Chemické látky v prostředí – základní definice a pojmy RECETOX Přírodovědecká fakulta Masarykova univerzita Brno, Česká republika Doc. Ing. Branislav Vrana, PhD. branislav.vrana@recetox.muni.cz 2 Chemické látky v prostředí – základní definice a pojmy Chemické látky v prostředí – základní pojmy a definice Environmentálně nebezpečné chemické látky Osud chemických látek v prostředí Chemick á látka Vstup do prostřed í Osud v prostřed í Účinek na prostředí Účinek na živé organism y CCl Cl CCl3 H Chemické látky v prostředí Chemick á látka Vstup do prostřed í Osud v prostřed í Účinek na prostředí Účinek na živé organism y Chemické látky v prostředí Kontaminanty mohou vstupovat do životního prostředí mnoha cestami. Jejich další chování závisí na mnoha faktorech:  Rychlost rozkladu  Doba zdržení v daném rezervoáru  Mechanismus transportu  Interakce s dalšími kontaminanty a látkami Rozpad a rozklad:  Chemická stabilita  Biodegradace  Persistentní látky – 239Pu: poločas rozpadu 24 000 let  Biokoncentrace - DDT Chování kontaminantů v prostředí Chemick á látka Vstup do prostřed í Osud v prostřed í Účinek na prostředí Účinek na živé organism y Chemické látky v prostředí Chemick á látka Vstup do prostřed í Osud v prostřed í Účinek na prostředí Účinek na živé organism y Chemické látky v prostředí Výskyt v prostředí = potenctiální možnost transferu do lidského organismu. Je nutné stanovovat celoživotní expozici včetně prenatálního období. Vlivy na zdraví se mohou porjevit v pozdějším věku. Celoživotní expozce Toxikologicky významné látky kolem nás Pesticidy Zplodiny spalovacích procesů Prostředky osobní péče (PCP) Obaly Těhotenství Dětství Reprodukční věk Střední věk StáříPuberta Expozice Odpady SUNSCREENS Textil The Chemical Universe Potenciální chemický vesmír Známé látky – více než 120 000 000 chemických látek Potenciálně existující látky  existující a identifikované chemické látky  existující a ještě neidentifikované chemické látky  látky, které by mohly být potenciálně syntetizovány a přidány ke známému, stále se rozšiřujícímu množství již existujících látek 1060 látek (C, N, O, S)  rozšíření na další heteroatomy (například P a halogeny), množství možných struktur přesahuje naší představivost Známé látky:  Více než 120 milionů chemických látek (org. + anorg.)  Více než 62 milionů sekvencí  Indexovány v CAS Registry  ca 12 000 látek !!! denně Komerčně dostupné látky - ca 14 milionů ca 250 000 látek bylo/je celosvětově regulováno To je pouze 1.8 % z komerčně dostupných látek a méně než 0.5 % ze známého množství chemických látek The Chemical Universe Známý chemický vesmír Metabolity Farmaceutika antibiotika, betablokátory, antiepileptika, analgetika) ~ 50 000 produktů, ~ 2 900 účinných látek Prostředky osobní péče (kosmetika, parfémy (~300), látky pro barvení a úpravu vlasů, UV-filtry) (n=???) Pesticidy (herbicidy, insecticidy,fungicidy…) ~ 1 004 registrovaných účinných látek) Průmyslové chemikálie ( ~ 80 000 registrovaných US EPA, ~ 4 000 neurotoxinů) Tenzidy, detergenty (~ 800 látek) Chemické látky v prostředí Průmyslové chemikálie Zemědělské chemikálie Polutanty globálního dopadu – CFCs, POPs, těžké kovy, radionuklidy, částice Farmaceutika a prostředky osobní péče Látky modulující endokrinní systém Metabolity, degradační produkty Částice, nanočástice Chemické látky v prostředí Vybrané problémy chemického znečištění prostředí Ovzduší: • Znečištění městského ovzduší • Regionální znečištění ovzduší včetně kyselé depozice • Nebezpečné nebo toxické vzdušné polutanty • Radon ve vnitřním prostředí • Znečištění vnitřního prostředí jiné než radon • Radiace jiná než radon • Narušení ozónové vrstvy (freony, NO…) • Globální klimatické změny (CO2, freony, CH4, N2O) Voda: • Vypouštění průmyslových odpadních vod z bodových a plošných zdrojů do povrchových vod • Kontaminovaný kal • Znečištění moří a oceánů z různých zdrojů • Znečištění mokřadů • Znečištění pitné vody chemicky, biologicky, radiačně • Znečištění podzemních vod průsakem ze skládek, septiků, splachem ze silnic, vrtů, podzemních nádrží • Nehody vedoucí ke kontaminaci vod • Ropné znečištění hydrosféry Vybrané problémy