WYKŁAD 3

BIOMONITORING TYPU 2 c.d.

KSENOBIOTYK- substancja chemiczna nie będąca naturalnym składnikiem żywego organizmu, który jest na nią nawożony; substancja obca, egzogenna lub materiał antropogeny. Definicja ta obejmuje substancje obce dla organizmu docelowego; określa się nią większość trucizn i leków. Ważną grupę ksenobiotyków stanowi aż związki chemiczne otrzymane przez człowieka, a struktury chemiczne nie występowały w przyrodzie, do których organizmy nie przystosowały się na drodze wcześniejszej ewolucji.

DAWKA WCHŁONIĘTA- ilość substancji chemicznej przenikającej przez różne fazy wymiany organizmów ze środowiskiem zewnętrznym. Stanowi iloczyn dawki pobranej (podanej) i współdziała wchłanianie tej substancji. Zazwyczaj wyrażana w jednostkach masy substancji wchłoniętej na jednostkę masy organicznej w określonym czasie.

PRZEWIDYWANE STĘŻENIE W ŚRODOWISKU- stężenie substancji w środowisku, obliczone na podstawie dostępnych danych o jej właściwościach (w tym fizykochemicznych), ilościach przenikających do środowiska oraz drogach przenikania.

POZIOM NATĘŻENIA ŚRODOWISKA (EEL)- stężenie lub ilość substancji w określonym przedziale czasowym, na jakie organizmy żywe lub inne składniki środowiska są narażone w swoim naturalnym otoczeniu.

GŁÓWNE DROGI POBIERANIA ZANIECZYSZCZEŃ ORGANICZNYCH PRZEZ ORGANIZMY

GRUPA ORGANIZMÓW	DROGA POBIERANIA	ŹRÓDŁA SUBSTANCJI ZANIECZYSZCZONEJ
Kręgowce lądowe	Przewód pokarmowy Skóra Płuca	Pobierane pożywienie i woda Zanieczyszczone powierzchnie Kropelki i pyły w powietrzu, opary
Bezkręgowce lądowe	Przewód pokarmowy Oskórek (owady) Ściana ciała (ślimaki) Tchawki	Pobierane pożywienie i woda Zanieczyszczona powierzchnia Zanieczyszczone środowisko np. gleba
Ryby	Skrzela Przewód pokarmowy	Zanieczyszczenia z zaniecz. wody, rozcieńczone lub zawieszone pożywienie
Wodne ssaki i ptaki	Przewód pokarmowy	Pożywienie, niewielkie ilości z wody otaczającej lub wypitej
Wodne płazy	Skóra Przewód pokarmowy	Zanieczyszczenia w otaczającej wodzie rozpuszczone lub zawieszone Pożywienie, niewielkie ilości z otaczającej wody
Wodne bezkręgowce	Przewód pokarmowy Powierzchnie oddechowe	Pożywienie Niewielkie ilości z otaczającej wody
Rośliny	Liście Korzenie	Zanieczyszczenia w kropelkach lub w postaci pyłu, opadu Zanieczyszczenia rozpuszczone w wodzie glebowej
Są to ważne drogi pobierania herbicydów, insektycydów i fungicydów.

ROZMIESZCZENIA ZANIECZYSZCZEŃ

Gleba skażona metalami ciężkimi- zrekultywowanie przez naniesienie nieskażonej górnej warstwy gleby. Rośliny których korzenie są krótkimi nie powodują problemów, ale te z dłuższymi np. drzewa pobierają metale ciężkie z niższej, zanieczyszczonej gleby, a opadające liście (zanieczyszczone metalami) tworzą skażoną ściółkę. Droga migracji jest mniejsza.

Zanieczyszczone powietrze- zanieczyszczenia opadają na liście, które są skażone i przechodzą zanieczyszczenia do korzeni- dotyczy to roślin o krótkim systemie korzeniowym, natomiast drzewa (długi system korzeniowy) pobierają witaminy z gleby. GORSZA SYTUACJA- skażone są liście, gleba i korzenie roślin słabiej ukorzenionych.

BIOAKUMULACJA I BIOMAGNIFIKACJA

Zwierzęta znajdujące się na szczycie łańcucha pokarmowego są szczególnie wrażliwe na zatrucie chlorowanymi węglowodorami. Przyczyną jest łączny efekt BIOAKUMULACJI (odkładanie się w tkankach w coraz większych ilościach substancji pochodzącej ze środowiska fizycznego), oraz BIOMAGNIFAKACJI (zwiększenie się stężenia substancji o tkankach kolejnych organizmów łańcucha pokarmowego w skutek jej asymilacji i przekazywania wzdłuż tego łańcucha).

