•••Toksyczność•••

Podstawowe pojęcia stosowane w toksykologii:

•Toksyczność ostra - szkodliwe zmiany w organizmach testowych, wywołane oddziaływaniem związku chemicznego (lub ścieków) w krótkim czasie ekspozycji do 96 h, które mogą prowadzić do zaburzeń czynności fizjologicznych, Najczęściej, jako wynik oznaczenia podaje się wartość LE(EC)50-t.

•Toksyczność chroniczna — szkodliwe zmiany w organizmach testowych, wywołane oddziaływaniem związku chemicznego (lub ścieków) w dłuższym czasie — na ogół od 1/10 cyklu życiowego do uzyskania pierwszego pokolenia potomstwa. W testach stosowane są niższe aniżeli śmiertelne stężenia substancji (subletalne). Obserwacje polegają na ocenie zmian aktywności fizjologicznej, np. pokarmowej, rozrodczej, zaburzeń genetycznych i zakłóceń w funkcjonowaniu narządów. Jako wynik oznaczenia j podaje się wartość NOEC-r, LOEC-f, IC-t i EC-t.

•LC (lethal concentration) — stężenie śmiertelne — stężenie toksykanta, tóre powoduje śmierć określonej liczby (wyrażonej w %) osobników badanej populacji, w odniesieniu do czasu trwania ekspozycji, n. LC50-t LC100-t

•EC (effect concentration) — stężenie efektywne — stężenie toksykanta powodujące powstanie jakichkolwiek zmian w organizmach testowych, np. immobilizację (unieruchomienie), hamowanie procesów biochemicznych! i wzrostu. Jako wynik oznaczenia podawane jest stężenie hamujące w 50% dany proces fizjologiczny, w odniesieniu do czasu trwania eksperymentu - EC50-t.

•NOEC (no observed effect concentration) — najwyższe stężenie toksykanta, które w określonym czasie trwania badań nie powoduje żadnych spostrzegalnych zmian w organizmach testowych.

•LOEC (lowest observed effect concentration) — najniższe stężenie toksykanta, które, w określonym czasie trwania badań toksyczności chronicznej lub subchronicznej, wywołuje zmiany w organizmach testowych.

•IC (inhibition concentration) — stężenie inhibicyjne — powodujące obniżenie o określony procent aktywności fizjologicznej organizmów testowycli w badaniach subletalnych (np. IC25).

•TU_a (toxic unit acute) — jednostka toksyczności ostrej ścieków lub ich składników, obliczona ze wzoru 1TU_a = 100/LC50-t, przy czym wstawiona do wzoru wartość LC50 powinna być najniższa spośród uzyskanych danych z testów toksyczności ostrej.

•TU_C (toxic unit chronić) — jednostka toksyczności chronicznej ścieków lub ich składników, obliczona ze wzoru 1TU_C = 100/NOEC-t.

•ACU (acute to chronić ratio) — współczynnik uzyskany ze stosunku toksyczności ostrej do chronicznej, tj. najniższych wartości LC 50 i NOEC (LC50/NOEC). Przyjmuje się, że wartości tego współczynnika są w zakresie 2-10.

•SF (safety factor) lub EF (eztrapolation factor) - współczynnik bezpieczeństwa lub współczynnik ekstrapolacji. Współczynniki stosowane są np. do ekstrapolacji danych toksykologicznych z jednego na wiele gatunków i populacji, z wartości LC(EC)50 i NOEC na wartości stężeń bezpiecznych związków chemicznych dla biocenoz wodnych.

•HTP (hazard toxicity profile) — profil zagrożenia toksycznością. Jest to zbiór dostępnych danych toksykologicznych dla związku chemicznego (lub ścieków), które ułożone są od najwyższych do najniższych LC(EC)50 i NOEC, z uwzględnieniem nazwy bioindykalora i testu.

Procedury wykonywania testów obejmują następujące grupy:

•Testy przeżywalności. Polegają one na oznaczeniu toksyczności ostrej związków chemicznych lub ścieków w stosunku do wybranych przedstawicieli organizmów wodnych na podstawie wartości LC50 po określonym czasie ekspozycji.