chemického znečištění prostředí Půda: • Používání pesticidů a dalších agrochemikálií • Spad z atmosféry • Používání kontaminované vody k závlahám • Používání kontaminovaných kalů z ČOV • Nové toxické chemikálie • Geneticky modifikované organismy Vybrané problémy chemického znečištění prostředí Chemické látky v prostředí Esenciální, nezbytné pro různé životní procesy (vitamíny, aminokyseliny, biogenní prvky Bez zjevných škodlivých účinků (argon, celulóza) nebo jsou snadno nahraditelné jinými (aminokyseliny, cukry) S nežádoucími, negativními vlivy pro některé nebo všechny formy života (těžké kovy – Hg, Pb, Cd, PCDDs/Fs, PCBs..) Chemické látky - > 120 000 000 Chemické látky v prostředí Chemická struktura Biologická aktivita Co znamená přítomnost chemických látek v prostředí pro živé organismy ? Riziko spojené s jejich přítomností – akutní, chronické Hodnocení výskytu chemických látek v prostředí Definice, základní pojmy Škodlivina / polutant Chemická látka přítomná v prostředí v koncentraci vyšší než je přírodní jako důsledek lidské aktivity a mající široké, nežádoucí vlivy na prostředí Cizorodá látka / xenobiotikum Sloučeniny antropogenního původu, přírodě cizí Jed Všechny látky jsou jedy, nic není bez jedovatých vlastností. Je to pouze dávka, která činí z látky jed. Paracelsus, 1493 – 1541 Sekundární toxicita Antropogenní látky v prostředí Od průmyslové revoluce nárůst koncentrací antropogenních chemických látek v prostředí [man-made chemicals] Proč ?? Populační exploze Zemědělství Průmysl Válečné konflikty Kontamince vs. znečištění ̶ Kontaminace = chemická(é) látka(y) jsou přítomny v koncentracích vyšších je přírodní pozadí ̶ Znečištění = chemická(é) látka(y) jsou přítomny v koncentracích způsobujících negativní dopad Co je škodlivé ? Smrt Vážné poškození Vážné onemocnění Genetické mutace Vrozené vady Snížení obranyschopnosti Neurotoxicita Znečištění Kontaminace: • Nevykazue škodlivé účinky Znečištění: • Škodlivé účinky jsou přítomny Mohou to být stejné chemické látky, záviset bude na: • Koncentraci • Organismu • Přítomnosti dalších látek Typy polutantů • Nebezpečné v původní podobě • Látky primárně vstupující do prostředí z určitých zdrojů (bodových, plošných, difuzních) Primární polutanty • Mohou být nebezpečnější než primární • V jednotlivých složkách prostředí vznikají přeměnou látek primárně emitovaných • biologické procesy • chemické reakce Sekundární polutanty Toxicita (toxicity) • schopnost látky poškozovat živý organismus, je dána jejími fyzikálně-chemickými vlastnostmi Expozice (exposure) • proces, při kterém organismus přichází do styku s látkou a při kterém lze předpokládat přestoupení hranice organismu. • expoziční cesty (inhalační, perorální, dermální..) Definice, základní pojmy Definice, základní pojmy Dávka (dose) • množství látky vstupující do organismu během expozice vztažené na jednotku tělesné hmotnosti a jednotku času (např. mg.kg-1.d-1) Účinek (effect) • Výsledek interakce chemické látky s živým organismem • kvalitativní pojem (hepatotoxický, genotoxický…) Odpověď (response) • měřitelná míra téhož (změna aktivity některého jaterního enzymu..) Vztah dávka – účinek (dose - response curve) NOAEL: Je to nejvyšší (dávka), při které nebyl zjištěn žádný pozorovaný nepříznivý účinek. LOAEL: Je to nejnižší dávka, při které byl zjištěn pozorovaný škodlivý účinek Křivka dávka - odpověď Expozice Expozice Rostlinné polymery Energie CO2 Rostlinné živiny NH4 + NO3 - SO4 2- H2PO4 - Vymývání??? CO2 H2O O2 Metabolismus O2 H2O Metabolismus O2 H2O Mikrobiální atak Kontaminace Cyklus kontaminantů Cesty kontaminace a expozice Fyzikální, chemické a biologické mechanismy řídící migraci polutantů [C.W.Fetter, 1999] Příklady: • Vstupy chemických látek z půd (vymývání) • Transport vodou v nasycených a nenasycených půdních zónách • Tok volné fáze (LNAPL migrace) • Sorpce • Biodegradace Koncentrace a účinky akutní – expozice vysokou koncentrací toxické látky chronický – opakovaná, dlouhodobá expozice relativně nízkými koncentracemi genotoxický – ovlivnění genetické informace (mutagenní, teratogenní, karcinogenní) Expozice Hodnocení rizik Účinky Atmosférická