TRANSFER ZANIECZYSZCZEŃ W ŁAŃCUCHACH POKARMOWYCH

Szczytowi drapieżnicy- mało wydajny system oksydacji detoksykacji (brak enzymów detoksykacyjnych) kumulacja w tkankach związków polichlorkowych

Konsumenci niższych rzędów- wydajne systemy oksydacji detoksykacji metabolizm ksenobiotyków i wydalanie z ustroju

BIOMAGNIFIKACJA

WSPÓŁCZYNNIK BIOMAGNIFIKACJI-

BMF= stężenie na wyższym poziomie troficznym/stężenie na dolnym poziomie troficznym

Najbardziej narażeni są szczytowi drapieżcy

PCB- polichlorowane bifenyle. Po 50 latach użytkowania odkryto, że jest toksyczna i zanieczyszcza środowisko.

WPŁYW BIOAKUMULACJI I BIOMAGNIFIKACJI NA CZŁOWIEKA

• W Japonii w 1954r. zauważono w Minamat jakąś chorobę neurologiczną. Chorowali i umierali ludzie. Po zbadaniu odkryli, że chorobę spowodowały związki rtęci zrzucane z niedalekiej fabryki, która kumulowała się w skorupiakach i rybach, a one były głównym pożywieniem tamtejszych mieszkańców.

• W Japonii 1940-1960, wyspa Hongshu- wykorzystywano wodę z pobliskiej rzeki do nawadniania ryżu. Woda była zanieczyszczona kadmem, który kumulował się w ryżu. Zapadali na chorobę Itai-Itai (deformacja i łamliwość kości).

NAJGROŹNIEJSZE KSENOBIOTYKI

Zanieczyszczenie lipofilowe o długim biologicznie okresie półtrwania: polichlorowane insektycydy: dieldryna i DDT, związki z grupy PCB, dioksyny (TCDD), metylortęć, tributylocyna.

CECHY DDT (dichlorodifenylotrichloroetan):

1. Chemiczna stabilność, która sprawia, że mogą przez długi okres pozostawać w środowisku (t_1/2=10-15lat)

2. Wysoka rozpuszczalność w lipidach (łączenie się z kwasami tłuszczowymi)

3. Toksyczność i aktywność biologiczna oraz możliwość przemieszczania się w środowisku

PTAKI NAJCZĘŚCIEJ WYKORZYSTYWANE W TESTACH TOKSYCZNOŚCI IN VIVO

Przepiórki, bażanty, kurczęta- prawie całkowicie nie wrażliwe DDT

Kaczki- w niewielkim stopniu wrażliwe na DDT

Ptaki drapieżne- bardzo wrażliwe na DDT; ściemnienie skorup jaj co prowadzi do minimalizacji lęgu, DDT kumuluje się w wątrobie, mózgu, mięśniach co prowadzi do utraty orientacji i problemów z łowami.

Krogulec, sokół wędrowny- najbardziej drastyczne skutki po spożyciu DDT

Najdrastyczniejszy przykład to ściemnienie skorupy jaja, które stwierdzono u wybrzeży Kalifornii w 1969 r. (z 750 gniazd ptaki wyprowadziły 4 pisklaki).

OPÓŹNIONA TOKSYCZNOŚĆ

Edredon- w czasie sezonu rozrodczego samice giną z powodu zatruci dieldryną, a samce nie. Ponieważ z początkiem sezonu wegetacyjnego samice gromadzą znaczne ilości tłuszczu. Wraz z mobilizacją rezerw tłuszczowych w czasie składania jaj stężenie dieldryny we krwi gwałtownie wzrasta i samice ulegają zatruciu.

KRYTYCZNE DROGI KUMULACJI I TRANSPORTU ZANIECZYSZCZEŃ W ŁAŃCUCHACH POKARMOWYCH

Po katastrofie w Czarnobylu (1986) monitoring biologiczny wykazał w wielu krajach europejskich (od Włoch po Norwegię) wzrastający poziom radioaktywnego cezu w strzępkach podstawczaków. Grzyby kumulowały izotop z gleby, lecz dopiero kiedy wytworzyły się nadziemne owocniki, cez stał się dostępny dla zwierząt żywiących się grzybami. Owocniki podstawczaków wykazywały poziom promieniotwórczości nawet 100 razy większy niż u roślin.

Niektóre grupy bezkręgowców (np. stonogi, ślimaki, dżdżownice) kumulują znaczne ilości metali ciężkich z pożywienia podczas gdy większość owadów utrzymuje ich stężenie na stosunkowo niskim poziomie.

