Ekotoksykologia – wykład 1

Podział toksykologii

Toksykologia tradycyjnie jest definiowana jako nauka o szkodliwym wpływie leków, związków chemicznych i ich mieszanin na żywe organizmy.

Współczesna toksykologia jako nauka rozwinęła się w trzech kierunkach:

- toksykologia kliniczna zajmująca się wpływem trucizn i leków na organizmy ludzkie

- toksykologia sądowa stosowana w sądownictwie do wykrywania trucizn w celach przestępczych

- ekotoksykologia – jest to dziedzina wiedzy, która bada występujące w środowisku substancje chemiczne w aspekcie oddziaływania na organizmy żywe w sposób długotrwały, systematyczny oraz w niskich dawkach.

Toksykologia jest nauką multidyscyplinarną obejmująca szeroki zakres badań:

- chemia: charakterystyka trucizn (toksyn)

- farmakologia: sposób wprowadzania i dystrybucji trucizn w organizmie

- biochemia: przemiany metaboliczne i oddziaływanie trucizn na składniki komórki

- fizjologia: wpływ trucizn na narządy organizmu

- biologia: wpływ trucizn na środowisko naturalne

- genetyka: wpływ, jaki trucizny mogą wywierać na systemy rozrodcze i zmiany w kodzie genetycznym przyszłych pokoleń

- epidemiologia: wpływ na populację ludzką jako całość chronicznej ekspozycji na działanie małych ilości substancji potencjalnie toksycznych

- prawo: regulacje prawne dotyczące użycia lub emisji do środowiska substancji toksycznych

- ekonomia: ocena relacji kosztów, jakie ponosi środowisko, i zysków rozwoju ekonomicznego oraz określenie wzajemnych relacji pomiędzy ekonomią.....

Trucizna i jej definicja

„Co za dużo, to niezdrowo”

• „Sola dosis fecit venenum” - ..... (Phillippus Aureolus Teophrastus .... von Hohenheim; 1493-1541)

“Prawo tolerancji”

• Shelforda (Victor E. Shelford; ......... ) mówi o tym, że możliwość bytowania organizmu... w danym środowisku określa minimum i maksimum danego czynnika.

„wszystko jest trucizną i nic nie jest trucizną, tylko dawka decyduje, że jakaś substancja nie jest trucizną”
Zatem od czasów Paracelsusa pojęcie trucizny = dawce.

Dziś wiemy, że nie tylko dawka.

Haber zdefiniował zatrucie jako iloczyn dawki i czasu tj. dawka × czas

Współczesna wiedza w odróżnieniu od toksykologii ubiegłych stuleci (która w zasadzie ograniczała się do opisu zjawisk) bada oprócz leków coraz to liczniejsze substancje szkodliwe dla zdrowia człowieka, zwierząt i roślin.

Trucizna to taka substancja, która po wniknięciu do ustroju w niewielkich ilościach może spowodować, wskutek swych właściwości toksykodynamicznych, zaburzenie w funkcjonowaniu ustroju lub jego śmierć.

Dlaczego nie można określić w sposób dokładny pojęcia (definicji) trucizny:

- wiele substancji znanych i uznanych bezspornie za trujące mogą powstawać wewnątrz samego organizmu w wyniku powstawania tzw. autointoksykacji, np. wskutek przemiany materii (metabolizmu wewnątrz ustroju np. CO)

- niektóre związki toksyczne (trujące) mogą być kumulowane w ustroju przez bardzo długi okres czasu i dawać po latach tzw. zatrucie wtórne ( przy czym nie jesteśmy wstanie ocenić dokładnie ani dawki ani też czasu np. związki chloroorganiczne DDT czy dioksyny)

Obecnie badamy także stałe szybkości reakcji różnych, złożonych procesów przemian ustrojowych dla substancji chemicznych (w tym szkodliwych, trujących i toksycznych).

Badamy często złożoną wielostopniowość reakcji chemicznych tak in vivo jak i in vitro w odniesieniu do różnych organizmów, w ich tkankach, czy nawet komórkach (hodowlach tkanek lub komórek). A badania te to najczęściej, są matematycznym wyrażeniem kinetyki reakcji.

Receptorowa teoria działania trucizn – Teoria Ehrlicha

Stworzona przez Ehrlicha teoria receptorowa przyjmuje, że substancje biologicznie czynne (egzogenne) wywołują tylko wtedy efekt biologiczny, gdy co najmniej przejściowo mogą łączyć się z substancjami (endogennymi) zwanymi receptorami.

Receptor określa się jako strukturę zdolną do oddziaływania z określonymi grupami czynnymi trucizny, toksyny czy leku. Przyłączenie się grupy czynnej substancji bądź związku biologicznie czynnego do receptora jest bezpośrednią przyczyną inicjującą ww. efekt reakcji.

Jako klasyczny (i najlepiej dotychczas poznany) przykład receptora – podaje się względnie dobrze poznany – receptor cholinoergiczny.

Receptorowe hipotezy

Dla wyjaśnienia mechanizmów oddziaływania trucizna – receptor stworzono wiele hipotez.

Do najważniejszych z nich należą hipotezy:

- okupacyjna

- dynamiczna

- makromolekularnej perturbacji

Hipoteza okupacyjna

Została podana w 1926 r. przez Clarka.

Zgodnie z tą hipotezą nasilenie efektu toksykologicznego jest wprost proporcjonalne do liczby utworzonych połączeń trucizna – receptor.

Maksymalnego nasilenia się efektu toksycznego będziemy mogli oczekiwać, gdy substancja toksyczna obecna w określonej objętości, zwiąże się ze wszystkimi obecnymi (w tej samej objętości) receptorami.

Hipoteza dynamiczna

Zgodnie z hipotezą wysuniętą w roku 1961 przez Paton’a nasilenie efektu biologicznego wywołanego oddziaływaniem substancji toksycznej na receptory nie jest zależna od liczby „okupowanych” receptorów, ale od szybkości, z jaką receptory łączą się z trucizną.

Tak więc statyczne pojęcia z hipotezy okupacyjnej, zostały zastąpione przez Paton’a przez pojęcia dynamiczne.

Wykładnikiem nasilenia efektu toksykologicznego w hipotezie dynamicznej jest liczba połączeń trucizna - receptor tworzących się w jednostce czasu.

Hipoteza makromolekularnej perturbacji

Ta kolejna hipoteza, również dotycząca oddziaływania trucizna (lek) – receptor została podana przez Balleau w 1964 roku. Opiera się ona na założeniu, że w wyniku utworzenia połączenia trucizna – receptor dochodzi do zmiany energii spinowej i elektronowej cząsteczek, co powoduje zmianę ukształtowania samego receptora i zmianę swobodną energii.

Definicja dawek (stężeń)

Jeśli mówimy o dawce to odnosimy ją do organizmu i badań in vivo np,:

- jednostka masy lub stężenia molowego na jednostkę masy ciała lub na m2 powierzchni ciała – w eksperymentach ze zwierzętami hodowlanymi np. g/kg m.c. ; mg/m2

Dawka mylona jest często definiowana w kategoriach stężenia:

- jednostka masy (mg, ng itd.) na mililitr badanego medium reakcyjnego – in vitro mg/ml; g/l

- jednostka stężenia molowego (Mm,nM) – badania in vitro

Dawki

• ADI – akceptowane dzienne pobranie substancji szkodliwej, która nie wywoła istotnych w sensie statystycznym lub biologicznym ujemnych ubytków zdrowia w ciągu całego życia (mg/kg/dzień)

• CD50 – dawka kancerogenna (ang. cancer dose), jest to dawka liczona w mg/kg/dzień, która wywoła nowotwór u połowy badanych zwierząt w ciągu ich średniego czasu życia ( dla szczurów i myszy 2 lata a dla małp 20 lat)

• PD – dawka progowa, dawka przy której pojawia się biologiczna odpowiedź organizmu

LD50

LD lub DL – dosis letalis – dawka śmiertelna wyrażona zwykle w mg/kg masy ciała

LD50 lub DL50 – zdefiniowana jako dawka substancji po spożyciu której ginie w określonym czasie 50% poddanej ekspozycji populacji

Jeśli trucizna występuje w postaci gazowej lub jest rozpuszczona, to wtedy zamiast LD50 ustala się analogiczną do niej wartość CL50 - canceratralio letalis - czyli stężenie związku chemicznego wywołujące śmierć połowy (50%) użytych w doświadczeniu zwierząt.

Krzywa dawka-efekt

Do oceny zagrożenia potrzebna jest znajomość relacji dawka – efekt (jest to krzywa zależności przeżycia komórki, organizmu od czynnika toksycznego)

Skutek toksycznego działania związku chemicznego zależy od wielkości organizmu na który działa dlatego w eksperymentach na zwierzętach dawkę określa w jednostkach masy trucizny ( lub stężenia molowego trucizny ) na jednostkę masy ciała zwykle 1 kg lub na 1 metr kwadratowy powierzchni ciała).

LD50

Wartość LD50 jest wartością umowną. Dwa związki można ze sobą porównać jeśli ich krzywe są do siebie równoległe, wówczas związek który ma mniejszą wartość LD50 jest bardziej toksyczny. Istotne jest jednak nachylenie krzywej dawka-efekt.

Witamina A, niacyna, selen i niektóre metale ciężkie takie jak kobalt czy miedź wykazują dwufazową zależność dawka –reakcja. Odwracalność zatruć.

Postuluje się dla reakcji dawka – efekt zależność typu:

- zależność liniowa bez progu (związek kancerogenny)

- zależność liniowa z progiem (związek toksyczny)

- zależność wielomianowa, na ogół nie więcej niż drugiego rzędu (hormony)

Ekotoksykologia – wykład 2

MRL – odnosi się do skutków niekarcerogennych czynników szkodliwych.
Określa dzienną dawkę ksenobiotyków wchłoniętych przez organizm różną drogą nie powodują ujemnych skutków zdrowotnych, gdy interesują nas skutki przewlekłe tzn. dla ekspozycji dłuższych niż 365 dni.

Związek MRL
arsen 0,0003 mg/kg/d
kadm 0,0002 mg/kg/d
rtęć 0,0002 mg/kg/d
formaldehyd 0,01 mg/m3/d

Szkodliwość oznacza zdolność związków chemicznych do uszkodzenia prawidłowych czynności ustroju (uszkodzenie metabolizmu) i wynika z interakcji związków egzogennych ze związkami endogennymi organizmu, wywołujących odchylenia od stanu prawidłowego (nie dochodzi do zejścia śmiertelnego).

Toksyczność – to charakterystyczna dla danej substancji właściwość silnego szkodliwego działania na żywy organizm.

Zatrucia:

- ostre – 24h

- podostre – 1 dzień do kilku miesięcy

- przewlekłe – kilka miesięcy do wielu lat

Na działanie czynników szkodliwych wpływa:

- układ absorbujący czynnik szkodliwy – droga wnikania

- dystrybucja w organizmie – krew, limfa ... międzykomórkowy, rozprowadzający czynnik szkodliwy w organizmie, bariera krew – mózg, błony komórkowe, mające różną przenikalność dla różnych substancji

- przemiany związków, w tym powstawanie metabolitów

Substancje i czynniki wywołujące odległe skutki biologiczne:

Mutagenne – uszkodzenie (zmiany) materiału genetycznego organizmu przekazywane zwykle następnym pokoleniom

Teratogenne i eubriotoksyczne – szkodliwe oddziaływanie na płód (1-3 miesiąc ciąży)

Teratogenne – powodują zniekształcenia w ciele dziecka i inne deformacje np. kończyn.

