Ecotox: ecological risk assessment

Inhoud

Algemene introductie

1. Chemicaliën zijn overal… maar risico’s?

2. Blootstelling vs gevaar vs risico

3. Bewustwording van milieuproblemen

4. Ecotoxicologie vs Ecological risk assessment

Effects assessment

1. Introductie

2. Tolerantie van een organisme

3. Ecotoxiciteit testen

4. Effects assessment binnen Ecological Risk Assessment

5. Ecologische realiteit

Exposure assessment

1. Introduction

2. Exposure assessment

3. Risk assessment

1.1. Chemicaliën zijn overal… maar risico’s?

• Chemische stoffen zijn overal aanwezig

• Chemische stof vormt pas een risico als er ook blootstelling is

1.2. Blootstelling vs gevaar vs risico

Exposure

= blootstelling

• mate waarin organismen in contact komen met de stof

Hazard

= gevaar

• potentiële gevaar dat er een risicio optreedt voor mens en milieu

• kan alleen schade aanrichten als er blootstelling is

Risico

= risico

• kans dat gevaar daadwerkelijk schade veroorzaakt = kans dat een effect optreedt

Zin: “The dose makes the poison”

1.3. Bewustwording van milieuproblemen

= ontstaan van exotoxicologie

• Oorspronkelijke gedachte: bescherming van mensen = bescherming van ecosystemen → fout

DDT-crisis

• Eigenschappen

  • neurotoxisch voor insecten

  • persistent in het milieu

  • bioaccumuleert en biomagnificeert

• Gevolgen

  • DDT breekt af in 2 dochtercomponenten die slecht zijn (DDD, DDE)

  • ophoping via voedselketen

  • sterke stijging concentraties in roofvogels → verminderde populatie roofvogels

  • dunne eischelpen

TBT = Tributyltin

• in antifouling verven gebruikt op de buitenkant van boten

• veroorzaakt imposex bij slakken

• vrouwtjes ontwikkelen mannelijke kenmernen

• extreem toxisch bij lage concentraties

Diclofenac

• gieren aten karkassen van behandelde runderen → nierfalen bij gieren → 90% populatiedaling → meer karkassen → verspreiding van ziektes zoals anthrax

Dancing cats

• Kwik werd gebruikt in bedrijf om acetylene om te zetten naar acetaldehyde → als methylsulfaat werd het geloosd in het water

• accumuleerde in vis in de zee dichtbij

• mensen namen dagelijks enorme hoeveelheid van kwik op door het opeten van vis → neurologische verschijnselen treden op

1.4. Ecotoxicologie vs Ecological risk assessment - Wat is ecotoxicologie?

= wetenschap die onderzoekt

• effecten van chemische stoffen op organismen

• effecten op populaties, gemeenschappen en ecosystemen

• transport en verspreiding van stoffen in het milieu

Multidisciplinair

• chemie

• toxicologie

• ecologie

Doel

• voorspellen van impact van chemische stoffen op ecosystemen

• een wetenschappelijke basis voorzien voor het bepalen van risicos van chemische stoffen in het milieu

Niveaus van biologische organisatie

• molecule

• cel

• orgaan

• organisme

• populatie = groep individuen van dezelfde soort in een specifieke regio

• ecosysteem= regio met verschillende groepen individuen

• biosfeer

Naarmate complexiteit stijgt:

• ecologische realiteit stijgt

• precisie daalt

1.4. Ecotoxicologie vs Ecological risk assessment - Wat is risk assessment?

= bepalen van risico’s van stoffen op individuen (humane RA) of op andere groepen van organismen (ERA) op korte termijn en op lange termijn

• predictive → voor introductie van stof

• retrospective→ bestaande vervuiling evalueren

Verschil met Human Risk Assessment

Ecological Risk Assesment	Human Risk Assessment
beschermt populaties/ecosystemen alle soorten ecologische interacties belangrijk lange termijn + ecosystemen	beschermt individuen enkel mens minder ecologische focus termijn van mensenleven

1.4. Ecotoxicologie vs Ecological risk assessment - Wat is risk assessment? - Schema

1.4. Ecotoxicologie vs Ecological risk assessment - Wat is risk assessment? - Risk Assessment en Risk Management

1.4. Ecotoxicologie vs Ecological risk assessment - Definitie: Risk assessment

een proces dat enkele of alle van de volgende elementen omvat: gevarenidentificatie, blootstellingsbeoordeling en risicokarakterisering

1.4. Ecotoxicologie vs Ecological risk assessment - Definitie: Hazard identification

het vaststellen van de schadelijke effecten die een stof van nature kan veroorzaken of in bepaalde gevallen, het beoordelen van een specifiek effect

1.4. Ecotoxicologie vs Ecological risk assessment - Definitie: Effects assessment

de schatting van de relatie tussen dosis of blootstellingsniveau aan een stof en de incidentie van een effect

