BIOINDYKACJA – doc. Tyrpień

Ksenobiotyki – są to związki chemiczne-egzogenne, które przedostają się do organizmu, lecz nie są przez organizmu, lecz nie są przez organizm wytwarzane lub też takie substancje występujące w znacznie większych stężeniach od stężeń fizjologicznych:

- leki

- zanieczyszczenia środowiska

- substancje uzależniające, sterydy i inne

Zanieczyszczenie organiczne i nieorganiczne – tlenki siarki i azotu – do gleby i wód – przez depozycję mokrą lub suchą

Monitorowanie zanieczyszczeń sposoby:

- bioindykatory – biowskaźniki – ilość, toksyczność i rodzaj

Bioindykacja = określenie zmian środowiska z pomocą wskaźników biologicznych , wykorzystuje się specyficzne działanie czynników ograniczające działanie na poziomie komórkowym komórek biocenozy (czyli zależnie od wrażliwości)

Stenobionty – wąski zakres tolerancji ekologicznej dla danego czynnika – goryl, koralowce, skala porostowa. Są dobrymi wskaźnikami

Eurybionty – szeroki zakres tolerancji na czynniki środowiskowe

Podział stenobiontów:

- mezo- - średnia wartość danego czynnika środowiskowego

- oligo- - niska wartość danego czynnika

- poli- - wysokie wartośi danego czynnika

Cechy metod biowskaźnikowych:

- niski koszt

- krótki czas obserwacji

- proste stoswanie

- szybkie efekty

W biomonitoringu stodujemy:

- biowskaźniki

- biotesty

- biomarkery

- bioczujniki

Wykorzystanie metod biologicznych (zanieczyszczeń powietrza):

- biowskaźnik – organizm lub wspólnota organizmów dają informacje poprzez analizę wizualną (brak porostów = za dużo SO2) - jakościowo

- biomotory – są źródłem informacji ilościowych

Typy biowskaźników i biomotorów:

Sposób działania:

- akumulacji zanieczyszczeń

- do oceny efektów lub oddziaływania zanieczyszczeń na środowisko

Pochodzenie organizmów:

- aktywne

-pasywne

Cechy biowskaźników:

- tolerancja na czynniki trujące

- pospolitość

- reaktywność na dane czynniki (np. powstanie nekroz)

Przykłady bioindykatorów:

• Rośliny: sałata , marchew – narażenie na metale

• Pokrzywa zwyczajna, łopian gajowego – dużo azotu w glebie

• Miłek letni i rumianek pospolity – mało azotu

Rośliny a czystość powietrza:

- krótki czas odpowiedzi na zmianie składu środowiska

- zdolności adaptacyjne duże – kumulacja zanieczyszczeń

Zdolność roślin do bioakumulacji zależy od: obecności pierwiastka, temperatury, wilgotności, charakteru podłoża, cech charakterystycznych rośliny

GRZBY: - borowiki – wrażliwe na radioaktywne izotopy

MCHY – nie posiadają skórki chłonącej wodę – wskaźnik metali ciężkich i kwaśnych deszczy

Gleba – ważny jest odczyn gleby (kwasowość)

Przy kwaśnym – wrzos zwyczajny, borówka czarna

Mało kwaśne -

Drzewo:

Kora – gromadzi siarkę (szczególnie iglaste); mają aparat asymilacyjny

Jodla – utrata igieł i mało korony, zmiana barwy korony, wzrost łamliwości

Sosna i świerk – deformacje anatomiczne

Liście – chlorofil ulega zmianie do Teofilu (brązowienie) + nekrozy i chlorozy – liście opadają

PROGRAM monitoringu:

- uszkodzenia drzewostanu, różnorodności biologicznej, entomologiczny, fitopatologiczny grzyby chorobotwórcze itd.

OZON – tytoń, powój, fasola, sosna, czemcha, jesion, lipa – chlorozy i nekrozy

NO – fasola, szpinak babka – plamki kolorowe

Fluor – szczytowe marginalne nekrozy

SO2 – chlorozy nekrozy

PAN – azotan nadtlenku acetylu – nekrozy na górnej powierzchni liści

Porosty – 720 gatunków porostów na śląsku (44,6% lichenoflory Polskiej), 57 gatunków wymarło

- krzaczkowate – na brzozie – nie jest źle

SKALA PROSTOWA – określenie stanu porostów w celu określenia SO2

- strefa 1 - >170mg/m3 (katastrofa)

- strefa 2 – 170-100mg/m3 (tylko najodporniejsze skorupiaste i proszkowe)

- strefa 3 – 100-70

- strefa – 50-70 – listkowate – poza miastem lub w mieście

- strefa 5 - 40-50 – bardzo dużo krzaczkowatych – w lasach słabe zanieczyszczenia

- strefa 6 – 30-40 – skorupiaste, liściaste, krzaczkowate – w górach

- strefa 7 - <30 mg/m3 – bogata flora na pniach (bardzo nieliczne obszary - Sudety)

Mchy też mogą mieć skalę

Przydatność roślin jako bioindykatorów:

- do określenia stopnia zanieczyszczenia

- identyfikacji źródeł emisji – ich różnicowania i składu

- stały monitoring i określenie trendu

Zalety:	Wady:
Powszechna dostępność Próbki są tanie Można powiązać depozycję roślin w tkankach z zanieczyszczeniem Nie trzeba mieć pozwoleń do takich badań Może być niewyszkolony perfonel	Sezonowość zmian Wszystko wypływa na rozwój roślin (np. Temperatura) Mogą być odporne i nieodporne gatunki Roślina ma ograniczoną możliwość pobierania zanieczyszczeń

