WYKŁAD 1

Pojęcie toksykologii

• toksykologia jest dziedziną wiedzy, nauką o truciznach

• nazwa pochodzi od greckiego toxon (łuk) lub toxicos (trucizna stosowana do zatruwania grotów strzał) i logos (nauka)

• prekursorem tej dziedziny był Paracelsus, który jako pierwszy opisał właściwości licznych związków tworząc tym samym podstawy tej nauki. To on jest autorem twierdzenia „wielkość dawki czyni truciznę”

Dawka a toksyczność

• toksykologia nie wykształciła jednoznacznego pojęcia trucizny, stosuje się zatem pojęcia substancja skażająca i substancja zanieczyszczająca

• substancja skażająca to taka, która jest czynnikiem powodującym efekty szkodliwe

• substancja zanieczyszczająca to taka, której obecność nie jest naturalna dla danego środowiska, lecz nie powoduje obserwowalnych efektów szkodliwych

• w związku z tym to dawka, a nie tylko sama budowa chemiczna substancji warunkuje toksyczność

• tylko w nielicznych przypadkach znane są skutki oddziaływania substancji na organizmy i środowisko, większość związków chemicznych nie była poddawana badaniom, lub badania trwały krótko

• aby stwierdzić toksyczność substancji należy nie tylko określić jej pochłanialność i akumulację przez środowisko czy organizm. Działanie toksyczne każdego związku musi być powiązane z wywołaniem zmian morfologicznych lub fizjologicznych w organizmie (zarówno w skali mikro jak i makro)

Definicja ekotoksykologii

• Rejner, 1997 – toksykologia to badania substancji w środowisku w aspekcie działania na organizmy w różnych dawkach

• Calow, 1993 – toksykologia to ochrona środowiska przed substancjami syntetycznymi

• Walker, 1996 – toksykologia to badanie szkodliwego działania substancji chemicznych na ekosystemy

• Forbes, 1994 – toksykologia to nauka integrująca wiedzę o zanieczyszczeniach i wiedzę o ich losach w środowisku

• jedyna prawidłowa definicja (pierwsze cztery są nieścisłe lub mylne):

toksykologia to nauka o oddziaływaniach substancji toksycznych na organizmy żywe i w konsekwencji tych oddziaływań ujawniających się skutków na poziomach organizacji organizmów żywych wyższych niż jeden organizm

Współczesne pojęcie ekotoksykologii i jej zadania

• Truhaut w 1969 roku stwierdził, że istnieje potrzeba wyróżnienia nauki zajmującej się zarówno toksynami jak i środowiskiem (toksykologia +ekologia)

• nauka ta została zdefiniowana jako badanie szkodliwych skutków działania związków chemicznych na cały ekosystem

• jest nauką interdyscyplinarną bazująca na naukach biologicznych, medycznych, chemicznych i matematycznych

• poszukuje odpowiedzi na pytania:

  • czy czynnik jest toksyczny?

  • jaka jest jego toksyczność?

  • jakie są konsekwencje ekspozycji na niego?

Podział ekotoksykologii

• ekotoksykologia środowiska

• ekotoksykologia człowieka

Przyczyny zatruć u ludzi

• leki – narkomania, lekomania, doping

• zawód – przemysł, składowanie, obrót

• rozmyślność – samobójstwa, morderstwa

• żywność – naturalne toksyny drobnoustrojowe

• pestycydy – ochrona upraw, żywność

• środki gospodarcze – chemikalia, tworzywa, kosmetyki

• biosfera – powietrze, gleba, woda

Skala użycia pestycydów w Europie

• największe we Włoszech, Francji, Hiszpanii, Węgrzech i Grecji

• najmniejsze w niektórych krajach bałkańskich

• w Polsce kształtuje się na niskim poziomie

Metodyka badań ekotoksykologicznych

• badania muszą być prowadzone w długiej skali czasu (20, 30 lat) w celu określenia pełnego efektu danych związków – niektóre z nich ujawniają toksyczność po wielu latach

• przykładem jest monitoring występowania ptactwa leśnego i tego związanego z rolnictwem po zastosowaniu pestycydów w celu ochrony roślin

  • po kilku latach ptactwo związane ze środowiskiem rolniczym wykazywało załamanie się populacji

  • ptactwo leśne wykazywało oznaki fluktuacji liczebności, lecz były to zmiany niespowodowane działaniem danej substancji lub jej efekt na to był marginalny

Znane katastrofy ekotoksykologiczne

• Clear Lake – 1950-1960, zastosowano DDT na muchówki, efektem czego ryby, perkozy oraz inne ptaki drapieżne jak i plankton wykazywały masowe wymieranie