1.4. Ecotoxicologie vs Ecological risk assessment - Definitie: Exposure assessment

het bepalen ban de emissies, routes en bewegingssnelheden van een stof en de transformatie of afbraak ervan om de concentaties/doses te schatten waaraan menselijke populaties of milieucompartimenten worden of kunnen worden blootgesteld

1.4. Ecotoxicologie vs Ecological risk assessment - Definitie: Risk charachterisation

een schatting van de incidentie en ernst van de nadelige effecten die waarschijnlijk zullen optreden in een menselijke populatie of milieucompartiment als gevolg van daadwerkelijke of voorspelde blootstelling aan een stof en kan risicoschatting omvatten → kwantificering van die waarschijnlijkheid

1.4. Ecotoxicologie vs Ecological risk assessment - Definitie: Risk management

besluitvormingsproces dat inhoudt dat politieke, sociale, economische en technische informatie worden afgewogen tegen risicogerelateerde informatie om regelgevende opties te ontwikkelen, analyseren en vergelijken en de juiste regelgevende reactie te selecteren op een potentieel gezondheids- of milieugevaar

1.4. Ecotoxicologie vs Ecological risk assessment - Definitie: Risk reduction

het nemen van maatregelen om mens en/of milieu te beschermen tegen geïdentificeerde risico’s

1.4. Ecotoxicologie vs Ecological risk assessment - Definitie: Safety

wordt gedefinieerd als de grote waarschijnlijkheid dat er geen nadelige effecten zullen optreden bij het gebruik van een stof onder specifieke omstandigheden, afhankelijk van de hoeveelheid en de wijze van gebruik

1.4. Ecotoxicologie vs Ecological risk assessment - Elementen ecologiscal risk assessment

Persistente stoffen = stoffen die niet afbreken en die heel stabiel zijn in het milieu over lange termijn

Bioaccumulatieve stoffen = stoffen die in de voedselketen opstapelen

Toxiciteitsstoffen = stoffen die zeer toxisch zijn bij lage concentraties

2.1 Introductie

Single-species ecotoxiciteitstesten gebruiken om

• welke concentratie van een chemische stof

• welke blootstellingsduur

nodig zijn om een effect te veroorzaken bij individuen van dezelfde soort onder gecontroleerde laboratoriumomstandigheden

PNEC

= Predicted No Effect Concentration

• bedoeld om ecosystemen in het veld te beschermen

LC50

• concentratie waarbij 50% sterfde optreedt

2.2 Tolerantie van een organisme

Shelford’s law of tolerance

• aanwezigheid, dichtheid en verspreiding van een soort worden bepaald door het al dan niet overschrijden van tolerantielimieten voor fysische en chemische factoren

• te laag → geen toxisch effect, maar te hoog → toxisch effect

Principle of the limiting factor

• te veel of te weinig van 1 abiotische factor (= limiting factor), kan de groei van een populatie beperken of verhinderen zelfs als alle andere factoren optimaal zijn

→ organismen hebben minimum, optimum, maximum tolerantieniveaus

2.3 Ecotoxiciteitstesten - wat + doel

Wat?

dosis/concentratie en blootstellingsduur bepalen nodig om een specifiek effect te verkrijgen

Doel

zo nauwkeurig mogelijk een concentratiebereik bepalen dat duidelijke selecteerbare en kwantificeerbare effecten veroorzaakt bij testorganismen onder gecontroleerde labo-omstandigheden

2.3 Ecotoxiciteitstesten - praktische uitvoering

• aquatische toxiciteitstesten → organismen worden blootgesteld via opgeloste stoffen in water

  • Chemicaliën: mg/L of µg/L

  • Effluenten: volumepercentages

2.3 Ecotoxiciteitstesten - acute vs chronische testen

	Acute testen	Chronische testen
Duur	2 - 7 dagen meestal < 4 dagen	7 dagen
Eindpunt	meestal mortaliteit	groei reproductie
Parameters	EC50 LC50	ECx LOEC NOEC

Belangrijjk: korte duur $\ne$ acute toxiciteit

2.3 Ecotoxiciteitstesten - criteria voor keuze van testsoorten

• beschikbaar en abundant

• indien mogelijk: lokale/inheemse of representatieve soorten

• onderhoudbaar in labo

• biologische achtergrondinformatie beschikbaar

2.3 Ecotoxiciteitstesten - Blootstellingssystemen

Statisch	Semi-statisch	Flow-through
geen vernieuwing van testmedium	regelmatige vernieuwing van medium	continue/regelmatige vernieuwing via pompen

Wat gebeurt er met toxicant?