•Testy przeżywalności z użyciem młodocianych form bezkręgowców wodnych typu Toxkit. Polegają one na ocenie szkodliwości związków chemi­cznych lub ścieków w odniesieniu do larw wrotków i skorupiaków bezpośred­nio uzyskanych z jaj tzw. spoczynkowych („cyst"). Wynik pomiaru wyrażany jest w wartościach LC(EC)50 po 24 h ekspozycji organizmów. Ponadto, w ra­mach tej grupy testów, przedstawiono metodykę, oceny zmian w rozwoju embrionalnym ślimaków Physa acuta po 8-dniowej ekspozycji jaj ślimaków w roztworach substancji toksycznej. Jako wynik oznaczenia podaje się. wartoś­ci LC(EC)50-8-dniowe (ćwiczenia 4-7).

•Testy wzrostowe. Dotyczą one oceny hamowania wzrostu bakterii, grzy­bów i glonów w zależności od stężenia związku chemicznego lub ścieków po określonym czasie kontaktu z loksykantem na podstawie wartości EC50-/ (ćwiczenia 8- 10).

•Testy enzymatyczne. Polegają one na ocenie hamowania aktywności okre­ślonego enzymu lub grupy enzymów katalizujących badaną w teście reakcje, biochemiczną u wybranych organizmów. Wynik oznaczenia stanowi wartość EC50-t. Wymienione testy toksyczności stanowią podstawę, wyznaczania bezpiecz­nych stężeń związków chemicznych i ścieków dla biocenoz wodnych.

Badania testowe przeprowadza się w dwóch etapach — test wstępny i test właściwy. W teście wstępnym ustala się zakres stężeń substancji chemicznej lub ścieków dla testu właściwego, w którym należy tak dobrać zakres stężeń, aby uzyskać śmiertelność osobników lub jakiekolwiek efekty działania toksykanta w granicach 10-90%, przynajmniej w trzech-czterech kolejnych stęże­niach. Zakres ten pozwala na wyznaczenie wartości LC(EC)50, LOEC, NOEC. W etapie wstępnym najczęściej stosuje się rozcieńczenia związku chemiczne­go lub ścieków w postępie geometrycznym malejącym, o ilorazie postępu q = 10 i q=- 2, a w teście właściwym: q = 1,5; q = 1,3 i q =1,1, Wprowadzaną do naczyń testowych wodę (pożywkę) z hodowlą drobnych organiz­mów należy uwzględnić w obliczeniach stężeń badanego związku.

•woda do badań toksykologicznych:

- o standardowym składzie według opublikowanych procedur

- redestylowana

- dejonizowana

- uzdatniona w biofiltrze

•uzdatniona woda musi mieć:

- zawartość tlenu w temp. 20C nie niższą niż 8 mg na litr

- twardość 2,5 - 5,- mval/l

- odczyn (pH) 7-8

- przeżywalność skorupiaków Daphnia magna do 96h

•testy toksyczności mówią nam / pozwalają na:

-ocenę szkodliwości związków chemicznych; w jaki sposób dana substancja wpływa na organizmy znajdujące się w ekosystemie

-wyznaczenie stężenia bezpiecznego danego związku chemicznego

-aby wybrać produkt, związek o najniższej toksyczności (bo zdarza się, że dwoma liniami technologicznymi można dojść do tego samego produktu, dzięki testom możemy wybrać drogę mniej szkodliwą)

-podczas podczyszczania ścieków metodą chemiczną, by wybrać taką drogę, która najmniej szkodzi środowisku

-badanie ścieków wprowadzanych do środowiska (wyznaczenie bezpiecznego ładunku)

•trucizna - substancja, która po wprowadzeniu powoduje uszkodzenia, zaburzenia procesów fizjologicznych, ewentualnie prowadzi do śmierci.

