1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif 1212570_28446780.jpg logo_mu_cerne.gif Soňa Smetanová smetanova@recetox.muni.cz Model rozložení citlivosti druhů (Species Sensitivity Distribution; SSD) 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Úvod do SSD •??? SSD – Species Sensitivity Distribution ??? • àv ČR pořád celkem neznámý a v pozadí zájmu àv Evropě čím dál více důležitý ! àvyužití v hodnocení ekotoxikologických rizik toxických látek a jejich účinků na ekosystémy àCo to tedy je??? http://t3.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcR6qQ2J4Cu7VBhrIVyUM-xZi0-OktO394m5byOOIn28NlKFA_d4&t=1 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Motivace – teoretický příklad praktického využití U jedné továrny vyrábějící insekticid XY leží chráněné jezero, ve kterém žijí velmi vzácné druhy organismů. Pro insekticid XY byl vytvořen model SSD, kterým byla stanovena bezpečná koncentrace nepoškozující ekosystém na 1,8 µg/l Jednoho dne se v továrně stala nehoda, insekticid XY unikl do okolí a jeho koncentrace v jezeře byla 2 dny zvýšená na 9,6 µg/l. Poté začala klesat. Podle již vytvořeného SSD modelu bylo nejen rychle zjištěno, že bezpečný limit látky XY byl překročen, ale dokonce i to, že tato koncentrace bude mít potenciálně negativní akutní vliv na 74% druhů žijících v jezeře a že je nutné začít neprodleně jednat a snažit se obnovit fungující ekosystém https://zachranny-kruh.cz/image.php?idx=271160&di=4&mw=400&mh=400 https://encrypted-tbn1.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcSA9O3cUj5pagtrFBTNPc-3jqeAm_eWT7rX3dYsq_U6FoS ZGh-D https://encrypted-tbn1.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcTmgJXIDvVM7QeGIaRyvfUd8-ZVm9X-s0CM-4DuiLWb2qE W8T_J https://encrypted-tbn3.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcRlfGDyKSWeCQk0ummoWmTKVFRZy0UUy9Q8Qte36yKcoDv XJphY 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Úvod do SSD •1. princip: •„Různé druhy organismů jsou různě citlivé k určité toxické látce“ Ok 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Úvod do SSD •1. princip: •„Různé druhy organismů jsou různě citlivé k určité toxické látce“ • • • • • • • Akutní EC50 hodnoty pro herbicid alachlor • • Pseudokirchneriella subcapitata řasa 7 µg/l Chlorella vulgaris řasa 26 µg/l Lemna minor vyšší rostlina 150 µg/l Danio rerio ryba 1 750 µg/l Lepomis macrochirus ryba 5 277 µg/l Chironomus riparius hmyz 15 049 µg/l Daphnia magna korýš 21 000 µg/l 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Úvod do SSD •2. princip: •„Logaritmy citlivostí (log EC50 či log NOEC) všech druhů organismů z jednoho ekosystému mají normální (Gaussovo) rozložení“ • • • • • • • • • 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Úvod do SSD 1. a 2. princip obrazem = SSD model 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Úvod do SSD •Výhoda normálního (Gaussova) rozložení àPouze dva parametry: aritmetický průměr µ • směrodatná odchylka σ • • • • • • • • • 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Úvod do SSD • •à Vyjádření pomocí kumulativní distribuční funkce a zjištění HCp či PAF • • • • • • • • K čemu použít Gaussovo rozložení? = SSD model = SSD model 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Úvod do SSD • • • • • • • • • K čemu použít Gaussovo rozložení? HCp … Hazard Concentration for p-percent of species … „koncentrace toxické látky, která podle SSD modelu negativně ovlivní p-procent druhů organismů“ = SSD model 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Úvod do SSD • • • • • • • • • K čemu použít Gaussovo rozložení? PAF … Potentially Affected Fraction … „frakce (procento) organismů, která bude negativně ovlivněna působením určité koncentrace dané toxické látky“ = SSD model 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Úvod do SSD • • • • • • • • • K čemu použít Gaussovo rozložení? PAF • kvantitativní zhodnocení ekotoxikologického stavu ekosystému • • (tj. retrospektivní analýza rizik) ! PAF = 6 % vs PAF = 62 % ! HCp • stanovení PNEC (Predicted no-effect concentration) limitů • • (tj. prospektivní analýza rizik) • •Evropa: HC5 jako limit (~ taková koncentrace látky, která ještě nemá statisticky významný negativní účinek na společenství organismů v ekosystému) 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Úvod do SSD • • • • • • • • • Výhody PAF a HCp oproti klasickým přístupům PAF • Kvantitativní zhodnocení negativních efektů (na rozdíl od běžně požívaného přístupu „koncentrace látky v prostředí je pod/nad PNEC hodnotou“. HCp • Menší nejistoty (limit odvozen z velkého množství taxonů a druhů, nejen ze tří standardních organismů, jak tomu je v případě klasických postupů) • • • Nízké faktory nejistoty (Assessment factors) aplikované na hodnoty HC5 pro zisk PNEC • • 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Úvod do SSD • • • • • • • • • Výhody PAF a HCp oproti klasickým přístupům Faktory nejistoty pro zisk PNEC hodnot; faktory se liší podle zvolené metody (Guidance Document EU CIS-WFD No. 27) 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Tvorba SSD modelu – vstupní data • • • • • • • • • àOnline databáze (např. US EPA ECOTOX: http://cfpub.epa.gov/ecotox