Öljyn ja öljyonnettomuuksien ekotoksikologia...Öljyn ja öljyonnettomuuksien ekotoksikologia...

Öljyn ja öljyonnettomuuksien

ekotoksikologia

Esityksen sisältöä:

• Raakaöljyn koostumus

- ml. muutunta.

• Toksisuus eliöille

- mm. kaloille.

• Ekotoksisuus-

vaikutusten ja –riskien

arviointi.

• Seuranta.

Aimo Oikari

Ympäristötieteen ja –teknogian osasto

Jyväskylän yliopisto

Tankkerien haverit voivat ollaEKOTOKSIKOLOGISIA

KATASTROFEJA

Huonokuntoinen tankkeri ”Prestige” Atlantilla merihätään noin 15.11.2002

Alus katkesi ja upposi 19.11.-02

Lastina venäläistä raakaöljyä

Mitä on EKOTOKSIKOLOGIA ?

.. tutkii ja arvioi ympäristökemikaalien aiheuttamia altistumisia

ja vaikutuksia luonnon systeemeissä - yksilöistä yhteisötasolle.

Raakaöljy levisi merivirtojen ja tuulten mukaan..

Prestigen koko lasti oli

noin 70 000 tonnia.

Raakaöljyä ensin Espanjan

rannikolle..

.. sitten Portugalin ja Ranskan

rannikoille.

Osa aineista liukeni veteen

.. ja altisti eläimiä ym.

Osa sitoutui partikkeleihin

.. ja päätyi sedimenttiin.

Raakaöljyjen kemiallinen

koostumus vaihtelee tuotantopaikan mukaan:

Yhdiste/aine Prudhoe

Bay

Louisiana Kuwait

Rikkiä (paino-%)

Vanadiinia (mg/l)

0.94

20

0.25

1.9

2.44

28

Naftaa (20-205 C, paino-%)

• paraffiineja

• nafteeneja

• aromaatteja

23.2

12.5

7.4

3.2

18.6

8.8

7.7

2.1

22.7

16.2

4.1

2.4

Yli >205 C:ssa kiehuva osa

• saturoituneet

• aromaattiset

• polaariset

• liukenemattomat

76.8

47.7

25.0

2.9

1.2

81.4

56.3

16.5

8.4

0.2

77.3

34.0

21.9

17.9

3.5

Naphthalene Acenaphthene Acenaphthylene Fluorene

Anthracene Phenanthrene Fluoranthene Pyrene

Benzo[k]fluoranthene Benzo[b]fluoranthene Benz[a]anthracene

Chrysene

Dibenz[a,h]anthracene Benzo[a]pyrene Indeno[1,2,3-cd]pyrene Benzo[ghi]perylene

Öljyssä ja öljytuotteissa esiintyviä polysyklisiä

aromaattisia hiilivetyjä eli PAH:ja (16 US EPA priority PAHs)

Tyypillisiä ja runsaita ovat nk. substituoidut PAH-yhdisteet

CH Ei-substitu-

oitu

naftaleeni

X NO Nitro

NH2 Amino

Cl Chloro

CH Alkyl

O Quinone

Sivuketjut

vaihtelevat

N Acridine

NH Carbazole

S Thiophene

O various, e.g. Furan

Renkaan tyyppi

vaihtelee

X

ÖLJYN KEMIKAALIEN YMPÄRISTÖKOHTALO ?

MIKÄ ON LUONNON ITSEPUHDISTUSKYKY ?

”Säistyminen”

Vähemmän tai

enemmän säistynyt

Exxon Valdezin

raakaöljy

(eri PAH-yhdisteitä)

alkuperäinen

vähemmän säistynyt

enemmän säistynyt

Siis: altistava

haitta-aine sisältö

muuttuu ajan

edetessä !

PAH-yhdisteet pysyvät ja

muuntuvat sedimenteissä

pitkiä aikoja ..

Raskasta

polttoöljyä

3000 tonnia ..

Antonio Gramskin öljyvahinko 1979 alifaattiset (suoraketjuiset) hiilivedyt altistuneissa

simpukoissa (Macoma baltica) haveripaikan lähellä.

Elokuu 1979

Lokakuu 1979

Paasivirta ym.

hiili-

vetyjä

EKOTOKSISUUS ILMENEE

MONISSA ELIÖISSÄ

• Lintutuhot

• Kalat

• Plankton

• Muut eliöt (ml.

mikrobisto)

• Lisääntyminen

• Kasvu

• Viivästyneet

vaikutukset

Polysyklisten aromaattisten hiilivetyjen letaali-

pitoisuuksia (LC mg/l) lyhytaikaisissa altistuksissa Acutely lethal concentrations of polyaromatic hydrocarbons (PAHs, LC mg/l)

to aquatic animals

Fenantreeni – Phenantrene [3-ring]

0.04 – 0.18 – fish larvae (embryos; 24-48 h LC50)

0.1 – 0.7 – crustacean (D.magna; 48 h LC50)

Antraseeni – Anthracene [3-ring]

210 – fish (O. latipes, 48 h LC50)

0.02 – crustacean (D.magna, 48 h LC50)

Fluoreeni – Fluorene [3 ring]

5.1 – fish (O. latipes; 48 h LC50)

Pyreeni - Pyrene [4 ring]

0.003 – 0.025 – fish (G.affinis, P.promelas; 24-96 h LC50)

0.006 – crustacean (D. magna; 24 h LC50)

Bentsopyreeni - Bentzo[a]pyrene [5 ring]

0.005 – fish (P.promelas; 96 h LC50)

0.05 – crustacean (D.magna; 48 h LC50)

Source: Environmental properties of chemicals (2000) Nikunen et. al.

