Kvalita vod a související rizika pro životní prostředí a člověka Branislav Vrana Výzkumný program: Environmentální chemie a modelování Pracovná skupina: Chemodynamika znečištění životního prostředí RECETOX Přírodovědecká fakulta Masarykova univerzita Brno, Česká republika > A picture containing person, person, wall, wearing Description automatically generated Výzkumný program se dlouhodobě zaměřuje na získávání experimentálních dat o stavu a kontaminaci životního prostředí včetně jeho působení na člověka, modelování transportu a distribuce environmentálních polutantů a jejich akumulace v živých organismech i predikci souvisejících rizik. Page 2 Znečištění vod chemickými látkami •sídla - tuhý a kapalný odpad •průmyslová výroba •zemědělská výroba (hnojiva, pesticidy, odpadní vody) •doprava (exhaláty, ropné produkty) 2 1986: Únik chemikálií do Rýna Photo: Délmagyarország/Karnok Csaba 2000: Únik kyanidu do Tisy 2002: Povodeň na Labi 2010: Protržení hráze odkaliště, Ajka 2012: Únik ropních látek do Dunaje 3 2020: Únik kyanidů do Bečvy Globální znečištění vod chemickými látkami Page 5 Regionální znečištění vod chemickými látkami BSK5-řeky-Evropský trend Amoniak-řeky-Evropský trend Výsledok vyhľadávania obrázkov pre dopyt COV 5 Ekosystém bezobratlí ryby řasy Biologické prvky kvality (BQEs) + podpůrné faktory Ekologický stav: holistický přístup •charakterizuje kumulativní účinek stresorů •Hydromorfologie •Eutrofizace •Teplota, pH •Invazivní druhy •Chemické látky Jaký je stav vod v Evropě dnes? Vodní rámcova směrnice 2000/60/ES 6 A person standing next to a body of water Description automatically generated 7 Co způsobuje nedosažení dobrého stavu vod? •Nové znečišťující látky jsou rozšířeny v prostředí a zahrnují přírodní i antropogenní látky •Mají různou chemickou strukturu a působí na velmi nízkých koncentracích – obtížně chemicky stanovitelné •Mnohé mohou mít závažné důsledky pro volně žijící organismy, neboť mohou být toxické nebo narušovat reprodukci a tím i „evoluční kondici“ •Biologické testy hrají významnou roli v detekci, charakterizaci potenciálního vlivu znečišťujících látek, a hodnocení jejich odstraňování v čistírenských procesech, což je velmi aktuální problematika Autor: Ján Kautman 9 A large body of water with a mountain in the background Description automatically generated Jaký je stav vod v Evropě dnes? •Ve většině evropských řek a jezer není dosaženo dobrého ekologického stavu (Vodní rámcová směrnice 2000/60/ES) • •Chemické látky stále hrají významnou roli ve zhoršování stavu Ekologický stav povrchových vod, 2018 10 Page 11 Chemosféra 70 mil. chemických látek 14 mil komerčně dostupných > 100.000 denně používáno > 10.000 látek ve vzorcích životního prostředí 41 prioritních znečišťujících látek (chemický stav) Jaký je stav vod v Evropě dnes? Ekosystém bezobratlí ryby řasy Biologické prvky kvality (BQEs) + podpůrné faktory 11 Page 12 Chemosféra 70 mil. chemických látek 14 mil komerčně dostupných > 100.000 denně používáno > 10.000 látek ve vzorcích životního prostředí 41 prioritních znečišťujících látek (chemický stav) Jaký je stav vod v Evropě dnes? Prioritní znečišťující látky •typické jsou nepolární persistentní organické látky a těžké kovy •většinou zakáz používání •často nevysvětlují pozorované účinky o • 12 Define footer – presentation title / department 13 Příklad: PCB •POLYCHLOROVANÉ BIFENYLY •Substituční deriváty bifenylu -209 kongenerů •se stupňem chlorace •roste stabilita •klesá rozpustnost ve vodě •roste rozpustnost v tuku •persistentní organické látky •jednotlivé kongenery mají různou toxicitu • Polychlorované bifenyly • PCB: podnik Chemko Strážske r.1959-1984 • Výrobky: Delor, Hydelor a Delotherm (21 000 t) • Použitií: při výrobě transformátorů a kondenzátorů, • nátěrové hmoty, teplonosné kapaliny, aditiva plastů... 