•wpływ substancji na organizmy warunkują (czyli efekt toksyczny zależy od):

-właściwości fiz - chemiczne związku (temp. parowania, wrzenia, wielkość cząstek, dysocjacja, rozpuszczalność w tłuszczach)

-budowa chemiczna związku (izomery, podstawniki, rodzaje wiązań - potrójne są bardziej niebezpieczne)

-same organizmy (gatunki, płeć, wiek)

-czynniki genetyczne (hormonalne uwarunkowania)

-czynniki osobnicze (np. choroby nerek)

-dieta (wpływa fatalnie na organizm)

-czynniki środowiska (światło, temp)

-droga wchłaniania danego związku

-mechanizmy wiązania danego związku, kumulacji, wydalania

•kryteria organizmów testowych:

-reprezentatywność (musi należeć do ważnej grupy w łańcuchu pokarmowym)

-łatwość hodowli

-organizmy znane biologicznie i fizjologicznie (np. w jakich się warunkach rozwija)

-wrażliwość na zmiany (nie może być oporny)

-stałość genetyczna (nie może ulegać mutacjom)

•możemy być pewni, że test się uda gdy wybrane osobniki będą młode, w tym samym wieku, z tej samej hodowli i w tych samych warunkach testowane

•np. LC-50/24h = 15 mg/l fenolu oznacza, że 15 mg fenolu w 1 litrze wody powoduje śmierć 50% organizmów testowych w czasie 24 h)

•testy maksymalnie 96h bo inaczej organizmy wykitują z głodu, nie ma też szans aby zadane na początku stężenie szkodliwej substancji utrzymało się przez tak długo w normalnym środowisku •wyniki liczymy: z tabelki (na y jest procent śmiertelności, na x - stężenie mg/l), na papierze logarytmicznym (powinna wyjść linia prosta), metodą obliczeniową (parobitową) •badaliśmy wpływ fenolu i parachlorofenolu na larwy ochotka

•badanie tolerancji biocenoz na czynniki abiotyczne środowiska:

•prawo minimum Liebiga - możliwość rozwoju organizmu określa ten składnik, którego jest najmniej. Co oznacza że czynnikiem limitującym rozwój jest ten, którego w środowisku jest najmniej w stosunku do potrzeb organizmów; organizmy będą się rozwijały proporcjonalnie do tego jakiego czynnika jest najmniej

•prawo tolerancji Szelforda - inaczej Zasada Tolerancji Szelforda: możliwość bytowania i rozwijania się organizmów określają minima i maxima danego czynnika, stanowiące granicę tolerancji organizmów na ten czynnik.

•szeroki zakres tolerancji: eury-, wąski: steno-, np. eurytermiczny to taki organizm, który może żyć w szerokim zakresie temperatur

•jak i jakie czynniki wpływają na życie organizmów:

•woda:

-organizmy nie mogą się bez niech rozwijać, wszystkie procesy metaboliczne są od niej uzależnione; stanowi środowisko życia

•makro- i mikroelementy:

-makro: niezbędne do egzystencji związki chemiczne i pierwiastki, które występują w dużej ilości, np. węgiel, azot, fosfor, siarka

-mikro: to te, które są katalizatorami procesów życiowych występują w małych ilościach, żelazo, chlor, miedź, cynk

-duże ich stężenie może być czynnikiem limitującym wzrost

•temperatura:

-zbyt niska zaburza procesy asymilacji i oddychania; wysoka - ścinanie białka; org. wodne mają mniejszy zakres tolerancji na temperaturę

•światło:

-zbyt duże: nadmierne zużywanie energii (bo szybsze oddychanie); warunkuje klimat, dobowe i cykliczne życie organizmów (dzień i noc)

•ciśnienie atmosferyczne:

-czynnik ograniczający dla wodnych szczególnie (?); spadek ciśnienia: nadmierny wzrost aktywności (np. przed burzą)

•wiatr:

-działanie pośrednie; wzrost parowania gleby i ochładzanie; pośrednio wpływa na ilość wody w środowisku

•ciśnienie osmotyczne:

-napięcie wewnątrzkomórkowe (ciśnienie)

•pH

•bioróżnorodność:

•nisza ekologiczne - n-wymiarowa przestrzeń w środowisku, umieszczona w zakresach tolerancji dla wszystkich czynników zarówno abiotycznych jak i biotycznych, umożliwiających życie organizmów danego gatunku

•przestrzeń fizyczna - siedliskom które ma wiele nisz ekologicznych, np. jezioro

•gatunek - wszystkie osobniki o zbliżonych cechach morfologicznych fizjologicznych mogące się ze sobą krzyżować, wydając płodne potomstwo

•populacja - wszystkie osobniki danego gatunku, które w tym samym czasie, występują na określonej przestrzeni i występują między nimi zależności fizjologiczne i rozrodcze

•biocenoza - wszystkie populacje wszystkich gatunków współistniejące ze sobą na danym terenie

•biotop - warunki abiotyczne przestrzeni, w której rozwija się biocenoza

•ekosystem = biocenoza + biotop; jest to zespół czynników abiot. i biotycznych stanowiących układ o określonym przepływie energii i krążeniu materii

•prawo biocenotyczne Thienemanna - wraz ze wzrostem oferty środowiska, czyli jego bogactwa abiotycznego i biotycznego, wzrasta liczba gatunków w nim występujących, przy jednoczesnym spadku liczebności osobników reprezentujących dany gatunek

•różnorodność biologiczna - zróżnicowanie wszystkich organizmów żywych pochodzących z ekosystemów lądowych, morskich i innych wodnych ekosystemów oraz zespołów ekologicznych, których są one częścią. Dotyczy to różnorodności w obrębie gatunkowym, pomiędzy gatunkami oraz ekosystemami.

•zmienność: wewnątrzgatunkowa - bogactwo puli genowej; międzygatunkowa - skład gatunkowy w ekosystemie; ponadgatunkowa - różnorodność ekosystemów, krajobrazów

•przyczyny różnorodności biologicznej: -ekologiczne podstawy różnorodności biocenoz opisał Thienemann formułując prawa biocenotyczne (↑)

•czynniki warunkujące powstawanie bioróżnorodności globalnej:

- dostępność energii

- warunki klimatyczne

- rodzaje siedlisk

- czas w znaczeniu stopnia sukcesji i szerszym - ewolucyjnym

- interakcje między gatunkami

- zaburzenia (np. pożary)

-biocenozy stabilnych środowisk (np. tropikalne lasy deszczowe) mają większą różnorodność gatunkową niż biocenozy podlegające sezonowym lub okresowym zakłóceniom. Również w starszych biocenozach obserwuje się większą liczbę gatunków, niż w nowo powstałych.

•znaczenie różnorodności w biocenozie:

-im większa różnorodność, tym dłuższe łańcuchy pokarmowe i więcej interakcji między organizmami oraz większe możliwości kontroli poprzez ujemne sprzężenia zwrotne, które zmniejszają wahania, a tym samym zwiększają stabilność

•Lampert zaproponował modyfikację rozróżniając w pojęciu stabilności co najmniej trzy formy:

-stałość - niezmienność liczby osobników, biomasy, liczby gatunków, itd. Niekoniecznie polegająca na zachowaniu status quo. Zawierają się w niej również stałe cykle lub trendy. Przyczyną tej stałości może być stałość warunków zewnętrznych i odporność na działanie zakłóceń.

-odporność (bezwładność) - zdolność do utrzymywania niezmienionego stanu lub do zachowania przebiegu cykli lub tendencji w warunkach zakłóceń. Odporność sprzyja stałości, jednak nie jest jej jedynym możliwym źródłem.

-elastyczność (plastyczność) - zdolność systemu do powrotu do stanu wyjściowego lub do odtworzenia wyjściowego przebiegu cykli i trendów po okresowym odchyleniu od stanu normalnego. Elastyczność długofalowa sprzyja zachowaniu stałości.

•metody pomiaru różnorodności:

-różnorodność gatunkowa przejawia się w liczbie gatunków oraz strukturze dominacji, czyli równomierności rozdziału osobników między istniejące gatunki. W środowisku o takiej samej liczbie gat. Większą bioróżnorodnością odznacza się to, w którym rozkład liczebności jest bardziej równomierny. Obydwa elementy są więc równie ważne.

