Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Ekotoxikologie - úvod Obecná ekotoxikologie Luděk Bláha, PřF MU, RECETOX www.recetox.cz Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. ^^^^^^^m ^T^^ ■ MINISTERSTVO ŠKOLSTVÍ, OP Vzdělávání A.^^*^ EVROPSKÁ UNIE ■ MLÁDEŽE A TĚLOVÝCHOVY pro konkurenceschopnost MNA^ imi INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Čím vším člověk ohrožuje PLANETU ZEMI? Které účinky a projevy jsou nejnebezpečnější? Globální problémy - planetární limity Rockstrom et al. 2009 (Ecology and Society 14(2): 32; Nature 461, 472-475) Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Chemické znečištění životního prostředí a ekosystémů Současnost: nebezpečné chemické látky ... „toxicita není smrt" Hlavní motivace výzkumu toxických látek? THED CGLBDRN, Dl ANN E DUMANDSKL ANO JOHN PETERSON MYERS With a Foreword by Vice President Al Gore !ČLOVĚK! o Rats exposed in the womb to a single low dose of a widespread brominated flame retardant become hyperactive and have decreased sperm counts... I Centrum pro výzkum toxických látek J v prostředí Close window [h| news @ nature.com The best in scie-nce journalism kS Print this p-age Published online; 21 October 2005; | doi:l0.l03S/new&05l0l7-l6 Pollution makes for more girls The stress of dirty air skews sex ratios in Sao Paulo. Erika Check Toxic fumes favour the fairer sex, a group of researchers in Brazil has found. Jorge Hallak and his team at the University of Sao Paulo turned up the surprising result by studying babies born in their city. They divided the metropolis of 17 million people into areas of low, medium and high air pollution, using test results from air-quality monitoring stations. They then studied birth registries of children born from 2001 to 2003. Babies bom in highly polluted areas are more likely to be girls. © Aiamy The team found that 48.3% of babies were female in the least polluted areas, but 49.3% were female in the dirtiest parts of town. After measuring the ratio of boys to girls born in all the areas, they calculated that 1,180 more babies would have been boys in the polluted areas if they had the same sex ratios as the cleaner areas. The team reported their findinqs on 17 October at the American T/ | vprostfedi theeuardian World news news @ nature.com The best in sti&nte journalism Close window [S] Print this p-age Published online; 21 October 2005, | doi:l0,l030/news05l0l7-l6 Pollution makes for more girls The stress of dirty air skews sex ratios in Sao Paulo. Erika Check Toxic fumes favour the fairer sex, a group of researchers in Brazil has found. Babies born in highly polluted areas are more likely to be girls. Man-made chemicals blamed as many more girls than boys are born in Arctic Paul Brown in Nuuk, Greenland Wednesday 12 September 2007 03.00 EST oo©oo O This article is S years oLd Shares 79 ® Save for later • High levels can change sex of child during pregnancy ■ Survey of Greenland and east Russia puts ratio at 2:1 O An inuit child in s traditional parka. Photograph-. JoeL Sartore/Getty/National Geographic Složitost (eko)systému = složité problémy a komplikace ... Centrum pro výzkum [gj J toxických látek i^&S/ v prostředí Skutečnost... Nepřímé efekty „netoxického" znečištění (živiny -> toxické vodní květy) Sedtrrtenls, & organřc carbem H toxiny CONSERVATION Economic Importance of Bats in Agriculture Justin G. Boyles,1* Paul M. Cryan,2 Gary F. McCracken,3Thomas H. Kunz4 Science Waaas Insectivorous bat populations, adversely impacted by white-nose syndrome and wind turbines, may be worth billions of dollars to North American agriculture. ~] 0-1020 ~| 1020-2100 ] 21W-34O0 3400-4800 4300-6400 66O0- 8?00 ftW-uOOO 11ŮOĎ-14Ů0O 14000-17000 1T00O-200O0 20000-24000 24Ů0O-29OO0 2 WOO 3*000 léůůó-Vuúo ÍOOŮŮ-JÍŮM y^Vi Centrum pro výzkum J toxických látek vprostředí Boyles et al. (2011) Science 332 (60251) 41-42 Toxické látky - globální problém ? Figure 6.2. Five levels of scale at which environmental prob lems occur [9]. Propojenost globálních problémů Promíchávání oceánu -> fungování zeměkoule [Nature 447, p.522, May 31, 2007] 