Биоконцентрация

В водной токсикологии биоконцентрация — это накопление передающихся через воду химических веществ в организме, подвергающемся воздействию воды.

Существует несколько способов измерения и оценки биоаккумуляции и биоконцентрации. К ним относятся: коэффициенты распределения октанол-вода (K _OW ), коэффициенты биоконцентрации (BCF), коэффициенты биоаккумуляции (BAF) и коэффициент накопления биоты-отложений (BSAF). Каждый из них можно рассчитать с использованием эмпирических данных или измерений, а также математических моделей . Одной из таких математических моделей является модель BCF, основанная на летучести, разработанная Доном Маккеем .

Коэффициент биоконцентрации также можно выразить как отношение концентрации химического вещества в организме к концентрации химического вещества в окружающей среде . КБК является мерой степени совместного использования химических веществ между организмом и окружающей средой.

В поверхностных водах КБК представляет собой отношение концентрации химического вещества в организме к концентрации химического вещества в водной среде. КБК часто выражается в литрах на килограмм (отношение мг химического вещества на кг организма к мг химического вещества на литр воды). BCF может быть просто наблюдаемым соотношением или предсказанием модели разделения. Модель разделения основана на предположениях о том, что химические вещества распределяются между водой и водными организмами, а также на идее о том, что между организмами и водной средой, в которой они находятся, существует химическое равновесие.

Расчет

Биоконцентрацию можно описать коэффициентом биоконцентрации (BCF), который представляет собой отношение концентрации химического вещества в организме или биоте к концентрации в воде:

$BCF={\frac {Concentration_{Biota}}{Concentration_{Water}}}$

Факторы биоконцентрации также могут быть связаны с коэффициентом распределения октанол-вода K _ow . октанол-вода Коэффициент распределения (K _ow ) коррелирует с возможностью биоаккумуляции химического вещества в организмах; BCF можно спрогнозировать по log K _ow с помощью компьютерных программ, основанных на взаимосвязи активности структуры (SAR). или через линейное уравнение :

$\log BCF=m\log K_{OW}+b$

Где:

$K_{\text{OW}}={\frac {Concentration_{\text{octanol}}}{Concentration_{\text{water}}}}={\frac {C_{\text{O}}}{C_{\text{W}}}}$ в равновесии

Фугитивность

Летучесть и BCF связаны друг с другом в следующем уравнении:

$Z_{\text{Fish}}={\frac {P_{\text{Fish}}\times {BCF}}{H}}$

где Z _Fish равна летучести химического вещества в рыбе, P _Fish равна плотности рыбы (масса/длина). ³ ), BCF – коэффициент распределения между рыбой и водой (длина ³ /масса), а H равна константе закона Генри (Длина ² /Время ² )

Уравнения регрессии для оценок по рыбам

Уравнение	Химические вещества, используемые для получения уравнения	Используемые виды
$\log BCF=0.76\log K_{\text{ow}}-0.23$	84	Толстоголовый гольян , синежаберная рыба-луна, радужная форель , рыба-комар
$\log BCF=\log K_{\text{ow}}-1.32$	44	Различный
$\log BCF=2.791-0.564\log S(S={\text{water solubility}})$	36	Ручьевая форель , радужная форель , синежаберная рыба-луна, толстоголовый гольян , карп
$\log BCF=3.41-0.508\log S$	7	Различный
$\log BCF=1.119\log Koc-1.579$	13	Различный

Использование

Нормативное использование

При использовании PBT Profiler и критериев, установленных Агентством по охране окружающей среды США в соответствии с Законом о контроле за токсичными веществами (TSCA), вещество считается не биоаккумулятивным, если его КБК менее 1000, биоаккумулятивным, если оно имеет BCF от 1000 до 5000 и очень биоаккумулятивен, если его КБК превышает 5000.

Пороговые значения согласно REACH составляют КБК > 2000 л/кг bzw. для критериев B и 5000 л/кг для критериев vB.

Приложения

Коэффициент биоконцентрации более 1 указывает на гидрофобное или липофильное химическое вещество. Это показатель того, насколько вероятно биоаккумуляция химического вещества . Эти химические вещества имеют высокое сродство к липидам и концентрируются в тканях с высоким содержанием липидов, а не в водной среде, такой как цитозоль . Модели используются для прогнозирования химического распределения в окружающей среде, что, в свою очередь, позволяет прогнозировать биологическую судьбу липофильных химических веществ.

Модели равновесного разделения

На основе предполагаемого сценария устойчивого состояния моделируется судьба химического вещества в системе, давая прогнозируемые конечные фазы и концентрации.

Необходимо учитывать, что для достижения устойчивого состояния может потребоваться значительное количество времени, оцененное с помощью следующего уравнения (в часах).

