Биоконцентрация
В водной токсикологии биоконцентрация — это накопление передающихся через воду химических веществ в организме, подвергающемся воздействию воды. [1] [2]
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 . [3] Одной из таких математических моделей является модель BCF, основанная на летучести, разработанная Доном Маккеем . [4]
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. [5]
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). [6] BCF может быть просто наблюдаемым соотношением или предсказанием модели разделения. [6] 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. [6]
Расчет
[ редактировать ]Биоконцентрацию можно описать коэффициентом биоконцентрации (BCF), который представляет собой отношение концентрации химического вещества в организме или биоте к концентрации в воде: [2]
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). [7] или через линейное уравнение :
Где:
в равновесии
Фугитивность
[ редактировать ]Летучесть и BCF связаны друг с другом в следующем уравнении:
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 ) [6]
Уравнения регрессии для оценок по рыбам
[ редактировать ]Уравнение | Химические вещества, используемые для получения уравнения | Используемые виды |
---|---|---|
84 | Толстоголовый гольян , синежаберная рыба-луна, радужная форель , рыба-комар | |
[4] | 44 | Различный |
36 | Ручьевая форель , радужная форель , синежаберная рыба-луна, толстоголовый гольян , карп | |
[9] | 7 | Различный |
13 | Различный |
Использование
[ редактировать ]Нормативное использование
[ редактировать ]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 [10] и очень биоаккумулятивен, если его КБК превышает 5000. [10]
Пороговые значения согласно REACH составляют КБК > 2000 л/кг bzw. для критериев B и 5000 л/кг для критериев vB. [11]
Приложения
[ редактировать ]Коэффициент биоконцентрации более 1 указывает на гидрофобное или липофильное химическое вещество. Это показатель того, насколько вероятно биоаккумуляция химического вещества . [1] 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. [1]
Модели равновесного разделения
[ редактировать ]На основе предполагаемого сценария устойчивого состояния моделируется судьба химического вещества в системе, давая прогнозируемые конечные фазы и концентрации. [12]
Необходимо учитывать, что для достижения устойчивого состояния может потребоваться значительное количество времени, оцененное с помощью следующего уравнения (в часах). [13] [14]
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
[ редактировать ]Летучесть - еще один критерий прогнозирования равновесия между фазами, имеющими единицы давления. Для большинства экологических целей это эквивалентно парциальному давлению. Это склонность материала к бегству. [1] 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. [ нужна ссылка ]
Модели пищевой сети
[ редактировать ]для конкретного организма Если доступны значения летучести , можно создать модель пищевой сети, учитывающую трофические сети . [1] 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 . [ нужна ссылка ]
Приложения к токсикологии
[ редактировать ]Прогнозы
[ редактировать ]Факторы биоконцентрации позволяют прогнозировать уровни загрязнения в организме на основе концентрации химических веществ в окружающей воде. [12] 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 . [6]
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. [ нужна ссылка ]
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
[ редактировать ]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, [12] и нагрузка на организм будет выше при работе с липофильным химическим веществом.
Биологические факторы
[ редактировать ]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 . [15] 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:
[15]
Переменные определяются как:
C B – концентрация в организме (г*кг −1 ). [15] t представляет собой единицу времени (d −1 ). [15] k 1 — константа скорости поглощения химических веществ из воды на поверхности дыхательных путей (л*кг −1 *д −1 ). [15] C WD — концентрация растворенного в воде химического вещества (г*л −1 ). [15] 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 ). [15]
Статические переменные также влияют на BCF. Поскольку организмы моделируются как мешки с жиром, соотношение липидов и воды является фактором, который необходимо учитывать. [6] Размер также играет роль, поскольку соотношение поверхности и объема влияет на скорость поглощения из окружающей воды. [15] Вид, вызывающий беспокойство, является основным фактором, влияющим на значения КБК, поскольку он определяет все биологические факторы, которые изменяют КБК. [6]
Параметры окружающей среды
[ редактировать ]Температура
[ редактировать ]Температура может влиять на метаболические преобразования и биоэнергетику. Примером этого является движение организма, а также скорость выделения. [15] Если загрязняющее вещество является ионным, изменение pH, вызванное изменением температуры, также может влиять на биодоступность. [1]
Качество воды
[ редактировать ]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. [15]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д и ж Лэндис В.Г., Софилд Р.М., Ю.М.Х. (2011). Введение в экологическую токсикологию: молекулярные структуры экологических ландшафтов (Четвертое изд.). Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. стр. 117–162. ISBN 978-1-4398-0410-0 .