14 Bioakumulace PCB ČAS 15 Pieter Brueghel: Velké ryby žerou malé ryby Big Fish Eat Little Fish, After Pieter Bruegel the Elder (Netherlandish, Breda (?) ca. 1525–1569 Brussels), Engraving; fourth state of four Potravní řetězec ve vodním ekosystému 16 Neměly by tu být 4 teploměry? Nebo pokud se ten úplně vpravo vztahuje k té rybě, tak bych ho dala pod ni. 17 PCB a ryby - biomagnifikace Hladina PCB: Srovnání kontaminace PCB Zemplínska Šírava Rybník Jižní Morava 18 Zkoumání vztahu mezi koncentracemi hydrofobních organických kontaminantů (HOC) ve sladkovodních rybách na různých trofických úrovních a ve vodě pomocí pasivního vzorkování 19 Společný průzkum Dunaje: Joint Danube Survey JDS4 A picture containing text, map Description automatically generated Jaký je stav vod v Evropě dnes? A picture containing logo Description automatically generated A person standing next to a body of water Description automatically generated A person that is standing in the snow Description automatically generated A picture containing outdoor, person, building, water Description automatically generated A person standing next to a body of water Description automatically generated A picture containing person, man, outdoor, building Description automatically generated A close up of a wire fence Description automatically generated A close up of a cage Description automatically generated Pasivní vzorkování v Dunaji 2019 logo_norman_petit_foormat A picture containing logo Description automatically generated JDS4: DDT a metabolity ve vodě Výsledky analýz silikonového vzorkovače A picture containing logo Description automatically generated JDS4: Trend znečištění po proudu Dunaje – hlavní skupiny emergentních znečišťujících látek Apparent differences among communal and agriculture pattern of pollution - ongoing dilution of communal/industrial pollution downstream and pesticides jump up at lower stretch of the Danube. A picture containing logo Description automatically generated 24 Organické mikropolutanty ve vodě > 350,000 Chemických látek a jejich směsí na globálním trhu1 1Wang, Z. et al. Environ Sci Technol 54 (2020) 2575–2584 2EU Parliament and Council, Official Journal of the EU L 226 (2013) 1–17 45 Prioritní látky podle Vodní rámcové směrnice2 Nové znečišťující látky Fish with solid fill Seaweed with solid fill Crab with solid fill PPCPs = léčiva, produkty osobní péče pesticidy Průmyslové chemikálie … https://www.norman-network.com/nds/susdat/ Prioritní znečišťující látky •typické jsou nepolární persistentní organické látky a těžké kovy •většinou zakáz používání •často nevysvětlují pozorované účinky Nové „emergentní“ látky •rozšířeny •neregulovány •zřídka monitorovány •většinou polární •nízká účinnost odstraňování na ČOV •směsi •mohou mít vysokou biologickou aktivitu Page 25 Léčiva ØNa trhu cca. 3000 účinných složek ØČeský trh 98 mld. Kč (v cenách výrobců). Ø180,4 mil. balení na předpis Ø84,5 mil. balení volný prodej § § Spotřeba léčiv v ČR v 2022 Výsledok vyhľadávania obrázkov pre dopyt pollution by pharmaceuticals https://www.mpo.cz/assets/cz/rozcestnik/analyticke-materialy-a-statistiky/analyticke-materialy/2024 /2/IQVIA_MPO_Sektorova-analyza-farm--prumyslu-v-CR_Master_24ledna24.docx Vývoj hodnoty farmaceutického trhu s léky na předpis a volně prodejnými registrovanými přípravky v ČR (mld. Kč) Vývoj prodaných balení léků na předpis a volně prodejných registrovaných přípravků v ČR (mil. balení) Léčiva – kde to všechno končí? 