CHEMIE ŽIVOTNÍHO PROSTREDI a EKOTOXIKOLOGIE Chemie životního prostředí Ekotoxikologie Hodnocení vlivu na ŽP REfiflM Hlavní výzkumné, výukové a vědecké oblasti Hodnocení ekologických a humánních rizik Hodnocení environmentálních a biologických dat Environmentálni management a politika Li>4BLg research centre For Environmental Či ry And ecotoxicology Ekotoxikologie na PŕF MU = hodnocení biologického vlivu stresom od molekulární a buněčné úrovně až po úroveň systémovou o Odběry vzorků, terénní studie, laboratorní studie o Hodnocení toxicity vzorků, jejich kontaminace Studium mechanismů toxicity i neletálních účinků na různých trofických úrovních Celá řada ekotoxikologických modelů >Biochemická, molekulární a buněčná ekotoxikologie a genotoxikologie >Ekotoxikologie vodního prostředí >Ekotoxikologie půdního prostředí >Centrum pro cyanobakterie a jejich toxiny > Hodnocení environmentálních rizik, analýzy dat lirW Znečištění - zdravotní a ekologická rizika ? Polutanty Biochemická, molekulární a genotoxikologie o studium buněčných a biochemických mechanismů působení toxických látek o studium mechanismů ekotoxicity i specifických neletálních účinků environmentálních polutantů, chronických typů toxicity o mechanismy působení persistentních organických polutantů (POPs) a cyanotoxinů produkovaných sinicemi při rozvoji vodního květu i ekotoxikologie a m Ekotoxikologie vodního prostředí o Studium vlivu kontaminace vodního prostředí (tedy vody, suspendovaných částic, sedimentů) na přírodní organismy. o Serie biologických modelů - akutní i chronické (tj. subletální) účinky u zástupců producentů, konzumentů a destruentů I o Kromě in vivo účinků (letalita, reprodukční toxicita, embryotoxicita apod.) - biochemické odpovědi organismů na všech úrovních jako časné biomarkery toxických projevů. NONPOINT SOURCES J S 3004 tírooks.Cole - Thomson Learning Centrum pro cyanobakterie a jejich toxíny společné pracoviště PřF MU a Botanického ústavu Akademie věd CR Studium mnoha aspektů masového rozvoje sinic monitoring sinic v prostředí monitoring cyanotoxinů v prostředí hodnocení vlivu sinic a jejich toxinů na jiné organismy metody omezení rozvoje sinic ekologie sinic (životní cyklus, prezimovaní) www.sinice.cz Praktická aplikace baterie ekotoxikologických testů Hodnocení nebezpečnosti chemických látek vstupujících do reálného prostředí Hodnocení nebezpečnosti čistých chemických látek Přesná identifikace nebezpečnosti studované látky Úplné závislosti "dávka-účinek" Hodnocení nebezpečnosti látek, které jsou v laboratorních podmínkách aplikovány do studovaných reálných vzorků Testy reálné BIODOSTUPNOSTI (schopnosti inaktivace chemických látek) (SSBA) Z podrobných analýz baterie lze provést odhad této předpovídané dávky bez nepříznivého vlivu PEC/PNEC PEC... předpokládaná env. koncentrace (nutné chemické analýzy a detailní separační techniky) J Analýza komplexní odpovědi organismu na přítomnost vzorku Interpretace se srovnáním s výsledky chemických analýz Propojení matematické biologie, environmentálni chemie a ekotoxikologie Hodnocení účinků a nebezpečnosti látek - křivky dávka-odpověď -stanovení LOEC, NOEC Predikce (modelování) spolupůsobení látek ve směsích - relevantní pro ŽP Hodnocení rozdílů mezi skupinami organismů pod vlivem působení různých koncentrací polutantů, případně dalších stresorů - spolupůsobení Studium velkého množství parametrů (akumulace v různých tkáních, odpovědi detoxikačního systému, krevní enzymy...) u in vivo testů -komplexní vícerozměrné analýzy (např. cyanotoxiny vs. ryby) Testy přirozené variability v populaci versus působení environmentálního stresom Problematika plánování experimentů - experimentální design, power analýzy Modelování chování polutantů v prostředí, jejich distribuce, degradace o Problematika hodnocení ekologických rizik Terénní studie hodnocení distribuce a projevů kontaminace v reálném prostředí hodnocení časové a