ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΡΥΠΩΝ ΣΤΑ ΟΙΚΟΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

Εισαγωγή n Αρχαιότερο απολίθωμα, το Eobacterium isolatum. Ήταν προκαρυώτης όπως τα βακτήρια. Απλό κύτταρο χωρίς οργανίδια. Δημιουργούσε οργανικά μόρια από CO 2 και H 2 S χρησιμοποιώντας ενέργεια από τον ήλιο. n Θειοβακτήρια που ζουν σε συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας και πίεσης γύρω από ηφαίστια.

n Από βακτήρια δημιουργήθηκαν περισσότερο πολύπλοκοι οργανισμοί. Πρώτα τα απλά φυτικά και ζωϊκά κύτταρα που ήταν ευκαρυωτικά. Μετά εξελίχθηκαν σε πολυκύτταρους οργανισμούς.

Οργάνωση τροφικών πλεγμάτων n Ο άνθρωπος θεωρείται πρωτογενής καταναλωτής όταν τρέφεται με φυτά, δευτερογενής όταν τρέφεται με φυτοφάγα ζώα και τριτογενής όταν τρέφεται με σαρκοφάγα. n Η έννοια του τροφικού πλέγματος σχετίζεται με τη μεταφορά ενέργειας και διέπεται από τους νόμους της θερμοδυναμικής.

Πρώτος νόμος θερμοδυναμικής n Η ενέργεια μπορεί να μεταβληθεί από τη μία μορφή στην άλλη, αλλά δεν μπορεί να δημιουργηθεί ή να χαθεί. n Η ηλιακή ενέργεια μπορεί να μεταβληθεί σε μηχανική, θερμική ή χημική ενέργεια. n Το φυτοφάγο ζώο με τη τροφή θα πάρει χημική ενέργεια και με τα ένζυμά του θα εξασφαλίσει την ενέργεια για τη συντήρησή του με την αναπνοή. n C 6 H 12 O 6 +O 2 6H 2 O+6CO 2 +ενέργεια

Δεύτερος νόμος θερμοδυναμικής n Καμιά διαδικασία, ακόμα και της μεταφοράς ενέργειας δεν γίνεται χωρίς να υπάρχει διαβάθμιση. n Η απώλεια της ενέργειας ως θερμότητα είναι ένας σημαντικός παράγοντας για την μη επαρκή μεταφορά στην τροφική αλυσίδα. n Η μη επαρκής μεταφορά της ενέργειας είναι επειδή η τροφική αλυσίδα παρουσιάζεται σαν πυραμίδα, διότι η τεράστια βιομάζα των οργανισμών στη βάση της είναι απαραίτητη για να στηρίξει τη μικρή βιομάζα στην κορυφή.

Η τροφική αλυσίδα n Αποτελεί τη ροή της ενέργειας απευθείας από τους οργανισμούς. n Τα μέλη της τροφικής αλυσίδας παράγουν απόβλητα και τελικά πεθαίνουν, έτσι τροφοδοτούν με τροφή τους αποικοδομητές και κατά τη διάρκεια της ζωής τους και μετά το θάνατό τους. n Η τροφική αλυσίδα των αποικοδομητών ανακυκλώνει την οργανική ύλη και την επαναφέρει σαν ανόργανα συστατικά στο οικοσύστημα.

Τροφική αλυσίδα αποικοδομητών n Η ενέργεια από τα αποικοδομημένα ζώα και φυτά ή τα εκκρίματά τους πηγαίνουν στην τροφική αλυσίδα με την βοήθεια των μικροοργανισμών. Πχ κοπριά.