26 Boy taking pills - two Boy taking pills - two royalty free vector clipart from CoolClips.com Domácnosti užívání likvidace metabolismus kal a hnůj jako hnojivo až 90% 5% Podzemní voda Povrchová voda výluh rozklad rozklad ČOV •spotřebují se tuny léků •až 90% se vyloučí močí, stolicí, kůží… •jako původní látka nebo metabolit •Čistírny odpadních vod Page 27 Léčiva – kde to všechno končí? •omezené účinnosti odstranění na ČOV •sorpce na kal (různé vlastnosti) •biodegradace na metabolity, nebo až na CO2 •účinnost odstranění 0 –100 % •závisí od struktury látek •hledají se nové postupy odstranění Výsledok vyhľadávania obrázkov pre dopyt kanalizace Page 28 Léčiva a znečištění vod - účinky 28 Súvisiaci obrázok biologické účinky při nízkých koncentracích antibiotická rezistence účinek směsí látek endokrinní disruptory poškození ekosystému chronická expozice persistence nebo pseudo - persistence Monitorování léčiv a pesticidů v odpadní vodě 29 Page 30 Koncentrace léčiv ve vodě na odtoku z ČOV Měření: 100 léčiv v 14 terapeutických skupinách Page 31 Emise léčiv ve vyčištěných odpadních vodách Měření cca 100 léčiv v 14 terapeutických skupinách cca 980 kg/rok Odhad roční emise léčiv z odtoku ČOV Brno-Modřice, 2018 17 12 9 1 7 3 2 1 11 trvalé zvyšování jejich spotřeby na obyvatele koncentrace v životním prostředí se budou pravděpodobně zvyšovat úměrně stárnutí a nárůstu populace Page 32 Léčiva a znečištění vod 32 Výsledok vyhľadávania obrázkov pre dopyt Brno Koncentrace v řekách závisí od účinnosti odstranění na ČOV a ředícího poměru Výsledok vyhľadávania obrázkov pre dopyt Kosice ČOV Košice: 225 000 obyvatel Emise 5.2 kg/den – 1900 kg/rok Průtok na ČOV: 0.7 m3/s Řeka Hornád: 22 m3/s Zdroj: STU Bratislava ČOV Brno: 378 000 obyvatel Emise 0.4 kg/den – 153 kg/rok Průtok na ČOV: 1.0 m3/s Řeka Svratka: 7.68 m3/s Výsledok vyhľadávania obrázkov pre dopyt Bratislava ČOV Bratislava: 500 000 obyvatel Emise ? Průtok na ČOV: 1.2 m3/s Dunaj: 2 025 m³/s Page 33 Opatření na snížení dopadů na životní prostředi •zvyšovat informovanost a podporovat uvážlivé používání léčivých přípravků •vývoj „ekologičtějších“ léčivých přípravků •zkvalitnění hodnocení rizik pro životní prostředí a jeho přezkoumání •omezit plýtvání a zlepšit nakládání s odpady •rozšířit monitorování životního prostředí •odstranit další mezery ve znalostech • • • • Strategický přístup Evropské unie k léčivým přípravkům v životním prostředí Podařilo se dosáhnout pokroku, neboť v současné době se hodnocení rizik pro životní prostředí provádí povinně u všech léčivých přípravků léčivé přípravky jako výrobky jsou osvobozeny od většiny ustanovení všeobecných právních předpisů Unie o chemických látkách látky používané při výrobě léčivých přípravků jsou rovněž osvobozeny, pokud jsou přítomny v konečném výrobku. látky, které byly použity, ale v konečném výrobku přítomny nejsou, podléhají ustanovením o registraci a hodnocení podle nařízení REACH a mohou se na ně vztahovat povolení a omezení A couple of men holding a sign by a river Description automatically generated with low confidence 34 Děkuji za Vaši pozornost! Page 35 Endokrinní disruptory: Důvod intersexuality v rybách? 