Zakres toksyczności Dawka
praktycznie nietoksyczny pow. 15000 mg/kg
słabo toksyczny 5000 – 15000 mg/kg
umiarkowanie toksyczny 500 – 5000 mg/kg
bardzo toksyczny 50 – 500 mg/kg
ekstremalnie toksyczny 5 – 50 mg/kg
super toksyczny mniej niż 5 mg/kg

Związki super toksyczne

Substancja chemiczna źródło miejsce oddziaływania

Jad kiełbasiany bakteria system nerwowy

Amanityna muchomor inhibitor syntezy białek

Jad pająka czarna wdowa system nerwowy

Nikotyna tytoń system nerwowy

TCDD związek syntetyczny układ oddychania

Powolne trucizny

Trucizny szybkie stają się powolnymi jeśli są wchłaniane w małych dawkach.

Triclalometany – powstają w wodzie pitnej podczas chlrowania

Ołów –odkładany systematycznie w kościach, działa neurotoks

Trwałe związki chloro aromatyczne – polichlorkowe bifenyle, dibenzo-para-dioksyny efektywnie przez system wentylacyjny człowieka (np. pył azbestowy)

Drogi wnikania trucizn:

- z przewodu pokarmowego – główna droga wnikania trucizn

- powierzchnia wchłaniania jelita cienkiego wynosi 200-300 m2

- powierzchnia oddechowa płuc 70-100 m2

- powierzchnia skóry – 1,25 – 2 m2

Sposób wnikania trucizn do organizmu:

Przenikanie przez skórę

Drogami układu oddechowego

Wnikanie przez układ pokarmowy

Rozprowadzenie przez płyny ustrojowe po organizmie.
płyn międzykomórkowy
błony komórkowe
wnętrze komórki

Związki org:

- są wchłaniane w drodze pasywnej dyfuzji

- wchłanianiu ulegają głównie formy niezdysocjowane związków ( dysocjacja związków określana przez pKa)

- najniższa wartość pKa dla kwasów, narzucająca wysoką wydajność.

- najwyższa wartość pKa dla zasad, warunkująca wysoką wydajność wchłaniania wynosi ok. 7,8

Współczynnik podziału

Spośród licznych właściwości fizykochemicznych wywierających wpływ na trujące działanie substancji chemicznych, na pierwsze miejsce wysuwa się ich rozpuszczalność w wodzie, tłuszczach i powietrzu.

Zjawisko to określa się współczynnikiem podziału i wyraża się wartością logarytmu P (log P).

Przez współczynnik rozdziału rozumie się iloraz stężeń badanego związku w dwóch niemieszających się fazach, np. w oleju i wodzie, w momencie ustalania się równowagi stężeń tej substancji w badanych gazach.

Najczęściej wyznacza się dla badanego związku chemicznego :

Olej i woda
woda i powietrze
Olej i powietrze
które pozwalają na ogólne dokonanie wstepnej charakterystyki toksyn substancji badanej

Poziom log P oraz pKa (40,41)

Przenikanie przez skórę

Skóra składa się z trzech warstw

- naskórek - najbardziej zewnętrzna, ochronna

- skóra właściwa – środkowa, unaczyniona

- warstwa podskórna – tkanka tłuszczowa

Trzy sposoby:

1. Dyfuzja przez naskórek do skóry właściwej

2. Wnikanie przez kanaliki potowe

3. Wzdłuż torebek włosowych

Rola stratum corneum

Najtrudniejsza do pokonania przeszkoda dla wody i ksenobiotyków jest zrogowaciała zewnętrzna warstwa naskórka. Przenikanie przez skórę jest procesem zależnym od czasu, a przenikanie prz naskórek jest reakcją limitującą szybkość całego procesu.

Przepuszczalność skóry dla różnych gatunków nie jest jednakowa, zależy od podatności na dyfundowanie i grubości stratum corneum.

Uwodnienie s c powoduje że substancje polarne łatwiej przenikają.

Czas ekspozycji na ksenobiotyki jest w przenikaniu przez skórę czynnikiem najistotniejszym.

szybkie zlikwidowanie kontaktu z ksenobiotykiem jest najważniejsze.

wnikanie przez układ oddechowy:

ilość związku dostającego się do płuc zależy od:

- stężenia trucizny w powietrzu

- objętości oddychania (iloczyn objętość wdechu, ok. ml o liczby oddechów na minutę)

Wdychane powietrze

Nos, gardło układ pokarmowy

Tchawica, oskrzela krew

Pęcherzyki płucne

Pyły :

Pylica – przewlekła choroba płuc, wywołana długotrwałym wdychaniem pyłów

Pylica kolagenowa – wywołana jest przez pył o działaniu zwłókniającym(krzemionka, azbest)

Pylica niekolagenowa – wywoływana przez pyły o słabym działaniu zwłókniającym (tlenek cynku, siarczan baru)

Wnikanie przez układ pokarmowy:

Absorpcja związków chemicznych wprowadzanych do organizmu doustnie zaczyna się już w jamie ustnej i przełyku. W żołądku związki mieszają się z pokarmem, enzymami trawiennymi i bakteriami każdy z tych czynników może zmienić toksyczność wprowadzanego związku chemicznego przez jego modyfikację lub w jelicie cienkim w wyspecjalizowany sposób (np. transport aktywny) i ułatwiony wchłanianie cukrów, aminokwasów lecz również ksenobiotyki (leki, toksyny) i inne substancje wchłaniane są na drodze dyfuzji pasywnej (transport bierny) np. o charakterze kwasów i zasad – tylko w formie niezdysocjowanej.

Rola wątroby w zatruciach ksenobiotykami

Wątroba wytwarza układ enzymów odpowiedzialnych za metabolizm ksenobiot, którym to ksenobiotyk może zostać lub nie z metabolitów zanim zostanie wprowadzony poprzez żyły wątrobowe do układu krążenia. Alternatywnie ksenobiotyki mogą być wydalane do żółci i zwrócone ponownie do odcinka żołądkowo – jelitowego, a następnie usunięte całkowicie lub częściowo lub też resorbowane i przeniesione ponownie do wątroby, tzw. krążenie wątrobowo-jelitowe.

Magazynowanie związków chemicznych

- związki są magazynowane jeśli procesy ich eliminacji lub biotransformacji będą wolniejsze niż szybkość podawania

- niektóre związki są magazynowane w określonych tkankach – wątroba, tkanka tłuszczowa.

- magazynowanie toksyn usuwa je efektywnie z układu krążenia i w ten sposób formalnie zmniejsza ich toksyczne działanie.

- efektem gromadzenia się związków mogą być zatrucia wtórne szczególnie niebezpieczne są związki liofilowe, np. DDT, polichlorowane benzeny

Ekotoksykologia - wykład 3

Rodzaje zatruć

Zatrucia ostre- charakteryzują się jednorazowym przyjęciem trucizny lub, co najwyżej, kilkoma kontaktami z trucizną w krótkim odstępie czasu, jak również objawami występującymi bezpośrednio lub względnie szybko po kontakcie z substancją toksyczną, objawy te jeśli nie doprowadzają do śmierci, na ogół także szybko ustępują.

W większości przypadków (75-80%) trucizna wprowadzana jest doustnie.

Udział zatruć inhalacyjnych wynosi 15%, a zatrucia przez skórę dotyczą 4-8% przypadków.

Objawy zatrucia w dużej mierze uzależnione są od drogi przedostawania się trucizny do organizmu:

Skóra – silne pieczenie i swędzenie, zmiany w obrębie naskórka i skóry właściwej, nekroza skóry (białe martwicze plamy)

Układ pokarmowy – pieczenie jamy ustnej i przełyku, zmiany martwicze nabłonka, bóle brzucha, torsje, biegunka, zaczernienie moczu

Układ oddechowy – kaszel, silny ból w klatce piersiowej, trudności w oddychaniu (spłycenie oddechu)

Inne objawy – osłabienie (apatia), obniżenie lub podwyższenie temperatury ciała, drgawki, spowolnienie pracy serca, depresja, śpiączka

Zatrucia przewlekłe – do ekspozycji na truciznę dochodzi przez dłuższy czas, początek jest skryty, a objawy utrzymują się długo.

Środek toksyczny powoli kumuluje się w organizmie do stężenia toksycznego, a niezauważalne objawy sumują się w miarę upływu czasu i w rezultacie doprowadzają do powstania objawów zatrucia.

Zatrucia przewlekłe odnoszące się całej populacji są związane ze spożywaniem wraz z pokarmem oraz wodą pitną niewielkich ilości substancji toksycznych, wdychania ksenobiotyków obecnych w powietrzu atmosferycznym oraz stosowania leków w zakresie dawek terapeutycznych, palenia papierosów, nadużywania alkoholu i przyjmowania innych substancji uzależniających.

Objawami zatrucia przewlekłego może być:

- astma

- zmiany skórne

- zapalenie błon śluzowych

- niedowłady i zanik mięśni

- wypadanie włosów

- prążkowanie paznokci

- biegunki

- depresja

Efektem zatrucia przewlekłego jest:

- niewydolność nerek i wątroby

- uszkodzenie układu nerwowego

- krwiotwórczego i immunologicznego

- zmiany nowotworowe i teratogenne

Narażenia zawodowe

Narażenie zawodowe dotyczy kontaktu toksyn ze skórą (chloro fenole, pestycydy, wielocykliczne węglowodory aromatyczne) oraz ich wchłanianiem przez układ oddechowy przez co zwiększa się ryzyko zachorowania oraz może dochodzić do powstania chorób charakterystycznych dla uprawianego zawodu.

Pracownicy zatrudnieni przy produkcji pestycydów chloroorganicznych , w tym chloro fenoli, a także polichlorku winylu częściej zapadają na astmę, choroby skóry i serca oraz nowotwory złośliwe, jak chłonniak nieziarniczy, mięsaki oraz raka płuc i wątroby.

Osoby stosujące pestycydy (głównie herbicydy) w uprawach rolnych oraz ogródkach przydomowych częściej chorują na nowotwory złośliwe, u osób tych stwierdza się częste uszkodzenia materiału genetycznego spowodowane działaniem aktywnych metabolitów tych związków.

Osoby zatrudnione przy produkcji mas bitumicznych i asfaltu, smoły, elektrod grafitowych, kierowcy autobusów i tramwajów, taksówkarze, kontrolerzy ruchu drogowego częściej chorują na nowotwory złośliwe skóry, raka płuc oraz raka wątroby.

Palenie tytoniu podczas, którego powstaje około związków toksycznie oddziałujących ( w tym rakotwórczych ) na organizm człowieka, wzmaga zagrożenie zachorowalności na raka płuc, trzustki i przełyku.

Azbest i jego toksyczność

Azbest był powszechnie stosowany w przemyśle póki nie stwierdzono, że wywołuje nowotwory i zwłóknienie płuc.

Znane są dwa mechanizmy pro oksydacyjnego działania pyłów azbestowych.

