KÖRNYEZETTOXIKOLÓGIA. Vegyi anyagok a környezetben mérhető paraméterek Toxicitási tesztek osztályozása I.

Átírás

1 KÖRNYEZETTOXIKOLÓGIA Vegyi anyagok a környezetben mérhető paraméterek Toxicitási tesztek osztályozása I. Feigl Viktória, Molnár Mónika szeptember 12. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudományi Tanszék

2 Előadás tematika Definíciók Környezettoxikológia (ism.), vegyi anyag, xenobiotikum, szennyezőanyag, toxikus anyag, toxicitás Vegyi anyagok a környezetben A környezettoxikológia funkciói (ism.) A vegyi anyag és a környezet kölcsönhatásának mérhető paraméterei Vegyi anyagok aktuális toxicitása, környezeti minták környezettoxikológiai tesztelése Környezettoxikológiai tesztek osztályozása (I. rész) Page 2

3 DEFINÍCIÓK Környezettoxikológia: A környezettoxikológia a vegyi anyagoknak az ökológiai rendszerek szerkezetére és funkciójára gyakorolt (káros) hatását vizsgálja. Vizsgálja az ökoszisztémára és az emberre gyakorolt káros hatásokat. Mérési, tesztelési módszerei fizikai, kémiai és biológiai végpontok alapján következtet a káros hatások nagyságára. Teljes ökoszisztémák minden részletére kiterjedő vizsgálata nem lehetséges, ezért kiválasztott, jellemző fajok vagy laboratóriumi tesztorganizmusok válasza alapján következtetünk az ökoszisztéma egészére. Page 3

4 DEFINÍCIÓK Vegyi anyag: Vegyi úton előállított vagy átalakított anyag, melyet kémiai sajátságai miatt gyártunk és használunk fel. Elem vagy vegyület, szerves vagy szervetlen, természetes vagy természetidegen, természetből nyert és átalakított vagy szintetikusan előállított vegyi anyag. A vegyi anyag környezeti kockázata veszélyességéből és a környezettel való kölcsönhatásából adódik, nagysága a vegyi anyag környezeti koncentrációjának és az ártalmatlan koncentrációnak a hányadosa. Xenobiotikum: Környezetidegen, nem természetes, ember által szintetizált vegyi anyag. Page 4 VESZÉLY KOCKÁZAT

5 DEFINÍCIÓK Szennyezőanyag: A környezetben a szennyezettségi határérték felett fordul elő. Hatását tekintve veszélyes elem, vegyület v. anyag, amely az adott közegben (talaj, víz, levegő) természetes körülmények között nem fordul elő vagy a természeteshez képest más eloszlásban fordul elő. Fizikai, kémiai, biológiai vagy radiológiai hatása veszélyezteti a környezetet és az emberi egészséget. - CHC: chlorinated hydrocarbons. - PAH: polycyclic aromatic hydrocarbons. - BTEX: aromatic hydrocarbons. Page 5

6 DEFINÍCIÓK Toxicitás Page 6 Tágabb értelemben egy anyag káros (mérgező) hatása egy biológiai szervezetre. Toxikus anyag Lehet szerves vagy szervetlen vegyület, vagy elem, amely a káros biológiai hatást kiváltja. Vegyi anyag vagy természetes anyag: botulinum toxin (Clostridium botulinum) aflatoxinok (mikotoxin, Aspergillus flavus) növényi toxinok (pl. amigdalin - mandula) állati venomok

7 Vegyi anyagok kölcsönhatása a környezettel és a környezettoxikológia három fő funkciója A vegyi anyag kölcsönhatásának leírása az élőlény aktív helyével A hatás helye, receptor Fiziológia és viselkedés Közösségi paraméterek Vegyi anyag bekerülése a környezetbe Ökoszisztémára gyakorolt hatások Biotranszformáció A vegyi anyag sorsának és transzportjának leírása Biokémiai paraméterek Populációs paraméterek A vegyi anyag ökoszisztémára gyakorolt hatásainak leírása és jellemzése Page 7