Αλληλεπίδραση ειδών στην περιβαλλοντική τοξικολογία (1) –Τα δένδρα το καλοκαίρι περιέχουν καταναλώσιμη ύλη (φύλλα) με την οποία οι κάμπιες μπορούν να τραφούν, ενώ τα εντομοφάγα ζώα και πουλιά τρέφονται με τις κάμπιες. Το χειμώνα πεθαίνουν και αποικοδομούνται παράγοντας τροφή για τους αποικοδομητές, οι οποίοι θα παράγουν οργανική ύλη για πληθυσμούς ανώτερων τροφικών επιπέδων. Έτσι δημιουργείται η σχέση των οργανισμών στο τροφικό πλέγμα.

Αλληλεπίδραση ειδών στην περιβαλλοντική τοξικολογία (2) n Αν ένα τοξικό χημικό εμφανιστεί στη βάση της πυραμίδας, θα υπάρχει σε σημαντική συγκέντρωση όταν φτάσει σε υψηλά τροφικά επίπεδα. Είναι αναπόφευκτο ότι οι τριτογενείς καταναλωτές θα υποκύψουν στη τοξική δράση των χημικών πχ το DDT και η δράση του στα αρπακτικά πουλιά.

Συσσώρευση της τοξικότητας του DDT στα αρπακτικά πουλιά

DDT n Το DDT δρα στη κυτταρική μεμβράνη των νευρώνων παρεμβάλλοντας στη μεταφορά ιόντων. Αυτό εμποδίζει την αντλία Na + -K + στη νευροδιαβίβαση, προκαλώντας αυτόματη σύσπαση των μυών, οδηγώντας τελικά στο θάνατο όταν λαμβάνεται σε μεγάλη δόση. n Τα ζώα βασίζονται στην ανταλλαγή ιόντων κατά μήκος της μεμβράνης των νευρώνων για τη δημιουργία διαφοράς δυναμικού.

n Το μόριο μεταβολίζεται αργά. Η ημίσεια ζωή του στη γη είναι 30 χρόνια. Ο κυρίως μεταβολίτης του, το DDE, είναι ακόμα πιο επίμονος. Το DDT και DDE είναι λίγο αποικοδομήσιμα από μικροοργανισμούς, θερμοκρασία και ακτινοβολία. n Έχει μικρή υδατοδιαλυτότητα και είναι πολύ λιπόφιλο και συσσωρεύεται στο λίπος. Επειδή δεν μεταβολίζεται ούτε εκκρίνεται, γι’αυτό αποθηκεύεται στο σωματικό λίπος και συσσωρεύεται στα ανώτερα τροφικά επίπεδα.

Οργανοφωσφορικά παρασιτοκτόνα n Ο μηχανισμός δράσης βασίζεται στην αναστολή της ακετυλοχοληνεστεράσης κυρίως σε έντομα γιατί η νευροδιαβίβαση γίνεται αποκλειστικά χολινεργικά ενώ άλλα ζώα έχουν και άλλες οδούς. n Αποικοδομούνται γρήγορα από βακτήρια εδάφους και από υπεριώδη ακτινοβολία. Η αποικοδόμηση διαρκεί 5-10 μέρες. Δεν έχει εξειδίκευση να θανατώνει μόνο παράσιτα αλλά ίσως και ωφέλιμα έντομα.

TBTO και ψάρια n Το TBTO χρησιμοποιείται στη ναυπηγική σαν χρώμα για την προστασία του σκάφους από την διάβρωση που θα προκαλούσαν τα ασπόνδυλα και φύκη. n Η χρήση του όμως συνδυάστηκε με την αύξηση των αρσενικών ψαριών. Προσεκτικότερη παρατήρηση μας οδήγησε στο συμπέρασμα ότι η δράση του TBTO προκαλούσε αλλαγή φύλου σε ψάρια.

Οργανοχλωριωμένα παρασιτοκτόνα και νυχτερίδες n Προϊόντα που περιείχαν organoclorine, γ-εξαχλωροκυκλοεξάνιο (γ-HCH) χρησιμοποιούνταν για την προστασία της ξυλείας από μύκητες. Πειράματα επιβεβαίωσαν ότι η χρήση του γ-HCH είναι ικανή για την εξόντωση νυχτερίδων.

