1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif 1212570_28446780.jpg logo_mu_cerne.gif
Bi5596
Moderní metody v ekotoxikologii
Doc. RNDr. Jakub Hofman, Ph.D.
hofman@recetox.muni.cz
podzim 2016
Moderní metody hodnocení expozice

1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif 1212570_28446780.jpg
Expozice v ekotoxikologii a v hodnocení ekologických rizik


1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
Expozice v ekotoxikologii a v EcoRA
•expozice v HHRA:
•C8580 Analýza rizik
•Dr. Pavel Čupr

>

-popsat co je ekotoxikologie
-EXPOZICE = kontakt chemické látky a organismu …. Má několik rovin / vrstev
-kde má roli expozice – u toxikologie začíná expozice až „v organismu“, u ekotoxikologie se řeší i
část osudu v prostředí, biodostupnost …
-je klíčová = vstup látky do organismu a podmínka účinků
-studium expozice je hodně v překryvu do env. chem.

1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
Expozice v ekotoxikologii a v EcoRA
•hodnocení efektů bez znalosti expozice je téměř zbytečné
• proč?
•
•bez expozice není účinek, bez expozice je riziko = 0
•z hlediska poslání / cíle celé ekotoxikologie: nejen řešit efekty, ale popsat celý problém, popsat
riziko, odvodit opatření, chránit ŽP:
–predikce – hodnocení rizik – pravděpodobnosti, že při dané koncentraci dojde k definovaným efektům
–kauzalita – korelace intenzity stresoru (koncentrace chemické látky) a míry poškození biologického
systému

SAMOSTATNÁ PRÁCE:
-Proč – odpoví studenti
-Diskuse obou důvodů

1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
Expozice v ekotoxikologii a v EcoRA
•EcoRA – ecological risk assessment
•CSA - chemical safety assessment (REACH)
•ERA – environmental risk assessment
•HHRA – human health risk assessment
•
US EPA (1999) Ecological Risk Assessment Guidance for Superfund: Process for Designing and
Conducting Ecological Risk Assessments
REACH – CSA

>

-ERA, EcoRA, CSA – vysvětlit zkratky a schéma
-druhý pilíř – hodnocení expozice

1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
Expozice v ekotoxikologii a v EcoRA
•překryv s environmentální chemií
•expozici předchází osud kontaminantu v prostředí, který nemůže ekotoxikologie přehlížet, protože
expozici klíčově ovlivňuje:
–změna environmentální dostupnosti:
•změna celkové koncentrace v prostředí
•změna distribuce v různých částech prostředí
•změna forem výskytu látky (např. kovy – speciace) a transformace
•závisí zejména na vlastnostech látky a prostředí (uveďte konkrétní příklady)
–změna biodosažitelnosti a biodostupnosti
•vazba na složky prostředí
•omezení příjmu organismy
•závisí na vlastnostech látky, prostředí ale i organismů (uveďte konkrétní příklady)
–

SAMOSTATNÁ PRÁCE:
Studenti uvedou konkrétní parametry prostředí a toxikantů, které ovlivňují jejich osud
Poté podobně i vlastnosti organismů …

1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
Expozice v ekotoxikologii a v EcoRA
•všechny tyto procesy je potřeba popsat a vyhodnotit (= změřit/modelovat) pro kvalitní analýzu
ekotoxikologického problému, protože v drtivé většině případů platí, že
pro účinek musí látka vstoupit do organismu a reagovat s biol. receptorem
•expoziční cesta
rybicka
ISO 17402 (2006) Guidance for the selection and application of methods for the assessment  of
bioavailability in soil and soil materials

Expozice má tedy několik vrstev … stresor se musí „probojovat“ od zdroje až k bio-receptoru
–“kauzální řetězec od příčiny k následku“
= Expoziční cesta
(zdroj látky, osud v prostředí, kontakt s organismech, přestup do organismu, transport k receptoru
…) – ve vztahu ke konkrétnímu organismu – expoziční profil látky – širší pojem
hlavní rozhraní:
okolí organismu – nabídnutá dostupná látka – časté/většinou
organismus – biomonitoring – spíše zřídka  …
modely

1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
Expozice v ekotoxikologii a v EcoRA
Chapman et al. (2003) Human and Ecological Risk Assessment 9, 641
konstrukce expozičního scénáře – analýza situace