• choroba Minamata – 1950, w wyniku zanieczyszczenia rtęcią doszło do akumulacji tego pierwiastka w łańcuchu troficznym, efektem czego u ludzi zaczęła występować rtęciowica. W wyniku tego zachorowało 2265 osób (w tym 1784 przypadków zakończonych śmiercią)

• choroba itai itai – 1960, w prowincji Toyama uprawiano ryż na polach nawożonych ściekami o dużej zawartości kadmu, pochodzącymi z zakładów przemysłowych. Spożywanie ryżu przez ludzi spowodowało liczne zaburzenia zdrowia w tym problemy z kośćmi i osteomalację

Sinicowe substancje toksyczne – ocena ryzyka

• zakwity występują w wodach na całym świecie z różną częstotliwością: Azja – 54%, Europa – 53%, Afryka – 28%, Ameryka Północna – 48%, Ameryka Południowa – 41%

• wynika to z eutrofizacji wód z powodu zbyt dużych ilości azotu i fosforu

• toksyny sinicowe należą do różnych kategorii organicznych związków chemicznych

• ich przykładem są mikrocystyny, których największe ilości występują w USA, Australii, Portugalii, Francji, Wielkiej Brytanii

Występowanie sinic a pora roku

• sinice pojawiają w postaci tzw. zakwitów w miesiącach ciepłych (głównie letnich), gdzie przypowierzchniowo znajdują niszę (możliwość przeprowadzania fotosyntezy)

• w miesiącach zimowych cała biomasa komórek opada na dno w wyniku zakończenia okresu wegetacji

Czynniki indukujące produkcję toksyn przez sinice

• temperatura

• światło

• azot i fosfor

• mikronutrienty

• zasolenie

• pH

Podział toksyn sinicowych

• hepatotoksyny

  • mikrocystyny – w wodach słodkich

  • nodularyny – w wodach słonych

• neurotoksyny

  • anatoksyna a

  • anatoksyna a(s)

  • homoanatoksyna a

  • suksitoksyna

  • neoskusitoksyna

• cytotoksyny

  • cylindrospermotoksyny

• dermatotoksyny

  • lyngbyatoksyna a – uczulenia, dermatozy

  • aplysiatoksyna – uczulenia, dermatozy

Hepatotoksyny sinicowe

• są cyklicznymi peptydami o masie 800 – 1100 Da

• nodularyny składają się z 5 aa, mikrocystyny z 7 aa

• wydzielane są do środowiska na drodze lizy komórek

• większość jest dobrze rozpuszczalna w wodzie ze względu na swoją polarność, tylko nieliczne wykazują właściwości hydrofobowe

• mało absorbowalne przez osady denne i zawiesiny

• stabilne chemicznie, termostabilne nawet w wysokich temperaturach (np.: gotowanie)

• oporne na działanie ekstremalnych wartości pH

• zanik połowiczny po 70 dniach w warunkach T=40°C, pH=9-10

• w ogóle nie ulegają rozkładowi w T=40°C i pH=5-7 (warunki zbliżone do zbiorników wodnych)

• mogą być usuwane poprzez zastosowanie sorbentów w postaci węgla aktywnego lub piasku

• nie ulegają rozkładowi w wyniku klasycznych zabiegów uzdatniania wody (chlorowanie)

• dawka śmiertelna została ustalona przez WHO po stwierdzeniu licznych przypadków śmiertelnych

Budowa hepatotoksyn

• do tej pory scharakteryzowano 70 rodzajów

• podział mikrocystyn uzależniony jest od przyłączonych podstawników (nazwy literowe zależą więc od jednoliterowych skrótów aminokwasów)

  • mikrocystyna LR X – Leu (L) Z – Arg (R)

  • mikrocystyna RR X – Arg (R) Z – Arg (R)

  • mikrocystyna YR X – Trp (Y) Z – Arg (R)

Sinicowi producenci toksyn

• Anabaena spp. anatoksyny a, mikrocystyny

• Aphanizomenon flos-aquae saksitoksyny

• Microcystis aureginosa mikrocystyny

• Microcystis viridis mikrocystyny

• Microcystis wesenbergii mikrocystyny

• Planktothrix agardhii mikrocystyny

Objawy po ekspozycji na hepatotoksyny

• gorączka, wymioty, ogólne osłabienie (objawy zbliżone do grypy)

• biegunka

• zapalenie wątroby, nowotwory wątroby (nie powoduje de novo, wzmaga efekt nowotworzenia w wyniku działania innych substancji)