OCENA EKSPOZYCJI NA PESTYCYDY CHLOROORGANICZNE

Do oceny stosuje się:

• analiza jaj ptasich

• pióra ptasie (w Finlandii pióra piskląt wielu gatunków ptaków stanowią dobry wskaźnik ekspozycji dorosłych osobników na rtęć)

• wypluwki sów mogą służyć do monitoringu ekspozycji na rodentycydy

MEWA SREBŻYSTA jako kluczowy gatunek wskaźnikowy Wielkich Jezior:

• jest szczytowym drapieżnikiem

• dorosłe mewy są ptakami osiadłymi przez cały rok na Wielkich Jeziorach i w niewielkim zakresie przemieszczają się między jeziorami

• gnieździ się na koloniach- można więc stosunkowo łatwo policzyć całkowitą populację w rozrodzie oraz policzyć jaja i ocenić rozród

• rozmnaża się na większości obszarów Europy i Ameryki Północnej- umożliwia to porównanie poziomów skażeń, sukcesu rozrodczego, itp. na Wielkich Jeziorach z populacjami z wybrzeży i populacjami europejskimi

SKUTKI ODDZIAŁYWANIA ZANIECZYSZCZEŃ

BIOMONITORING TYPU 3

Podstawą badań tego biomonitoringu jest możliwość wykorzystania parametrów biochemicznych, komórkowych, fizjologicznych i morfologicznych jako narzędzi przesiewowych lub „biomarkerów”. Umożliwia ocenę skutków oddziaływania zanieczyszczeń na organizmy i powiązanie ich ze stężeniem zanieczyszczeń w tych organizmach oraz innymi wskaźnikami biotycznymi i abiotycznymi.

EKSPOZYCJA (dostępność subst. w jakiejś ilości) DAWKA STAN ZDROWOTNY

Jednym z najprostszych wskaźników in situ zanieczyszczeń powietrza jest tytoń. W odpowiedzi na zanieczyszczenie ozonem atmosferycznych na liściach tytoniu pojawiają się plamki. To jest łatwy w użyciu i często wykorzystywany w wielu pomiarach, nawet z udziałem młodzieży szkolnej.

KLASYFIKACJA BIOMARKERÓW (jako reakcja organizmu na ksenobiotyk)

Biomarkery ekspozycji (dawki)- dają możliwość zaobserwowania zależności między dawką zewnętrzną substancji chemicznej a wchłoniętą. U kręgowców najczęściej oznaczane są w krwi, moczu, ślinie i w wydychanym powietrzu.

Biomarkery efektu (odpowiedzi)- są wskaźnikiem zmian wywołanych w wyniku działania substancji toksycznej. Stosuje się je w celu bezpośredniej identyfikacji zagrożenia lub do oszacowania zagrożenia zdrowia na podstawie reakcji dawka-odpowiedź.

Biomarkery wrażliwości (podatności)- służą do wyodrębniania grupy ryzyka, identyfikują osobniki w populacji mające nabytą bądź genetyczną odmienność wrażliwości na skutki wywołana czynnikiem toksycznym.

Ekspozycja zewnętrzna

Dawka wewnętrzna Dawka biologicznie skuteczna =BIOMARKERY EKSPOZYCJI

BIOMARKERY EFEKTU= Wczesne skutki biologiczne

BIOMARKERY WRAŻLIWOŚCI= Choroba

OCENA WRAŻLIWOŚCI ORGANIZMÓW NA CZYNNIKI STRESOGENNE

BEZPOŚREDNI I POŚREDNI EFEKT DZIAŁANIA CZYNNIKÓW STRESOGENNYCH I ŚRODOWISKOWA OCENA ZAGROŻEŃ

[RYSUNKI]

BIOMONITORING TYPU 3 W EKOSYSTEMACH LĄDOWYCH

Emisja fluorków z zakładów aluminiowych może oddziaływać bezpośrednio na małe ssaki. Krety i ryjówki zebrane w odległości poniżej 1km od zakładów miały w swoich zębach i kościach niezwykle wysoli poziom fluorków. Niektóre z nich wykazywały objawy zatrucia fluorkami, włącznie z wyszczerbionymi i złamanymi zębami oraz kruchymi kośćmi.

W Finlandii zanieczyszczenie powietrza pochodzące z huty miedzi spowodowało zamieranie populacji gąsienic. Sikory bogatki uzyskują karotenoidy dzięki którym mają żółte ubarwienie, właśnie poprzez żerowanie na tych gąsienicach. Mniej jaskrawe osobniki mają mniejsze dostosowanie w kategorii doboru partnera i przeżycia.