Toxicity of PAHs to freshwater biota (µg/L)

(Environment Canada 1993)

• Akuutti letaalitoksisuus – narkoosi

– kalat: 0.2 – 7,900 µg/l

– selkärangattomat eläimet: 0.2-17,900

– kasvit (levät): 350

• Krooninen toksisuus – kasvu, lisääntyminen, hengissä

selviäminen

– kalat: 5 – 4420 µg/l

– selkärangattomat: 8 - 680

– kasvit: 5 - 10,000

• Krooninen toksisuus - mutagenisuus, karsinogenisuus

– kalat: 0.1 – 320 µg/l

• Eri PAH-yhdisteet ovat toksisuudeltaan hyvin erilaisia.

• Toksisuutta muuntavat tekijät: eliölaji, Kow (vesipakoisuus), tutkimusmenetelmä, veden laatu, valomuutunta.

Göteborgin öljypäästö 2003

Bunker oil accident in June 2003

Kustbevakningen

WestWaters AB

WestWaters AB

By courtesy of Dr. Lars Förlin et al.

Göteborg University, Sweden

Göteborg

RUOPPAUS

Dredging activities in

Göteborg harbour • Started during winter 2003

• 12 milj tonnes of clay

• 0.5 milj tonnes of rock

• Ended November 2003

ÖLJYPÄÄSTÖ

Bunker oil spill in

Göteborg harbour

• June 23, 2003

• 10-100 tons

• ca 25% PAH

By courtesy of..

Professor Lars Förlin et al.

Göteborg University, Sweden

Fjällbacka, the national reference site

for 15 years

Fjällbacka

Biomarkers Species

Acetylcholine esterase F M C

Metallothionein F M C

Lysosomal stability F M C

EROD F

Core

biomarkers

PAH bile FACs F

Histopatology F M C

Micronuclei F M

DNA damage F M C

Vitellogenin F C

Antioxidant enzymes

(GR, GST, DTD, SOD, etc)

F

Lipid peroxidation (TBARs) F

Protein oxidation F

TOSC F

Immunocompetence F M

Apoptosis M C

Hormonal shift F M C

Multidrug resistance C M

Heart rate C

Additional

biomarkers

Morphometric indecies F M C

F=fish/KALA: Eelpout (Zoarces viviparus), Cod (Gadus morhua) and Flounder (Platichthys flesus) C=shore crab/RAPU (Carcinus maenas) M=blue mussle/SIMPUKKA (Mytilus edulis)

Biomarkers investigated in

Swedish westcoast campaigns.

Biomarkkerit ovat käytännöllisiä työkaluja

ekotoksisuusvaikutusten seurannassa:

River Göta älv

Fjällbacka reference

(vertailualue) site:

Original hypothesis was

that EROD activity (and

other biomarkers) in

eelpout from Fjällbacka is

affected by River Göta älv

and dredging activities in

the Göteborg Harbour

Näytteenotto Göteborgin satamassa Sampling in Göteborg harbour in 2002-2004

(biomarkers)

Eelpout = kivinilkka: MAKSANÄYTTEET

Time/Aika Site/Paikka

May 2002 = ENNEN Göteborg, Fjällbacka

March 2003 = ENNEN Göteborg

May 2003 = RUOPPAUS Göteborg, Fjällbacka

July 2003 = R + ÖLJY Göteborg

April 2004 = ÖLJY Göteborg, Fjällbacka

EROD activities in female eelpout = kivinilkka

0

0,2

0,4

0,6

0,8

May-02

nm

ol/

(min

x m

g p

rot)

Fjällbacka

Nordre älv

Hjuvik

Skalkorgarna

Aspholmarna

By courtesy of Dr. Lars Förlin et al.

Göteborg University, Sweden

EROD activities in female eelpout

0

0,2

0,4

0,6

0,8

May-02 March-03

nm

ol/

(min

x m

g p

rot)

Fjällbacka

Nordre älv

Hjuvik

Skalkorgarna

Aspholmarna

EROD activities in female eelpout

0

0,2

0,4

0,6

0,8

May-02 March-03 May-03

nm

ol/

(min

x m

g p

rot)

Fjällbacka

Nordre älv

Hjuvik

Skalkorgarna

Aspholmarna

EROD activities in female eelpout

0

0,2

0,4

0,6

0,8

May-02 March-03 May-03 July-03

nm

ol/

(min

x m

g p

rot)

Fjällbacka

Nordre älv

Hjuvik

Skalkorgarna

Aspholmarna

EROD activities in female eelpout = kivinilkka

0

0,5

1

1,5

2

May-02 March-03 May-03 July-03

nm

ol/

(min

x m

g p

rot)

Fjällbacka

Nordre älv

Hjuvik

Skalkorgarna

Aspholmarna

Kaikki

pitemmällä

asteikolla!