deposice Eroze & odtok Nečištěné výtoky Předpovídaná expoziční koncentrace (PEC) Laboratorní (a terénní) studie Testy ekotoxicity Předpovídaná koncentrace bez účinku (PNEC) WWTP Persistence Nejčastěji se vyjadřuje pomoci poločasu života (t1/2), tedy doby, kdy koncentrace sledované látky klesne na polovinu původní hodnoty v dané složce prostředí. Environmentální persistence – představuje odolnost látky vůči rozkladu – chemickému, fotochemickému, termickému, biochemickému – charakterizuje dobu setrvání (života) chemické látky v prostředí. Persistence Persistence za daných environmentálních podmínek závisí na: vlastnosti dané sloučeniny vlastnosti dané složky prostředí - intenzita slunečního světla - koncentrace hydroxylových radikálů - složení mikrobiálních společenstev - teplota… 37 Biodostupnost Biodostupnost (bioavailibility) – chemická látka je biodostupná, když může být přijímána organismem z okolního prostředí (voda, sedimenty, půdy, potrava..). Je funkcí vlastnosti dané sloučeniny (forma výskytu, polarita, rozpustnost ve vodě..) a fyzikálních a chemických vlastností prostředí, ve kterém se nachází (sorpce..). Adapted from: Semple et al., 2004, ES&T 38: 209A žížala Kořeny rostlin Mikroorganizmy Omezená dostupnost Biodostupná Nedostupná Problém pomalého rozkladu látek Omezená biodostupnost hydrofóbních organických látek (bioconcentration) – je proces, během kterého dochází k akumulaci chemické látky přímo ze zevního prostředí do živého organismu jako výsledku simultánního příjmu a vylučování. Define footer – presentation title / department39 Biokoncentrace Biokoncentrace proces, během kterého jsou chemické látky akumulovány organizmy přímo z okolního média nebo prostřednictvím kontaminované potravy. Define footer – presentation title / department40 Bioakumulace Biokoncentrace Define footer – presentation title / department41 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, • procesy vedoucí k nahromadění látky v organismu jsou výsledkem procesu daného příjmu a eliminace látky. Bioobohacování Bioobohacování (biomagnification) – tento proces popisuje transfer látky z potravy do konsumenta tak, jak residuální koncentrace narůstají z jedné trofické úrovně do další. Bioobohacování je ovlivňováno řadou faktorů: • vlastnostmi bioakumulované sloučeniny • počtem trofických úrovní, • druhem organismů tvořících potravní řetězce, • schopností organismu metabolizovat danou látku • koncentrací látky na každé úrovni Environmentálně nebezpečná chemická látka Chemický prvek nebo sloučenina, které mohou být nebezpečné přírodnímu prostředí již v malých koncentracích, protože jsou toxické, mohou být odolné vůči různým formám rozkladu, mají tendenci ke kumulaci v abiotických i biotických složkách prostředí. Nejproblematičtější vlastnosti z hlediska možného nebezpečí pro životní prostředí: • toxicita • persistence • schopnost kumulace a bioakumulace • schopnost dálkového transportu • produkce v určitém množství • určitá environmentální hladina 44 Environmentálně nebezpečná chemická látka CCl Cl CCl3 H Globální transport Globální transport Osud (fate) chemické látky v prostředí zahrnuje: • vstup do jednotlivých složek prostředí během produkce a spotřeby • transport danou složkou prostředí, event. kumulace v této složce • přechod do jiné složky prostředí přes mezifázové rozhraní • transport novou složkou a další přechody – koloběh prostředím • chemické, biochemické, fotochemické, termické reakce v prostředí, vznik metabolitů a reakčních produktů vedoucích k sekundárnímu znečištění 47 Osud chemické látky v prostředí Biodegradace Mikrobiální aktivity Degradace přítomných Přírodních látek Příznivé podmínky prostředí Nepříznivé podmínky prostředí Akumulace Rašelinové půdy Uhlí Surová ropa (Znečištění ???) Proč ?? Evoluce biopolymerů a organických látek Velmi pomalý proces Paralelní evoluce mikrobiálního katabolismu Miliardy let Degradace přírodních látek 50 Distribuce chemických látek v prostředí Výsledkem je všudypřítomnost chemických látek v prostředí, jejich koloběh prostředím, možný globální výskyt a možné vlivy na organismy, jejich populace, společenstva a ekosystémy