1. Pyły zawierają jony żelaza które w wyniku dostania się do płuc indukują reakcję Fentona

2. Pyły aktywują makrofagi płucne i granulocyty krwi do wytwarzania RFT

Azbest uszkadza DNA indukując powstanie 8-hydroksydeoksy.... (typowego produktu reakcji DNA z rodnikiem hydroksylowym)

Odwracalność zatruć

Trzy możliwe mechanizmy oddziaływania trucizny na organizm

1. Usunięcie toksyny przez układ wydalania lub zostanie ona dezaktywowana przez metabolizm

2. Skutek toksyczny jest widoczny w tkance, mimo iż toksyna została wydalona. Zachodzi to wówczas, gdy trucizna nieodwracalnie dezaktywowała enzymy, a tym samym pozbawiła organizm funkcji życiowych. Odzyskanie zdrowia poprzez zsyntetyzowanie zniszczonego enzymu.
   Przykłady: zatrucia związkami fosforoorganicznymi, które łączą się praktycznie nieodwracalnie z esterazą acetylocholinową.

3. Dwufazowa zależność dawka-reakcja (niewielkie ilości są konieczne do prawidłowego funkcjonowania organizmu, ale przy wyższych stężeniach stają się toksyczne. Przykłady: witamina A, niacyna, selen, miedź, kobalt)

Zatrucia wywołane przez związki chemiczne są w większości wypadków odwracalne.

Odtrutki swoiste

1. Reaktywatory – substancje normalizujące procesy metaboliczne, uwalniają zablokowany enzym samemu wiążąc się z toksyną obecną w ustroju.

Obidoksyn – w zatruciach pochodnymi fosfoorganicznymi w celu przywrócenia czynności enzymu acetylocholino esterazy

Azotyn amylu – w zatruciach cyjankami powodują powstanie methemoglobiny i połączenie się z nią cyjanków, które tym samym oddysocjowują z zablokowanej oksydazy cytochromowej

Wersenian dwukobaltowy – w zatruciach cyjanowodorem i cyjankami

1. Odtrutki witaminowe – stosowane w zatruciach substancjami, których działanie jest odwrotne do witamin

Witamina B6 w zatruciach izoniazydem (lekiem przeciwgruźlicznym)

1. Substancje blokujące przemiany metaboliczne trucizn (stosowane jeśli trujące są metabolity)

Etanol – w zatruciach alkoholem metylowym i glikolem etylenowym uniemożliwia powstanie toksycznych metabolitów (formaldehydu i kwasu mrówkowego)

Odtrutki swoiste

Na podstawie doświadczeń przy użyciu etanolu z węglem znakowanym C14 stwierdzono, że 90% wchłoniętej dawki alkoholu utlenia się do CO2 i H2O. Proces ten zachodzi w 3 etapach (we wszystkich tkankach) przy udziale kilku enzymów.

I.etap: alkohol etylowy utleniony jest do aldehydu octowego pod wpływem enzymu dehydrogenazy alkoholowej (ADH) wobec koenzymu – nukleotydu dwufosfopirydynowego (DPN-koenzym I) działającego jako akceptor wodoru. Reakcja zachodzi głównie w wątrobie.

II.etap: Aldehyd utleniany jest do kwasu octowego przy udziale oksydazy aldehydowej (flawoproteid zawierający molibden). Reakcja w fazie drugiej przebiega znacznie szybciej niż w fazie I z tego powodu we krwi wykrywa się bardzo małe ilości aldehydu octowego ( aldehyd octowy u ludzi może być również wydalany z powietrzem wydychanym).

III.etap: Kwas octowy wchodzi w normalny biooksydacyjny cykl Krebsa ( w tkankach utlenia się do CO2 i H2O). C2H5OH – CH3CHO – CH3COOH – CO2 + H2O

Człowiek w ciągu 1h spala w organizmie mężczyzny średnio 0,1g/kg wagi ciała a u kobiety ..... . przyjmuje się na ogół, że ustrój człowieka spala w ciągu 1h – 7 g alk..... . Disulftiram hamuje utlenianie aldehydu octowego.

Etanol jako swoista odtrutka kompetencyjnie wypiera metanol z dehydrogenazy alkoholu w wyniku czego nie powstają szkodliwe metabolity.

Aldehyd i kwas mrówkowy powodują powstawanie kwasicy metabolicznej prowadzącej do uszkodzenia ośrodkowego układu nerwowego, zwłaszcza nerwu wzroku.

1. Substancje przeprowadzające truciznę w związki nierozpuszczalne lub chylatowe. Wiążą się z trucizną obecną w ustroju dezaktywując ją.

EDTA ( wersenian dwusodowo-wapniowy) – w zatruciach metalami ciężkimi

Chelaton, sól wapniowodisodowa kwasu etylenodiamino octowego, który tworzy z szeregiem metali związki rozpuszczalne, słabo zdysocjowane, dzięki czemu nie wywołują one charakterystycznego działania trującego i są szybko usuwane z ustroju.

1. Substancje przyspieszające i ułatwiające metabolizm toksyn (stosowane jeśli metabolity są nietoksyczne):

N-acetylocysteina – w zatruciu paracetamolem

1. Antagoniści działania farmakologicznego trucizn. Działają poprzez zablokowanie receptorów, z którymi wiąże się trucizna.

Przykłady:
nalokson-w zatruciach opioidami
flumazenil-w zatruciach benzodiazepinami
penicylina krystaliczna-w zatruciach muchomorem zielonym

1. Odtrutki swoiste oparte na działaniu przeciwciał

- przeciwciała przeciwko digoksynie i jadowi żmii
- surowica

Odtrutki nieswoiste

1. Najprostszym środkiem jest białko jaj (kurzych), które neutralizuje żrące kwasy i zasady oraz tworzy z metalami nierozpuszczalne białczany (z wyjątkiem TI tytan nie daje białczanów)

2. Mleko również zawiera znaczną ilość białek np. kazeinę, albuminę, globuliny, również sole Ca, które mogą wiązać fluorki, kwas szczawiowy itp.

3. Węgiel aktywowany (lekarski), o silnych właściwościach adsorpcyjnych, którego 1g może wiązać ok. 0,85g sublimatu, 0,58g strychniny, 0,40g fenolu czy 0,20g etanolu

4. Tioacetamid (CH3-CS-NH2), który posiada właściwości wytrącania siarczków

5. Tlen – w zatruciach tlenkiem węgla i siarkowodorem

6. Środki wymiotne

Bioindykatory i Biomarkery Skażeń

Glony:
- obecność okrzemek kolonijnych wskazuje na brak lub niegroźne zanieczyszczenie wody
- krasnorosty – wskazują na wody czyste
- eugleniny wskazują na strefy większego i średniego zanieczyszczenia wody

Grzyby – wodne i lądowe wykorzystuje się do oceny akumulacji metali ciężkich

Porosty – (epifityczne) do oceny stopnia zanieczyszczania powietrza SO2

Mchy – do oceny akumulacji metali ciężkich (śl. Cd,Cu,Ni,Pb,Zn,Co,Cr), obecność mchów wodnych wskazuje na wody czyste

Reakcja jest różna:

Grzyby i mchy są odporne na działanie zanieczyszczeń – nie umierają, porosty zamierają pod wpływem określonego stężenia SO2 w powietrzu (najbardziej wrażliwe są porosty krzaczkowate).

Biomarkery – mierzalne zmiany w komórkach organizmu i zachodzących w nich procesach biochemicznych wywołane przez wchłonięty ksenobiotyk

Biomarkery są swoistymi znacznikami i dowodami na wchłonięcie toksyny do organizmu

Na podstawie analizy obecnych w organizmie biomarkerów można uzyskać informacje:
- czy organizm był narażony na działanie czynnika szkodliwego – biomarkery ekspozycji
- czy w narażonym organizmie nastąpiły określone zmiany biochemiczne lub uszkodzenia biocząsteczek – biomarkery skutków biologicznych
- czy narażenie na ksenobiotyk spowodowało skutki zdrowotne – biomarkery efektu=biomarkery skutków zdrowotnych
- czy dana osoba jest wrażliwa na działanie konkretnego ksenobiotyku- biomarkery wrażliwości

Substancja wybrana jako biomarker narażenia na dany ksenobiotyk, powinna być łatwa do wyizolowania z materiału biologicznego oraz wykazywać ilościową korelację z wielkością wchłoniętej dawki ksenobiotyku.

Biomarkery ekspozycji

Ekspozycja na:
- benzen przejawia się obecnością kwasu mukonowego lub katecholu we krwi lub moczu
- wielocykliczne węglowodory aromatyczne przejawia się obecnością 1-hydroksy-bezno(a)piranu w moczu
- cynk – pojawienie się protoporfiryny cynkowej w moczu. Protofiryna jest prekursorem hemu, który zawiera żelazo. W przypadku niedoboru żelaza do protoporfiryny wbudowywany jest cynk zamiast żelaza i jej ilość w krwinkach czerwonych wzrasta
- Ksylen – kwas metylohipurowy
- nikiel – związki niklu w moczu
- metale ciężkie – obecność tych metali we włosach i kościach

Ekotoksykologia – wykład 4

Biomarkery skutków biologicznych

Biomarkery skutków biologicznych mogą to być addukty czynnika szkodliwego lub jego metabolitów z DNA, białkami lub aminokwasami, zwykle obecne są w moczu

- addukty z hemoglobiną do 120 dni

- addukty z albuminami do 20 dni

- addukt 4-aminobifenylo-hemoglobinajako wskaźnik ilości wypalonych papierosów

- fenylocysteina – skutek ekspozycji na benzen

- N 2,3-etanoguanina – skutek ekspozycji na chlorek winylu

- sulfinoamino-cysteina – skutek ekspozycji na anilinę

Biomarkery skutków zdrowotnych

- obecność różnych onkoprotein ras, p21, fes czy beta w moczu, krwi, ślinie w stanach zdrowotnych nie wskazujących na występowanie objawowych skutków choroby nowotworowej

- osoby palące papierosy i narażone na wdychanie pyłu azbestu- obecność we krwi i moczu onkoproteiny ras p21

- osoby narażone na benzo(a)piren – obecność w moczu onkoproteiny typu fes

- obecność onkoprotein typu fes stwierdzono między innymi u osób zatrudnionych przy oczyszczaniu olejów transformatorowych zanieczyszczonych przez polichlorowane bifenyle

Specyficzność biomarkerów

Zakres biomarkerów jest szeroki

1. Bardzo specyficzne jak enzym szlaku metabolicznego hemu-dehydrataza kwasu amino lewulinowego (ALAD), który jest hamowany tylko przez ołów, inne metale hamują ją 10 000 razy słabiej

2. Specyficzne – hamowanie esteraz – zahamowanie aktywność acetylocholino esterazy (AChE) przez związki fosforoorganiczne lub karbaminiany powoduje nagromadzenie neuroprzekaźnika – acetylocholiny w synapsach nerwowych co skutkuje zahamowaniem aktywności neuronalnej. Obserwuje się drzenie dysfunkcję motoryczną i śmierć. Analiza aktywności AChE daje jednoznaczne wyniki, jest szybsza i tańsza niż oznaczenia ww. związków we krwi lub moczu.

3. Niespecyficzne – gdy działanie różnych substancji chemicznych może wpływać na układ aktywności układu immunologicznego czy antyoksydacyjnego. Monooksygenazy – indukcja układu monooksygenaz przez pestycydy chloroorganiczne, pyretroidy, chloro fenole, dioksyny wielocykliczne, węglowodory aromatyczne.

Biomarkery u zwierząt

1. Indukcja witellogeniny u ryb – wykrycie hermafrodycznej płotki w pobliżu wypływu ścieków rozpoczęło badania nad oddziaływaniem substancji zaburzających wytwarzanie estrogenów u ryb.

Okazało się, że samice miały wysoki poziom witellogeniny, białka żółtkowego zwykle wytwarzanego tylko przez samice. Pomiar stężenia tego białka jest podstawą oznaczeń biomarkerowych umożliwiających określenie oddziaływania substancji zaburzających gospodarkę hormonalną u tych kręgowców.