8 A vegyi anyag és a környezet kölcsönhatásának mérhető paraméterei az egyes szinteken (példák!) Vegyi anyag bekerülése a környezetbe Kémiai szerkezet QSAR Quantitative Structure-Activity Relationship Page 8 A hatás helye, receptor DNS, RNS Membrán receptor Kulcsenzimek Biokémiai integritás Biotranszformáció / biodegradáció / bioakkumuláció Enzim indukció Glutation-S-transzferáz Vegyes funkciójú oxidázok Hidrolázok DNS javító enzimek Fiziológia és viselkedés Lézió, nekrózis Daganatképződés Teratogén hatások Szaporodóképesség Viselkedés megváltozása Kompenzáló viselkedés Pusztulás Biokémiai paraméterek Stresszfehérjék termelése Anyagcsere-indikátorok DNS sérülés Kromoszómasérülések Adenilát energiaállapot változása Acetilkolin-észteráz gátlás Metallothionein termelés Immunszupresszió Közösségi paraméterek Szerkezet Diverzitás Stabilitás Energia átvitel hatékonysága Szukcesszió állapota Kémiai paraméterek Populációs paraméterek Sűrűség Produktivitás Párzás sikeressége Genetika struktúrák változékonysága Kompetíció Ökoszisztémára gyakorolt hatások Fajok összetétele és eloszlása Anyagcsere Elemkörforgalom A táj megváltozása

9 A kölcsönhatás szintje a vegyi anyag 0. Vegyi anyag fizikai-kémiai tulajdonságai Kémiai struktúra meghatározza a molekuláris szintű hatást Fizikai-kémiai tulajdonságok és az észlelt toxicitás közötti különbségek: QSAR Quantitative Structure-Activity Relationship. Toxikus anyagok tulajdonságainak (megoszlás, biodegradálhatóság, bioakkumulációra való hajlam stb.) és környezeti hatásainak előrejelzése matematikai modellekkel. Alapja: analógia ismert toxikus anyagok struktúrájával és toxikus hatásával Xenobiotikumok ált. természetben előforduló, normál metabolizmusban részt vevő vegyületeket utánozzák (pl. Cd Zn) QSAR E-learning: Page 9

10 Page 10 A kölcsönhatás szintje környezetbe kerülés 1. A vegyi anyag bekerülése a környezetbe: Biotranszformáció: új vegyület, toxicitás átalakítása, csökkentése (növelése) Biodegradáció: lebontás, mineralizáció Bioakkumuláció: felhalmozódás az organizmusban, szövetekben (pl. máj tüdő, vese, csontok), ált. lipofil vagy perzisztens vegyületek (pl. PCBk, halogénezett peszticidek) Paraméterek: Enzim indukció (specifikus enzimek) Glutation-S-transzferázok (antioxidáns rendszerekben, xenobiotikumok detoxifikálása) Kevert funkciójú oxidázok (detoxifikáló enzimrendszer, két különböző szubsztrát oxidálása egyidejűleg) Hidrolázok (detoxifikáció) DNS javító enzimek (adaptáció)

11 A kölcsönhatás szintje a hatás helye 2. Kölcsönhatás a hatás helyével (receptorral) DNS/RNS Membrán receptorok (sejtmembrán, sejtszervecskék membránja) Ellenanyagok Kulcs enzimek (enzimek, kofaktorok, koenzimek, pl. idegrendszer) Nem specifikus: biokémiai integritás (pl. narkotikumok a sejtmembrán tulajdonságait változtatják meg) Bioszenzorokban Page 11

12 A kölcsönhatás szintje - molekulák 3. Biokémiai paraméterek (molekulák szintje) Stresszfehérjék termelése (más fehérjék védelme) Anyagcsere indikátorok (enzimműködések) DNS sérülés (pl. DNS addukt rákkeltő anyaghoz kovalensen kötődő DNS szakasz, genotoxikus anyagok által okozott lánctörés, mutagének által okozott mutációk) Kromoszóma mutációk (citogenetikai vizsgálatok, pl. kromoszóma törés, mikronukleusz, triszómia) Page

13 A kölcsönhatás szintje - molekulák 3. Biokémiai paraméterek (molekulák szintje) (folyt.) Acetilkolin-észteráz gátlás (szinaptikus jelátvitel befejeződését gátolja; mérgek, idegrendszert károsító anyagok, rovarirtószerek) Adenilát energiaállapot megváltozása (ATP, ADP és AMP koncentrációk) Metallothionein termelés (fiziológiailag fontos ionok Zn, Cu, Se és xenobiotikumok Cd, Hg, Ag, As, egyéb nehézfémek felvételében, transzportjában és ezek szabályozásában játszanak szerepet) Immun szupresszió (az immunrendszer aktiválhatóságának vagy hatékonyságának csökkentése makrofágok, ellenanyagok) Page 13