- ^ Перейти обратно: а б с Гобас ВСКН ; Моррисон Х.А. (2000). «Биокоцентрация и биомагнификация в водной среде». В Бетлинге РС; Маккей Д. (ред.). Справочник по методам оценки свойств химических веществ: науки об окружающей среде и здоровье . Бока-Ратон, Флорида, США: Льюис. стр. 189–231.
- ^ Арно, Джон А.; Фрэнк АПК Гобас (2004). «Модель биоаккумуляции пищевых сетей органических химических веществ в водных экосистемах». Экологическая токсикология и химия . 23 (10): 2343–2355. дои : 10.1897/03-438 . ПМИД 15511097 . S2CID 23843677 .
- ^ Перейти обратно: а б Маккей, Дон (1982). «Корреляция факторов биоконцентрации». Экологические науки и технологии . 16 (5): 274–278. Бибкод : 1982EnST...16..274M . дои : 10.1021/es00099a008 . ПМИД 22257252 .
- ^ «Глава 173–333 Стойкие биоаккумулятивные токсины WAC» (PDF) . Департамент экологии . Архивировано из оригинала (PDF) 9 февраля 2017 года . Проверено 6 февраля 2012 года .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час Хемонд, Гарольд (2000). Химическая судьба и транспорт в окружающей среде . Сан-Диего, Калифорния: Эльзевир. стр. 156–157. ISBN 978-0-12-340275-2 .
- ^ Агентство по охране окружающей среды. «Категория стойких, биоаккумулятивных и токсичных новых химических веществ» . Экологические документы Федерального реестра . УСЕПА . Проверено 3 июня 2012 г.
- ^ Берген, Барбара Дж.; Уильям Г. Нельсон; Ричард Дж. Прюэлл (1993). «Биоаккумуляция конгенеров ПХБ голубыми мидиями ( Mytilus edulis ), обнаруженными в гавани Нью-Бедфорд, Массачусетс». Экологическая токсикология и химия . 12 (9): 1671–1681. дои : 10.1002/etc.5620120916 .
- ^ Чиу К.Т., Фрид В.Х., Шмеддинг Д.В., Конерт Р.Л. (1977). «Коэффициент распределения и биоаккумуляция некоторых органических химикатов». Экологические науки и технологии . 29 (5): 475–478. Бибкод : 1977EnST...11..475C . дои : 10.1021/es60128a001 .
- ^ Перейти обратно: а б «Критерии биоаккумуляции» . Архивировано из оригинала 1 мая 2016 года . Проверено 3 июня 2012 г.
- ^ Руководство по информационным требованиям и оценке химической безопасности: Глава R.11: Оценка PBT (Версия 1.1) , 2012 г., стр. 15
- ^ Перейти обратно: а б с Рэнд, Гэри (1995). Основы водной токсикологии . Бока-Ратон: CRC Press. стр. 494–495. ISBN 978-1-56032-091-3 .
- ^ РУКОВОДСТВО ОЭСР ПО ТЕСТИРОВАНИЮ ХИМИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ: Тест № 305: Биоаккумуляция в рыбе: воздействие воды и пищи, S. 56, doi: 10.1787/9789264185296-en.
- ^ Хоукер Д.В. и Коннелл Д.В. (1988), Влияние коэффициента распределения липофильных соединений на кинетику биоконцентрации в рыбе. Ват. Рез. 22: 701–707, doi: 10.1016/0043-1354(88)90181-9 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж Арно, Джон А; Гобас, Фрэнк APC (2006). «Обзор оценок коэффициента биоконцентрации (BCF) и фактора биоаккумуляции (BAF) органических химических веществ в водных организмах». Экологические обзоры . 14 (4): 257–297. дои : 10.1139/a06-005 .