35 ØSamci ryb jsou ‘feminizováni’ estrogenními látkami ØMnoho látek s estrogenní aktivitou je přítomno ve výpustích ČOV a tak uvolňováno do řek ØSteroidní estrogeny, jak přírodní (např. estradiol, estrone), tak syntetické (např. ethynylestradiol- EE2) jsou pravděpodobně hlavní příčinou https://www.i-senior.cz/wp-content/uploads/P%C5%99ehrada-lipno-cklipno.jpg Page 36 Jak účinný je syntetický estrogen EE2? 36 návrh NEK =35 pg/l = 3,5x10-11 g/l = 0,000000000035 g/l 1 g = 1000 mg 1 mg = 1000 µg 1 µg = 1000 ng 1 ng = 1000 pg Page 37 37 •Které látky mohou být EDC? •Farmaceutika (antikoncepce, léky,…) •Antibiotika •Produkty rozkladu detergentů •Pesticidy (herbicidy, insecticidy, fungicidy...) •Změkčovače plastů •Rostlinné metabolity •Chemikálie z vaření & hoření •Kovy • •Jaké jsou následky disrupce? •Neschopnost udržet homeostázu •Narušení růstu & vývoje •Narušení odpovědi na vnější impulsy •Změny chování •Potlačená gametogeneze •Embryonální malformace •Zvýšená neoplasie nebo karcinogeneze • Endokrinní disruptory - EDC Image result for endocrine disruptor human health effects ppt Fundulus Výsledok vyhľadávania obrázkov pre dopyt pharmaceutical consumption Antropogenní i přírodní látky, které přímo nebo nepřímo ovlivňují hormonální systém a mohou působit na velmi nízkých koncentracích Globální problém: Acidifikace oceánu A close up of a map Description automatically generated Oceány pohlcují oxid uhličitý z atmosféry, a proto stoupá jejich acidita. Globální problém: Acidifikace oceánu A close up of a logo Description automatically generated Odhaduje se, že průměrné pH mořské vody pokleslo od roku 1750 z 8.19 na 8.05, co znamená téměř 40% nárůst koncentrace H+. Acidifikace může způsobit zásadní narušení fungování mořských ekosystémů. Biogeochemické toky dusíku a fosforu Biogeochemické cykly dusíku a fosforu byly lidmi radikálně změněny v důsledku mnoha průmyslových a zemědělských procesů. A picture containing text Description automatically generated Fritz Haber (1868-1934) Eutrofizace •Obohacování vod o živiny- dusík a fosfor •Přirozená – výplach z půdy, rozklad mrtvých organismů •Nepřirozená – lidská činnost (hnojiva, čistící prostředky, průmyslové a komunální odpadní vody • A screenshot of a cell phone Description automatically generated Kde je na Zemi sladká voda? Globální problém: Zdroje sladké vody • Dvě třetiny světové populace (4 miliardy lidí) žijí v podmínkách vážného nedostatku vody alespoň 1 měsíc v roce. Voda je kritickým zdrojem pro udržení života Odhadovaná spotřeba vody porovnání spotřeby vody v roce 2010 a 2030 Přístupná voda se zajištěnou dodávkou v současnosti pochází z více než osmdesáti procent z povrchových zdrojů a z necelých dvaceti procent z podzemních. Poptávka po vodě se bude zvyšovat do té míry, že v roce 2030 bude chybět 2700 miliard krychlových metrů, tedy asi 40 procent globálních potřeb. •Environmentální problémy: Aralské moře Globální problém: Zdroje sladké vody 1989 2014 K nadměrné exploataci dochází, pokud je vodní zdroj těžen nebo extrahován rychlostí, která překračuje rychlost doplňování. Central Asia: Aral Sea Disappearance Cause For Concern Problémy planety a jejich dopady A picture containing sitting, table, animal, white Description automatically generated A close up of a map Description automatically generated Planetární meze Úzký vztah s hydrosférou: •Acidifikace oceánu •Biogeochemické toky fosforu a dusíku •Zdroje sladké vody •Chemické znečištění Planetární meze (anglicky: Planetary boundaries) je koncepce, kterou formuloval Johan Rockstrom se svými spolupracovníky ze Stockholmského ústavu pro výzkum