refuge, MA, USA http://www2.ucsc.edu/scpbrg/ Možné negativní důsledky chemického znečištění pro organismy poprvé přinesla do širšího povědomí kniha S.S. 1962 - spojila zřejmý úbytek populací ptáků („charismatické druhy“) s používáním DDT - pesticid proti komárům (a přenášeným chorobám) - i přes celosvětový zákaz (tzv. Stockholmská úmluva OSN - obdoba Kjotského protokolu) je jeho výroba velmi levná: užití dodnes v Africe, Indii … od 40.let považován za zcela neškodný a zázračný („netoxický“) …. 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Bitman et al. Science 1970, 168(3931): 594 Biochemie: ptačí karbonátdehydratáza In vivo: měknutí vajíček In situ: bioakumulace -> úbytek populací ptáků Možný mechanismus byl navržen až po řadě let - inhibice ptačí karbonátdehydratázy v žláze tvořící skořápku vajíčka (BTW - enzym, který v našich krvinkách zajišťuje přeměnu CO2 na HCO3z tkání - in vivo -> in situ Proč tento obrázek? - 1) až za 30 let od uvedení na trh se poznalo co vlastně DDT dělá …, 2) ukázka jak se malá změna na biochemické úrovni promítne až na úroveň ekosystémů … 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif 1962 - Rachael Carson: The Silent Spring - kniha upozorňující na škodlivé efekty pesticidů na ptačí populace a další environmentální problémy (odpady, jejich špatný management ...) - od 60. let zlepšení nakládání s odpady - skládkování (landfilling) / monitorování toxického odpadu -nové technologie - vysokotepelné spalování (high-temperature incineration) - Od 70-80. let 20. století do současnosti – problém chem. látek reflektován ve společnosti - různé legislativy – bezpečnost chemických látek - růst odpovědnosti za ŽP ve vyspělých společnostech . Krátká historie chemického věku 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Mohou chemické látky vyvolávat problémy na globální úrovni? Jaké například? Jaké další nejvýznamnější globální problémy lidé identifikovali? Co je ekosystém? Uveďte alespoň 3 příklady. Co je ekotoxikologie? Co je toxikologie? Jaké jsou hlavní směry (velké oblasti) v rámci ekotoxikologie? Kdo je ekotoxikolog? Co by měl znát? Co by měl dělat? Jak se pozná nebezpečná látka od bezpečné? Uveďte příklad. Jaké bude mít důsledky, pokud bude zakázáno používání ftalátů, které se používají jako měkčící příměs do plastů? Uveďte nejrůznější důsledky jak pro prostředí, tak i pro lidskou společnost. Co je to hodnocení rizik? Uveďte příklad. Co se rozumí pod pojmem hodnocení expozice v rámci hodnocení rizik? Jakým způsobem lze vyhodnotit expozici toxickým kovem (např. Hg)? Jakým způsobem lez vyhodnotit expozici PCB, které jsou v rybím mase? Co se rozumí pod pojmem charakterizace rizika? Uveďte příklady. Co je to řízení rizik? Uveďte příklady. Odkdy a proč jsou chemické látky v prostředí problémem pro lidskou společnost a prostředí? Uveďte příklady „historických“ problémů. U kterých chemikálií byly poprvé prokázány účinky na organismy v prostředí? Jaké účinky to byly? SHRNUTÍ - otázky