$t_{eSS}=0.00654\cdot K_{OW}+55.31$

Таким образом, для вещества с log(K _OW ) 4 требуется примерно пять дней для достижения эффективного устойчивого состояния. Для log(K _OW ) равного 6 время равновесия увеличивается до девяти месяцев.

Модели летучести

Летучесть - еще один критерий прогнозирования равновесия между фазами, имеющими единицы давления. Для большинства экологических целей это эквивалентно парциальному давлению. Это склонность материала к бегству. КБК можно определить на основе выходных параметров модели летучести и, таким образом, использовать для прогнозирования доли химического вещества, непосредственно взаимодействующего с организмом и, возможно, оказывающего на него воздействие.

Модели пищевой сети

для конкретного организма Если доступны значения летучести , можно создать модель пищевой сети, учитывающую трофические сети . Это особенно актуально для консервативных химических веществ , которые нелегко метаболизируются в продукты разложения. Биомагнификация консервативных химических веществ, таких как токсичные металлы, может быть вредной для высших хищников, таких как косатки , скопы и белоголовые орланы .

Приложения к токсикологии

Прогнозы

Факторы биоконцентрации позволяют прогнозировать уровни загрязнения в организме на основе концентрации химических веществ в окружающей воде. КБК в этом случае применяется только к водным организмам. Организмы, дышащие воздухом, не поглощают химические вещества так, как другие водные организмы. Рыбы, например, поглощают химические вещества через пищеварение и осмотические градиенты в жаберных пластинках .

При работе с донными макробеспозвоночными как вода, так и донные отложения могут содержать химические вещества, влияющие на организм. Фактор накопления биота-отложений (BSAF) и фактор биомагнификации (BMF) также влияют на токсичность в водной среде.

BCF явно не учитывает метаболизм, поэтому его необходимо добавлять к моделям на других этапах посредством уравнений поглощения, элиминации или деградации для выбранного организма.

Нагрузка на тело

Химические вещества с высокими значениями КБК более липофильны, и в равновесии организмы будут иметь более высокие концентрации химических веществ, чем другие фазы в системе. Нагрузка на организм – это общее количество химических веществ в организме организма, и нагрузка на организм будет выше при работе с липофильным химическим веществом.

Биологические факторы

При определении степени биоконцентрации следует учитывать биологические факторы. Скорость воздействия на организм через дыхательные поверхности и контакт с кожными поверхностями организма конкурирует со скоростью выведения из организма. Скорость выведения определяется потерей химического вещества с дыхательной поверхности, разбавлением роста, выделением с калом и метаболической биотрансформацией . Разбавление роста не является реальным процессом выделения, но происходит разбавление из-за увеличения массы организма, в то время как концентрация загрязняющих веществ остается постоянной.

Взаимодействие между входами и выходами показано здесь:
${\frac {dC_{B}}{dt}}=(k_{1}C_{WD})-(k_{2}+k_{E}+k_{M}+k_{G})C_{B}$
Переменные определяются как:
C _B – концентрация в организме (г*кг ⁻¹ ). t представляет собой единицу времени (d ⁻¹ ). k ₁ — константа скорости поглощения химических веществ из воды на поверхности дыхательных путей (л*кг ⁻¹ *д ⁻¹ ). C _WD — концентрация растворенного в воде химического вещества (г*л ⁻¹ ). k ₂ ,k _E ,k _G ,k _B — константы скорости, отражающие выведение из организма с дыхательной поверхности, фекальное выделение, метаболическую трансформацию и разбавление роста (d ⁻¹ ).

Статические переменные также влияют на BCF. Поскольку организмы моделируются как мешки с жиром, соотношение липидов и воды является фактором, который необходимо учитывать. Размер также играет роль, поскольку соотношение поверхности и объема влияет на скорость поглощения из окружающей воды. Вид, вызывающий беспокойство, является основным фактором, влияющим на значения КБК, поскольку он определяет все биологические факторы, которые изменяют КБК.

Параметры окружающей среды

Температура

Температура может влиять на метаболические преобразования и биоэнергетику. Примером этого является движение организма, а также скорость выделения. Если загрязняющее вещество является ионным, изменение pH, вызванное изменением температуры, также может влиять на биодоступность.

Качество воды

Содержание природных частиц, а также содержание органического углерода в воде могут влиять на биодоступность. Загрязнитель может связываться с частицами в воде, затрудняя поглощение, а также попадать в организм. Это проглатывание может состоять из загрязненных частиц, поэтому источником загрязнения может быть не только вода.

Внешние ссылки

• ПБТ-профилировщик
• Рут «Молот» Софилд
• Стойкие органические загрязнители
• Агентство по охране окружающей среды США