1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
Expozice v ekotoxikologii a v EcoRA
•celá řada souvisejících procesů na překryvu ekotoxikologie a environmentální chemie
•definujte a rozlište, uveďte pro každý pojem příklad týkající se tématu vaší BP, DP, DisP):
–bioakumulace
–biokoncentrace
–bioobohacování
–biotransformace
–biodegradace
–toxokinetika
–toxodynamika
•(DÚ do 12/10, soubory docx či pdf do odevzdávárny sam_prac_01)

SAMOSTATNÁ PRÁCE

1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif 1212570_28446780.jpg
Hodnocení expozice


1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
Hodnocení expozice
•analýza intenzity, kvantifikace stresoru = chemické látky, toxikantu
•cíl = přesná a pravdivá koncentrace/dávka, které jsou biosystémy exponovány + případně četnost a
doba trvání expozice a prostorové definování
•
•měření versus modelování
•
•nutno jasně definovat KDE (na jaké „vrstvě“) je stresor kvantifikován:
– koncentrace v prostředí   X   koncentrace v organismu (dávka)
– a CO vlastně vyjadřuje
•pro hodnocení rizika (HI = PEC / PNEC) je nutné, aby PEC a PNEC měly stejný kontext: musí být ve
stejných jednotkách (např. celková koncentrace ve vodě / účinky při konkrétní celkové koncentraci
ve vodě)
•u kauzality to nutné není (např. koncentrace ve vodě / počet buněk řas v ml) – ALE kvantifikace
stresoru musí být co nejvíce relevantní k následným efektům (biodostupná koncentrace)
•
–
•

měření versus modelování – v analýze rizik nových chemikálií MODELOVÁNÍ, ve výzkumných studiích a
case-studies a v retrospektivním výzkumu MĚŘENÍ
U PEC/PNEC nevadí totální koncentrace tolik, protože mají stejné jednotky/kontext - protože
biodostupnost je zahrnuta v měření, ale problém je, že to je poplatné jen daným podmínkám a
neumožní to extrapolaci

1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
Metody hodnocení expozice
•„klasické“
–stanovení totální koncentrace v prostředí (externí)
–stanovení koncentrace v organismu (interní - body burden)
–většinou jednorázové stanovení aktuální koncentrace
•„moderní“
–stanovení „biodostupných“ koncentrací v prostředí – důraz na reálnou frakci – efektivní frakci
toxikantu
–stanovení reálné expozice z hlediska času – dlouhodobé zprůměrování koncentrace – time weighted
average (TWA) – pasivní vzorkování
–měření a modelování přestupu do organismu – toxokinetika
–efektivní koncentrace v organismu (lethal body burden, incipient lethal level..) + biomarkery
expozice
–modelování expozice multisložkovými environmentálními modely
–
–
•

1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
Celkové – totální – koncentrace
•totální celkové koncentrace
•silné, agresivní („harsh“) extrakce
•půda
•sediment
•voda
•vzduch (filtry)
•biota
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/e/e0/Soxhlet_extractor.svg/420px-Soxhlet_extrac
tor.svg.png Extraction: The Randall method - Immersion
http://www.rosesci.com/products_images/image41201.jpg http://www.fluorous.com/images/02funnel.jpg

SAMOSTATNÁ PRÁCE
jak byste analyzovali celkovou koncentraci:
organických polutantů v půdě, sedimentu, biotě
organických polutantů ve vodě
kovů v půdě, sedimentu, biotě
kovů ve vodě

1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
Aktuální koncentrace v médiu
http://www.sportsproductsworld.com/FCKEeditor/attached/image/201041418612215.jpg
http://www.hoskin.ca/catalog/images/augers.jpg
http://www.equipcoservices.com/images/products/rentals/models/wildco_hand_corer_large.jpg
http://static.coleparmer.com/large_images/0548810open.jpg
http://www.hydrobios.de/uploads/pics/ws_limnos_01.jpg
http://www.npl.co.uk/upload/img/air-sampler.jpg
http://pubs.ext.vt.edu/452/452-129/L_IMG_Sampling_equipment.jpg
http://www.hi-q.net/images/Products/Hvp-3500X%28ge2cx2%29.jpg
http://www.rickly.com/devwww/as/images/EKMAN.JPG

SAMOSTATNÁ PRÁCE
jak byste odebírali:
půdu
sediment
vodu
vzduch

1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
Celkové – totální – koncentrace
Government of Canada (2012) Federal Contaminated Sites Action Plan. Ecological Risk Assessment
Guidance.