Νιτρικά και αύξηση φυτοπλαγκτόν n Καταστροφική μόλυνση μπορεί να δημιουργηθεί στην αυξανόμενη συγκέντρωση νιτρικών στην επιφάνεια του νερού εξαιτίας της αλόγιστης χρήσης λιπασμάτων με συνέπεια την αύξηση του πλαγκτόν στις λίμνες. n Επίσης, αυξάνεται και ο πληθυσμός ενός φύκους που παράγει τοξίνες, οι οποίες σε μεγάλες δόσεις προκαλούν θάνατο λόγω της ηπατικής ανεπάρκειας που προκαλούν.

CLEUBUTEROL και άνθρωποι n Η CLEUBUTEROL είναι τοξικό για τον άνθρωπο. Είναι ένας β-αγωνιστής και χρησιμοποιείται στη κτηνιατρική για τη θεραπεία αναπνευστικών προβλημάτων στα άλογα. Σε μεγάλες δόσεις αυξάνει την αναλογία του άπαχου κρέατος ως προς το λίπος και γι’αυτό χρησιμοποιείτο στη βιομηχανία κρέατος. Το πρόβλημα ήταν η ακριβή τιμή του και το γεγονός ότι χρειάζονταν μεγάλες ποσότητες.

Πολυχλωριωμένο διφαινύλιο και ανοσοκαταστολή n Το PCB είχε χρήση σαν χημικό στον ηλεκτρισμό. Είναι πολύ τοξικό και γι’αυτό η χρήση του απαγορεύτηκε. Όμως, η ύπαρξη υπολειμμάτων στο έδαφος, νερό, φυτά και ζώα δηλώνει την μικρή μεταβολισιμότητα του. n Το PCB ενοχοποιείται για πολλές ”ασθένειες", συχνά χωρίς τεκμηριωμένη επιστημονική απόδειξη. Σίγουρο είναι ότι προκαλεί ανοσοκαταστολή.

Κίνδυνος έναντι οφέλους n Κίνδυνος είναι η εγγενής ιδιότητα μιας ουσίας ή μιας δραστηριότητας. Πχ, το NaCN είναι πολύ επικίνδυνο, επειδή σε πολύ μικρή ποσότητα προκαλεί θάνατο. Η πιθανότητα να κινδυνεύσει κάποιος, εξαρτάται από την έκθεση σε αυτό. n RISK = HAZARD * ΕΚΘΕΣΗ

Ασφαλέστερα παρασιτοκτόνα n Η ανάγκη για την προστασία του περιβάλλοντος μας οδήγησε στη δημιουργία ασφαλέστερων χημικών. n Τα OCs ήταν γνωστά για την τοξικότητα τους σε όλα τα ζώα. Η ανάγκη για απόσυρση τους, δημιούργησε την παραγωγή των OPs, τα οποία έχουν μεγαλύτερη μεταβολισιμότητα και επομένως είναι φιλικότερα στο περιβάλλον.

Εντομοκτόνα PYRETHROID n Θεωρούνται ασφαλή εντομοκτόνα νέας γενιάς. Όμως, χρησιμοποιήθηκαν από τους κινέζους 1000 χρόνια πριν σαν αλεσμένα ή κονιορτοποιημένα φύλλα χρυσανθέμου για εντομοαπωθητικά. n Μεταβολίζονται γρήγορα στα θηλαστικά και στα οικοσυστήματα, το οποίο εξηγεί τη μικρή τοξικότητα. n Αυτά τα εντομοαπωθητικά, είναι φιλικά στο περιβάλλον γιατί αποικοδομούνται γρήγορα με φωτόλυση και μικροβιακή διάσπαση.

