RECETOX, Masaryk University, Brno, CR
holoubek@recetox.muni.cz; http://recetox.muni.cz
Ivan Holoubek
CHEMIE ŽIVOTNÍHO PROSTŘEDÍ I
Environmentální procesy
(11)
Environmentální biotické rovnováhy
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
2
(11) Environmentální biotické rovnováhy
Biotické environmentální rovnováhy.
Bioakumulace.
Bioobohacování, příjem potravou, příjem ze sedimentů,
kombinovaný příjem z vody, potravy a sedimentů.
Akumulace v terestrických rostlinách, příjem kořeny, foliární
příjem.
Akumulace v terestrických bezobratlých.
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
3
Bioakumulace
Bioakumulace (bioaccumulation) – je proces, během kterého
jsou chemické látky akumulovány organismy přímo
z okolního média (biokoncentrace) nebo/a prostřednictvím
potravy kontaminované těmito sloučeninami
(bioobohacování).
Bioakumulace = biokoncentrace + bioobohacování
Bioakumulace, biokoncentrace i bioobohacování, tedy procesy
vedoucí k nahromadění látky v organismu jsou výsledkem
procesu daného příjmu a eliminace látky.
Definice, základní pojmy
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
4
Bioakumulace
Bioakumulace, biokoncentrace, bioobohacování
Chemické látky mohou kontaminovat biotu různými cestami –
z ovzduší, vody, sedimentů, půd a tento proces závisí na
environmentálních a fyziologických faktorech.
Možnosti kontaminace:
 savci – z ovzduší
 ryby – z vody (kontaminace vody přímo vypouštěním,
nepřímo z ovzduší, půd či sedimentů)
 terestrické organismy – z půdy
 terestrické rostliny – ovzduší, půda
 akvatické rostliny – voda, sedimenty
 všichni konzumenti – prostřednictvím potravy
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
5
Bioakumulace ve vodním prostředí
Pro řadu vodních organismů je příjem z vody a eliminace do vody
hlavním cestou příjmu chemických látek.
Biokoncentrace je výsledkem procesu příjmu látky z okolního
prostředí, ve kterém organismus žije a eliminace látky.
Proces příjmu – existuje několik procesů vedoucích k příjmu
chemické látky organismem.
Každý z nich zahrnuje přechod látky přes buněčnou membránu.
Bioakumulace
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
6
Hlavní proces pro většinu organických látek a některé kovy a
organokovové sloučeniny – pasivní difuze, dalšími procesy
jsou filtrace, aktivní transport, difuze.
Řídící sílou pro příjem je rozdíl fugacit mezi vodou a
organismem.
Obvykle je pasivní difuze řízena koncentračním gradientem.
Výstižnější popis bioakumulace je pomoci fugacity.
Bioakumulace
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
7
Organismus obvykle má vyšší kapacitu pro ukládání xenobiotik
na jednotku objemu než voda:
 některé kovy se váží na bílkoviny jako je metallothionein
 organické látky jsou ukládány v lipidech
 organokovy mohou být ukládány v lipidech nebo proteinech
Fugacity látky je poměr koncentrace k ukládací kapacitě.
Koncentrace látky ve vodě je obvykla malá - ukládací kapacita
(rozpustnost) je malá, zatímco fugacita je relativně velká.
Bioakumulace
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
8
Koncentrace v organismu je na počátku procesu relativně malá,
během procesu příjmu koncentrace v organismu narůstá, ale
díky vysoké ukládací kapacitě fugacita látky v organismu je
relativně nízká.
Látka je transportována z místa z vyšší fugacitou do místa z nižší
fugacitou pasivní difuzí.
Kvantitativní popis však častěji využívá koncentrací než fugacit.