Biomarkery u roślin

1. Rośliny nie potrafią odróżnić S od Se w warunkach nadmiaru tego materiału. Włączają selen do aminokwasów siarkowych prowadząc do syntezy enzymów o niższej aktywności. Występowanie selenobiałek jest doskonałym biomarkerem stresu selenowego.

2. Nadmiar fluoru – powoduje syntezę u roślin fluoroacetylo-koenzymu A, a następnie fluorocytrynianu. Fluorocytrynian kumuluje się i jest użytecznym biomarkerem zatrucia fluorem.

3. Poziom fitochelatyn jest wskaźnikiem ekspozycji roślin na wiele metali ciężkich i anionów takich jak selen, arsen, kadm, miedź i cynk.

Charakterystyka poszczególnych grup pestycydów

Historia stosowania pestycydów

W Egipcie już przed 45 wiekami do zwalczania szkodników stosowano siarkę.

W Chinach około 1200 lat p.n.e. używano wapno.

Dalszy rozwój metod chemicznych następował jednak powoli i w XVII wieku zaczęto wykorzystywać w zwalczaniu szkodników dym tytoniowy.

Stosowane były głównie związki nieorganiczne takie jak pierwszy fungicyd: mieszanina wodorotlenku miedzi i siarczanu wapnia, stosowana do zwalczania grzybów patogennych w uprawach ziemniaka i winorośli.

Jako insektycyd w USA do roku 1941 stosowany był arszenik, związek o dużej toksyczności.

Wiek XIX przyniósł wiele, nieraz przypadkowych odkryć, które zwiększyły asortyment chemicznych środków ochrony roślin, jednak do początków II wojny światowej liczba produkowanych substancji była niewielka a stosowane środki stwarzały szczególne zagrożenie dla zdrowia ludzi.

„Era optymizmu” w stosowaniu pestycydów

Wprowadzenie do produkcji DDT w 1940 roku oraz 2,4-D w 1941 stanowiło przełom w ochronie roślin.

Za odkrycie owadobójczej roli DDT Paul Muller otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny w 1948.

Wprowadzono środki tanie w produkcji a bardzo skuteczne w zwalczaniu szkodników owadzich i niepożądanych roślin.

Uważano je także za nieszkodliwe dla kręgowców i ludzi.

Masowa produkcja rozpoczęła „wiek pestycydów” a pierwszy jej okres stosowania nazwano „erą optymizmu”.

Clear Lake (Kalifornia): 1950 – 1960, ok. 20 tys. L 30% DDT do jeziora (zwalczanie muchówek z rodz. Sciaridae --ryby -- perkozy i inne ptaki drapieżne – masowe wymieranie)

„Era zwątpienia” w stosowaniu pestycydów

Rozwój nauk sprawił, że pestycydy uważane kiedyś za bardzo bezpieczne zostały wycofane ze względu na ogromną toksyczność. Taka sytuacja dotyczyła DDT (1,1,1-trichloro-2,2-bis-(4-chlorofenylo)-etan) stosowanego jako środka owadobójczego w latach 1940-1970.

Okazało się bowiem, ze DDT ma ogromną trwałość w środowisku (od 4 do 30 lat, a jego rozkład następuje średnio po 10 latach) jest odporny na rozkład enzymatyczny i ulega on silnej akumulacji w tkance tłuszczowej i powoduje szereg niekorzystnych zmian. Ponadto owady uodporniły się na działanie tego związku – wzrost odporności.

Od tej chwili w stosowaniu pestycydów nastąpiła „era zwątpienia”. W Polsce zakaz stosowania od 1973/74 roku.

Pestycydy podział w zalezności od kierunku stosowania

Środki ochrony roślin możemy podzielić uwzględniając zakres ich zastosowania, budowę chemiczną i własciwości toksykologiczne. Podział pestycydów w zalezności od kierunku zastosowania.

1. Zoocydy – środki do zwalczania szkodników zwierzęcych:

1. Insektycydy – środki owadobójcze

2. Rodentycydy – środki gryzoniobójcze

3. Moluskocydy – środki ślimakobójcze

4. Nematocydy – środki nicieniobójcze

5. Larwicydy – środki larwobójcze

6. Aficydy – środki mszycobójcze

7. Akarycydy – środki roztoczobójcze

8. Owicydy – środki do niszczenia jaj owadów i roztoczy

1. Fungicydy – środki grzybobójcze

2. Herbicydy – środki chwastobójcze

3. Regulatory wzrostu – środki stymulujące lub hamujące procesy życiowe roślin

1. Defolianty – środki do odlistniania roślin

2. Desykanty – środki do wysuszania roślin

3. Defloranty – środki do usuwania nadmiernej ilości kwiatów

1. Atraktanty- środki zwabiające

2. Repelenty – środki odstraszające

Trwałość w środowisku jest najbardziej decydującym czynnikiem przy rozważaniu zakresu stosowania pestycydów.

Podział pestycydów ze względu na trwałość w środowisku.

Grupa	Trwałość w środowisku
Bardzo trwałe	Powyżej 18 miesięcy
Trwałe	Do 18 miesięcy
Nietrwałe	Do 6 miesięcy
Szybko zanikające	Do 3 miesięcy

Trwałość pestycydów

Do określania trwałości związków organicznych w środowisku wprowadzono pojęcia czasu półtrwania lub czasu rozkładu tych związków w środowisku.
Biologiczny okres półtrwania (t1/2), stanowi przedział czasowy, po którym stężenie substancji w danym materiale biologicznym lub przedziale ustroju ulega zmniejszeniu o połowę.

Trwałość w środowisku niektórych pestycydów chlorowcoorganicznych.

Związek	Czas rozkładu w 95% [lata]
DDT	4-30
Lindan	3-10
Aldryna	1-6
Dielidryna	5-25
Heptachlor	3-5

Pestycydy chlorowcoorganiczne są bardzo trwałe w środowisku, dlatego też są one wycofane.

Rozkład pestycydów

Rozkład pestycydów zachodzi głównie na drodze:

- biochemicznej (działanie bakterii i grzybów)

- fotochemicznymi (rozkład pod wpływem światła słonecznego)

- chemicznej (utlenianie, redukcja, hydroliza, wzajemne oddziaływanie z wolnymi rodnikami i podstawienie nukleofilowe z włączeniem wody)

Należy też zwrócić uwagę na fakt, że produkty rozpadu mogą być bardziej toksyczne niż związek wyjściowy.

O rozkładzie pestycydów w glebie decyduje:

- polarność związków (polarne są szybciej degradowane od niepolarnych łatwiej rozpuszczalne)

- anionowe połączenie od kationowych

- połączenie aromatyczne (pierścieniowe) są trwalsze od alifatycznych ???????

- cząsteczki o dłuższym stopniu utleniania wykazują się odpornością na utlenianie, mogą natomiast ulegać redukcji w warunkach beztlenowych

- wzrost temperatury zwiększa szybkość przemian pestycydów ze względu na wzrost liczny mikroorganizmów glebowych i zmniejsza się adsorpcja pestycydów na cząsteczki gleby

- wzrost wilgotności gleby sprzyja warunkom beztlenowym a potem osłabia sktywność mikroorganizmów

- zakwaszenie gleb wpływa na trwałość pestycydów, a znika w kierunku alkalicznym, zwiększa szybkość procesów chemicznych w których nie uczestniczą enzymy

Klasy toksyczności pestycydów

Pestycydy są zaliczane do środków chemicznych o wysokim stopniu ryzyka zagrożenia toksykologicznego. Są to bowiem substancje z natury toksyczne, działające nie tylko na organizmy szkodliwe, ale także na organizmy pożyteczne. Wśród pestycydów jest wiele znanych kancerogenów, mutagenów i teratogenów.

W powiązaniu z omawianymi już właściwościami, takimi jak trwałość i zdolność do bioakumulacji, stanowią one jedną z najbardziej toksycznych grup z jakimi człowiek ma kontakt. Praktycznie wszystkie pestycydy są w różnym stopniu toksyczne.

W Polsce obowiązuje podział pestycydów na klas według ich toksyczności. Przynależność do danej grupy jest określona wartością LD50

Klasa toksyczności	LD50 [mg/kg]	Stopień zagrożenia
I	Do 50	Trucizny
II	51-150	Trucizny
III	151-500	Substancje szkodliwe
IV	501-5000	Substancje szkodliwe
V	Powyżej 5000	Praktycznie nieszkodliwe

Środki owadobójcze – insektycydy

Środki owadobójcze – insektycydy – pod względem produkcji i zastosowania zajmują czołowe miejsce wśród pestycydów zoocydowych.

Najpowszechniej stosowane są insektycydy organiczne takie jak:

- fosforoorganiczne

- pochodne kwasu karbaminowego

- syntetyczne pyretroidy

- insektycydy chloro organiczne

- insektycydy mocznikowe

Wśród pestycydów, insektycydy i inne zoocydy stanowią grupę związków odznaczających się największą toksycznością ostrą, Liczne z nich wyróżniają się silną toksycznością dla zwierząt – w tym dla ssaków i ryb i są zaliczane do trucizn.

Wyróżnia się insektycydy działające:

- układowo (przenikające do organizmu rośliny a wraz z jej zjadanymi częściami do organizmu owada)

- przez żołądek (po spożyciu)

- przez kontakt z powłokami owada

- jako fumiganty (przez wdychanie par)

- jako repelenty (odstraszające, lecz nie zabijające owada)

Insektycydy fosforoorganiczne

Insektycydy organofosforanowe (Insektycydy fosforoorganiczne) – silnie trujące estry alkoholi i kwasu ortofosfranowego stosowane jako insektycydy (także jako herbicydy i fungicydy). Spotykana nazwa Insektycydy fosforoorganiczne nie jest poprawna chemicznie, gdyż estry kwasu fosforowego nie zawierają wiązania węgiel-fosfor, charakterystycznego dla związków fosforoorganicznych.