Metody bioindykacyjne:

- laboratoryjne – dokładne, kontrolowane, biologiczne – badanie intensywności fotosyntezy, oddychania

- terenowe – wiele czynników wpływa tu na ich stan, ale jest to naturalne i mamy dokładne odniesienie do środowiska

Poziomy badań:

- komórkowe – jedno i wielokomórkowe (również chloroplasty i mitochondria)

- organów

- organizmu, gatunku, populacji

- całych zbiorowisk (zoocenoza jest badana)

Biotesty - stosowanie bardzo wrażliwych i swoistych do zanieczyszczenia małych bezkręgowców lub bakterii

Testy bakteryjne – pomiar bioluminescencji przez i po dodaniu ksenobiotyku

Pomiary immunochemiczne – zalety:

- wiele analiz w krótkim czasie

- nie trzeba próbek chemicznych

- niewiele próbek potrzeba

- jest coraz większa dostępność zestawów do takich pomiarów

Bioczujniki – czujniki biologiczne lub biosensory małe urządzenia stosowane w analizie zanieczyszczeń do detekcji substancji chemicznych w różnych próbkach

Schemat:

Analit-> składnik biologiczny - [receptor] - przetwornik sygnału-> obróbka sygnału

Rodzaje bioczujników:

• Katalityczne – oparte na biokatalizatorach

• Powinowactwa – receptory cząsteczkowe

Receptorem mogą być:

-enzymy mikroorganizmy

- przeciciała

- organelle tkanek roślinnych i zwierzęcych

Rodzaje przetworników:

- elektrochemiczne (rejestrują zmianę napięcia lub natężania)

- optyczne (zmiana fluorescencji, absorbancji)

- akustyczne (zmiana częstotliwości w wyniku zmiany masy)

- termometryczne

Przykłady zastosowania organizmów żywych

► Ryby – ruchliwość, zachowanie w H2O, biomonitoring wód

► dżdżownice

► małże

Polski indeks biotyczny – metoda monitoringu rzek w Polsce, jako konsekwencji ujednolicenia systemu stosowanego w UE np. monitoring cieków

PTAKI – reagują na metale ciężkie (sroka – jej pióra – akumulacja Pb)

Kryteria organizmów do biomonitoringu:

- względnie osiadły charakter życia

- szerokie rozpowszechnienie geograficzne i łatwość identyfikacji z zbieranie próbek

- dużo tolerancji (względnie) bo muszą przeżyć

- łatwość przeniesienia tych organizmów

- możliwość zebrania od nich materiałów d badan

-muszą być stabilne – bo będzie z nich pobierane wiele próbek

- sensowna korelacja miedzy zanieczyszczeniem a stężeniem analitu

- taka sama wartość współczynnika bioakumulacji

Wskaźniki ekspozycji

Rtęć – powietrze, żywność ------ rtęć w moczu

Pb – powietrze ------------- Pb, kwas 5-aminolewulinowy w moczu

HCN – powietrze --------- rodanki, ślina , mocz, surowica

Benzen – powietrzne ------------ fenol w moczu

W próbkach:

Włosy – as, zn, cr, sb, fe, ni, pb, cd, hg, mo, pestycydy, PCB

Zęby – nikotyna, metylortę, naktoryki, cd, pb, zn, hg

Kości – f

Paznokcie – to co we włosach

Skóra

Tłuszcz

Nerki – cd, hg

Wątroba – PDDC i wiele innych

Inny podział wskaźników:

Retrospektywne – okrzemki, fragmenty roślin nasiennych

Prognostyczne – zakwity wody, sukcesje roślinne i niektóre bezkręgowce

Biomarker – mierzalny biologicznie parametry na poziomie niższych niż organizm wskazujący na wpływ środowiska i działanie zanieczyszczeń

Podział:

• ekspozycji

• skutku

•wrażliwości

Biomarker ekspozycji – dostarczają bezpośrednich dowodów narażenia na dany czynnik (np. metabolity nikotyny – kotynina, hydroksykotynina)

- dawki wewnętrznej – przez przyjmowanie pokarmu inhalacje itd

- dawki biologicznie skutecznej – ilość wchłoniętego ksenobiotyku która będzie reagować ze składnikami komórki

Wiek, płec choroby, dieta, - wpływa na ekspozycję

Akrylamid – daje związki epoksydowe i tiolowe, mogą łączyć się z kwasem glukuronowym i wydalany

-jego biotransformer to glicynamid

Toksyczne efekty narażenia na ksenobiotyki:

- podostre, chroniczne, mutagenne, kancerogenne, teratogenne

Metale ciężkie – toksyczna, jej połączenia z chlorem są jeszcze bardziej niebezpieczne – przy ocenie narażenia bierzemy pod uwagę wszystkie postacie narażenia

Biomarker skutku – zaleta – możliwość wykrywania wczesnych zmian

- punktowe zmiany, cytogenne, chromosomowe , uszkodzneie łańcucha DNA itp.

Sposoby oceny narażenia na dym tytoniowy:

- ankietyzacja

- oznaczanie składników dymu w powietrzu

- pomiar określonych biomarkerow w materiale biologicznym

- pomiar biomarkerów efektu

Biomarker wrażliwości – są wskaźnikami wrodzonej lub nabytej zdolności organizmu do odpowiedzi wywołanej ekspozycją na specyficzny czynnik szkodliwy

Miary efektów toksycznych:

- LD50 – dawka letalna

- Ec50 – efektywna dawka (50% zdycha)

- NOEL – brak obserwacji reakcji toksycznych – brak śmiertelności