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)] Nadřazený princip - Hodnocení Rizik (RISK Assessment, R.A.) (Eko)toxikologie (= hodnocení účinků, nebezpečnosti = HAZARD) je jedním ze dvou ramen R.A. Centrum pro výzkum [gj J toxických látek T^&SS vprostředí Příčina Důsledek (Asociace vs Kauzalita Dávka -> Účinek Risk assessment = Hodnocení rizik Expozice (dávka) Atmospheric Deposition /// Efekt (Jaká expozice vyvolá efekt ?) (©) Laboratorní a polní studie Ekotoxikologické testy Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Ekotoxikologie vs. Environmentálni chemie Environmentálni chemie - studuje OSUD a HLADINY (EXPOZICE) 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 ÚČINKY / EFEKTY (HAZARDS) chemických látek (různé látky a jejich koncentrace, různé organismy, různé úrovně organismů (molekuly, jedinci, populace ...) Centrum pro výzkum (y^l) toxických látek ^^^// vprostředí Jak poznat dávku (expozici) ? Expozice (dávka) Atmospheric Deposition /// - Analytika kontaminantů životního prostředí - Modelování hladin kontaminantů Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Které ze znečišťujících látek jsou (toxické)? Jak odlišíme / řekneme o látce, že je toxická? Can Dogs Eat Ceiery? Is This Veggie Healthy or Toxic? (©) Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Definice bezpečnosti ? Paracelsus (1493 - 1541) 'What is there which is not a poison ? oAll things are poison and nothing without poison. o Solely the dose determines that a thing is not a poison. Centrum pro výzkum [gj J toxických látek i^&S/ v prostředí To identify (or predict) safe vs hazardous levels (©) Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Assessment of chemical hazards Hu (T0XIC0COT1 Toxicita je jiste dulezita ... ale má význam zabývat se (eko)toxicitou? ganisms toxicology) Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Co je ekotoxikologie ? Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí EKOTOXIKOLOGIE - Věda studující toxické efekty v přírodě, u přírodních organismů, zejména efekty v populacích a společenstvech (nehumánni toxikologie) [Truhaut 1979] Věda studující efekty chemického (i ostatního stresu) v ekosystémech, včetně efektů na člověka Hlavní cíle ekotoxikoloqie - 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 I Centrum pro výzkum toxických látek | v prostředí Ekotoxikologie Interdisciplinární vědní obor kombinující poznatky věd studujících ekosystémy (ekologie) a vědy studující interakce chemických látek s organismy (toxikologie) = ekotoxikologie I Centrum pro výzkum toxických látek J v prostředí 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 ČLENĚNÍ EKOTOXIKOLOGIE dle ekosystémů 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) Environmentálni humánní toxikologie I Centrum pro výzkum toxických látek | v prostředí Ekotoxikologie je interdisciplinárni obor = ekotoxikolog se musí orientovat v řadě oblastí - vědní obory vztahující se k ekotoxikologii - charakteristiky obecné vědecké práce - právní aspekty problematiky životního prostředí Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí 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 ? [gj J toxických látek i^&S/ v prostředí 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 stresom (hluk, záření, stavby ...) Ekologie vychází z polních (ekologických) studií Více informací o jednotlivých druzích, polní studie v omezeném množství, často nejednoznačné výsledky I Centrum pro výzkum toxických látek J v prostředí Jak uvažují obyčejní ekotoxikologové? Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Hlavní teze ochrany před toxickými látkami: - Rozlišíme bezpečné a nebezpečné chemické látky a bezpečné budeme používat - Nebezpečné budou zakázány Problémy (řeší ekotoxikologové a navazuiící=politika) ? Odlišení bezpečných látek od nebezpečných (EKOTOXIKOLOGIE) ? Zákaz nebezpečných chemických látek - ekonomické a společenské dopady Centrum pro výzkum [gj J toxických látek T^&SS vprostředí KONCEPT EKOTOXIKOLOGIE 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 -> populace -> ....) 