14 A kölcsönhatás szintje - egyed 4. Fiziológiai és viselkedési paraméterek (egyed szintje) Lézió és nekrózis (szövettani vizsgálatok, szövetek károsodása betegség vagy trauma által, sejtek idő előtti elhalásával járó sejtsérülés) Látható károsodások (pl. általános morfológiai változások, állatokban csontok deformációja, szervek sérülése, bőrsérülések, kiütések, anémia, növényekben klorózis, biomassza mennyiségének változása) Karcinogén hatás (rákkeltő hatás, tumorok) Teratogenikus hatások (leszármazottak károsodásai) Szaporodás sikeressége (leszármazottak termékenysége és fejlődése) Viselkedés változás Mortalitás (halálozás) Kompenzáló magatartás Page 14

15 A kölcsönhatás szintje populáció, közösség, ökoszisztéma 5. Populációs paraméterek Populáció sűrűsége (pl. fiatalabbak érzékenyebbek életkor eloszlás változása) Produktivitás (biomassza) Párzás sikeressége Genetikai struktúra megváltozása (pl. marker allélek frekvenciája) Versengések megváltozása (pl. xenobiotikum, mint szénforrás kompetitív előny) 6. Közösségi paraméterek Struktúra (de! dinamikus és sztochasztikus paraméterek) Diverzitás (fajok száma, csökkenés stressz) Energia átvitel hatékonysága Stabilitás (diverzebb közösség stabilabb és egészségesebb) Szukcesszió mértéke (pionír állatok és növények növekvő komplexitás stabil közösség) Kémiai paraméterek 7. Ökoszisztéma paraméterek Diverzitás és a fajok eloszlása Anyagcsere Elemek körforgása (pl. tápanyagok bevitele eutrofizáció) Page 15 A táj megváltozása

16 Ökológiai folyamatok tér-idő diagramja (Landis és Yu, 1999) Page 16

17 Vegyi anyagok aktuális toxicitása a környezetben Aktuális toxicitást befolyásolja: Mozgékonyság, hozzáférhetőség kölcsönhatás a szennyezőanyagok, ill. a szennyezőanyag és a környezeti mátrix között illékonyság, oldhatóság, abszorbeálódóképesség (oktanol-víz megoszlási hányados, szilárd-folyadék megoszlási hányados) A szennyezőanyag és toxicitása megoszlik környezeti elemek fázisai között Direkt kontakt/interaktív tesztek Biodegradálhatóság, bioakkumulációra való hajlam kölcsönhatás a szennyezőanyag és a bióta között Erős kötődés + rossz biodegradálhatóság: kémiai időzített bomba Integrált megközelítés: fizikai-kémiai jellemzők + biológiaiökotoxikológiai jellemzők, helyszín specifikus kockázat. Page 17

18 Tesztegyüttes fémekkel szennyezett kertek talajának részletes helyszínspecifikus szennyezettség-felmérésére TalajTesztelő Triád A toxikus fémekkel szennyezett terület talajának részletes állapotfelmérésére Fizikai -kémiai és kémiai analitikai módszerek A talajtulajdonságok és a talaj összes és mozgékony fémtartalmának jellemzésére Biológiai módszer a bioakkumuláció jellemzésére Környezettoxikológiai tesztek A talaj toxikus hatásának jellemzésére Királyvizes feltárás (HCl:HNO 3 =3:1) Összes fémtartalom ICP Lakanen-Erviö kivonat Ammónium-acetát+ecetsav+EDTA Növények által felvehető ICP Acetátos kivonat ecetsav ph=4,5 Mobilis fémtartalom ICP Vizes kivonat ICP Bioakkumulációs teszt A növények által felvehető fémhányad mérésére (Növények fémtartalmának mérése salétromsav+h 2 O 2 feltárás ICP-AES-el) Talajtulajdonságok ph, redox, EC, CaCO 3, N-, P- és humusz-tartalom Kiskerti növények fémtartalma Salétromsav + H 2 O 2 feltárás ICP-AES Dehidrogenáz enzimaktivitásgátlási teszt (bakteriális tesztorganizmus) Azomonas agilis Biolumineszcencia gátlási teszt (bakteriális tesztorganizmus) Vibrio fischeri Gyökér- ill. szárnövekedés gátlási teszt (növényi tesztorganizmus) Sinapis alba Page 18