Bioakumulace
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
9
Bioakumulace
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
10
Pasivní difuze
Jeden z nejdůležitějších příjmových mechanismů látek – přechod
přes lipidní fázi membrán může definován Fickovými zákony
Donorový
kompartment
C0´
Membrána
C = C0
Receptorový
kompartment
C = 0
h
Tok
Bioakumulace
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
11
Síla membrány
Je-li koncentrační gradient konstantní, rovnovážný tok F je dán
vztahem:
F = (D * C0) / h
Koeficient difuze Koncentrace na povrchu
membrány z donorové strany
Rozdělovací
koeficient
Na receptorové straně – účinná C = 0
C0 = K * C0´
Bioakumulace
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
12
Koeficient permeability
[cm.s-1]
C0´ je známa, pak:
F = (K * D * C0´) / h
P = K * D
Je-li difuze látky 1. řádu, pak koncentrace C´v donorovém
kompartmentu objemu V je dána vztahem:
C´= C0´ * e( D * K * t / h * V)
Bioakumulace
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
13
Koeficient difuze může být vyjádřen jako funkce parametrů
vyjadřujících vlastnosti difundující látky (poloměr molekuly
r, molekulová hmotnost..):
D = konst. / r
D = konst. / (MH)1/2
P = (K * konst.) / (MH)1/2
 existuje přímý vztah mezi příjmem a rozdělovacím koeficientem
 hydrofóbnější látky mají vyšší tendenci k pohybu přes biologické
membrány
 když je rychlost absorpce řízena rozdělovacím koeficientem látky, pak
tendence kyselin či bazí je ovlivňována jejich pK a pH.
Bioakumulace
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
14
Proces eliminace
Analogicky procesu příjmu i proces eliminace látky z organismu je řízen
převážně pasivní difuzí a aktivním transportem.
Většina hydrofóbních látek je pasivní difuzí vylučovány do vody nebo výkalů.
Koncentrace látky je rovněž zřeďována procesem růstu organismu.
Další možný proces je kojením nebo transferem látky do vajíček.
Biotransformace, zvláště u hydrofilnějších látek je dalším procesem eliminace
látky z organismu.
Ryba
Růst g
Příjem
Reprodukce kr
Eliminace ke
Biotransformace km
Bioakumulace
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
15
Voda CO
Okolní
medium
Příjem
Organismus
Vylučování
kw ke
Rychlost změny (nárůst, pokles) látky ve vodním organismu
v čase je dán vztahem:
dCO / dt = kw * Cw – ke * CO
Kde:
Cw – koncentrace látky ve vodě [mol.l-1]
CO – koncentrace látky v organismu [mol.kg-1]
kw - rychlostní konstanta příjmu [l.kg-1.d-1]
ke - rychlostní konstanta eliminace [l.d-1]
Bioakumulace
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
16
Konstanty kw a ke nezávisí na koncentraci látky ve vodě a
organismu, ale závisí na organismu a vlastnostech látky.
Pokud je organismus kontinuálně exponován danou látkou (Cw je
konstantní), integrací po počáteční podmínky CO= 0 a t = 0,
pak CO v čase t:
CO = (Cw * kw) * (1 – e-ke * t) / ke
Bioakumulace
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
17
Příjem a vylučování látek vodním organismem
Expozice polutantem Expozice ukončena
Vylučování:
dCO/dt = - ke * CO
CO
čas
Příjem:
dCO / dt = kw * Cw – ke * Ce
Rovnováha:
dCO / dt = 0
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
18
V rovnováze se tedy příjem rovná vylučování:
dCO / dt = 0 = kw * Cw – ke * CO
Kw * Cw = ke * CO
Když je expozice polutantem ukončena pak:
Kw * Cw = 0
Pak vylučování:
dCO / dt = - ke * CO = CO0 * e-ke * t
Bioakumulace
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
19
Biologický poločas života (t1/2) v organismu – čas potřebný ke
snížení koncentrace v organismu na polovinu:
t1/2 = 0,693 / ke
Bioakumulační faktor (BCF) – v rovnováze (po nekonečně
dlouhé expoziční době) pokud je dCO/dt = 0 platí:
BCF = CO / Cw = kw / ke
log BCF = n * log KOW + b
Bioakumulace
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
20
Bioakumulace
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
21
Vztah mezi BCF a log KOW
Bioakumulace
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
22
Bioakumulace
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
23
Bioobohacování
Pokud začíná být koncentrace látky vyšší v organismu než v jeho
potravě, pokud je hlavní cestou příjmu potrava – dochází
k bioobohacování.
Bioobohacování je významné pouze pro látky, které jsou ve
vysokých koncentracích v potravě a velmi nízkých
koncentracích v okolním prostředí (voda pro akvatické
organismy, vzduch pro terestrické organismy, půda a
sedimenty pro bentické a půdní organismy).
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
24
Příjem potravou
K příjmu potravou dochází zažívacím traktem (Gastro-Intestinal
Tract, GIT).