2) využití poznatků pro racionální ochranu ekosystémů Centrum pro výzkum [gj J toxických látek T^&SS vprostředí Ekotoxikologické výsledky vs. realita (ekosystémy?) Ekologická relevance Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Chemikálie v prostredí Hladiny, osud, procesy i Biodostupnost tí Expozice" akutní chronická Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Chemikálie v organismu biomonitoring t Toxikokinetika Biotransformace, bioaktivace, metabolismus, vylučovaní... Cílové místo tí Efekt" Ecotoxic effects bioavailability and uptake environ mental fate Figure 1 The effective concentration of a pollutant in an organism (e.g. fish, daphnia, algae) or at the target site inside the organism is the link between the environmental fate of a pollutant and its toxic effect. Escher, B. I., Behra, R., Eggen, R. I. L, Fent, K. (1997), "Molecular mechanisms in ecotoxicology: an interplay between environmental chemistry and biology", Chimia, 51, 915-921. Centrum pro výzkum [gj J toxických látek T^&SS vprostředí From molecules to individuals -> to populations ADVERSE OUTCOME PATHWAYS Mechanistic effect models for ecotoxicology Chemical Physiche h*.mic*l Mechanism &mode of twic action (also known es A&i*i$* Outwm* Parkway*; Model TP*** in mrntjm : j-.iij! si unjei T Arrows indicate a causal relationship I. RubKh *r #f. /£^«<2011). Jagar *f */. £££7(2011), Astauar * at www ecotoxmodels org Chemikálie v proslfedí Schéma přednášky * I Hladiny, osud. procesy 1. Chemické látky v prostredí - vlastnosti, I Biodostupnost osud, skupiny a typy 2. Vstup látek a osud v organismu - ADME, akútni toxikokinetika 3. Interakce chemických látek s životem na různých úrovních (toxikodynamika): • Molekulární -> Organismus -> Společenstvo 4. Metody v ekotoxikologii (biotesty) 5. Ekotoxikologie a praxe -hodnocení rizik, příklady 6. Shrnutí a novinky • přehled chemických látek • Nanomateriály, výpočetní (eko)toxikologie Centrum pro výzkum toxických látek v prostředí Krátká historie chemického věku Krátká historie chemického věku Chemicky 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. Athény 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 I Centrum pro výzkum toxických látek | v prostředí Krátká historie chemického věku 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 I Centrum pro výzkum toxických látek | v prostředí Krátká historie chemického věku 1962 - Rachael Carson: The Silent Spring - kniha upozorňující na škodlivé efekty pesticidů na ptačí populace a další environmentálni problémy (odpady, jejich špatný management...) - od 60. let zlepšení nakládání s odpady - skládkování (landfilling) / monitorování toxického odpadu -nové technologie - vysokotepelné spalování (high-temperature incineration) /^ŕ£^\V Centrum pro výzkum (y^l) toxických látek >Afc>0^ vprostředí 1962 of THE SEA AROUND US THE EDGE OF THE SEA <^14ííIIi»d ouríUfíuyt to Cůntrjt j and .A jlthe ; SILENT SPRING Rachel Carson TV*- er^ji mfmuútm iw-M 1*.* DDT Kavť • 1 1 I During 1416, ■ J> i'-.I-k ■■ '■ i.lit., i. -I- lutr -li.iwn lli.il. ti |.r..j- :!'. ii.- ■! 1)1)1' Lilli m I ■■! Ili lia-atnMlitr 111 ■■ ■ 1 |h**I*. Altai It m h- ti. 1 1. i-.f •■! .-ii Ini-.ii-Ti. IViiiimU .I..... I Hi I in I it' i-*-- 1- ii' I- iii itl -l4i.il 11 I I rni 1 ji..| it not* «mv ttf ilif «ntnir**« Urpť*i |. tiiii rin-i **M\ i lilling mha Imm■.-i DDT ■■ i- . . . .'i-l DDT i* uf |'ciin*Jlll'» i 1 1 1 ■ ■ ;...... 1 I | ■/,-!■;- I - wliirh I- n- in hJlWUy.Cwi aml li-mr. 000» »0t *:in*-M..( í«m.. —m»W •marfkj* .. . <•* lit u •rinlilt tm 1 llul -^.,| ,,,.1 i*. ,.,.r ratitr l- ■ 1 - ■-■ • ; .11' .,|. 1.. '.11 - ,11» - (,. .1 1.-I (fiMM f»V4i *it4 nan* utlvn mlh l-l.l . ... :. ..... ^ -9 . I I'Cl IW »0*1- • tul •» lim v utřh |W I is- ;.-i I ll) 1' datu a—U *f'7 *- \PENn\W SALT ( 11K.1111.11.S iUw , lr.l«l«l,lf |1»í|m Mil ■ ll- «Ikv .l.lf. . |« ..!....»' ..J nulit < . -1 '■ Dl' I . ■■■ 1, /.!•< Irl* Kim.Uil • i.-! IImk S) > 000D 101 iow ciort-.'j .. v. »->;..'. tU ..--'.- frv arrv ... -...... HIM ir.lr ' ... •bwn rrt«. Ivirtx* lAr ittit! Dili tHH ««J krlp Irarl fttmrrt ihn* (■■■■• Centrum pro výzkum rtíjM(fffRefuge, MA, USA PENNSYLVANIA SAU MANUFACTURING COMPANY WIOlNlt «1(1101140, '-;•-.(.'... 7, ' * http://www2.ucsc.edu/scpbrg/ .llW. dt\