1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif 1212570_28446780.jpg
Měření biodostupnosti


1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
Měření biodostupnosti
•je potřeba zejména při analýze kauzality mezi expozicí a účinkem
•je potřeba pro větší mechanistické poznání tohoto vztahu
•je potřeba pro možné extrapolace účinků mezi vzorky a kontaminanty
Eisenia andrei exponována olovu 2 g/kg
(totalní koncentrace)
Lanno et al. (2004) Ecotoxicology and Environmental Safety 57, 39-47
ISO 17402 (2006)

klasický přístup předpokládá, že celková koncentrace, je ta, která má potenciál pro dané riziko =
nadhodnocuje reálné riziko
pokud budeme měřit/modelovat tu správnou koncentraci – měli bychom dostat při stejné koncentraci
stejný efekt …. lze to ale vůbec nějak jinak než měřit koncentraci v receptoru????

1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
Jak změřit biodostupnost ?
•pravdivě biodostupnou koncentraci lze stanovit pouze analýzou organismu po jeho expozici případně
analýzou efektů
•snaha vyvinout jednoduché chemické nástroje pro odhad biodostupné koncentrace / frakce
kontaminantu
•pouze taková chemická metoda, která koreluje s biologickým příjmem či efekty je validní
(biomimetické metody / proxy for biota)

1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
http://slg.naturalstrategies.com.au/media/news_images/worm_happy_cartoon.jpe
Neextrahovatelná frakce
Agresivní extrakce
Mírná extrakce
Frakce vázaná na DOC
Volně rozpuštěná frakce
Vodná fáze
Příjem dermální
Exkrece
Rychle reverzibilně vázaná frakce
Pevná fáze
Ingesce
Nereverzibilně vázaná frakce
Pomalu reverzibilně vázaná frakce
??
??
Celkový obsah
Hlen
Asimilace
Distribuce
Metabolismus
Eliminace
Bioakumulace
Dosažení receptoru
Toxicita ?
aging, sekvestrace
Sorpce
Kd, Koc, pH, CEC
Kow, BCF
Jak změřit biodostupnost ?

pro představu komplikované situace např. v půdě či sedimentu – dynamický stav rovnováhy, kde jsou
jednotlivé frakce / koncentrace
otázka je – která má vztah s příjmem biotou ??? kdy? za jakých podmínek ? platí to pro všechny
látky a všechny organismy?

1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
Jak změřit biodostupnost ?
Semple et al. (2004) EST 15: 229A
NOW
MAYBE AFTER
NEVER
Biodosažitelná
=
Biodostupná
+
Potenciálně biodostupná
biodostupnost začíná až přestupem přes biomembránu

vysvětlit rozdíl mezi biodosažitelnou a biodostupnou frakcí ….
Bioavailability is the fraction of a contaminant actually available at a given moment in time in
soil. NOW
Bioaccessibility encompasses what is actually bioavailable now plus what is ‘potentially
bioavailable’.

1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
Jak změřit biodostupnost ?
•je to koncentrace/frakce či tendence/potenciál ?
Reichenberg and Mayer (2006) Environ Toxicol Chem 25, 1239
Kolik se může uvolnit PRO ..
Jaká je tendence pro vstup DO …
princip bude odstranění / extrakce dostupné frakce
princip bude rovnovážné vzorkování (pasivní vzorkovače)
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/0/06/Pac_Man.svg/876px-Pac_Man.svg.png
http://www.sigmaaldrich.com/content/dam/sigma-aldrich/structure6/100/mfcd00004136.eps/_jcr_content/
renditions/medium.png
http://www.scienceinthebox.com/en-UK/Assets/images/safety/other/SA_1.2_Acc_4_1.jpg