Polutanty přítomné v potravě mohou být přijímány různými
mechanismy:
 látka je desorbována z potravy v GIT s následným
transportem přes lipidní membrány,
 potrava je vstřebávána, následuje uvolnění z potravní matrice
a transport přes lipidní membrány,
 kontaminanty jsou uvolňovány z potravy spolu s živinami a
následuje transport přes membrány.
Bioobohacování
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
25
Bioobohacování
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
26
Bioobohacování
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
27
Bioobohacování
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
28
Bioobohacování – příjem potravou a eliminace zpět do prostředí
může být popsána analogicky biokoncentraci:
Potrava Organismus Okolní prostředí
Kde:
kf – konstanta rychlosti příjmu z potravy [kg.kg bw-1.d-1]
kf = Ef * f
Kde:
Ef – účinnost příjmu z potravy
f – rychlost krmení [kg food.kg bw-1.d-1]
kf ke
Bioobohacování
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
29
Bioobohacování můžeme vyjádřit:
dCO /dt = Ef * f * Cfood – ke * CO
Kde:
Cfood – koncentrace v potravě [mol.kg food-1]
Hodnota f je závislá na biologickém druhu a na délce života.
Pokud je f konstantní:
CO(t) = (Ef * f * Cfood) / (ke * [1 – e-ke* t ])
Bioobohacování
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
30
Hodnoty f se pohybují pro ryby přibližně v rozmezí 0,02–0,05 kg
potravy.kg t.v.-1.d-1
Pro expozici z potravy můžeme odvodit bioobohacovací faktor
(BMF) pro ustálené podmínky:
BMF = Ef * f / ke = CO / Cfood
Bioobohacování
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
31
Příjem ze sedimentů
Řada vodních organismů žije v zóně dna a konzumují sedimenty nebo detritus
jako hlavní potravní zdroj.
Pro tyto organismy je příjem látek ze sedimentů významným zdrojem
kontaminace – přitom sedimenty mohou obsahovat mnohem vyšší
koncentrace než vlastní vodní těleso.
Koncentrace polutantů v sedimentech ne vždy reflektují expozici organismů
danými látkami.
To může být dáno konzumací jemných částic suspendovaných sedimentů a
detritu, jež obsahují značné množství organického uhlíku s vázanými
polutanty (až o řád více než původní sediment).
Koncentrace v sedimentové vodě mohou být jiné než ve vodě vodního tělesa.
Bioobohacování
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
32
Může nastat u xenobiotik, dominantní cesta závisí na fyzikálně-chemických
vlastnostech látky, habitatu a fyziologických vlastnostech organismu.
Kde:
ksed – rychlostní konstanta příjmu látky ze sedimentů [kg sed.kg bw-1.d-1] – analogická
příjmu z potravy
kw, kf, ksed – rychlostní konstanty příjmu z jednotlivých medií – mohou být nahrazeny
součinem účinnosti příjmu (Ew, Ef, Esed) a toků z vody žábry (Vw), z potravy přes
zažívací trakt (f) nebo ze sedimentů přes zažívací trakt (S) organismu:
kw = Vw * Ew
kf = f * Ef
ksed = S * Esed
Změna koncentrace látky v organismu může být popsána:
dCO / dt = (Vw * Ew * Cw + f * Ef * Cfood + S * Esed * Csed) – ke * CO
Voda (Cw)
Potrava (Cfood)
Sediment (Csed)
Organismus (CO) Okolní prostředí
kW
kf
ksed
ke
Kombinovaný příjem z vody, potravy a sedimentů
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
33
Bioakumulace v terestrických rostlinách
Kontaminace rostlin:
 aplikace pesticidů,
 suchá a mokrá depozice látek,
 zemědělské používání aktivovaného kalu,
 skládkování toxických odpadů,
 kontaminace půd a podzemních vod.
Expoziční mechanismy, biodostupnost a akumulační procesy jsou
v terestrickém ekosystému velice komplikované.