INSEKTYCYDY	WZÓR	METABOLITY	MECHANIZM DZIAŁANIA
Insektycydy fosforoorganiczne Fosforany: chlorfenfinwon, bromfenwinfon dichchlorfon		Liczne zanieczyszczenia wykazują często większą toksyczność ostrą od substancji aktywnej. Są nimi na przykład : trimetylofosforany Ditiolofosforan trimetylowy, który jest najważniejszym zanieczyszczającym preparatem zawierającym melation przewyższa 30 razy pod względem toksyczności ostrej macierzysty związek.	Hamują AChE łącząc się resztą kwasu fosforowego z grupą OH-seryny. W najbardziej ogólnym ujęciu nazywa się je truciznami układu nerwowego. Istnieje kilka mechanizmów ich działania w organizmach zwierzęcych a najważniejsza jest esteraza cholinowa

Insektycydy karbaminianowe

INSEKTYCYDY	LD50	METABOLITY	MECHANIZM DZIAŁANIA
Insektycydy karbaminianowe N-metylo i NN-dimetylokarbaminiowy Karbaryl Karbofuran aldikarb	Nietoksyczne dla roślin ale bardzo toksyczne dla zwierząt - LD50 dla szczura wynosi 800mg/kg Bardzo niekorzystny wpływ pestycydów na żyzność gleby związany jest z procesami nitryfikacyjnymi prowadzonych przez bakterie z dwóch rodzin Nitrobacteriaceae i Azotobacteriaceae	W formie rozpuszczalnej łatwo są wydalane z moczem. Nadmierne stosowanie sprawiło że duże ilości tych związków są obecne w mleku krowim oraz w układzie pokarmowym człowieka W wyniku nitrozowania mogą powstawać nitrozo aminy o właściwościach rakotwórczych i mutagennych.	Hamują AChE łącząc się resztą kwasu karbaminowego z grupą OH seryny

Ekotoksykologia – wykład 5

Insektycydy chloro organiczne

INSEKTYCYDY	LD50	METABOLITY	MECHANIZM DZIAŁANIA
Insektycydy DDT 4-chlorofenylo – 2, 22- tri chloroetan 90 tys. Akumulacja	DDT bardzo toksyczny dla organizmów żywych szczególnie dla zwierząt 50-200mg/kg masy ciała	Lindan 1500 akumulacja i uszkodzenie DNA, indukcja apoptozy	Indukcja peroksydacji lipidów Wzrost procesów oksydacyjnych komórce

Środki chwastobójcze – herbicydy

Mogą niszczyć wszystkie rośliny totalnie lub działać selektywnie, szczególnie stosowane do zniszczenia chwastów roślin dwuliściennych w uprawach roślin jednoliściennych. Herbicydy mogą działać kontaktowo i układowo. Pod względem chemicznych można związki herbicydowe podzielić na nielicznie stosowane nieorganiczne i bardzo licznie stosowane organiczne. Mogą być stosowane w agrokulturach: przed siewem. Po siewie lecz przed wschodem uprawy, po wschodzie uprawy, jako sterylizatory w celu całkowitego zniszczenia wszelkich przejawów życia rośliny.

Do najważniejszych należą:

- herbicydy mocznikowe

- tiazynowe

- karbaminowe

- tiokarbominowe

- amidowe

Herbicydy fenoksyalkallokarboksylowe zwane fenoksylowymi są analogami kwasu fenooksyoctowego, fenoksypreplanowego (masłowego).

Pochodne kwasów fenoksyoctowych 2,4 –D kwasu 2,4-dichloro-fenoksyoctowy i jego sól sodowa.

Toksyczność ostra dla ssaków jest zróżnicowana. Wartość LD50 dla szczura wynoszą 300-1000mg/kg. Szczególnie wrażliwe są psy.

Mechanizm działania – zakłócenie procesów syntezy RNA i białka, co prowadzi do zachowania rozrostu systemu korzeniowego, zwarcie powierzchni liści oraz nadmiernego przyrostu tkanki naczyniowej, ostateczne zahamowanie pobierania wody przez roślinę.

	LD50	METABOLITY	MECHANIZM DZIAŁANIA
MCPA, 2,4,5-T pochodne kwasu masłowego, dichloropropanol, mekopropanol, MCPB, Glifosat, fosforometyloglicyna	Wynosi 5000mg/kg masy ciała	Ostrożność w stosowaniu z nawożeniem równoległym z azotem, ponieważ może wystąpić wówczas drugorzędowa grupa aminowa. Powstaje nitrozo amina, ma właściwości mutagenne i rakotwórcze.	Hamuje enzymatyczną syntezę EPSP co zapobiega tworzeniu przez rośliny aromat aminokw. Może zalegać w glebie i wodzie >1 rok ponadto zwiększa ryzyko zachorowania na białaczkę Reguluje wzrost rośliny

Fungicydy – to substancje o właściwościach grzybobójczych

Fungistatyki to substancje działające zapobiegawczo i/lub leczniczo, hamują one rozwój grzybów. Stosowane są do zwalczania chorób grzybowych roślin oraz poza rolnictwem (szczególnie w przechowalniach owoców), stosowane także w budynkach, na torach kolejowych.

Ich aktywność polega na hamowaniu syntezy DNA i co się z tym wiąże- podziałem komórkowym.

Mechanizm związków z toksycznością ksenobiotyków. Metabolizm ksenobiotyków. Reakcja I i II fazy.

- Metab. ksenobiotyków do form mniej toksycznych

- Metab. ksenobiotyków do form łatwiej wydalniczych z organizmu(mocz, żółć)

- Deponowanie ksenobiotyków w miejscach gdzie ich wpływ na funkcjonowanie organizmu jest mały albo nie występuje (wiązanie substancji organicznych i metali ze ściany komórkowej roślin)

Biotransformacja

Zdolność do biotransformacji pestycydów jest mechanizmem obronnym organizmu przez toksycznymi ksenobiotykami. Polega na przekształceniu ksenobiotyków w związki, które mogą być wydalane

- składa się z 2 etapów: 1 reakcje utleniania, redukcji; 2 polega na sprzęganiu przekształconych substancji z substratu endogennego

- metabolity powstające w 1 etapie są mniej toksyczne od wyjściowych zaś przed sprzęgania od związków 1 etapu

Faza I

- reakcje I etapu są katalizowane przez oksydazy o funkcji mieszanej lub inaczej monooksygenazy wchodzącej w skład cytochron P450 i reduktazy NADPH-cytochrom P450

- enzymy kataliz. Reakcji I etapu zlokalizowane na siateczce śródplazmatycznej, mitochondriom i jądrze komórkowym i występują w wątrobie oraz innych narządach tj. sercu, płucach czy mózgu.

Reakcje metaboliczne I fazy:

- reakcja O- i N- de alkilowanie

- reakcje dearylecji

- reakcje sulfooksydacji

- utleniania

- epoksydacja

-hydroksylacja

- reakcje desulfurylacji

2. redukcji brak O2

- redukcja grupy nitrowej i nitrozowej do aminowej, odczepianie H lub innego fluorowca dehologenacja

3. degradacja

Hydroliza

Dealkilacja

Degradacja pierścieniowa

Reakcja utleniania

Reakcja hydroksylowania zarówno w łańcuchu alifatycznym oraz w pierścieniowym, w wyniku powstaje alkohol, następnie aldehyd a końcowym produktem może być kwas karboksylowy

-reakcji tej podlegają między innymi pestycydy fenoksyoctowe i alkohole

Utlenianie alkoholi

R-CH₂OH -->R-CHO - R-COOH-->CO₂ +H₂O

Alcohol metylowy jest bardziej toksyczny niż etylowy

CH₃OH ---> HCHO ---> H-COOH
nie zachodzi w reakcjach gdzie nie ma oksydazy aldehydowej

Metabolit metanolu nie ulega detoksykacji.

Epoksydacja polega na wbudowaniu cząsteczki tlenu do związku i wytworzeniu epoksydów.

Epoksydy powstają jako prądo przejściowe lub końcowe reakcje kanalizacyjne przez cyt P45. Epoksydy są nietrwałe. Bardzo ważna jest trwałość epoksydu i jego dostępność jako substancja dla metabolizującego go enzymu.

Hydrolaza epoksydów prowadzi do powstania trans-dioli.

Transferaza glutationowa prowadzi do powstawania sprężonych trans-hydroksyloglutationu.

Sulfooksydacja polega na przyłączeniu O2 do S w związkach organicznych przy udziale monooksydaz.

Dehygroneracja eliminuje 2H w cząsteczce np. heksachlorocykloheksanu

Reakcja dearylacji czyli odłączenia pierścieni aromatycznych

Reakcja desurfulyracji odłączenie S tworzą się wówczas tlenowe analogi insektycydów

B-oksydacja odłączanie dwuwęglowego frognantenu

Reakcja redukcji – zachowuje w warunkach beztlenowych na terenach podmokłych w glebach. Należą do nich odszczep Cl lub innego fluorowca.

Fosgen COCl2 – nieorganiczne związki chemiczne z grupy chlorków kwasowych. Jest to bezbarwny gaz bardzo silnie trujący i duszący zapach świeżo skoszonej trawy, zgniłych owadów. Redukcja grupy nitrowej i nitrozowej do aminowej.

Reakcja degradacji – hydrolizy

Rozszczep w aminokwasy w herbicydach moczu przez amidazy.

Przemiany do grupy cyjanowej

Przerwania w eterowego MCPA,2,4D

Proces fazy I- uwalniają bardzo reaktywne związki

Wolne rodniki

Substancje silnie elekrofilowe

Naprężenie pierścienia trój czołowe

Faza II (reakcja konigacji)

Sprzężenie elektrofilowe

Elektrofil - cząsteczka lub grupa, w której występuje niedomiar elektronów i w odpowiednich warunkach jest w stanie je przyjąć, czyli być ich akceptorem.

W sprzężeniu wykorzystywane są octan, siarczan, glicyna i glutamina.

Sprzężenie – nukleofil

Nukleofil – cząsteczka lub grupa, w której występuje nadmiar elektronów i w odpowiednich warunkach może być ich donorem.

W reakcjach z glutationem występuje sprzężenie nukleofilowe. Glukoromidacja tej reakcji polega na przemianach cząsteczki glukozy z donora, którym jest 4DPG na egzokon zew. Grupę czynną.

Egzokon=ksenobiotyk, zachodzi w wątrobie, enzymem katalizującym transferaza 4DP.

Glukozydacja polega na połączeniu ksenobiotyków z cukrami przez atom O2, azotu. Szereg z siarczanem, sulfonowanie zachodzi pod wpływem odpowiedzi sulfotransferazy, która sprzęga ksenobiotyk z siarczanem, fenolowe pochodne, łączy z aminokwasami.

Sprzęganie z aminokwasami zachodzi w wątrobie oraz w krwi, tworzy połączenia z wolnymi aminokwasami oraz aminokwasami obecnymi w albuminach.

Reakcje związków 2,4 dichlorofenoksyoctowego i pentachlorofenylu.

Sprzęganie z glutationem zachodzi głównie w wątrobie ale także w innych tkankach, jest charakterystyczne w organizmach. Reakcje sprzęgania związków organicznych z glutationem przeprowadzane jest przy udziale S-transferazy glutationowej ale też bez jej udziału są mniej efektywne ale zachodzą.

Tworzenie koniugatów z ksenobiotykami

Grupy tiolowe glutationu mogą reagować z różnymi substancjami elektrofilowymi.

Ksenobiotyki przez koniugacje z GSH całkowitą lub częściową tworzą swoje właściwości toksyczne. Jednak w grupach niektórych związków sprzęganie z glutationem prowadzi do nasilenia ich właściwości cytotoksycznych.

s-konigaty glutationu ub produkty ich przemian wyłączane są z krwioobiegu przez nerki i przekształcane w pochodne a następnie wydalane z organizmu.

RH+O2+NADPH + H - ROH +H2O +NADP

Reakcja odgrywa bardzo ważną rolę w syntezie cholesterolu a także w dalszym przekształceniu cholesterolu w substancje steroidowe i sole kwasów żółciowych.

Biotransformacje - katalizowane przez enzymy reakcje chemiczne, w których następuje przekształcenie określonego(nych) fragmentu(ów) substratu.

Czy zawsze proces biotransformacji przyczynia się do powstawania związków toksycznych?

Mogą przyczyniać się do powstawania związków charakteryzujących się większą toksycznością niż substancje z których powstały:

- podczas podczas metabolizmu fenoli mogą powstawać benzoaminy oraz reakcje semiaminowe.

- przemiany 2,4 D prowadzą do powstawania chloro fenoli.

Herbicydy tri azynowe mogą generować nitrozo aminy.

Herbicydy mocznikowe przekształcane do aminy i acetyomilidu – powodują powstawanie methemoglobiny.

Uboczne produkty transformacji wewnątrzustrojowej.