či IUCLID Chemical Data Sheets: http://esis.jrc.ec.europa.eu) • • •Chronické NOEC / akutní EC50 hodnoty … Pozor na odlišný význam SSD modelu •Sladkovodní/slanovodní/suchozemské druhy • • Data z testování efektů s přímým vlivem na změnu abundance a složení společenství organismů (růst, biomasa, mortalita, imobilizace) • • • 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Tvorba SSD modelu – vstupní data • • • • • • • • • • Hodnoty EC50 (či NOEC) vzniklé testováním čistých látek (min. 90%) • Kontrola a odstranění replikací a podezřelých údajů • • Převod všech hodnot na stejné jednotky (µg/l) • 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Tvorba SSD modelu – vstupní data • • • • • • • • • 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Tvorba SSD modelu – vstupní data • • • • • • • • • • do SSD vždy pouze jedna EC50 (NOEC) hodnota pro jeden druh • • a)Druhová EC50 s nejnižší hodnotou b)průměr všech EC50 hodnot pro tento druh 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Tvorba SSD modelu – aproximace Gaussovou distribucí • •µ … aritmetický průměr •σ … směrodatná odchylka •x … hodnota na ose x (hodnota log(EC50) z databáze), pro kterou funkce vypočítá hustotu pravděpodobnosti f(x) • à ETX 2.0 software / Statistica software = SSD model 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Tvorba SSD modelu – ověření normality a)Testy normality • (Anderson-Darling nebo Kolgomorov-Smirnov test) • •p ≥ 0,05 à použitá data logEC50 (či logNOEC) splňují normalitu a aproximace Gaussovou (normální) distribucí je adekvátní •p < 0,05 à ??? • b)Optické posouzení 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Tvorba SSD modelu – ověření normality b)Optické posouzení – z histogramu 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Tvorba SSD modelu – ověření normality b)Optické posouzení – z P-P plotu či Q-Q plotu http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/0/08/Normal_normal_qq.svg/300px-Normal_normal_q q.svg.png Q-Q plot 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Tvorba SSD modelu – výpočet HCp a PAF = SSD model = SSD model Hustotní funkce à Kumulativní distribuční funkce 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Tvorba SSD modelu – výpočet HCp a PAF !! Změna významu osy x (už ne logEC50 či logNOEC) !! … známé parametry modelu 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Tvorba SSD modelu – výpočet HCp a PAF Výpočet PAF (tj. F(x)) a HCp (tj. 10^x) ne úplně triviální ETX 2.0 Excel (funkce NORMDIST a NORMINV) 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Modifikace SSD modelu • • • Aproximace rozložení log(EC50) či log(NOEC) hodnot jinou než Gaussovou (normální) distribucí : logistická, triangulární, … • • Použití neparametrických technik či Bayesovské statistky pro tvorbu SSD modelu • • Použití pouze vybraných taxonomických skupin (např. primárních producentů v případě tvorby SSD modelu pro herbicid) • 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Limitace SSD modelu • • Je HC5 opravdu dostatečný limit ? • • • Jaké je minimální množství druhových dat sensitivity (např. hodnot logEC50), aby z nich vytvořený SSD model nebyl výrazně zkreslený? (EU doporučuje minimálně 10 hodnot z různých taxonomických skupin) • • • Jsou splněny základní předpoklady SSD metody? (resp. Vadí jejich nesplnění?) • 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Limitace SSD modelu Základní předpoklady SSD metody • • Hodnoty EC50 (či NOEC) v databázi pro SSD popisují citlivost náhodného a representativního výběru společenstva organismů • •Laboratorní sensitivita odpovídá reálné • • •Neexistují „důležitější“ druhy • • •Neexistují interakce mezi druhy • • •Neexistují další environmentální faktory ovlivňující sensitivitu 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Limitace SSD modelu „Všechny modely jsou špatně. Některé ale mohou být užitečné.“ George E. P. Box … A model Species Sensitivity Distribution se užitečným být zdá… 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Závěr – návrat k teoretickému příkladu U jedné továrny vyrábějící insekticid XY leží chráněné jezero, ve kterém žijí velmi vzácné druhy organismů. Byla vytvořena databáze vhodných akutních EC50 hodnot látky XY pro různé sladkovodní druhy a z logaritmů těchto hodnot byl vytvořen model SSD, kterým byla stanovena bezpečná koncentrace nepoškozující ekosystém neboli HC5 (XY) na 1,8 µg/l Jednoho dne se v továrně stala nehoda, insekticid XY unikl do okolí a jeho koncentrace v jezeře byla 1 den zvýšená na 9,6 µg/l. Poté začala klesat. Podle již vytvořeného SSD modelu bylo nejen rychle zjištěno, že bezpečný limit látky XY byl překročen, ale dokonce i to, že tato koncentrace bude mít potenciálně negativní akutní vliv na 74% druhů žijících v jezeře (PAF = 74%) https://encrypted-tbn1.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcSA9O3cUj5pagtrFBTNPc-3jqeAm_eWT7rX3dYsq_U6FoS ZGh-D https://encrypted-tbn1.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcTmgJXIDvVM7QeGIaRyvfUd8-ZVm9X-s0CM-4DuiLWb2qE W8T_J https://encrypted-tbn3.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcRlfGDyKSWeCQk0ummoWmTKVFRZy0UUy9Q8Qte36yKcoDv XJphY