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
34
Příjem polutantů vegetací:
 kořenovým systémem z půdního roztoku
 adsorpcí na povrchu kořenů
 foliárním příjem těkavých látek (průduchy)
 absorpcí povrchem listů (kutikulou)
Bioakumulace v terestrických rostlinách
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
35
Bioakumulace v terestrických rostlinách
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
36
Plynná fáze
Vodní fáze
Částice
Atmosféra: teplota, srážky, záření, další vzdušné polutanty, rychlost
depozice
Vytěkání
Vymývání
Rostlina: poměr povrch/objem, struktura vosku, obsah lipidů, rychlost
růstu, rostlinná morfologie
Bioakumulace v terestrických rostlinách
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
37
Bioakumulace v terestrických rostlinách
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
38
Bioakumulace v terestrických rostlinách
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
39
Bioakumulace v terestrických rostlinách
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
40
Bioakumulace v terestrických rostlinách
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
41
Příjem kořeny
Ve vodě rozpustné látky jsou obvykle přijímány kořeny spolu
s vodou.
Hydrofóbní látky mohou být sorbovány na povrch kořenů z půdy
nebo podzemní vody.
Hlavní transportní proces pro vodu a xenobiotika v rostlině je
celkový tok vody do xylému.
Transport xylémem je vyvolán evapotranspirací vodní páry z listoví
do ovzduší.
Bioakumulace v terestrických rostlinách
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
42
Příjem kořeny/II
Xylém je základní transportní systém pro spojení vody a
minerálů vzhůru z kořenů.
Voda je absorbována z půdního roztoku v kůře nebo vnějších
tkáních kořenů.
Voda se pohybuje do středu kořenů do endodermis.
Látka prochází přes endodermis a obohacuje xylém.
Tento průnik závisí na polaritě látky a molekulární konfiguraci
daného xenobiotika.
Bioakumulace v terestrických rostlinách
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
43
Příjem kořeny/III
Látka se může sorbovat, vázat nebo metabolizovat v endodermis
před obohacováním v xylému.
Látky, které obohacují xylém jsou transportovány rostlinou
v transpiračním proudu nebo míze.
Během tohoto transportu mohou reagovat s/nebo se rozdělovat
do různých rostlinných tkání.
Mohou být degradovány nebo vstupovat do atmosféry póry
stomat, jež se nacházejí hlavně v listech.
Bioakumulace v terestrických rostlinách
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
44
Příjem kořeny/IV
Translokace látek transpirací do vyšších částí rostlin jako jsou
stonky nebo listy většinou závisí na hydrofóbicitě látky
(KOW).
Silně hydrofilní látky (log KOW < 0) a silně hydrofóbní látky (log
KOW > 3) jsou v rostlinách jen pomalu translokovány.
Středně hydrofóbní látky (0 < log KOW < 3) jsou hlavně
transportovány prostřednictvím xylému – tento transport je
rychlý, protože rostlina transpiruje velká množství vody.
Příjem řady látek kořeny rostlin je nepřímo úměrná rozpustnosti
ve vodě (nebo nepřímo úměrná KOW).
Bioakumulace v terestrických rostlinách
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
45
Příjem kořeny/V
Silně hydrofóbní látky mají tendenci k biokoncentraci v kořenech.
Obsah organické hmoty ovlivňuje rovněž osud látky v systému
půda/rostlina – hydrofóbní látky jsou silně sorbovány a méně
biodostupné.
Bioakumulace v terestrických rostlinách
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
46
Foliární příjem
Pokud není parciální tlak látky příliš nízký, látka může těkat
z půdy do ovzduší a může vstupovat do nadzemních částí
rostlin.
Nadzemní část rostlin včetně listoví je pokryta kutikulami, jež
hrají rozhodující roli jako bariera snižující ztráty vody
z rostliny a zabraňují penetraci částic z atmosféry.
Kutikuly jsou pokryty kutikulárním voskem.
Bioakumulace v terestrických rostlinách
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
47
Foliární příjem/II
Povrch listů rovněž obsahuje malé póry nebo stomata, jež se
otvírají nebo zavírají dle environmentálních podmínek.
Stomata hrají důležitou roli v procesu výměny plynů a
v transpiraci.
Kyslík je přijímán a oxid uhličitý vylučován respirací a CO2 je
přijímán a kyslík vylučován fotoasimilací.
Látky mohou vstupovat do listoví prostřednictvím kutikul nebo
stomat.
Bioakumulace v terestrických rostlinách
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
48
Foliární příjem/III
Cesty příjmu kontaminantu listovím zahrnují:
 přímou aplikaci – například při použití pesticidů,
 depozici prachu nebo atmosférických tuhých částic,
 příjem okolních par absorpcí přes kutikula nebo stomata.
Látky rozstřikované nebo deponované na listy mohou být
distribuovány do kutikul odkud jsou translokovány rostlinou.