Wielocykliczne węglowodory aromatyczne po wniknięciu do organizmu ulegają procesom hydroksylacji z udziałem oksydaz w obrębie cyt P45. Proces ten prowadzi do powstawania związków o charakterze mutagennym i kancerogennym. Toksyczne oddziaływanie powstających metabolitów oraz epoksydów diolowych polega na tworzeniu ad duktów z kwasów DNA.

Powstawanie rodników

Powstawanie nowotworów złośliwych pod wpływem związków fenolowych również jest mechanizmem aktywnego cyt P450.

Reakcje mataboliczne prowadzą do przekształcenia się związków fenolowych do form elektrofilowych silnie oddziaływaujących ze struktury kwasu, w tym białkami i DNA.

Ekotoksykologia – wykład 6

Metale toksyczne

Cechy:

- metale ciężkie to pierwiastki o masie właściwej większej od 4,5g/cm3. Które w reakcjach chemicznych wykazują tendencję do oddawania elektronów, tworząc proste kationy

- w stanie stałym i ciekłym charakteryzują się dobrą przewodnością cieplną i elektryczną, posiadają połysk i są nieprzeźroczyste

- mają wspólną temperaturę topnienia i wrzenia

-są kowalne i ciągliwe, a ich pory są najczęściej jednoatomowe

- wykazują właściwości redukujące

- wykazują małą elektroujemność

- tworzą silne wiązania z O,S,N

- występują głównie na dodatnich stopniach utlenienia (+I do +VI)

- własności metali wynikają z ich struktury dochodowej – całkowicie wypełnianych powłok wewnętrznych i niewielkiej liczby elektronów na powłoce zewnętrznej

Źródła metali w środowisku:

Naturalne:
- procesy glebotwórcze
- aktywność wulkaniczna
- wietrzenie skał
- pożary lasów
- parowanie oceanów

Antropogeniczne:
- przemysł wydobywczy, metalurgiczny, motoryzacyjny
- galwanizernie, lakiernie
- produkcja paliw, akumulatorów, barwników, ceramiki, papieru
- spalanie węgla i spalanie śmieci

Limity PTDI lub PTWI

Na podstawie wyników badań toksykologicznych dotyczących wpływu metali ciężkich na zdrowie człowieka, niemal wszystkie kraje limitują ich dopuszczalną zawartość nie tylko w produktach spożywczych.

Dla metali ustala się tymczasowe tolerowalne dzienne lub tygodniowe pobrane PTDI lub PTWI.

Dawki te określają ilość substancji toksycznej w mg/kg masy ciała, która pobrana jednorazowo lub pobierana w ciągu tygodnia prawdopodobnie nie wywiera szkodliwego wpływu na zdrowie człowieka.

Rozporządzenie Ministra Zdrowia

Aktualne w Polsce obowiązuje Rozporządzenie Ministra Zdrowia ze stycznia 2003 roku, które limituje dopuszczalną zawartość metali.

Rozporządzenie to określa maksymalne poziomy zanieczyszczeń metali szkodliwych dla zdrowia w:

- środkach spożywczych specjalnego przeznaczenia żywieniowego, z uwzględnieniem produktów dla niemowląt i dzieci do lat 3 oraz produktów bezglutenowych, a także dietetycznych środków spożywczych dla dorosłych

- pozostałych środkach spożywczych z podziałem na produkty pochodzenia roślinnego i zwierzęcego

- substancjach dodatkowych

PTWI [Provisional Tolerable Weekly Intake]

Metal	PTWI [mg/kg]
rtęć	0,005
Kadm	0,007
Ołów	0,025
Arsen	0,025
Cynk	1,0
Miedź	0,05-0,5
Cyna	14

RTĘĆ

- rtęć – pierwiastek znany już w IV w. p.n.e., nazwany żywym lub wodnistym srebrem

- w pewnym okresie czasu rtęci przypisywano właściwości lecznicze. Dzisiaj uważa się, że jest to pierwiastek bardziej toksyczny niż kadm.

- jest jedynym metalem, który w temperaturze pokojowej jest cieczą, łączy się łatwo z innymi metalami tworząc stopy

- jest wydobywana zarówno z jej złoż jak też pozyskiwana jako produkt uboczny przy wydobywaniu cynku i miedzi

- głównymi producentami są Chiny, Meksyk, Algieria i Hiszpania, które łącznie dają 75% produkcji

- pierwiastek ten wykorzystywany jest w przemyśle elektrochemicznym, elektrotechnicznym, papierniczym i farbiarni , oraz do produkcji lamp, urządzeń pomiarowych i baterii.

Udział procentowy źródeł przemysłowych w emisji rtęci do powietrza w Polsce (1992)

44% - spalanie węgla kamiennego
18,3% - spalanie węgla brunatnego
16,6% - produkcja cementu
10,7% - inne
6,1% - zużyte lampy rtęciowe
2,7% - produkcja chloru
1,6% - hutnictwo żelaza

Rtęć najwięcej – województwa śląskie i łódzkie

- rtęć metaliczna nie jest tak groźna jak jej opary, które w 75-85% są pochłaniane z powietrza wdychanego do płuc

- rtęć metaliczna z przewodu pokarmowego wchłaniana jest w 0,01% znane są przypadki przeżycia osób, które spożyły rtęć

- szczególnie niebezpieczna są związki organiczne np. metyl ortęć (CH3HG) powstające w wodzie, w wyniku aktywności mikroorganizmów. Zespół objawów związany z chronicznym zatruciem metyl ortęcią nazywa się chorobą Minamata, od miejscowości w Japonii w której nastąpiło masowe zatrucie ludności tą substancją.

- metylortęć jest absorbowana z układu pokarmowego 95% łatwo przenika do mózgu, w mózgu jej stężenie jest pięciokrotnie większe niż we krwi, natomiast zawartość metyl ortęci we krwi płodu jest dużo większe niż w matki.

Rtęć w żywności

Ustalone PTWI dla rtęci wynosi 0,005mg/kg masy ciała, co świadczy o bardzo dużej toksyczności tego pierwiastka.

Rtęć wchodziła w skład pestycydów stosowanych do zaprawiania ziarna siewnego. Związki te zostały wycofane w roku 1979, jednak nadal są obecne w środowisku i przenikają do środków spożywczych.

Przyczyną zatruć rtęcią zwłaszcza metyl ortęcią mogą być ryby żyjące w środowisku wodnym skażonym ściekami zawierającymi rtęć (Morze Północne). Poprzez łańcuch pokarmowy rtęć szybko przedostaje się do ryb, krabów, krewetek oraz ssaków morskich (foki, morświny) a następnie do organizmu człowieka. Pośrednimi źródłami rtęci jest mięso zwierząt domowych karmionych mączką otrzymywaną ze skażonych ryb.

Mechanizm działania – rtęć

- toksyczna aktywność rtęci wynika z jej dużego powinowactwa do grup –SH, -COOH i –NH2 aminokwasów i białek

- związki rtęci są absorbowane powoli, ale w dużych ilościach i akumulują się w mięśniach, nerkach, systemie nerwowym i mózgu. Wykazano, że najsilniej oddziaływują one na płód

- alkilowe pochodne rtęci łatwo przedostają się do komórek mózgowych hamując barierę krew-mózg, powodują uszkodzenia komórek mózgowych i zaburzają metabolizm układu nerwowego

- rtęć wykazuje działanie mutagenne i teratogenne

Objawy zatrucia – rtęć

Objawy zatrucia rtęcią są początkowo mylące.

- bóle i zawroty głowy

- zapalenie dziąseł

- trudności z koncentracją

- nudności, bezsenność

- wypadanie włosów

Dopiero później pojawiają się:

- zaburzenia mowy

- stany lękowe

- sztywnienie stawów

- nerwowość i ospałość

- zniszczenie białych ciałek krwi, a więc brak odporności

Rtęć w grzybach

- metale toksyczne szkodzą ludziom, zwierzętom i roślinom, ale nie wszystkim, gdyż istnieją organizmy, które oprócz tego, że zawierają liczne składniki mineralne, zawierają również metale zdecydowanie toksyczne dla ludzi i zwierząt

- możliwość przyswajania tych toksyn mają owocniki różnych gatunków grzybów wyższych

- po co grzybom są potrzebne tak duże lub bardzo duże ilości rtęci, kadmu, ołowiu czy choćby żelaza? Tego do tej pory nie ustalono

OŁÓW

Najwięcej na górnym i dolnym Śląsku.

Ołów – toksyczność

Sole i tlenki ołowiu są trucizną kumulującą się w organizmie, zaś toksyczne skutki działania ołowiu na organizm człowieka określa się ołowicą.

Zatrucia ołowiem notuje się szczególnie wśród drukarzy i w wytwórniach bieli ołowiowych, na związki ołowiu narażeni są także bibliotekarze i archiwiści. Ołowica jest chorobą zawodową wśród pracowników tych branż. Jej początkowe objawy są trudne do wykrycia:

- pogorszenie ogólnego samopoczucia

- znużenie

- obstrukcja

- nudności

- bezpłodność

- dolegliwości sercowe

W późniejszym okresie obejmuje typowe objawy ołowicy, czyli:

- kolkę jelitową

- porażenie mięśni

- szara obwódka wokół zębów

- jednocześnie występuję białkomocz, krwiomocz oraz zaburzenia mózgowe

Leczenie zatrucia ołowiem wymaga hospitalizacji chorego i głównie polega na podawaniu odtrutek i wysokich dawek witaminy B1 i B12.

Zaobserwowane związki ołowiu przenikają do krwioobiegu z krwi do tkanek miękkich i do kości. Czas akumulacji ołowiu w tkankach miękkich wynosi około 30 dni, a w kościach od 40 do 90 lat.

Ołów może odkładać się w kościach w postaci nierozpuszczalnego fosforanu, który nie wykazuje właściwości toksycznych, jednak różne czynniki tj. niedobory wapnia oraz witaminy D, a ponadto alkohol mogą uruchomić odkładany fosforan i wywołać zatrucie wtórne ołowiem.

KADM

Najwięcej górny Śląsk.

- kadm – to metal miękki, kowalny, o barwie srebrzystej

- został odkryty i wydzielony w stanie czynnym w 1817 roku przez niemieckiego chemika badającego zanieczyszczenie w cynku

- minerały kadmu są bardzo rzadkie ale sam kadm jest rozpuszczalny w śladowych ilościach w wodzie

- źródłem kadmu stanowiącym zanieczyszczenie są odpady tworzyw sztucznych, zużyte baterie, ścieki bytowe i przemysłowe oraz nawozy, a także dym papierosowy

- kadm może przenikać do żywności z różnych przedmiotów użytecznych

Kadm zastosowanie

Obecnie jest stosowany w metalurgii i produkcji akumulatorów oraz jako stabilizator mas plastycznych i jako stabilizator do PCV oraz w postaci siarczku kadmu jako materiał koloryzujący piksele w telewizorach.

Kadm – mechanizm działania

Kadm oddziałuje na metaloenzymy, wypierając z nich metale (Cn, Zn, S..) odpowiedzialne za ich aktywność fizjologiczną.

Kadm wiążę się z grupami czynnymi –SH białek: łatwo wiąże się z metalotioneiną tj. niskocząsteczkowym białkiem cytoplazmatycznym bogatym w reszty cysteinowe, które wiąże się ze dwuwartościowymi kationami cynku, miedzi, selenu.

W zatruciach kadmem obserwuje się zaburzenia gospodarki wapniowej mogące prowadzić do osteoporozy.

Wypłukiwanie przez kadm wapnia ze szkieletu innych narządów powoduję deformację i łamanie się kości, uszkodzenia narządów wewnętrznych i zaburzenia wszystkich funkcji regulujących organizm.