1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
Jak změřit biodostupnost ?
•Řešení:
•nemůže existovat jedna univerzální metoda
•různé organismy, látky, situace:
–toxicita pro organismy žijící v médiu L
–biodegradace kontaminantu J
–přestup kontaminantu do potravních řetězců L
•nutné se ptát: biodostupnost PRO  jakou látku ?
–jaký organismus ?
–jakou situaci ?
–jaký cíl ochrany ?
–… ?
•specifické okolnosti definovat a pro danou situaci hledat vhodnou metodu

1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
Metody hodnocení biodostupnosti
 půda / sediment
hydrofóbní polutanty
polární polutanty
kovy
koncentrace v pórové vodě
ü
ü
extrakce vodnými roztoky
H2O, CaCl2, NH4NO3
ü
ü
vzorkování volných kovů
diffusive gradient in thin film (DGT), Donnan membrane technique (DMT)
ü
slabé kyseliny či komplexující činidla
CH3COOH, EDTA
ü
roztok v kombinaci se sorbenty
Tenax, XAD či hydroxypropyl-β-cyclodextrin (HPCD)
ü
ü
slabá organická rozpouštědla
butanol, metanol, etanol, směsi s vodou
ü
ü
superkritická fluidní extrakce (SFE)
nastavitelná síla / polarita extrakce
ü
ü
biomimetické sorbenty / pasivní vzorkovače
polyoxymethylene (POM), polydimethylsiloxane (PDMS), solid phase microextraction (SPME),
semi-permeable membrane devices (SPMD)
ü
ü
 voda / vzduch
hydrofóbní polutanty
polární polutanty
kovy
biomimetické sorbenty / pasivní vzorkovače
POM, PDMS, SPME, SPMD, Polar organic compounds integrative sampler (POCIS), Chemcatcher,
ü
ü
vzorkování volných iontů kovů
diffusive gradient in thin film (DGT), Donnan membrane technique (DMT)
ü

1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
Metody hodnocení biodostupnosti – půda / sediment
•ISO 17402 (2006)
Guidance for the selection and application of methods
for the assessment  of bioavailability in soil and soil materials
•výběr metod dle mnoha kritérií – nejen prostá korelace s biologií (empirické metody), ale důraz na
mechanistický / fyziologický princip = logicky souvisí s biologickými efekty / příjmem
•validace na více látkách, více půdách/sedimentech
•

1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
Metody hodnocení biodostupnosti – půda / sediment
•organické polutanty:
•A. stanovení biodosažitelné frakce pomocí extrakce rozpouštědly či pomocí vodných roztoků s
přidanými sorbenty
Cui et al. (2013) Environmental Pollution 172: 223-234

1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
Metody hodnocení biodostupnosti – půda / sediment
•slabá rozpouštědla
•polárnější organická rozpouštědla (BuOH, MeOH, EtOH) / směsi rozpouštědel a vody / případně
sekvenční extrakce – zvyšující se síla extrakce
•nízká mechanistická / fyziologická obhajitelnost
•nutnost korelace s biologickými endpointy je klíčová
Cui et al. (2013) Environmental Pollution 172: 223-234

1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
Metody hodnocení biodostupnosti – půda / sediment
•superkritická fluidní extrakce (SFE)
•CO2 v superkritickém stavu
•možnost měnit tlak a teplotu a tím sílu / polaritu extrakce, např.:
–mild extraction: 12 MPa + extrakční teplota 50°C + teplota restriktoru 120°C + extrakční čas 30
min
–harsh extraction: 40 MPa + extrakční teplota 150°C + teplota restriktoru 120°C + extrakční čas 45
min
•nutnost korelace s biologickými endpointy je klíčová
•
http://www.waters.com/webassets/cms/category/media/overview_images/Supercritical%20Fluid%20Extracti
on_Schematic_A.jpg
www.waters.com
http://www.waters.com/webassets/cms/category/media/content_blocks/MV-10_ASFE_angle_500px.jpg
Sun and Li (2005) Water, Air, and Soil Pollution 166, 353–365