Látky s vyšší rozpustností ve vodě jsou více transportovány
rostlinou přes phloem, zatímco méně rozpustné mají tendenci
zůstat ve vosku kutikul listů.
Bioakumulace v terestrických rostlinách
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
49
Bioakumulace v terestrických rostlinách
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
50
Faktory ovlivňující bioakumulaci v rostlinách
Faktory ovlivňující příjem a distribuci organických látek
rostlinami jsou:
 fyzikálně-chemické vlastnosti látky (WS, VP, MW, KOW, KAW,
KOA),
 environmentální podmínky (T, obsah vody, obsah
organických a minerálních látek v půdách..),
 vlastnosti rostlin (typ kořenového systému, tvar, chemické
charakteristiky listů, obsah lipidů (vosků) ).
Bioakumulace v terestrických rostlinách
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
51
Bioakumulační model pro rostliny
Multikompartmentový model.
Součástí modelu jednak fyziologické části rostlin – kořeny,
stonek, listy, jednak chemické komponenty – voda, cukry,
proteiny, lipidy.
Pro hydrofóbní sloučeniny – pro modelování bioakumulace jako
funkce rozdělení mezi ovzduší a rostlinu se využívá velikost
kompartmentů a distribuční koeficienty vzduch-voda a
oktanol-vzduch.
Bioakumulace v terestrických rostlinách
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
52
Bioakumulační faktor rostlina-vzduch (KBA):
KBA = VC * KCA + VW * KWA + VL * KLA + VF * KFA + VP * KPA
Kde:
KCA, KWA, KLA, KFA, KPA – rozdělovací koeficienty mezi
vzduchem a kutikulárními membránami, vodu, buněčné
lipidy, strukturální cukry a proteiny
VC ,VW ,VL ,VF, VP – objemové frakce pro uvedené
kompartmenty v tkáních listů
Rozdělovací koeficienty jsou odvozovány nejčastěji z
rozdělovacích koeficientů KOW a KOA.
Bioakumulace v terestrických rostlinách
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
53
Ingesce potravy obsahující kontaminanty – primární cesta příjmu,
dále může hrát roli i obsah kontaminantů v pórové vodě.
Příjem z potravy je významný pro silně hydrofóbní organické
látky (log KOW > 5).
Bioakumulace v terestrických bezobratlých
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
54
Bioakumulace v terestrických bezobratlých
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
55
Bioakumulace v terestrických bezobratlých
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
56
Vztahy mezi environmentálními parametry
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
57
Proces biodostupnosti může být definován jako jednotlivé
fyzikální, chemické a biologické interakce, které určují
expozici organismů chemickými látkami vázanými na povrch
půd a sedimentů.
Biodostupnost – klíčový pojem
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
58
Biodostupnost - definice
 Schopnost žijících organismů přijmout chemické látky z
potravy nebo z jejich abiotického prostředí do té míry, že se
chemická látka zapojí do metabolismu tohoto organismu
 Stupeň a rozsah uvolnění chemické látky z půdy do
prostředí, tedy do vody a do vzduchu, nebo přenosu
na ekologické a humánní receptory umožněném dermálním
kontaktem, potravou nebo inhalací
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
59
Čas
Koncentracekontaminantu
Degradabilní/odstranitelná frakce
Snadno dostupná
frakce
Recalcitrant frakce
Neextrahovatelná frakce
Osud a chování organických látek v půdách
??? Co je skutečně nebezpečné, škodlivé, rizikové a co není ???
Klíčová otázka – biodostupnost – v Evropě je více než 500 000
kontaminovaných míst – kde je cíl limitů ???
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
60
Biodostupnost - definice
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
61
B
C
Absorbed
contaminant in
organism
D
Site of biological
response
E
Cellular membrane
Released
contaminant
Bound
contaminant
Association DissociationA
Contaminant
interactions
between phases
Transport of
contaminants
to biota
Passage across
cellular
membrane
Circulation within organism,
accumulation in target organ,
toxicokinetics, and toxic effects
Ehlers and Luthy, 2003
Biodostupnost
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
62
Released
contaminant
Absorbed
contaminant in
organism
Site of biological
response
Bound
contaminant
Cellular membrane
Association DissociationA
B
C
D
E
Bioavailability processes (A, B, C and D)
Contaminant
interactions
between phases
Transport of
contaminants
to biota
Passage across
cellular
membrane
Circulation within organism,
accumulation in target organ,
toxicokinetics, and toxic effects
Bioaccessibility
(Processes A, B, C and D)C Bioavailability
(Process D)
Biodostupnost
In both soil and sediment, processes that determine exposure
to contamination include release of a solid-bound
contaminant (A) and subsequent transport (B),
transport of bound contaminants (C), uptake across a
physiological membrane (D), and incorporation into
a living system (E).(A, B, C, D – bioavailability
processes)
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
63
 Bioavailability is the fraction of a contaminant actually
available at a given moment in time in soil.