- indukcja stresu oksydacyjnego (OH,O2,H2O2)

- uszkodzenie mitochondriów i zaburzenie produkcji ATP

- wpływ na szlaki sygnalizacyjne

- indukcja procesu transformacji nowotworowej

- indukcja apoptozy

- działania prozapalne

- choroba Itai-Itai

Choroba Itai-Itai

- nazwa pochodzi od japońskiego słowa określającego silny ból, który występuję w kręgosłupie i stawach

- w prowincji Toyama uprawiano ryż na polach nawozonych ściekami o bardzo dużej zawartości kadmu, pochodzącymi z zakładów przemysłowych pobliskich kopalni. Ludzie zamieszkujący te tereny spozywali ryż, w którym zawartość kadmu dochodziła do 1ug/g

Wskutek gromadzenia się tego pierwiastka rozwija się choroba, której typowe objawy to:

- ubytek niezbędnych związków mineralnych z kości i ich zniekształcenie

- nadmierna łamliwość kości

- charakterystyczny kaczy chód

- silne bóle w lędźwiach i mięśniach

- ciężkie uszkodzenie nerek

CHROM CR 6+

- ma wiele zastosowań w przemyśle głównie jako środek antykorozyjny w procesie hartowania oraz w powłokach urządzeń elektronicznych w gospodarstwie domowym jak i środek galwanizacyjny urządzeń metalowych

- w gospodarstwie stosuje się go do wyprawiania skór, ponadto do wyrobu pigmentów i środków piorących

- stanami zagrożenia w okolicach hut i arterii

- spalanie śmieci zawierających chrom powoduję powstanie chromowego pyłu, który bierze się z popiołu

- stężenie chromu powoduję bardzo duże ryzyko zachorowania

- jest znacznie bardziej reaktywny i rozpuszczany w wodzie niż jego inne jony, przez co może być znacznie łatwiej przenoszony

- Cr jest jonem silnie toksycznym czynnikiem kancerogennym

- występuje w postaci pyłu przenoszonego drogą powietrzną, jest czynnikiem rakotwórczym – powoduje rozwój raka płuc

GLIN

Źródła narażenia

Źródłami glinu dla organizmu człowieka są między innymi:

-opakowania stosowane w przemyśle spożywczym – bezpośredni kontakt żywności z jego związkami

- woda pitna

- pożywienie, w którym związki glinu występują naturalnie bądź wskutek stosowanych dodatków do żywności

Substancją dodawaną do żywności jest aluminium (E173) stosowane do powlekania powierzchni różnych produktów oraz stearynian glinu (E573) jako substancja przeciwzbrylająca.

Produktami zawierającymi ten pierwiastek SA także herbata i różne przyprawy- majeranek, pieprz.

Ponadto jego źródłem są aluminiowe naczynia np. garnki. Glin będący składnikiem aluminium przedostaje się do potraw i trafia bezpośrednio do organizmu człowieka.

Glin (trójtlenek glinu) jest także składnikiem leków stosowanych przy nadkwasocie.

Glin uczestniczy w etiologii niektórych chorób neurodegeneracyjnych takich jak: choroba Parkinsona, Choroba Alzheimera oraz stwardnienie rozsiane zanikowe boczne. Powoduje uszkodzenia mózgu związane z melanizacją nerwów.

Indukuje stres oksydacyjny i formowanie płytek starczych (badanie in vivo-myszy transgeniczne)

Glin – choroba Alzheimera

- jedną z hipotez dotyczącą przyczyny rozwoju choroby Alzheimera jest akumulacja glinu w centralnym układzie nerwowym – przeprowadzone badania na szczurach, jednoznacznie wykazały, że akumulacja glinu w tkance mózgowej jest jedną z przyczyn tej choroby.

- stwierdzono także, że krzem może wpływać na biodostępność glinu w organizmie człowieka

- obecność krzemu zmniejsza wchłanianie glinu w układzie pokarmowym dzięki czemu nie akumuluje się on w organizmie

- piwo – dużo krzemu

Ekotoksykologia – wykład 7

Aromatyczne węglowodory

Struktura biopolimeru roślinnego-ligniny, występuję w drewnie, roślinach zielnych.

Fragment struktury kwasu humusowego składa się z form, które stanowią układy aromatyczne.

Osady ściekowe – duża ilość tych substancji.

W wyniku ich spalania dochodzi do przemian tych układów, mają charakter rodnikowy, powoduje powstawanie dimerów tych związków lub cząsteczek skondensowanych.

Węglowodory obecne w ropie naftowej:

- benzen, toulen, pentaheksen, ksylen, cykloheksan.

Mechanizm powstawania Wielocyklicznych węglowodorów aromatycznych

Uważa się, że mechanizm powstawania WWA związany jest z tworzeniem rodników organicznych ulegających przekształceniu do węglowodorów aromatycznych o małej liczbie pierścieni. Następnie tak powstałe węglowodory reagują z innymi rodnikami organicznymi tworząc połączenia wielopierścieniowe.

WWA w literaturze angielskiej znane są pod nazwami polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) lub polynuclear aromatics (PNAs)

Substancje te stanowią liczną grupę związków zawierających od dwóch do kilku, a nawet kilkunastu pierścieni aromatycznych.

W licznych cząsteczkach WWA występuje tzw. struktura fenantrenu tj. obszar o zwiększonej gęstości elektronowej umożliwiający tworzenie się ad duktów z DNA.

Omawiane substancje mogą być utlenione, nitrowane, halogenowe lub podstawione grupą aminową.

Wielocykliczne węglowodory aromatyczne

- Antracen

- Fenantren

- Piren

- Benzo (a) piren

Źródła naturalne:

- procesy geochemiczne

- endogenna synteza WWA przez bakterie, grzyby oraz rośliny

- powstawanie WWA w osadach dennych (warunki beztlenowe)

- pożary lasów oraz innych zbiorowisk roślinnych

- synteza WWA przez niektóre gatunki roślin

Źródła antropogeniczne:

- spalanie węgla oraz ropy naftowej

- emisja spalin (spalanie benzyny)

- spalanie tworzyw sztucznych

- spalanie odpadów przemysłowych oraz odpadów roślinnych

- produkcja smoły węglowej, mas asfaltowych

Obecność w środowisku

Analizy przeprowadzone na próbkach torfowców rosnących w Górach Świętokrzyskich wykazały obecność 16 substancji z omawianej grupy związków w znaczących ilościach od 5 do 1040 ug/kg suchej masy roślin.

- oznaczone stężenia całkowite WWA w wodzie powierzchniowej i osadach dennych rzek Chin wyniosły odpowiednio: 0,946 -13,45 ug/l wody oraz 61,9 – 840,5 ug/kg osadów.

- osady Zatoki Gdańskiej zawierają wysokie ilości WWA o średniej całkowitej zawartości tych substancji wynoszącej 3,6 mg/kg

- stężenia WWA w glebach miejskich oraz glebach zlokalizowanych w bliskości zakładów przemysłowych są bardzo wysokie i wynoszą zwykle od 50 do 300 ug/kg gleby, a w niektórych przypadkach mogą osiągać koncentracje na poziomie kilkuset miligramów.

Przenikanie do organizmów

- omawiana grupa związków przedostaje się do organizmu człowieka podczas wdychania powietrza oraz przez powłoki skórne (ekspozycja zawodowa), a ponadto przez układ pokarmowy (ekspozycja środowiskowa).

- WWA wchłaniane są drogą oddechowy (nitrowane WWA), w formie gazowej (trój- i czteropierścieniowe WWA) oraz jako aerozole zaadsorbowane na cząsteczkach pyłku

Pobieranie WWA drogą pokarmową dotyczy żywności oraz wody pitnej (chlorowane WWA), obecność tłuszczów wzmaga wchłanianie związków z anionowej grupy

Narażenie środowiskowe:

- głównymi źródłami WWA e diecie są zboża oraz produkty żywnościowe z nich powstałe średnie całkowite stężenie tych substancji w ww. produktach wynosi 14,5 ug/kg.

- istotnymi produktami, których spożycie przyczynia się do narażenia środowiskowego na WWA......

- istotnym źródłem WWA w diecie mogą być także oleje roślinne. Analizy obecności benzo(a)piranu w próbkach 40 olejów z oliwek pochodzących z różnych krajów wykazały obecnośc tego związku w ilościach od 0,9 do 164 ug/kg produktu

- obecność WWA głównie benzo(a)piranu, benzo(a)antracenu, bezno(b)fluazotenu oraz chryzenu stwierdzono w mięsie i produktach wędliniarskich w tężeniu poniżej 1ug/kg produktu

- wysokie koncentracje WWA oznaczono w rybach świeżych, a szczególnie rybach wędzonych. Wędzenie tradycyjnymi metodami prowadzić może do przedostania się dużych ilości benzo(a)piranu do mięsa ryb (od 1ug do 50ug/kg).

- wędzenie wędlin przyczynia się do kilkukrotnego wzrostu zawartości WWA (7,5-9,0 ug/kg produktu)

Agencja Ochrony Środowiska (USA) wyznaczyła dopuszczalną wartość całkowitego stężenia WWA w wodzie pitnej na 200ug/l

Unia Europejska ustaliła dopuszczalne całkowite stężenia WWA w wodzie wodociągowej na 100ug/l zaś dla benzo(a)piranu na 10ug/l wody

Helsinki (Finlandia) stężenie średnie 150,3

Horsholm (Dania) 106,5

Kair (Egipt) stężenie 16 WWA w zakresie od 103 do 1238, najwyższe stężenia stwierdzono dla fenantrenu oraz antracenu

Henan (Chiny) całkowite stężenie 16 WWA od 15 -844

Tajwan całkowite stężeni 85-1452

Najczęściej w wodzie pitnej:

- naftalen benzopirenu

- fluoranten

- fenanten

Dym papierosowy

W dymie papierosowym zidentyfikowano około 4800 substancji chemicznych pochodzenia tytoniowego oraz 599 dodatków do tytoniu, dodawanych w procesie produkcji papierosów. Obok bardzo wielu substancji toksycznych wykryto 69 kancerogenów, wśród których 11 to wg IARC ludzkie kancerogeny (Grupa 1), 7 to prawdopodobne ludzkie kancerogeny (Grupa 2A), a 49 to zwierzęce kancerogeny, przypuszczalnie rakotwórcze dla ludzi (Grupa 2B).

Najczęściej w dymie papierosowym:

Benzo(a)antracen 20-70mg

Benzo(a)piren 20-40mg

Dibenzo(a,h)antracen 4mg

- Stwierdzono, że zawartość WWA w powietrzu atmosferycznym może wahać się w granicach od kilku mg/m3 (rejony nieuprzemysłowione) do kilku mg/m3 powietrza w rejonach narażonych na silne emisje przemysłu

- WWA powstają ze związków obecnych w gazie ziemnym, podczas procesu jego spalania w kuchenkach gazowych

- narażenie tą drogą obejmuje wszystkie osoby gotujące i smażące potrawy, szczególnie zaś pracowników zawodowo zajmujących się pracą w kuchni

Narażenie zawodowe

Liczne badania toksykologiczne i epidemiologiczne wskazują na wyraźną zależność pomiędzy ekspozycją osób na oddziaływanie WWA a wzrostem ryzyka rozwoju nowotworów złośliwych:

- wśród pracowników przemysłu koksowniczego odnotowuje się wzrost umieralności spowodowany przez nowotwory płuc

- u osób narażonych na dym asfaltowy – zwiększone ryzyko rozwoju nowotworów skóry oraz raka układu oddechowego

- pracownicy zatrudnieni przy produkcji elektrod grafitowych, narażeni na oddziaływanie smoły stężonych WWA w tym benzo(a)pirenu oraz osoby zatrudnione przy produkcji aluminium częściej zapadają na raka pęcherza moczowego.

