Forelesning i BIO 4130 Terrestrisk økotoksikologi Metoder og Risikovurdering. av: Hege Stubberud. 12. mai Innhold

Transkript

1 Forelesning i BIO 4130 Terrestrisk økotoksikologi Metoder og Risikovurdering av: Hege Stubberud 12. mai 2005 Innhold Bør jord beskyttes? Bruk av økotoksikologiske metoder i ulike problemstillinger Valg av metoder - gjennomgang Eksempler på bruk av metoder og resultater i risikovurderinger Litt om fysisk-kjemiske egenskaper Toxicogenomics 1

2 Bør jord beskyttes? Beskyttelsesgraden kan være avhengig av fremtidig bruk Følsom bruk barnehager, private hager, parkanlegg, jordbruk. Biologisk mangfold Ressurskapital, grunnlag for verdiskapning, trivsel, identitet og stedstilhørighet Nødvendig for opprettholdelse av jordas funksjon. Vekstmedium for planter Plantevekst er avhengig av diversitet og funksjon i jord Økonomisk nytte landbruk Hva skal beskyttes? Diversiteten og funksjonen Med jordas DIVERSITET menes sammensetning og oppbygning av jorda og dets innhold av ulike organismen og planter. Ofte kalt struktur. Med jordas FUNKSJON menes evnen til omdanning/nedbrytning av organisk materiale og resirkulering av viktige næringsstoffer. 2

3 Problemstillinger Komplekse blandingstilsetninger (jordforbedringsmidler) slam, husdyrgjødsel, mineralgjødsel andre tilsetninger Avfall avrenning/sigevann Tilførsel av kjemikalier punktkilder (industriutslipp) diffus forurensning (legemiddelrester, personlige pleieprodukter, PFOS, BFH osv.) plantevernmidler Valg av metoder Metoder i laboratorium, felt eller semifelt. Undersøkelse av funksjon eller diversitet? Hvor mange ulike organismer, og hvilke arter? Kroniske eller akutte metoder? De fleste standarder (ISO/OECD) er utviklet for testing av kjemikalier. Kun begrensede tilpasninger er gjort for bruk av metodene ved undersøkelse av forurenset masse. 3

4 Felt, semifelt eller laboratorium? Feltforsøk: Kostbare og arbeidskrevende. Mye brukt ved undersøkelser av plantevernmidler. Ofte stor variasjon i resultatene, kan være vanskelig å tolke. Høy økologisk relevans! Godt egnet for vurdering av spredning fra en punktkilde. Recovery vurdere evnen til gjenoppbygging av en populasjon etter et utslipp. Felt, semifelt eller laboratorium? forts. Semifelt mesokosmos TME terrestrial model ecosystems 4

5 Endepunkter i TME oppsettet FATE Residues in Soil Residues in Leachates Residues in Plants Ref. Thomas Knacker et al. (ENV4-CT ) EFFECT Nutrients in Soil Nutrients in Leachates Microbial Biomass Enzyme Activity Bacterial Growth Rate Plant Biomass Plant Diversity Collembola/Gamasid Mites Enchytraeidae Earthworms Nematoda Bait Lamina Felt, semifelt eller laboratorium? forts. Laboratorium: Kontroll på antall individer. Temperatur og lys reguleres. Like forhold. Ingen konkurranse mellom arter. Testorganisme fra laboratoriekultur. Liten økologisk relevans. 5

6 Plantevekst, innarbeiding og omsetning av organisk materiale. bait lamina test respirasjonstest (ISO ) litter bag (under utvikling i OECD) C og N transformasjonstester (OECD 216 og 217). Jordas funksjon Diversitet laboratorietester og feltforsøk De jordlevende organismene deles inn etter funksjon i økosystemet (trofiske nivåer hvem spiser hvem)). Primærprodusenter (planter og mikroorganismer) Primærkonsumenter (planteetende organismer) Sekundærkonsumenter (eks. rovbille) Nedbrytere (mikroorganismer, C/N syklus) 6

7 Plantetester Spiretest med salat (Lactuca savita) 4-5 dager akutt ISO/TC Rot-test med korn (bygg). 5-7 dager akutt ISO Veksttest med ulike arter, eksempel rødkløver, sennep, salat, rajgras. 3-5 uker subkronisk ISO/OECD Anbefales å benytte to arter hvorav en enføbladet og en toføbladet. Livsløpstester med planter måler vekst og frøsetting ( kronisk ). Er underveis i ISO. Virvelløse dyr de mest brukte testene Enchytraeider (Enchytraeus albidus) overlevelse og reproduksjon 3-4 uker. Kronisk test (OECD/ISO) Spretthaler (Folsomia candida) overlevelse og reproduksjon 3-4 uker. Kronisk test (ISO/OECD under utv.) feltforsøk (ISO standard kun for innsamlingsmetoder) Meitemark (Eisenia fetida eller Eisenia andrei) overlevelse 14 dager. Akutt test (OECD/ISO) reproduksjon og vekst 8 uker. Kronisk test (OECD/ISO) feltforsøk (innsamling og forsøksdesign, ISO) 7