• toxicant kan afbreken tot dochtermoleculen

• molecule kan reageren met andere moleculen

• kan adsorberen aan wand

• organisme scheidt zelf metabolismen af → water moet gefilterd worden → medium vaak verversen om ervoor te zorgen dat concentratie van toxicant stabiel blijft en dat andere afbraakmoleculen geen effect kunnen hebben op de test

2.3 Ecotoxiciteitstesten - Testdesign

Basisopzet

• Altijd controlegroep zonder contaminant

• Minstens 5 testconcentraties

• Indien mogelijk:

  • minstens 30 organismen per concentratie

  • verdeeld over replicaten (minstens 3 replicaten)

Valideitscriteria

• mortaliteitscontrole < 10% (acute testen)

• duidelijke concentratie-responsrelatie

• EC50 getest concentratiebereik

Nood aan controlegroep

= negatieve controle

= blancogroep

• er zit geen toxicantconcentratie in

• je weet anders niet of de effecten die optreden te wijten zijn aan de toxicant of aan andere factoren (bv. ziekte, behandeling)

• Evaluatie van

  • kwaliteit testpopulatie

  • kwaliteit testmedium

  • robuustheid testprocedure

• Data analyse

  • beoordeling van het relatieve effect (LCx of ECx)

  • statistische vergelijking van de behandeling van de controle (NOEC en LOEC)

Meerdere replicaten nemen

• biologische variatie (sommigen zijn gevoeliger dan andere)

(Positieve controle)

• Referentiestof met gekende toxiciteit

• Waarom nuttig

  • controleren of gevoeligheid binnen labo constant blijft

  • vergelijkbaar tussen labo’s

  • niet verplicht, behalve in GLP’s

(Gebruik van rinsing bottles)

• verdunningseffect van overdracht van organisme wegwerken → verkleinen van verdunningsfout

2.3 Ecotoxiciteitstesten - Welk testdesign is het beste?

1. Te weinig replicaten

2. Beste optie, maar kans op minder mooie concentratie-responscurve

3. Beste optie, maar kans op verdunningsfout

4. Te weinig testconcentraties + geen blanco

2.3 Ecotoxiciteitstesten - De 3 R’en

1. Refinement

2. Reduction

3. Replacement

2.3 Ecotoxiciteitstesten - Effectcriteria

LC50

• Concentratie die 50% mortaliteit veroorzaakt na specifieke blootstellingsduur

EC50

• Concentratie die een specifiek effect veroorzaakt bij 50% van de populatie of 50% verandering in endpoint veroorzaakt

LOEC

= Lowest Observed Effect Concentration

• laagste concentratie met een significant verschil verschillend van controlerespons

NOEC

= No Observed Effect Concentration

• hoogste concentratie dat niet significant verschilt van de controlewaarden (concentratie net voor de LOEC)

2.3 Ecotoxiciteitstesten - Concentratie-respons modellen

Algemene vorm

• y = f(x)

  • y = effect/respons

  • x = concentratie

Log-logistisch model

• Sigmoïde curve

• Parameters

  • alfa = LC50 of EC50

  • beta = helling/steilheid

    • beta < 0: stijgende functie (mortaliteit, immobiliteit)

    • beta > 0: dalende functie (overleving, groei, reproductie)

beta > 0	beta < 0
dalende functie (overleving, groei, reproductie)	stijgende functie (mortaliteit, immobiliteit)

2.3 Ecotoxiciteitstesten - Concentratie-respons modellen naar lineaire vorm

P = corresponderende fractie

a = helling

b = intercept

log(LC50 of EC50) = -b/a

2.3 Ecotoxiciteitstesten - Belang van blootstellingsduur

Incipient LC50

= eerste tijd dat LC50 stabiel wordt

Belangrijk:blootstellingsduur altijd vermelden samen met effectconcentratie, soort, endpoint

bv. 48h-EC50 (Daphnia immobility)

2.4 Effects assessment - Algemeen

= omzetten van NOEC, LOEC, ECx naar een beschermingsdrempel PNEC

PNEC

= Predicted No Effect Concentration

• Concentratie waaronder geen schadelijke effecten verwacht/gemeten worden in ecosystemen

• Minder data → meer onzekerheid

• Chronische testen zijn meer betrouwbaar → minder onzekerheid wanneer meerdere trofische niveaus worden besproken

AF

= Assessment Factor

• geeft onzekerheid weer

2.4 Effects assessment - Assessment factor approach

→ onzekerheid associeren met bepaalde extrapolaties

Waarom nodig?