• nasilające się objawy ogólnej niewydolności organizmu

• śmierć spowodowana jest szokiem krwotocznym i nekrozą hepatocytów

• zgon następuje w ciągu kilku minut do kilku godzin od podania dawki LD50

Biodegradacja i toksyczność hepatotoksyn

• mogą być rozkładane tylko przez niektóre bakterie z rodzaju Pseudomonas na drodze działania fosfatazy zasadowej

• do rozkładu w warunkach nie katalizowanych enzymatycznie dochodzi poprzez fotochemiczny rozpad w obecności barwników (karotenoidy, fitobiliny)

• dawka LD50 jest zróżnicowana – 25-600 μg/kg masy ciała myszy

• formy linearne (a więc te powstałe w wyniku rozkładu) są średnio 100x mniej toksyczne od form cyklicznych (natywnych), znalazły zastosowanie w farmakoterapii choroby Alzheimera

• swoją toksycznością przewyższają klasyczne toksyny (np.: te stosowane do celowych otruć)

Molekularne działanie hepatotoksyn

• transportowane są w organizmie transbłonowo wraz z solami żółciowymi

• prowadzą do zahamowania aktywności fosfataz białkowych (są ich inhibitorami)

• zaburzają stosunek fosforylacja/defosforylacja

• w efekcie zaburzeń ufosforylowania reszt białkowych dochodzi do patologii cytoszkieletu

• hepatocyty są rozrywane w wyniku działania nieprawidłowych sił na ich błony komórkowe

Monitoring cyjanotoksyn i dopuszczalna dawka

• Rodzaje monitoringu

  • sanitarno – spożywcze

  • rolnicze

• dopuszczalna dawka toksyn sinicowych ustalona przez WHO to 1μg/dm³ wody

Dawki letalne względem innych toksyn– LD50

• mikrocystyny 50 μg/kg masy ciała

• arszenik 10000 μg/kg masy ciała

• toksyna grzechotnika 60 μg/kg masy ciała

Historia doniesień o cyjanotoksynach

• 1878 – pomór 800 zwierząt w Australii

• 1959 – 13 przypadków śmiertelnych u ludzi w Kanadzie

• 1960 – wysoka zachorowalność w Zimbabwe

• 1979 – 140 dzieci i 10 dorosłych zostało poszkodowanych w Australii w wyniku użytku kąpieliska skażonego cyjanotoksynami. Woda nie wzbudzała podejrzeń (była klarowna) ze względu na zastosowanie siarczanu miedzi, który spowodował lizę całego kożucha sinicowego i uwolnienie toksyn, co kilkudziesięciokrotnie zwiększyło ich stężenie.

• 1992 – wiele przypadków toksycznego uszkodzenia dróg oddechowych i bóle głowy w Polsce

• 1996 – 600 osób zmarło podczas dializy w Brazylii. Powodem było zanieczyszczenie wody wykorzystywanej przy zabiegu.

Występowanie cyjanotoksyn w owocach morza

• w okresie letnim stężenie toksyn w małżach, skorupiakach i rybach rośnie kilkadziesiąt razy ponad stężenie bezpieczne dla organizmu człowieka

• w innych miesiącach także stężenie przekracza normę, jednak w niewielkim stopniu

Żywność i suplementy na bazie sinic

• bardzo dużą popularność w ostatnich latach zyskały tabletki ze spiruliną. Środek ten występuje m.in. w sinicach i to właśnie głównie one są jej źródłem w produkcji

• na rynku dostępne są również tabletki z wysoką zawartością Chlorella

• rodzaje Anabaena i Aphanizomenon zawierają w sobie związki wykorzystywane do produkcji środków stosowanych na zaburzenia nerwowo-mięśniowe. W badaniach analitycznych wykazują one zawartość neurotoksyn sinicowych

• zagrożenie wynika z braku kontroli profilu biochemicznego szczepów sinic z których produkowane są suplementy i żywność

• producenci nie podają parametrów produktu, takich jak czystość, toksyczność. Informacje nie zawierają również danych podmiotów odpowiedzialnych za nadzór i kontrolę

• zastosowanie kombinacji syntetycznych związków chemicznych nie daje takiego samego efektu jak naturalny surowiec (podobnie jak w przypadku aromatu wanilii –MW)

• ze względu na wysoką toksyczność wiele krajów (w tym Polska) wpisały cyjanotoksyny do wojskowego spisu substancji toksycznych mogących znaleźć zastosowanie jako broń biologiczna