Podobne rezultaty uzyskano dla skażonych promieniotwórczo jaskółek dymówek z okolic Czarnobyla, u których musi dojść do kompromisu między zwiększonym zużyciem karotenoidów w celu redukcji wolnych rodników a ich rolą w sygnalizacji seksualnej.

Program oprysku lasów w wschodniej Kanadzie zmierzający do zredukowania zwójki świerkowej jest najdłuższym i największym tego rodzaju programem na świecie. Łącznie w latach 1952-1996 rozpylono ok. 17mln. kg pestycydów na 67ha lasów.

Początkowo do oprysków stosowano DDT, co przyczyniło się do szeroko rozpowszechnionej śmiertelności amerykańskiego rudzika. Pierwszym pestycydem zastępującym DDT był fosfamidon. Związek ten okazał się najbardziej efektywnym owicydem- przyczynił się do śmiertelności milionów ptaków spierających.

OSTANIE WAŻNE INFORMACJE

KRYTRIA DOBOTU ORGANIZMÓW:

• muszą reagować szybko i niezawodnie na zmiany w środowisku

• ich reakcje powinny być jednoznaczne i łatwe do zinterpretowania

• warunki i tryb życia organizmów muszą pozwalać na automatyczne i ciągłe monitorowanie ich zachować

• utrzymanie organizmów wskaźnikowych w warunkach laboratoryjnych powinno być niekłopotliwe i nie wymagać dużych kosztów

Igły sosny wyróżniają się wysokim stopniem kumulacji przy większej jednorodności materiału i mają najwyższy stopień korelacji z odpadem radioaktywnym.

Odporność na zanieczyszczenia o podłożu genetycznym

Biomonitoring typu 4

Odmiany roślin, które charakteryzują się genetyczną odpornością na duże stężenia metali w glebach, są znane od wielu lat (Baker i Walker, 1989). Także u owadów odporność taka jest dobrze udokumentowana. Jest ona dziedziczna i powinno się ją odróżniać od tolerancji fenotypowej, którą mogą mieć wszystkie osobniki danego gatunku („preadaptacja").

Ta ostatnia może obejmować strategie unikania, duże możliwości wydalania lub obecność enzymów, które rozkładają zanieczyszczenia organiczne. Tolerancja fenotypowa może być indukowana (np. zwiększona synteza białek wiążących metale). Genetycznie odrębne odmiany oporne na zanieczyszczenia będą ewoluowały jednak tylko wtedy, gdy nacisk selekcyjny utrzyma się przez wiele pokoleń.

Do bezkręgowców lądowych, u których wykazano w doświadczeniach hodowlanych rozwój odporności genetycznej na duże stężenia metali, należą dżdżownice (Spurgeon i Hopkin, 2000), Collembola, lądowe równonogi (stonogi) i Drosophila (Posthuma i Van Straalen, 1993). Jednak selekcyjna korzyść, jaką niesie taka odporność, jest raczej niewielka. W porównaniu z kontrolą odporne zwierzęta zazwyczaj przeżywają stężenia metali tylko o jakieś 30-50% większe.

Melanizm przemysłowy - forma melanizmu wywołana przez emisje gazowe lub pyłowe przemysłu, będąca przykładem działania doboru kierunkowego. Związany jest z industrializacją i postępującym zanieczyszczeniem środowiska. Melanizm przemysłowy został zaobserwowany i opisany na przykładzie krępaka brzozowego żyjącego w okolicach Manchesteru.

Melanizm przemysłowy polega na liczniejszym występowaniu w regionach przemysłowych form ciemniej ubarwionych. Jest to uwarunkowane działaniem doboru naturalnego, który w środowisku zanieczyszczonym eliminuje osobniki o jasnej pigmentacji (jako lepiej widoczne - są zjadane przez ptaki), a preferuje formy melaniczne i ciemniej ubarwione, dla których jest to cecha adaptacyjna (zlewają się z tłem). Klasycznym przykładem melanizmu przemysłowego są zmiany w populacjach krępaka brzozowego (Biston betularia) obserwowane w Anglii od połowy XIX w.

Rodzaje siedlisk przyrodniczych oraz gatunki będące przedmiotami ochrony są wymienione w odpowiednich załącznikach Dyrektywy 92/43/EWG w sprawie ochrony siedlisk naturalnych oraz dzikiej fauny i flory (tzw. Dyrektywy Siedliskowej) - zał. 1 siedliska, zał. 2 gatunki i Dyrektywy 79/409/EWG w sprawie ochrony dzikich ptaków (tzw. Dyrektywy Ptasiej) - zał. 1 gatunki.

---