Έλεγχος τοξικότητας περιβάλλοντος n Τοξικολογικές δοκιμές σε είδη ζώων για την ασφάλεια του νέου φαρμάκου και μετά ελεγχόμενες κλινικές δοκιμές. n Δοκιμές τοξικότητας του νέου φαρμάκου στα είδη που προορίζεται το φάρμακο. n Η εταιρεία παρουσιάζει το προϊόν στις αρμόδιες αρχές μαζί με μια εκτεταμένη αξιολόγηση για την ασφάλεια του φαρμάκου. n Εφόσον εγκριθεί χρησιμοποιείται ως φάρμακο.

n Όταν μελετούμε φάρμακα, ενδιαφερόμαστε για την δράση των φαρμάκων στον άνθρωπο. Όταν μελετούμε την περιβαλλοντική τοξικότητα, ενδιαφερόμαστε για τη δράση κάποιου χημικού σε 10 7 είδη οργανισμών περίπου. Φυσικά δεν θα ξεχάσουμε τους ανθρώπους που αποτελούν μέρος του περιβάλλοντος.

n Αντί να γίνουν δοκιμές σε κάθε είδος, γίνεται δοκιμή αντιπροσωπευτικά σε ένα είδος από κάθε τροφικό επίπεδο. Οι φυσικοχημικές ιδιότητες του μορίου και η σύγκριση της δομής του με χημικές ενώσεις που έχουν γνωστή δράση είναι ένα χρήσιμο εργαλείο πρόβλεψης και απεικόνισης της περιβαλλοντικής δράσης ή αξιολόγησης κινδύνου.

Διαδικασία αξιολόγησης περιβαλλοντικού ρίσκου n Φυσικοχημικές ιδιότητες n Σχέσεις δομής-δραστικότητας (SAR) n Μέθοδος οιστρογονικότητας in vitro μέθοδος δοκιμές in vivo

Δοκιμές τοξικότητας σε ζώα και φυτά n Δοκιμές τοξικότητας βασίζονται σε μεθόδους τροφικού επιπέδου χρησιμοποιώντας αντιπροσώπους από κάθε τροφικό επίπεδο. Οι δοκιμές συγκεντρώνονται σε οικοσύστημα καθαρού νερού, αλλά και σε οργανισμούς που ζουν σε στεριά και θάλασσα για να δώσουν μια καλύτερη ένδειξη μιας εκτεταμένης επίδρασης στις χημικές δοκιμές.

Τροφικό επίπεδο 1 n Τα κοινά φύκη χρησιμοποιούνται για να αντιπροσωπεύσουν το τροφικό επίπεδο 1. n Αναπτύσσονται γρήγορα και είναι εύκολα στην καλλιέργεια. n Οι δοκιμές βασίζονται στη παραγωγή βιομάζας, σε χρονικό διάστημα, με την παρουσία αυξανόμενης συγκέντρωσης του δοκιμαζόμενου χημικού. n Καθορίζεται η συγκέντρωση του χημικού που προκαλεί ελάττωση της ανάπτυξης κατά 50% (ΕC50).

Δοκιμές σε ανώτερα φυτά n Δοκιμές σε βρώσιμα φυτά για να αξιολογήσουμε τις επιδράσεις ελεγχόμενων χημικών πάνω στην ανάπτυξη τους. n Έτσι, αξιολογείται η επίδραση του χημικού στην ανάπτυξη του φυτού και υπολογίζονται τα υπολείμματα που μένουν στο φυτό για την αξιολόγηση του ρίσκου στον καταναλωτή από την επίδραση του χημικού στο φυτό.

n Τρεις παράμετροι υπολογίζονται: η συχνότητα της βλάστησης, η επιμήκυνση ριζών και βλαστών. Τα αποτελέσματα εκφράζονται ως συγκέντρωση του χημικού κατά το οποίο έχουμε επιβράδυνση της ανάπτυξης ή βλάστησης.