Inne:

- osoby pracujące w spalarniach odpadów przemysłowych

- kierowcy autokarów, ciężarówek oraz kontrolerzy emisji spalin silników samochodowych i policjanci

- pracownicy stacji benzynowej

Mechanizm toksycznego oddziaływania

WWA po wniknięciu do organizmu ulegają metabolicznej aktywacji do fazy wykazującej działanie toksyczne, mutagenne i kancerogenne

Metaboliczna aktywacja WWA przebiega przy udziale oksydaz zlokalizowanych w obrębie cytochromu P450.

Proces hydroksylacji z udziałem oksydaz w obrębie cytochromu P450 prowadzi do przekształcenia piranu w silnie rakotwórczy 1-hydroksypiren.

WWA ulegają ponadto utlenieniu do form epoksydowych a następnie didepoksydowych, które tworzą kowalencyjne ad dukty z kwasem deoksyrybonukleinowym.

1992 roku Nisbet i LaGoy opublikowali tzw. Względne współczynniki kancerogenności dla poszczególnych WWA, benzo(a)pirenu jest zw. wskaźnikowym, a siła kancerogennego oddziaływania pozostałych zw. Obliczona jest w stosunku do benzo(a)pirenu.

- są hydroksylowane metabolity tych związków tj. 1-hydroksypiren oraz hydroksylowany fenanten ze względu na mutagenne lub/oraz kancerogenne oddziaływanie powyższych związków na organizm człowieka, ich obecność we krwi lub.oraz mocz, świadczy o większym ryzyku rozwoju nowotworów lub innego schorzenia u danej osoby.

Podwyższoną zawartość hydroksylowanych metabolitów stwierdzono między innymi wśród:

- pracowników narażonych na oddziaływanie smoły węglowej oraz jej lotnych składników

- pracowników przemysłu koksowniczego

- kierowców autobusów, taksówek oraz policjantów

- palaczy tytoniu

- mieszkańców rejonów silnie uprzemysłowionych

- osób mieszkających w dużych centrach miast

Produkty dezynfekcji wody:

Chlorowanie wody

- jest najdawniej stosowaną, najbardziej rozpowszechnioną i najtańszą metodą dezynfekcji

- chlor po raz pierwszy zastosowano w 1831 roku, jako czynnik profilaktyczny w czasie epidemii cholery w Egipcie

- stałą dezynfekcję wody wodociągowej chlorem rozpoczęto w 1905 roku w Londynie oraz w 1908 roku w Chicago

Stosowane oksydanty (utleniacze) chlorowe:

- chlor gazowy (Cl2) – silny utleniacz powodujący powstanie największej ilości ubocznych produktów chlorowania

- ditlenek chloru (ClO2) – związki o bardzo silnym potencjale utleniającym, którego stosowanie prowadzi do powstania znacznie mniejszej ilości ubocznych produktów

Eliminacja patogennych drobnoustrojów (bakterie, wirusy, grzyby, pierwotniaki) oraz innych elementów należących do tworów ożywionych (fragmenty komórek, białka, lipidy).

Bakterie chorobotwórcze – dur brzuszny, czerwonka, ostre zapalnie żołądka, nieżyt żołądka i jelit, ostre zapalenie płuc, cholera, zakażenie ogólnoustrojowe.

Cyjanobakterie (sinice) i ich toksyny – uszkodzenie wątroby, nerek i układu nerwowego.

Wirusy – Heinego-Medine, zapalenie opon mózgowych, zapalenie mięśni szkieletowych i mięśnia sercowego oraz zapalenie wątroby.

Usunięcie związków organicznych (kwasy humusowe, lignina, hemiceluloza) oraz organicznych i nieorganicznych związków syntetycznych z wody.

Dane współczesne wskazują na konieczność stosowania związków chloru w dezynfekcji wody do celów pitnych.

- w 2000 roku w mieście Walkerton (Quebec, Kanda) zanotowano śmierć 7 osób i zatrucie 2300 osób zatruciem Escherichia coli z wody pitnej

- w 2008 roku w Zimbabwe śmierć 366osób, zatrucie 9000 osób z powodu niechlorowanej wody z powodu cholery

- w 2010 roku, Haiti, śmierć 1400 osób, 25000 osób zatrucie w wodzie, przecinkowce cholery

Dane Światowej Organizacji Zdrowia wskazują, ze spożywanie wody niechlorowanej jest przyczyną ok. 3,4 mln zgonów głównie wśród dzieci.

Produkty dezynfekcji wody

- w 1974 roku tworzenie się ubocznych produktów dezynfekcji (chlorowanie wody) po raz pierwszy zaobserwowali niezależnie od siebie Rook oraz Bellor i współpracownicy.

- W 1976 roku Narodowy Instytut Badań nad Rakiem (USA) opublikował, ze chloroform będący jednym z głównych produktów chloru w wodzie wykazuje działanie kancerogenne u gryzoni.

Produkty dezynfekcji wody

Lotne związki organiczne	Nielotne związki organiczne
Trihalometany Dichlorometan Tetrachlorometan Dichloroetylen Dichloropropan Chlorek winylu	Halogenowe kwasy octowe Chlorowane i bromowane ketony Chlorowane i bromowane aldehydy Chlorowane i bromowane acetonitryle Chlorowane i bromowane aminy Chlorowane i bromowane ftalany Chlorowane i bromowane fenole Chlorowane fura rany Nitrozoaminy

Trihalometany (THM)

- są ubocznymi produktami chlorowania wody, występują w wodzie pitnej zazwyczaj w wyższych stężeniach niż inne związki halogenoorganiczne

- substancje te są pochodnymi metanu, w którym 3 atomy wodoru zostały podstawione atomami chloru, bromu, jodu lub fluoru.

- najważniejszymi związkami: tri chlorometan, dichlorobromometan, dibromochlorometan, tribromometan

- stosunkowo duża lotność sprawia, że narażenie ludzi na te substancje zachodzi głównie (około 92%) poprzez skórę oraz drogi oddechowe (basen) podczas gdy drogą pokarmową przedostaję się do organizmu jedynie 8% całkowitej zawartości THM.

- w oparciu o dane epidemiologiczne stwierdzono, ze kontakt przez skórę i drogi oddechowe przyczynia się od około 40% przypadków do rozwoju raka u ludzi.

Generalnie zawartość poszczególnych THM w wodzie jest zróżnicowana i zalezy od oksydantu chlorowego jaki jest stosowany

- Litwa – stężenie całkowite w zakresie 1,3 – 21,9ug/l

- Tajwan – stężenie całkowite w zakresie 9,6 – 48,4 ug/l

- Hiszpania – stężenie całkowite w zakresie 8,7 – 84,9 ug.l

Badania w Kandzie (2000-2007) wykazały wyższe stężenie THM w wodzie uzdatnionej, przekraczające w niektórych prowincjach dopuszczalne normy tj. 100ug/l.

- wśród THM najpowszechniej w wodach uzdatnionych występuję chloroform, w najwyższych stężeniach w wodzie, stanowiąc niejednokrotnie nawet 90% całkowitej zawartości THM w wodzie pitnej

- bromowane trihalometany występują w wodach uzdatnionych które są produkowane z wód mających kontakt z wodami morskimi i oceanicznymi, zawierającymi znaczne ilości bromków, przykładowo jest to dibromochlorometan.

- narażenie na THM uzależnione jest od zawartości tych substancji w wodzie wodociągowej oraz trybu życia danej osoby(higiena osobista, konsumpcja wody, rekreacja) ekspozycja na THM dotyczy szerokiego zakresu stężenia od 2,5 do 2400ug/osobę

- THM są związkami odpornymi na przemiany w środowisku wodnym oraz charakteryzują się znaczną lipofilnością, co sprawia, że ulegają efektywnej akumulacji w tkankach organizmów żywych, głównie w tkance tłuszczowej, wątrobie, nerkach, płucach oraz układzie nerwowym.

- THM charakteryzują się oddziaływaniem hepatotoksycznym, nefrotoksycznym oraz kardiotoksycznym.

- powodują powstawanie nowotworów złośliwych układu moczowego (nerek, pęcherza moczowego) oraz niekorzystnie wpływają na rozwój płodu

- obecnie chloroform oraz bromodichlorometan uznane zostały przez Międzynarodową Agencję Badań nad Rakiem za związki o prawdopodobnym wpływie rakotwórczym na organizm człowieka.

Kwasy halo octowe

- związki te są podstawione atomem chloru lub bromu, mogą ulegać substytucji atomem jodu

- kwas bromooctowy, kwas dibromooctowy, kwas chlorooctowy, kwas di chlorooctowy, kwas trichlorooctowy

- są produktami dezynfekcji wody występując w niej w ilościach nieznacznie niższych lub porównywalnych do THM

- powstają na skutek chloro nitrowania wody, stosowania di tlenku chloru lub ozonu, tworzą się w procesie dezynfekcji wody chlorem gazowym

- badania prowadzone w USA, w 500 dużych zakładach uzdatniania wody pitnej wykazały występowanie kwasu halo octowego w zakresie 1-170ug/l, najpowszechniej trichlorooctowy i dibromooctowy.

- wykazano, ze kwasy bromooctowe mogą występować w wodzie pitnej w stężeniach wyższych od ich chlorowanych odpowiedników w przypadku obecności bromków w uzdatnionej wodzie (powyżej 50ug/l)

Wyniki badań wskazują, że ok. 10% konsumentów wody pitnej narażonych jest na stężenia kwasów halo octowych przekraczające ustalone normy.

- kwasy halo octowe wykazują cytotoksyczne, genotoksyczne, mutagenne i teratogenne właściwości

- wzrost toksyczności monohalogenowych kwasów kalo octowych przedstawia się następująco:

Kwas jodooctowy kwas bromooctowy kwas chlorooctowy

Kwas jodooctowy

Kwas bromooctowy

Kwas dijodooctowy

Kwas dibromooctowy

Kwas chlorooctowy

Kwas trichlorooctowy

Kwas di chlorooctowy

Różnice w cytotoksyczności kwasów halo octowych uwarunkowane rodzajem i liczbą podstawników.

Nitrozoaminy

- po raz pierwsz w 1998 roku w wodzie wodociągowej północnej Kalifornii

- powstają na skutek procesu chloraminowania wody do celów pitnych, związki te tworzą także w wyniku dezynfekcji wody.

- prekursorami w wodzie pitnej są aminy drugorzędowe (dimetyloamina, dietyloamina i inne)

- mechanizm powstawania związany jest z reakcją amin drugorzędowych z monochloroaminami, co prowadzi do powstania tzw. Dimetylohydrazyny ulegającej przekształceniu utleniacza do nitrozo amin, głównie nitrozodimetyloaminy

- najczęściej: N-nitrozodimetyloamina, N-nitrozodietyloamina oraz N-nitrozopiridyna

- zakres stężeń 0-45,4ug/l

- powodują powstawanie nowotworów złośliwych u zwierząt laboratoryjnych

- narażenie u ludzi i zwiększona zapadalność na nowotwory złośliwe

- są związkami o prawdopodobnym wpływie rakotwórczym na organizm człowieka