1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
Metody hodnocení biodostupnosti – půda / sediment
•hydroxypropyl-β-cyclodextrin (HPCD)
•oligosacharidový cyklus s hydrofóbní kavitou a hydrofilním exteriérem
•obrovská kapacita roztoku HPCD připomíná degradaci (úbytek) látky díky biodegradaci – měří vlastně
mass transfer, který je limitujícím faktorem biodegradace
•perfektní korelace s biodegradací pro PAHs, PCBs, OCPs, alkany napříč různými půdami a látkami !!
(pro jiné organismy nevhodný !!)
beta_cd http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/0/06/Pac_Man.svg/876px-Pac_Man.svg.png
http://www.sigmaaldrich.com/content/dam/sigma-aldrich/structure6/100/mfcd00004136.eps/_jcr_content/
renditions/medium.png
http://www.sigmaaldrich.com/content/dam/sigma-aldrich/structure6/100/mfcd00004136.eps/_jcr_content/
renditions/medium.png
≈
Cui et al. (2013) Environmental Pollution 172: 223-234

1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
Metody hodnocení biodostupnosti – půda / sediment
•hydroxypropyl-β-cyclodextrin (HPCD)
•omezená kapacita HPCD vyřešená pomocí PDMS „infinite sink“
Gouliarmou and Mayer (2012) Environ Sci Technol 46, 10682−10689

1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
Metody hodnocení biodostupnosti – půda / sediment
•Tenax
•vysoce porézní polymer (2,6-diphenyl-p-phenyleneoxide), lehčí než voda - lze odfiltrovat
•většinou jako sekvenční extrakce v několika opakovaných extrakcích stejného vzorku – desorpční
kinetika s rychlou (Frapid), pomalou a velmi pomalou desorpcí
•dlouhá metoda – existuje 6h varianta
•
Cui et al. (2013) Environmental Pollution 172: 223-234
Cornelissen et al. (2001) Environmental Toxicology and Chemistry 20: 706–711
http://mits.nims.go.jp/polymer/U070080.png

1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
Metody hodnocení biodostupnosti – půda / sediment
•XAD
•XAD-2, XAD-4 (amberlite) kopolymer polystyrenu
•výhoda – stabilita do 200°C – lze použít termální desorpci
•postup podobný jako u Tenax
Lei et al (2004) Environ Sci Technol 38: 1786-1793
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/2a/Amberlite.jpg/1280px-Amberlite.jpg

1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
Metody hodnocení biodostupnosti – půda / sediment
•organické polutanty
•B. stanovení volně rozpuštěné koncentrace s využitím sorbentů – pasivních vzorkovačů
•(vlastně velice podobné postupy jako pasivní vzorkování vody)
Cui et al. (2013) Environmental Pollution 172: 223-234

1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
Passive sampling - teorie
•několik zásadních výhod oproti klasickému vzorkování:
–vzorkovač – sorbent je vystaven v mediu většinou delší dobu podobně jako organismus – time
weighted average (TWA) concentration
–je snaha, aby rozdělovací koeficienty mezi médiem a vzorkovačem připomínaly přestup do bioty –
„biomimetic“, „proxy to biota“
–vzorkuje relevantní koncentraci – „free dissolved concentration“ (Cfree)
•http://youtu.be/4zlQQbnxxR0
•
SETAC (2012) Guidance on Passive Sampling Methods to Improve Management of Contaminated Sediments.
Summary of a SETAC Technical Workshop

PUF pasivní vzorkování ovzduší je sice TWA, ale ne proxy to biota

1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
Passive sampling - teorie
Mayer et al (2003) Environ Sci Technol 37: 184A–191A
•kinetika 1. řádu, jednosložkový model – vstupní proměnné k1 a k2 (rychlost příjmu a výdeje)
•
•v monitoringu ŽP je upřednostněno nerovnovážné vzorkování – lineární příjem látky vzorkovačem –
pro dosažení TWA, zatímco při stanovení biodostupnosti je častější rovnovážné vzorkování
•
•v rovnováze nejsou k1,2 potřeba a Cfree a fugacita
mohou být spočítány ze vztahu
Cfree = Csampler / Ks
kde Ks je rozdělovací koeficient vzorkovač-vzorek
•
•čím vyšší je poměr povrch / objem, tím rychleji je dosaženo rovnováhy

1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
Passive sampling - teorie
•základní předpoklad = volně rozpuštěná koncentrace (Cfree) je hlavní determinant příjmu látky
biotou a následných efektů a rizik
•platí zejména u malých organismů přijímajících látky pasivní difúzí
•jakmile hraje významnou roli potrava, nemusí být již tento přístup validní !!
•
•vzorkování by nemělo ovlivňovat vzorkovaný systém:
• tzv. negligible depletion
•
•depleci lze využít pro stanovení
dosažitelné frakce
•
•
Smedes (2013) Environ. Sci. Technol. 47, 510−517