Τροφικό επίπεδο 2 n Σε οικοσυστήματα γλυκού νερού χρησιμοποιείται η DAPHNIA και για θαλάσσια η ARTEMIA. Και τα δύο είδη καλλιεργούνται εύκολα στο εργαστήριο. Η ARTEMIA ταιριάζει σε εργαστηριακές συνθήκες γιατί τα αυγά αντέχουν σε συντήρηση και αποθήκευση μεγάλου διαστήματος. Όταν τα συντηρημένα αυγά τοποθετηθούν στο νερό και επωαστούν στους 23 ο C, σε 1 με 2 μέρες εκκολάπτονται και είναι έτοιμα για χρήση. n Στις δοκιμές του τροφικού επιπέδου 2, η παράμετρος που μετριέται δεν είναι η ανάπτυξη αλλά η επίδραση πάνω στο δοκιμαζόμενο ζώο.

Τροφικό επίπεδο 3 n Οργανισμοί από το τροφικό επίπεδο 3 δεν χρησιμοποιούνται σε τοξικολογικές δοκιμές επειδή η φυσιολογία, βιοχημεία και η ανταπόκρισή τους είναι παρόμοια με οργανισμούς του τροφικού επιπέδου 4.

Τροφικό επίπεδο 4 n Εδώ χρησιμοποιούμε τα ψάρια και κυρίως το Salmo gairdneri, που είναι ευαίσθητο ως προς την καθαρότητα του νερού και τη μεγάλη περιεκτικότητα σε οξυγόνο, ή το Lepomis macrochirus. Τα ψάρια είτε εκτίθονται στο χημικό που έχει προστεθεί στο νερό τους ή χορηγείται ατομικά με ένεση ή μέσα στη τροφή του σε διάφορες συγκεντρώσεις.

n Υπολογίζουμε το LC 50, δηλ. τη συγκέντρωση που προκαλεί θάνατο στο 50% του πληθυσμού. Η έκθεση στο χημικό διαρκεί 96h. Γίνεται καταμέτρηση του πληθυσμού κάθε 24h και υπολογίζουμε το LC 50 από το σύνολο των μετρήσεων.

Τροφικό επίπεδο 5 n Οι τεταρτογενείς καταναλωτές βρίσκονται στη κορυφή της τροφικής αλυσίδας και είναι τα είδη που κινδυνεύουν περισσότερο από τις επιδράσεις των ρυπαντών. Δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για πειράματα επειδή είναι σπάνια. n Χορήγηση ως ένεση είτε με προσθήκη στην τροφή του πουλιού. Υπολογίζουμε το LD 50 καταγράφοντας το θάνατο του πληθυσμού ή αξιολογούμε τις βιοχημικές και φυσιολογικές αλλαγές που γίνονται στο πουλί.

Δοκιμασία τοξικότητας εδάφους n Πειράματα σε υδάτινα οικοσυστήματα, αλλά και δοκιμές σε οργανισμούς των χερσαίων οικοσυστημάτων. n Δοκιμασίες συνήθως σε σκουλήκια. Οι δοκιμές με δύο τρόπους: 1) δοκιμή σε εμποτισμένο χαρτί: τα σκουλήκια εκτίθενται για 48h σε διάφορες συγκεντρώσεις του ρυπαντή που έχει εμποτιστεί σε χαρτί. Υπολογίζεται το LC 50, 2) μακροχρόνια δοκιμή σε τεχνητό έδαφος: τα σκουλήκια εκτίθενται σε διάφορες συγκεντρώσεις του χημικού, που βρίσκονται σε τεχνητό έδαφος, για 7 με 14 μέρες. Υπολογίζεται το LC 50.

Γρήγορες οικοτοξικολογικές δοκιμές n Μεγάλο κόστος και δαπάνη χρόνου. n Χρησιμοποιούνται τα “screening test” για μια γρήγορη “εικόνα” των επιδράσεων μιας καινούργιας ένωσης. n Το Microtox βασίζεται στη μέτρηση του φθορισμού του βακτηρίου Photobacterium phosphoreum. Αν έχουμε φθορισμό τότε το βακτήριο είναι ζωντανό αλλιώς έχουμε δυσμενή επίδραση από τον ρυπαντή.