-opracowano wiele wskaźników mówiących o strukturze zbiorowiska, w mniejszym lub większym stopniu uwzględniając oba komponenty. Wykorzystując do obliczeń liczebność lub (gdy występują drastyczne różnice w wielkości między gatunkami) biomasę. W przypadku małych form kolonijnych, gdy odróżnienie pojedynczego osobnika jest trudne, można zamiast liczebności wprowadzić objętość. W praktyce również liczba gatunków jest trudna do określenia i zależy w dużej mierze od wielkości obszaru, jaki poddano badaniom. Dlatego należy stosować te wskaźniki bioróżnorodności, których wartość nie jest zależna od oszacowania liczebności gatunków rzadkich i stabilizuje przy niewielkiej liczbie gatunków.

•badania biologiczne zbiorników wodnych

•zbiornik wodny stanowi ekosystem, który kształtują czynniki abiotyczne i biotyczne:

•czynniki abiotyczne:

-temperatura wody

-odczyn pH

-zawartość związków organicznych, nieorganicznych i gazów

-dostęp światła

•czynniki biotyczne: - biocenoza (producenci, konsumenci i destruenci)

-producenci: rośliny zielone syntetyzujące substancje organiczne, wykorzystywane następnie jako pokarm dla heterotrofów. Na rozwój tych organizmów mają wpływ między innymi: światło, temp, zawartość CO2 i obecność niezbędnych pierwiastków biogennych.

-konsumenci: zwierzęta odżywiające się martwą substancja organiczną, żywymi organizmami roślinnymi, zwierzęcymi i bakteriami. Rozwój tych organizmów uzależniony jest m. in. przez temperaturę, zawartość tlenu, rodzaju i ilości dostępnego pokarmu.

-destruenci: większość bakterii i grzyby, które biorą udział w procesach mineralizacji związków organicznych i dostarczają niezbędnych do rozwoju producentów związków biogennych.

•sukcesja ekologiczna - obserwowane następstwa w występowaniu organizmów.

-pierwotna

Pojawia się w nowo tworzącym się ekosystemie, w którym początkowo następuje rozwój tylko producentów, a po pewnym czasie destruentów i konsumentów.

W sukcesji pierwotnej występuje dominacja producentów nad reducentami, czyli P/R >1. W kolejnych stadiach, w których rozwijają się konsumenci i destruenci stosunek ten maleje dochodząc do P/R = 1. W przypadku zmian spowodowanych ingerencją człowieka może dojść do sytuacji, w której P/R będzie mniejszy od jedności. Taki stan rzeczy prowadzi do zniszczenia życia w wodzie. Dla stosunku P/R większego od jedności - sukcesja autotroficzna, mniejsza od jedności - sukcesja heterotroficzna.

-wtórna

Obserwuje się ją wtedy, gdy została zniszczona równowaga w biocenozie na skutek wpływu czynników zewnętrznych.

•Podział organizmów ze względu na strefy ich bytowania:

-dno i osady denne - organizmy bentosowe. Organizmy te dzielimy ze względu na rodzaj: rośliny - fitobentos i zwierzęce - zoobentos, lub ze względu na wielkość: makro lub mikrobentos

-w toni wodnej występują również biernie unoszone przez wodę organizmy planktonowe: fito i zooplankton, zwane ogólnie biosestonem

-makrofity:

-amfifity - rośliny ziemno-wodne

-helofity - rośliny zakorzenione w dnie, których pędy owocujące znajdują się nad wodą, np. trzcina, pałka wodna, tatarak

-nimfeidy - zakorzenione w dnie, o liściach pływających nad powierzchnią wody, np. grążele

-elodeidy - zakorzenione lub nie o pędach wegetatywnych owocujących, zanurzonych w wodzie, np. moczarki

-isoetidy - rozwijające się na dnie

-pleusteon - pływające na powierzchni lub w toni, niezakorzenione

-peryfiton - organizmy poroślowe zwierzęce i roślinne, zanurzone w wodzie

-nekton - swobodnie pływające zwierzęta, zasiedlające toń wodną, np. ryby

-neuston - organizmy błonki powierzchniowej (epineuston - nad powierzchnią, hiponeuston - pod), np. glony, pierwotniaki, bakterie