prostorové variability sledovaných parametrů, hodnocení časových řad, rozdílů mezi různě zatíženými regiony studium vlivu různých parametrů prostředí a kontaminace na strukturu biologických společenstev, na projevy ekotoxicity vyhodnocení a interpretace dat z dlouhodobých monitoringů kontaminace (pasivní vzorkování) v zatížených oblastech - vývoj situace, časové řady, predikce budoucího vývoje Příklady: výskyt sinic, sinicových toxinů v souvislosti s podmínkami prostředí (80% nádrží v ČR problém), sezónní dynamika výskytu sinic a jejich toxinů ve vodách časová a prostorová dynamika znečištění v zájmovém regionu o vliv povodní na distribuci kontaminace v prostředí o vypovídací schopnost ekotoxikologických testů vzhledem k přítomné kontaminaci o vliv dopravy (dálnic) na znečištění okolní krajiny a biodiverzitu Hodnocení rizik Identifikace nebezpečnosti benzo(a)pyren, pyren, OCPs,. Určení vztahu dávka účinek Dostupná data z odborné literatury Referenční dávka Rfd Index karcinogenního rizika CSF (cancer slope factor) Experimentální přístup Testy na zvířatech Epidemiologie Hodnocení expozice Aplikace expozičních modelů Inhalace Příjem (mg.kg den ) = !, _,, CA*IR*ET*EF*ED BW*AT Dermální kontakt, dietárnípříjem,. charakteristika scénářů scénář 1 scénář 2 scénář 3 scénář 4 inhalační rychlost IŘ 0,8333 rrr.h"1 0,8333 mMi"1 0,8333 rrr.h"1 0,8333 mMi"1 doba expozice ET 20 min 40 min 1 h 8 h frekvence expozice EF 226 226 226 226 trvání expozice_______ED_______10 let________10 let________10 let________10 let HI = Příjem Charakterizace rizik Rfd HI>1 Nekarcinogenní riziko Karcinogenní riziko CVRK=l-e(-příjem*CSF) -6 CVRK > 1.10 • BS Hodnocení rizik > - analýza vstupních dat koncentrací - definice rizik a nejistot jejich odhadů - suma rizik za všechny analyty ► Benzo-a-pyren Chryzen v> Dibezo-ah-antracen ► Benzo-a-antracen Hodnocení rizik- ukázka výstupu l,5e-006 Bary - karcinogenní riziko v daném měsíci Risk 3 Risk 4 RiskS Risk 6 Risk 7 Risk 8 Risk 9 RisklO Polygony - karcinogenní riziko pro celé období 3,9e-007 - 4,3e-007 4,3e-007 - 4,6e-007 4,6e-007 - 5,0e-007 5,0e-007 - 5,3e-007 5,3e-007 - 5,6e-007 | 5,6e-007 - 6,0e-007 | 6,0e-007 - 6,3e-007 6,3e-007 - 6,6e-007 | 6,6e-007 - 7,0e-007 I 7,0e-007 - 7,3e-007 ZM-ZE ZM-MA Vliv povodní na redistribuci organických polutantů v říčních sedimentech a nivních půdách Cíle studie o Studium změn kontaminace spojených s povodní o Charakterizovat úroveň kontaminace a její časové a prostorové změny a dynamiku spojenou s povodní (1) krátce po povodni (2) vývoj kontaminace několik let po povodni o Zhodnotit zastoupení jednotlivých POPs v sedimentech a půdách a jeho změny vzhledem k povodni * STUDOVANÝ REGION North ße^ Bratrejpvka Uherské Hradiště 10 km Austria POVODNĚ - červenec 1997 o způsobeny dvěma periodami výjimečně silných srážek, velké materiální a ekologické škody, několik obětí o celkové množství srážek během pěti dnů 3 milliardy m3 (1/20 celkového ročního množství srážek v České republice) o 100-letá voda na řece Dřevnici and 200-letá voda na studované části řeky Moravy o Kulminační průtok 282 m3.s~1 na Dřevnici a 920 m3.s~1 na Moravě (cca 100-krát a 20-krát vyšší než průměrný průtok) 1 ■u* VÝZKUM VLIVU POVODNI 1997 - sedimenty a nivní půdy vzorkovány v období 1996 až 2005 - organické polutanty PAHs, PCBs, OCPs a HCB North 0 25 50 75 100 Linkage distance scaled to the range of 100 % 0 25 50 75 100 Linkage distance scaled to the range of 100 % mm Souhrnný přehled kontaminace 1 ■u* Contaminants Region I. Region II. Region III. Region IV. Region V. p value Components of variability Ivfedian val ues (10 %; 90 %quantiles); calculated over the whole monitored period Between region differences Time-related differences SEDIMENTS S RAHs (mg.kg"1) 10.5a (6.5; 17.6) 23.7 b (10.8; 41.4) 11.2a (11.3; 21.7) 13.4a (4.3; 19) 7.6* (5.6; 36.7) 0.023 28.6 % 31.6 % S PCBs (Mg.kg1) 47.5 a (4.3; 88) 23.1 a (5.5; 92.3) 