1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
Metody hodnocení biodostupnosti – půda / sediment / voda
•SPMD – semipermeable – membrane devices
•membrána („obal“) - LDPE (low-density polyethylene) či acetát celulózy (TECAM)
•náplň dle sledovaných látek - pro HOCs nejčastěji lipid triolein
•rozpuštěné molekuly se difúzí dostávají do pórů LDPE (max 10 Ǻ)
a kumulují se v trioleinu
Tao et al. (2009) Environmental Pollution 157: 545–551
Cui et al. (2013) Environmental Pollution 172: 223-234
http://wwwaux.cerc.cr.usgs.gov/SPMD/new_images/spmd_photo.jpg
http://www.sigmaaldrich.com/content/dam/sigma-aldrich/structure9/098/mfcd00137563.eps/_jcr_content/
renditions/medium.png

1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
Metody hodnocení biodostupnosti – půda / sediment / voda
•SPME
•tzv. matrix SPME nebo disposable SPME - odvozeno od injekční SPME
•vlákno s tenkou vrstvou PDMS či jiných sorbentů (divinylbenzen - DVB, polyakrylát – PA, carboxen.
carbowax …)
•velká praktičnost, rychlost, prostorová nenáročnost
•pro použití je nutné předem determinovat KPDMS
Glas Pincet http://www.sigmaaldrich.com/content/dam/sigma-aldrich/articles/reporter-eu/figuree1.png
www.sigma-aldrich.com

1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
Metody hodnocení biodostupnosti – půda / sediment / voda
•SPME
•použití pro vodu

1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
Metody hodnocení biodostupnosti – půda / sediment / voda
•SPME
•použití pro půdy / sedimenty
•varianta se suspensí – třepání do dosažení rovnováhy (nutno stanovit předem dostatečný čas – řešit
kinetiku a poměr vlákno / vzorek – nedepletivní !!)
•varianta vláken přímo exponovaných ve vzorku
Ter Laak (2005) Sorption to soil of hydrophobic and ionic organic compounds: measurement and
modeling
Cui et al. (2013) Environmental Pollution 172: 223-234

1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
Metody hodnocení biodostupnosti – půda / sediment / voda
•SPME
•velice dobré korelace s příjmem biotou
•mechanistické / fyziologické opodstatnění
•aplikovatelnost pro fugacitní modelování
van der Wal (2004) Environ Sci Technol 38: 4842-4848
DiFilippo (2010) Environ Sci Technol 44, 6917–6925

1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
Metody hodnocení biodostupnosti – půda / sediment / voda
•„coated vials“
•vialky s tenkou (µm) vrstvou sorbentu:
–ethylene vinyl acetate (EVA)
–polydimethylsiloxane (PDMS)
•čím tenčí (vyšší poměr povrch / objem), tím rychlejší dosažení rovnováhy
http://journal.chemistrycentral.com/content/figures/1752-153X-2-8-graphical-abstract.gif
http://t1.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcS-aNSTWzLIcdnBOz0CRj-0qYJk5lVBv2zx4frf8JGUGbmXnvk3
Wilcockson and Gobas (2001) Environ Sci Technol 35: 1425-1431
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/10/Ethylenvinylacetat.svg/150px-Ethylenvinyla
cetat.svg.png
Reichenberg et al. (2008) Chemistry Central Journal 2

1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
Metody hodnocení biodostupnosti – půda / sediment / voda
•stir bar sorptive extraction (SBSE)
•míchadélko potažené PDMS
Prieto (2010) Journal of Chromatography A, 1217: 2642–2666
http://www.gerstelus.com/blog/wp-content/uploads/2012/10/GERSTEL_Oct8.jpg

1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
Metody hodnocení biodostupnosti – půda / sediment / voda
•proužky PDMS či POM
•malé proužky silikonové gumy či polyoxymethylenu (POM) přímo v půdní suspensi – exponované do
dosažení rovnováhy, extrakce
•
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/35/Polyoxymethylene.svg/120px-Polyoxymethylen
e.svg.png

1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
Metody hodnocení biodostupnosti – půda / sediment / voda
Gomez-Eylez et al. (2012) Environ Sci Technol 46: 962−969
•PDMS a POM - pro bezobratlé a rostliny mnohem lepší predikce biodostupnosti než u rozpouštědel a
HPCD !!!