•wody dzieli się na:

-lotyczne - wody płynące (głównie rzeki i potoki)

-lenityczne - wody stojące (jeziora i stawy)

•wody lenityczne - wyróżnia się trzy podstawowe strefy:

-strefę litoralną - przybrzeżna strefa, płytka, prześwietlona do dna

-strefę pelagialną - tzw. otwartej wody, dochodząca do głębokości efektywnego przenikania świata

-strefę profundalną - czyli strefę głębokiej wody i dna, pozbawionej światła

•klasyfikacja wód pod względem ich jakości:

-w miarę przebiegu procesu samooczyszczania wody kształtują się strefy tzw. saprobowe, w których stopień zanieczyszczenia ulega sukcesywnie zmniejszaniu

-wyróżniamy 4 strefy saprobowe:

1. strefa polisaprobowa:

Czyli strefa największego zanieczyszczenia. Występują tu związki organiczne takie jak węglowodany, białka, tłuszcze, które w warunkach beztlenowych wlegają częściowemu rozkładowi do produktów pośrednich z wytworzeniem między innymi CO2, siarkowodoru, amoniaku i wodoru. W tej strefie często występuje deficyt tlenowy. W tych warunkach masowy rozwijają się destruenci, bakterie (zoolealne, nitkowate, promieniowce) oraz grzyby. Brak jest roślin zielonych, natomiast mogą być nieliczni przedstawiciele gatunków zwierzęcych: pierwotniaków, robaków.

2. stfera α mezosaprobową

Występuja tu produkty pośrednie rozkładu związkow organicznych m.in. aminokwasy czy alkohole, które ulegają dalszemu rozkładowi. Rozwijają się tu również liczne bakterie m.in. amonitryfikacyjne oraz grzyby, z organizmów zwierzęcych pierwotniaki, robaki i larwyniektórych owadów. Spośród roślin zielonych pojawiają się sinice.

3. strefa β mezosaprobową

Charakteryzuje się przebiegiem procesów biochemicznych w warunkach aerobowych, w wyniku których zachodzi całkowite utlenianie produktów pośrednich rozkładu związków organicznych. W tej strefie dominują autotrofy chemi i foto syntetyzujące. (glony, okrzemki, zielenice, rośliny naczyniowe). Ponadto rozwijają się rozwijają się takie zwierzęta jak ryby, mięczaki, stawonogi.

4. strefa oligosaprobowa

W wyniku pełnej mineralizacji występują głównie związki nieorganiczne, co rzutuje na skład biocenozy. Dominują organizmy autotroficzne jak glony, zielenice, okrzemki, rośliny naczyniowe. Zwierzątka jak w beta mezosaprobowej.

•CHZT - chemiczne zapotrzebowanie tlenu - ilość tlenu jaka jest potrzebna na chemiczne utlenienie substancji chemicznych zawartych w wodzie lub ściekach.

•BZT - biochemiczne zapotrzebowanie tlenu - ilość tlenu jaka jest potrzebna mikroorganizmom do przeprowadzenia procesu biochemicznego rozkładu substancji organizmów chemicznych zawartych w wodzie lub ściekach.

O < BZT/ChZT < 1 (1 - gdy cała substancja chemiczna jest możliwa w całości do rozłożenia)

ChZT jest zawsze większe od BZT

•pobór próbek do badań biologicznych

-do rutynowych analiz biologicznych zazwyczaj pobiera się próbki festonu, bentosu i peryfitonu. Pełny zakres analizy obejmuje ponadto badania neustonu, nektonu i makrofitów.

•przyrządy:

-barometr - seston

-chwytacze dna - bentos

-drapacz - perfiton

•badany zbiornik należy opisać:

-jego rodzaj, głębokość, wielkość, ukształtowanie

-pokrycie roślinnością strefy przybrzeżnej

-charakter zlewni

POWODZENIA!

3

---