1. Acute → chonische toxiciteit

2. Enkele soorten → representatieve biodiversiteit

3. Labo → veldsituatie

4. Lage biodiversiteit → hoge biodiversiteit

• 2 chronische testen → gebruik AF van 50

• 3 chronische testen van 3 trofische niveaus → gebruik een AF van 10

• voor marine-ecosystemen is er veel minder data → AF x 100

2.4 Effects assessment - Assessment factor approach: Voorbeeld 1

• mortaliteit, immobilitei, groei = accute eindpunten → AF 1000

• alg kunnen we niet gebruiken voor AF x100

• 2 lange termijntesten door chronische test van daphnea en algen → x 50

2.4 Effects assessment - Assessment factor approach: Voorbeeld 2

2.4 Effects assessment - Assessment factor approach: Voorbeeld 3

2.4 Effects assessment - Assessment factor approach: Voorbeeld 4

2.5 Ecologische realiteit

Labo	ecologische realiteit
standaard testen media en condities maar 1 soort testen → directe effecten op individuele organismen, geen interactie tussen organismen blootstelling aan 1 chemicaliën geen kennis over de activiteit van chemicaliën	wateren met verschillende fysicochemie (biobeschikbaarheid) ecologische interacties, populaties, gemeenschappen en ecosystemen blootstelling aan een mix van chemicaliën toxiciteit start door interactie tussen moleculen

3.1 Introductie

Doel: schatten van concentraties van stoffen in milieucompartimenten of mensen

Kan betrekking hebben op

• verleden/huidige situatie met bestaande chemicaliën → retrospectief

• toekomstige situatie → prospectief → predictions

3.2 Exposure assessment - Algemeen

Wanneer stoffen in het milieu terechtkomen (emissie), worden ze getransporteerd en getransformeerd in andere stoffen

• intramedia: weg van de bron, in hetzelfde medium

• intermedia: van een milieubron naar de andere

Types

• Verdeling/evenwichtspartitionering van chemicaliën tussen

  • vaste stoffen

  • water

  • biota

  • lucht

• Transformatie van chemicaliën van

  • abiotische processen (hydrolyse, oxidatie, reductie, fotochemische degradatie

  • biotische processen (biodegradatie door MO)

3.2 Exposure assessment - Equilibrium partitioning

• stoffen migreren tussen fasen tot thermodynamisch evenwicht bereikt is

• K12 = C1/C2

  • Kaw = lucht - water

  • Kd/Kp = vast - water

  • Kow = octanol / water

• Hogere Kow

  • meer hydrofoob

    • grootte van molecule (meer Cl, Br atomen → meer hydrofoob)

    • polariteit (meer polaire groepen (-NH2, -OH) → minder hydrofoob)

  • meer lipofiel

  • meer vetoplosbaar

  • minder hydrofiel

  • minder wateroplosbaar

3.2 Exposure assessment - Belang Kow

• gebruikt QSARs (= Quantitative Structure Activity Relationship) om andere parameters te voorspellen

• Voordeel: QSAR’s verminderen aantal testen

• Nadeel:

  • heeft altijd een graad van onzekerheid

  • extrapolatie !!

Bioaccumulatie

= opstapeling van stoffen in biota

• Kow > 4,5 → bioaccumulatie

Biomagnificatie

= type bioaccumulatie door opname van chemicaliën door voedsel/voeder

3.2 Exposure assessment - Transformatieprocessen: Hydrolyse

= water gaat bepaalde bindingen in moleculen verbreken waardoor dochtermoleculen ontstaan

• dochtercomponenten vaak meer wateroplosbaar en minder lipofiel

3.2 Exposure assessment - Transformatieprocessen: Fotolyse

= licht/UV veroorzaakt chemische omzetting via absorptie van fotonen/energie door de moedermolecuul → ondergaat chemische transformatie

3.2 Exposure assessment - Transformatieprocessen: Biodegradatie

= abraak door MO via enzymen

Chemische structuur gaat voorspellen hoe snel ze afbreken

• sneller

  • alifatische structuur

• trager

  • aromatische structuur

  • aantal substituenten

  • aanwezigheid van ethergroepen

Meten van biodegradatie

• Testopstelling: medium + chemische stof + nutriënten + bacteriën

• Reactie: chemical + O2 → bacteriele biomassa + bacteriele DOC excreties + H2O + CO2

• Metingen:

  • afname O2 → beste meetmethode

    • chemicaliën zijn veel te duur en dochtermoleculen van chemicaliën kunnen niet gemetorden

  • afname DOC

  • toename bacteriele biomassa

    • al de moleculen die uit de chemische stof worden opgenomen, worden tot biomassa omgezet

  • toename DOC excreties

  • toename CO2

    • dit niet nemen, want dan ga je uit van ultieme degradatie, maar dochtermoleculen zetten ook nog om naar CO2

3.3 Risk assessment

PEC

= Predicted Environmental Concentration

MEC

= Measured Environmental Concentration

PNEC

= Predicted No Effect Concentration

3.3 Risk assessment - Verplichtingen

3.3 Risk assessment - WFD en KRW

WFD = EU Water Framework Directive = KRW = EU Kaderrichtlijn water

Status waterkwaliteit = chemische status + ecologische status