31.8a (6.9; 85.9) 20.2 a (8.3; 72.6) 37.1 a (7.3; 75) 0.821 2.5 % 53.7 % S HCH(|ug.kg-1) 0.42 a (0.14; 2.1) 0.37 a (0.11; 0.75 a (0.25; 2.8) 0.46 a (0.08; 1.6) 0.59 a (0.08; 3.7) 0.765 7.4 % 35.1 % S DDT(|ug.kg-1) 4.7 a (1.8; 11.8) 3.8a (1.5; 22.9) 4.6 a (1.8; 15.3) 10.1 a (3.7; 49) 11.6a (5; 47.1) 0.148 9.8 % 11.3 % HCB(|ug.kg-1) 1.6a (0.88; 2.5) 1.3a (0.47; 5.7) 1.9a (0.7; 3.5) 5.2 b (2.3; 43.1) 3* (0.9; 7.5) 0.032 19.8% 10.6% SOLS S RAHs (mg.kg"1) 0.4 a (0.27; 3) 14.9° (2.2; 24.8) 11.9° (5.3; 15.6) 8.1 b (1.4; 10.3) 12.2° (8.4; 16.2) < 0.001 52.4 % 7.1 % S PCBs (Mg.kg1) 3.3 a (1.7; 17.8) 7.4 a (2.7; 23.6) 30* (8.9; 84.8) 37.7 b (14.6; 93.2) 40.8 b (17; 91.2) 0.002 33.6 % 17.2% S HCH(|ug.kg-1) 0.38 a (0.17; 1.2) 0.52 a (0.25; 1.3) 2.6 b (0.75; 8.5) 0.83* (0.38; 2) 1.7b (0.88; 3.4) 0.023 38.7 % 11.5 % S DDT(|ug.kg-1) 0.79 a (0.51; 3) 2.9 b (1.4; 36.5) 10.3b (3.4; 55.1) 4.6 b (2.5; 42.9) 8.7 b (4.1; 22.6) 0.019 8.6 % 5.5 % HCB(|ug.kg-1) 1.2a (0.39; 2.2) 2a (1.2; 4) 3.9 b (1.2; 35.3) 3.6* (2; 6.9) 3.2* (1.9; 8.7) 0.016 13.2% 5.1 % \ám Změny koncentrace PAHs Region I A. Sediment data Region II Region Region IV Region V O) LQ X < Cl CO 70 60 50 40 30 20 10 0 -A- T----------1----------1- 70 60 50 40 30 20 10 < 0 ■* + + ^ + ^ + li. I I *I ~ľ-------?-------?--------1-------1 70 60 50 40 30 20 10 0 I Xx I 1 70 -, 60 50 -40 -30 20 10 -, 0 70 60 50 -40 -30 *. 20 I 10 -A > ~ i—>—>—. 0 ~~i—L í ~ I I T" B. Soil data 25 20 15 10 5 0 25 20 15 10 5 H Mt "T-----------1-----------1-----------1-----------1 25 20 15 10 5 0 I IH -1-----------1-----------ľ <&$■,&&#■& <£ í £ # sŕ* sř> <£ £ * * c§» * 25 -i 20 -15 10 -5 -n - 25 -i 20 u " n ŕ .•■-i 4* W>W J ty*M/& Dates of sampling campaigns (month-year) I 10 % -90 % quantiles ■ Median A Floods in VI -VII. 1997 Změny koncentrace PCBs Region I A. Sediment data Region II Region III Region IV Region V Z3 m o o_ 00 150 120 90 60 30 -.ůr-r- ~I ? ■" B. Soil data 150 120 90 60 30 0 150 120 90 60 30 0 I I-iI -|---------1--------?---------1--------1 150 120 90 60 30 0 II -r-A-r Uli 150 120 90 60 - 30 0 150 120 90 60 - 30 0 I I ttäfafiŕ /miw a^9»v J.g.1,1,1, 150 120 90 60 30 0 IjII 1^ 150 120 90 60 30 o 4-i li -1----------1----------r----------r- 150 120 90 60 30 0 Iülll -r--------1--------1---------r- 150 120 90 60 - 30 0 I -1----------7----------1----------7— organické polutanty v nivních půdách i sedimentech na mnoha lokalitách opakovaně překročily bezpečné environmentálni limity > povodeň způsobila pokles všech sledovaných kontaminantů v sedimentech a významné zvýšení koncentrací PAHs v zaplavených půdách. PAHs byly redistribuovány ze sedimentů do nivních půd, zatímco PCBs byly z regionu vypláchnuty. > stabilní poměr zastoupení PAH v půdách bez ohledu na povodně a větší změny v sedimentech = dlouhodobější „paměť (záznam)" kontaminace v půdách > relativní distribuce PAHs odpovídá profilu ze spalovacích zdrojů > zvýšení hladin PAHs v sedimentech několik let po povodni - přítomné zdroje, riziko pro budoucí povodně Souvislost výsledků biotestů se sledovanou kontaminací 2 -\ / \ / \ / SED11 oj reg ion7 IV / -2 J -1 2 1 ■u* Potřeba matematických biologů v environmentálních vědách Firmy a organizace zabývající se: hodnocením vlivu různých činností na životní prostředí modelováním osudu a distribuce polutantů v prostředí hodnocením (ne)bezpečnosti chemických látek a výrobků Český hydrometeorologický ústav Česká inspekce životního prostředí Ministerstva životního prostředí a zemědělství, krajské úřady Odborné instituce provádějící monitoring stavu životního prostředí na různých úrovních Výzkumné instituce zabývající se výzkumem problematiky ŽP včetně ústavů akademie věd (Botanický ústav, Ústav systémové biologie a ekologie, Ústav biologie obratlovců....) Oborové odborné instituce -Výzkumný ústav vodohospodářský, Ústřední kontrolní a zkušební ústav zemědělský Zdravotní ústavy, hygienické stanice, podniky Povodí... ^ffl