8 Virvelløse dyr forts. Bier - overlevelse (OECD) Insektlarver (billelarver) overlevelse og vekst (ISO) Nematoder overlevelse, vekst og reproduksjon (ISO). Rovmidd (sekundærkonsument!) overlevelse og reproduksjon (OECD under utvikling) Tordivel kronisk under larvestadiet. Overlevelse og vekst. Veterinærmedisinrester. Snegler overlevelse og vekst. (ISO under utvikling) Endepunkter og vurdering av resultater Fastsettelse av NOEC eventuelt ECx. PNEC = NOEC/sikkerhetsfaktor PEC/PNEC større eller mindre enn 1. 8

9 Risikovurdering - kjemikalier En PNEC beregnes ut i fra tilgjengelige data og en sikkerhetsfaktor (SF). Tilgjengelig informasjon L(E)C50 fra korttidstester fra tre trofiske nivåer (eks. planter, meitemark, mikroorganismer) NOEC fra én langtidstest NOEC fra to langtidstester NOEC fra tre langtidstester Mange NOEC fordeling av artsfølsomhet Felt-data SF Vurderes i hvert tilfelle Overvåking/Vurdering av forurenset grunn i felt Klassifisering av området og naturtype Forventet coenose * Faktisk biocenose** Sammenligning av forventet og faktisk biocenose Vurdering av habitatfunksjonen *Coenose samling av organismer med felles preferanser til omgivelsene **Biocenose samfunn av organismer som finnes i en bestemt biotop 9

10 Valg av referansejord er viktig! Kjemikaliers biotilgjengelighet avhenger av jordtypen som brukes. Binding av metaller og organiske kationer avhenger av jordens kationbyttekapasitet. Binding av nøytrale stoffer avhenger av jordens innhold av organisk materiale. ph påvirker metallspesiering og syre/baselikevekter. Ved testing av jordprøver/avfall kan ph, kornstørrelsesfordeling, innhold av næringssalt, bakterieflora etc, ha innflytelse på resultatene. Eksempel: Forurenset grunn Er jord med lave konsentrasjner av f. eks PAH skadelig for jordorganismer? tester på tre trofiske nivå, hvis ingen effekt er jorden ansett å være OK, hvis effekt må kvaliteten vurderes nærmere. Gjør ulike rensemetoder jorden mindre giftig for jordlevende organismer? testing av forurensede jordprøver før og etter rensing. Blir ikke alltid mindre giftig! Klassifisere jord i forhold til potensielt bruksområde (overflatejord eller ikke). 10

11 Eksempel: Vurdering av avfall Kan avfallet mitt fungere som toppdekke på deponi? F.eks opprettholde plantevekst samt noe evertebrater og bakterier som håndterer C- og N-syklus (bærekraftig system). Tester på en plante, samt på for eks. meitemark og nitrifikasjon. Husk vurdering av referansejord! Vurder resultatene opp mot problemstillingen. Eksempel: Kjemikalieholdige jordforbedringsmidler Kan mitt industriavfall (f. eks fosfatholdig sediment) benyttes på landbruksjord? Hvis kjemi= ok, vil dette kunne være en billig avfallsløsning. Er avfallet en potensiell ressurs, er det også i trå med kretsløptankegangen. Har avfallet uønskede effekter på organismer? Tester minst en plante, et virvelløst dyr og en bakteriell prosess. Helst flere! Referansejord= jordbruksjord, fra 100% og ned i bruksdose. Resultatene vurderes op mot problemstillingen. 11

12 Litt om fysisk-kjemiske data i miljørisikovurdering (ref. TGD) Fasefordeling (jord/luft, sediment/vann, slam/avrenning fra renseanlegg) Akkumulering i næringskjeden. Vurdering av virkningsmekanismen. Evaluering av tokstester er målt giftighet innenfor løselighet av stoffet, eller kan effekten være fysisk? Sammenhengen mellom opptak/akkumulering og giftighet Generelt må stoffer tas opp av organismen for å utøve sin toksiske virkning. Konsentrasjon i målorganet er avgjørende for effekten. For uspesifikt virkende stoffer ( narkotiske stoffer ) er målorganet biologiske membraner. Stoffer akkumulerer i membranen, og gir endret fluiditet og permeabilitet av denne. Biologiske membraner er svært like i ulike organismer (kritisk internkonsentrasjon vil være relativt lik i ulike taxa). 12

13 Kjemiske egenskaper vs. biologi Kjemikaliers opptak og akkumulering i laverestående organismer kan ofte beskrives basert på enkle fysisk/kjemiske egenskaper (likevekt med vannfase). For stoffer som biomagnifiseres i næringskjeden er forbindelsen til enkle fysisk/kjemiske egenskaper i de høyere trofiske nivåene dårligere. Dyr som ikke regulerer vannopptak over store deler av huden (for eksempel pattedyr. krypdyr, skolopendere) er i større grad i likevekt med konsentrasjonen i sin matkilde. Toksikogenomics Toxicogenomics is defined as a study of the response of a genome to hazardous substances, using omics technologies such as genomic scale mrna expression (transcriptomics), cell and tissuewide protein expression (proteomics), and metabolite profiling (metabolomics), in combination with bioinformatic methods and conventional toxicology. In relation to chemical hazard/risk assessment, this emerging science could provide tools for: * Improving the understanding of mechanisms of toxicity; * Identifying biomarkers of toxicity and exposure; * Reducing uncertainty in grouping of chemicals for assessments, (Q)SARs, inter-species extrapolation, effects on susceptible populations, etc.; and * Providing alternative methods for chemical screening, hazard identification and characterisation. 13