odolnosti (Stockholm Resilience Centre) v r. 2009. Základní článek v časopise Nature má titul „Bezpečný prostor pro lidské aktivity“ (A Safe Operating Space for Humanity). Tento „bezpečný prostor“ je vymezen právě planetárními mezemi. Lidská činnost přitom začala v antropocénu prudce kulminovat a některé meze již překročila. Autoři této koncepce identifikovali 9 mezí, v jejichž rámci by se měli antropogenní aktivity držet, aby se předešlo devastacím ekosystémů, omezování ekosystémových služeb a závažným ekologickým katastrofám. Pro 7 těchto mezí byly stanoveny indikátory a navrženy přípustné hranice, pro 2 z nich (atmosférický aerosol a chemická kontaminace) navržené nejsou, vzhledem k problematičnosti jejich vymezení. Autoři soudí, že tři z mezí již byly překročeny: změna klimatu, biogeochemický tok dusíku a ztráta biodiverzity. Ve všech těchto případech se lidstvo již nepohybuje v bezpečném operačním prostoru. Změna klimatu[editovat | editovat zdroj] Za hlavní příčinu globální změny klimatu byly označeny emise skleníkových plynů, koncentrace jednoho z hlavních skleníkových plynů, oxidu uhličitého se s velkou spolehlivostí měří už od 50. let 20. století. Dnes je v ovzduší o 40% více oxidu uhličitého než okolo roku 1900, asi 389 ppm (parts per million). Vychází se z podrobných měření pravidelně uváděných ve zprávách Mezivládního panelu pro změny klimatu (Intergovernmental Panel on Climate Change - IPCC). Nejvyšší hodnota byla naměřena 4.5.2013, kdy celosvětová koncentrace dosáhla 400 ppm. Oxid uhličitý je brán jako ekvivalent, k němuž se připočtou se všechny další skleníkové plyny podle jejich globálního ohřívacího potenciálu. Stanovená planetární mez je navrhována na 350 ppm. Ztráta biologické rozmanitosti[editovat | editovat zdroj] Jedná se o relativně pomalu běžící proces, nemá zlomové body. Navrhovaným indikátorem je počet druhů, které vyhynou za rok na milion druhů (navrhovaná hranice 10, realita je 100, předindustriální hodnota byla 0,1 – 1). Česká republika je na tom v oblasti biodiverzity velmi špatně. V poslední době se největší pozornost věnuje mořské biodiverzitě, ukazuje se, že značně trpí, především nadměrným rybolovem, mění se tím systém potravního řetězce a vztahy v rámci celého ekosystému, není přesně jasné, k jaké změně dojde, ale jistě to bude mít za následek výrazné ochuzení celé biodiverzity. Biogeochemické toky fosforu a dusíku[editovat | editovat zdroj] Indikátory dusíku, znamená počet, který by měl být z atmosféry odebírán za rok (v miliónech tun), navrhovaná hranice je 35 mil. tun za rok, v současnosti překročeno (je to 121 miliónu za rok). U fosforu je třeba zhodnotit kolik se ho dostává do oceánu. Acidifikace oceánu[editovat | editovat zdroj] Současné pH je 8,1, předindustriální hodnota byla 8,2. Navrhuje se, aby se hranice stanovila podle průměrné nasycenosti aragonitu (hranice by měla být stanovena na 2,75 - pokud by bylo méně než 1, aragonit by se v mořské vodě rozpouštěl, mořské korály jsou rozpouštěny už pokud je to méně než 3, v dnešní době je 2,9) Zdroje sladké vody[editovat | editovat zdroj] Neměla by být větší spotřeba než 4 000 krychlových km/rok, v současné době (2020) je 3 800 krychlových km/rok, předindustriální hodnota byla 415 krychlových km/rok. Chemická kontaminace[editovat | editovat zdroj] Chemickou kontaminací se zabývá např. REACH – (politika EU, která podchycuje výrobu chemikálií). Jsou problémy s prokazováním dopadů zapříčiněných chemickou kontaminací, jelikož se toxicita látek těžko dokazuje.