 Biodostupná je frakce kontaminantu, jež je skutečně v půdě
dostupná v daném časovém okamžiku
 Bioaccessibility encompasses what is actually bioavailable
now plus what is ‘potentially bioavailable’.
 Biopřístupné znamená to, co je v daném okamžiku
biodostupné plus to, co je potenciálně biodostupné.
Semple et al., 2004
Biodostupnost/biopřístupnost
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
64
Biodostupnost – faktory - vlastnosti kontaminantů
 KOW - rozdělovací koeficient n-oktanol – voda
KOW = c oktanol / c voda
 KOC - množství látky adsorbované na jednotku organického
uhlíku
 Náboj, ionizovatelnost, reaktivita, tvorba vodíkových můstků
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
65
Biodostupnost – faktory - půdní prostředí, složení
půdy
 Sorpce
 pH půdy, reakce v půdě
 Vlhkost
 Kationtová výměnná kapacita
 Teplota
 Složení půdy
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
66
Biodostupnost – faktory - půdní prostředí, složení
půdy
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
67
 Transport kontaminantů v půdách
 Aging
Biodostupnost – faktory - půdní prostředí, složení
půdy
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
68
Biodostupnost – faktory - vlastnosti organismů
 Příjem – potrava, dermální kontakt, inhalace
 Metabolismus – transformace, ukládání v tukové tkáni
 Vyloučení – do půdní vody, do půdy, svlékání, zředění
růstem, reprodukce
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
69
Bioavailable
compound
Sorbed compound
(rapidly reversible)
[bioavailable or bioaccessible:
temporally constrained]
Bioaccessible
compound
[physically constrained]
Occluded compound
[non-bioaccessible]
Sorbed compound
(slowly/very slowly reversible)
[bioaccessible:
temporally constrained]
Plant root
Earthworm
Microbes
Semple et al., 2004
Biodostupnost/biopřístupnost
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
70
 There is an implied immediacy to the
term; what is available is available now
 Hence, we define the bioavailable
compound as that which is freely
available to cross an organism’s
(cellular) membrane from the medium
the organism inhabits at a given point
in time
Semple et al., 2004
The word available is defined in the Concise English Dictionary
(1982) as ‘capable of being employed; at one’s disposal; at
hand’
New definitions (I)
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
71
There is the sense that some of what is
accessible can be reached, but is not
quite within reach or can be reached
at a given time.
In our context, there is an implied
constraint in time and/or space,
preventing the organism from
gaining access to the chemical now
Semple et al., 2004
The word accessible is defined in the Concise English Dictionary
(1982) as ‘capable of being approached or reached; approachable,
attainable.
New definitions (II)
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
72
Definition: the bioaccessible compound is that which is available
to cross an organism’s (cellular) membrane from the
environment it inhabits, if the organism has access to it;
however, it may be either physically removed from the
organism, or only bioavailable after a period of time
‘Physically removed’ refers to chemical which is occluded in soil
organic matter or because the organism is occupying a
different spatial range of the environment than the
contaminant
Semple et al., 2004
New definitions (III)
Semple et al., 2004
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
73
Bioavailability is the fraction of a contaminant actually available
at a given moment in time in soil.
Bioaccessibility encompasses what is actually bioavailable now
plus what is ‘potentially bioavailable’.
Summary
Semple et al., 2004
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
74
Biopřístupná frakce se skládá z:
 Koncentrace látky v půdní pórové vodě
 Desorbovatelné frakce
 “Aktivně” desorbovatelné frakce
Soil Organism
Internal Effect
Concentration
Total Concentration
(unknown)
Extractable/
Detectable
Concentration
Bioaccessible
Concentration
Bioavailable
Concentration
Figure modified from Hammel and Herrchen (1999)
Biopřístupná frakce