1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
Metody hodnocení biodostupnosti –voda
•POCIS
•polar organic compounds integrative sampler
•
•Chemcatcher
•Empore disks
•styrenedivinylbenzene (SDB)
•http://youtu.be/f7Xzr4FIJmg
•
http://www.port.ac.uk/media/Media,145916,en.jpg
Vermeirssen et al (2009) Water Research 43, 903-914

1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
Metody hodnocení biodostupnosti –voda
•různé sorbenty (PDMS, PE, POM …)
•http://youtu.be/xZnQt0IKlRE
•výhoda je zejména cena a jednoduchost
US EPA (2012) Guidelines for Using Passive Samplers to Monitor Organic Contaminants at Superfund
Sediment Sites
http://web.uri.edu/lohmannlab/files/es-2010-040865_0004-300x225.gif
https://encrypted-tbn1.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcRf8r146TFU6_M0kLeE9SiF0Q_7t9ENXrQZureNJzphG8S
KziQjVw

1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
Metody hodnocení biodostupnosti – půda / sediment
•kovy:
•A. stanovení pomocí extrakce včetně sekvenční extrakce
Peijnenburg and Jager (2003) Ecotoxicology and Environmental Safety 56 : 63–77

1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
Metody hodnocení biodostupnosti – půda / sediment
•extrakce kovů

1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
Metody hodnocení biodostupnosti – půda / sediment
•extrakce (nejen) kovů napodobující pórovou vodu
ECETOC (2013) Understanding the relationship between extraction technique and bioavailability . TR
117 .ISSN-0773-8072-117

1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
Metody hodnocení biodostupnosti – půda / sediment
•extrakce kovů
•
Dean (2007) Bioavailability, Bioaccessibility and Mobility of Environmental Contaminants. ISBN:
978-0-470-02577-2

1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
Metody hodnocení biodostupnosti – půda / sediment
•extrakce kovů
•

1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
Metody hodnocení biodostupnosti – půda / sediment
•kovy:
•B. Separační techniky založené na iontové výměně (IE), sorbentech, či mikroseparačních metodách
jako Donnan membrane technique (DMT) či diffusive gradients in thin-film gels (DGT)
DGT
Knutsson (2013) Passive sampling for monitoring of inorganic pollutants in water. ISBN
978-91-7385-854-0

1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
Passive sampling - ovzduší
•často je kladen více důraz na TWA, biomimetické schopnosti jsou v pozadí
•http://youtu.be/w-Cn8LzB21c
•
•Global Atmospheric Passive Sampling (GAPS) Network
http://www.ec.gc.ca/rs-mn/6AA18234-2631-4244-BAD2-79903633A372/BukitKototabang_Indonesia%20-%2072pp
i.jpg
http://www.ec.gc.ca/rs-mn/6AA18234-2631-4244-BAD2-79903633A372/PUF%20sampler%20diagram%20-%2072%20p
pi%20-%20580%20-%20cropped.jpg
http://www.ec.gc.ca/rs-mn/default.asp?lang=En&n=6AA18234-1
http://maxxam.ca/wp-content/uploads/2013/06/Passhand.jpg

1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif 1212570_28446780.jpg
Passive dosing


1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
Passive dosing
•PDMS potažené nádoby či O-kroužky
Schematic representation of the passive dosing system for C. elegans bioassay.PDMS:
polydimethylsiloxane.
Kwon et al. (2011) Environ Health Toxicol
Smith (2012) Environ Sci Technol 46: 4852−4860

1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
Passive dosing
Adolfsson-Erici et al. (2012) Chemosphere 86: 593–599
Butler et al. (2013) Sci Total Environ 463-464: 952-8

1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif 1212570_28446780.jpg
Měření a modelování příjmu kontaminantů organismy


1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
Měření a modelování toxikokinetiky
Schwarzenbach et al. (2006) The challenge of micropollutants in aquatic
systems. Science 313, 1072-1077

1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
Měření a modelování toxikokinetiky