19 Szénhidrogénekkel szennyezett terület remediációt megalapozó felmérésére alkalmazott módszeregyüttes TalajTesztelő Triád A szénhidrogénekkel szennyezett terület remediációt támogató részletes felmérésére Kémiai analitikai módszerek A szennyezettség jellemzésére a talajban és a talajvízben Biológiai vizsgálatok A talajökoszisztéma, talajaktivitás jellemzésére Környezettoxikológiai tesztek A talaj toxikus hatásának jellemzésére Talaj ultrahangos extrakciója hexán-aceton (2:1) eleggyel Extraktum gravimetriával Talajvíz extrakciója n-pentánnal extraktum gravimetriával Talaj aerob heterotróf telepképző sejt számának meghatározása Biolumineszcencia-gátlás vizsgálata Vibrio fischeri bakteriális tesztorganizmussal Talajból összes extrahálható szénhidrogén (EPH) GC alkalmazásával Talajvízből összes extrahálható szénhidrogén (EPH) GC alkalmazásával Talaj szénhidrogén biodegradáló sejtkoncentrációjának mérése Szaporodás-gátlás vizsgálata Tetrahymena pyriformis állati egysejtűvel Talajmikroflóra dehidrogenáz enzim aktivitásának mérése Talajlégzés mérése statikus rendszerben (zárt palack teszt) Page 19 Talajlégzés mérése dinamikus rendszerben (levegőztethető oszloreaktorban)

20 Környezeti minták tesztelésének problémái Környezeti minták tesztelésének problémái: Szennyezőanyagok keveréke: szinergizmus, antagonizmus Kölcsönhatások: szennyezőanyagok, mátrix és a biota között Biotranszformáció: termékek hatása Biodegradáció Vizsgált közeg: extraktum, teljes talaj Hozzáférhetőség: eltérő fizikai-kémiai és biológiai hozzáférhetőség A környezeti minta biotikus és abiotikus tulajdonságai befolyásolják az eredményt Az analitikai program csak a szennyezőanyagok kis hányadát tartalmazza Page 20

21 Környezeti minták ökotoxikológiai tesztelése Az ökotoxikológiai tesztelés megoldás a problémák egy részére Integrálja a toxikus anyagok kölcsönhatásait Integrálja a szennyezőanyag és a mátrix kölcsönhatásait A szennyezőanyag biológiailag hozzáférhető részét méri Kémiai analitikai módszerrel nem kimutatható anyagok hatását is méri Az analitikai programba be nem vett veszélyes anyagok hatását is méri Ökotoxikológiai tesztekkel szemben támasztott követelmények Ökológiai relevancia, környezeti realitás Reprodukálhatóság Megbízhatóság Érzékenység Page 21

22 Ökotoxikológiai tesztek osztályozása Fajok száma Tesztorganizmus rendszertani besorolása Tesztelendő ökoszisztéma Vizsgált környezeti elemek és fázisok Expozíciós szcenárió Tesztelés célja Teszt időtartalma Teszt típusa Mérési végpontok Page 22

23 Ökotoxikológiai tesztek osztályozása Fajok száma szerint - Egy fajt alkalmazó teszt - Jól ismert, kontrollált forrásból - Több fajt alkalmazó teszt (mikrokozmosz, mezokozmosz, szabadföldi vizsgálatok) - Kölcsönhatás a fajok között A tesztorganizmus rendszertani besorolása - Baktérium - Alga - Protozoa - Gomba - Növény - Állat - Több faj együtt Page 23

24 Mikroszkópikus méretű tesztorganizmusok (példák) Baktériumok Pseudokirchneriella subcapitata Algák Aliivibrio fischeri Chlorella vulgaris Protozoák Page 24 Tetrahymena pyriformis Scenedesmus subspicatus

25 Növények (példák) Sinapis alba (fehér mustár) Lemna minor (apró békalencse) Lepidium sativum (kerti zsázsa) Sinapis alba réz-oldatban, növekvő koncentráció balról jobbra Page 25

26 Állatok (példák) Thamnocephalus platyurus Daphnia magna (vizibolha) Heterocypris incongruens Folsomia candida (Collembola) Page 26

27 Táplálkozási láncok trófikus szint Trófikus szint: az organizmus táplálkozási láncon belül elfoglalt pozíciója. Környezeti minták tesztelése: ált. három különböző trófikus szintről származó tesztorganizmussal napfény Autotrófok/ elsődleges termelők Növényevők/ elsődleges fogyasztók Húsevők I/ másodlagos fogyasztók Húsevők II/ harmadlagos fogyasztók Lebontók Page 27 légzési veszteség hulladékanyagok tápanyagfelvétel anyagcsere során

28 Folytatás következik Köszönöm a figyelmet!