1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
Equilibrium sampling of biota
Jahnke et al. (2011) Environmental Toxicology and Chemistry 30: 1515-1521
Jahnke (2009) Chemosphere 77: 764–770

1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
PBET – napodobování trávícího procesu
•Sorptive Physiologically Based Extraction of Contaminated Solid Matrices: Incorporating Silicone
Rod As Absorption Sink for Hydrophobic Organic Contaminants
•Gouliarmou et al. 2013, Environ Sci Technol 47: 941−948

1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
PBET – napodobování trávícího procesu
Dean (2004) Trends in Analytical Chemistry 23, 609-618

1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
PBET – napodobování trávícího procesu
•simulated earthworm gut (SEG) test
Ma  et al. (2009) Environmental Toxicology and Chemistry 28: 1439–1446

1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
Měření přestupu přes biologické membrány
•
Pieces and Names
https://encrypted-tbn1.google.com/images?q=tbn:ANd9GcTW2DuzQVQZspoc3okbePxw_UbKyPKIsmahwdFakwDjx2jj
Fqxc Cell Diagram

1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif 1212570_28446780.jpg
Modelování expozice


1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
Modelování expozice
•scénáře („worst case scenario“ či jiné)
•modelování:
–transportu od zdroje
–změny koncentrace
–degradace a vzniku transformačních produktů
–distribuce v ŽP
–distribuce v rámci dané složky prostředí (např. v půdě)
•zdrojem jsou data o zdrojích + data vlastnostech látek a prostředí
The Edinburgh Centre for Toxicology. UNEP/IPCS Training Module No. 3, Section B, Environmental Risk
Assessment.

1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
Modelování expozice
The Edinburgh Centre for Toxicology. UNEP/IPCS Training Module No. 3, Section B, Environmental Risk
Assessment.
•modelování zátěže jednotlivých složek ŽP – od zdroje do okolí organismu

1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
Modelování expozice
The Edinburgh Centre for Toxicology. UNEP/IPCS Training Module No. 3, Section B, Environmental Risk
Assessment.
•multimedia fate models (Mackay)
•fugacitní modely I až IV
•fugacita = tendence utíkat/prchat z příslušné fáze
• C =  f . Z
• C - koncentrace v dané fázi
• f – fugacita
• Z - konstanta fugacity
•v rovnováze platí:
• fsoil = fair = fsediment = fbiota
•
•
•

1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
Modelování expozice
•modelové ŽP
•(modelování pro potřeby REACH)
ECHA (2012): Guidance on information requirements and chemical safety assessment. Chapter R.16:
Environmental Exposure Estimation. ECHA-10-G-06-EN

1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
Modelování expozice
•Plant protection products (PPP) – pesticides
•FOCUS modely EU - http://focus.jrc.ec.europa.eu/
•PELMO, PEARL, MACRO, PRZM – podzemní voda
•STEP 1 a 2, SWASH, TOXWA, SWAN – povrchová voda
•EVA – ovzduší
•cílem jsou hodnoty PECs, PECsw, PECsed, PECgw
http://www.pesticidemodels.eu/sites/www.pesticidemodels.eu/files/images/toxswa/148f08color.jpg
http://www.pesticidemodels.eu/home

1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
Modelování expozice
Chapman et al. (2003), Human and Ecological Risk Assessment 9: 641

1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
Equilibrium Partitioning Theory (EqP)
•v rovnováze lze namodelovat pomocí Kd koncentrace v pórové vodě a půdě / sedimentua a pomocí BCF
potom koncentrace v organismu
•následně lze použít k etrapolacím mezi různými látkami (QSAR) či mezi různými půdami/sedimenty
•předpokládá, že klíčovou koncentrací pro následný vstup do organismu a efekty je rozpuštěná
koncentrace Cfree
•
BCF
feeding

1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif
Biotic Ligand Model – BLM
•Ligandy – hlavní ovlivnění biodostupnosti – anionty nebo molekuly, jež vedou ke vzniku
koordinačních sloučenin nebo komplexů s kovy
•Rozpustné ligandy mohou modifikovat transport kovů přes membrány několika mechanismy:
–soupeření o povrchová ligandová místa
–změnu rozpustnosti v tucích
–srážení komplexů
–tím jsou modifikovány biologické procesy – osmoregulace, respirace, vylučování
•
Pevná složka půdy