By courtesy of Dr. Lars Förlin et al.

Göteborg University, Sweden

PAH metabolites in eelpout bile

0

5

10

15

20

25

30

35

May-02 May-03 July-03

Pea

k a

rea x

10^

6

Fjällbacka

Nordre älv

Hjuvik

Skalkorgarna

Aspholmarna

ALTISTUMINEN ÖLJYPÄÄSTÖLLE NÄKYI SAPESSA,

JOSTA MITATTIIN PAH-aineiden MUUNTUMISTUOTTEITA !

By courtesy of Dr. Lars Förlin et al.

Göteborg University, Sweden

DNA adducts in eelpout liver from

Göteborg harbour

0

2

4

6

8

10

12

14

16

May-02 May-03 July-03

nm

ol/

mo

l

Fjällbacka

Skalkorgarna

Aspholmarna

MYÖS GENEETTISIÄ VAURIOITA (ADDUKTEJA)

KEHITTYI KIVINILKAN MAKSAKUDOKSEEN

Göteborgin tutkimuksen

johtopäätökset:

Öljypäästö (nk. Bunker oil) vaikutti voimakkaasti biomarkkereiden vasteisiin (= mm. kohonneet

maksan EROD, DNA muutokset, lipidiperoksi-daatio; alentunut lysosomien vakaus) Göteborgin sataman alueella ja kauempana merellä.

The bunker oil spill strongly affected biomarker responses (increased EROD activity, DNA adduct levels, lipid peroxidation, decreased lyso- somal stability) in the Göteborg harbour area.

Biomarkkerit soveltuvat hyvin onnettomuustilanteen laajuuden ja merialueen toipumisen seurantaan.

Tappava myrkyllisyys välittyy

myös sedimenteistä ..

Sed

imen

tin

PA

H-p

ito

isu

us

Ka

tko

jen

ku

olle

isu

us

Ho ym. 1999

PAH-yhdisteiden seos vaikuttaa kokonaisuutena !

Ympäristön

laadun

minimitavoite.

34 PAH-yhdisteen kokonaispitoisuus sedimentissä.

Ku

olleis

uu

s 1

0 v

rk:s

sa

– e

sim

erk

kil

ajin

a R

. a

bro

niu

s

Öljyntorjuntakemikaalit (dispersantit)

voimistavat altistumista PAH-yhdisteille!

Induktio-

vaikutus Pitoisuus

vedessä

Dispersantti

Ei dispers.

Öljyn PAH-yhdisteiden muita vaikutuksia

kaloilla ja muilla vesieläimillä..

• Narkoosi (2 ja 3 renkaiset PAH:t)

• Valon aiheuttama lisämyrkyllisyys

• Immunologisia vaikutuksia

• Syöpiä (karsinogeenisuus) ja kasvaimia

• Kehitystoksisuutta (teratogeenisuus),

mm. Exxon Valdez tapauksessa.

• PHOTOTOXIC PAHs

Fluoranthene >1024 5 μg/l

Anthracene >1024 6

Phenantrene >1024 378

Retene

>100 < 10

Pyrene >1024 < 2

Benzo[a]pyrene 60 1 μg/l

• NON-PHOTOTOXIC

PAHs

Acenaphthene

Naphthalene

Chrysene

Fluorene

all >1024 μg/l with and

without UVB treatment.

PAH-yhdisteiden valotoksisuus UV-B –säteilyn

vaikutuksesta: (acute EC50 to Daphnia magna due to 2-h UV-B radiation)

Source: Wernersson, A.-S. (2003) EES 54:355

Principal mechanism is photosensitization (i.e. metabolic toxicity)

Auringon UV-valo lisää myrkkyvaikutuksia !

Ho et al. 1999

Öljyn PAH-yhdisteet aiheuttavat kehityspatologisia vaikutuksia

• Blue sac disease

(Hodsonilta) H

YSE

HSE

YSE = ruskuaispussivaurio

HSE = sydänpussivaurio

H = verenvuotovaurio

Signs of toxicity

0

20

40

60

80

100

2 9 16 23 30 37 44 49

Pre

va

len

ce

Bluesac disease

Hemorrhaging, H

Yolk sac edema, YSE

Hatch

Days of Exposure

By courtesy of Dr. Peter Hodson et

al. Queen’s University, Canada

PAH-aineen monipuolisesti vaurioittama kalan

alkiopoikanen (medaka)

Poikaset jäävät

pienemmiksi..

.. eivätkä pysty

käyttämään

ruskuaispussin

energiaa

kasvuunsa.

altistuspitoisuus µg/l

MWO

LWO

LWO = vähemmän säistynyt

MWO = enemmän säistynyt

myrkyllisempää!

Exxon Valdezin

raakaöljy ja

Tyynenmeren silakka:

Patologiset rakennevauriot

tuhoavat pikkupoikasen

elinkyvyn

seurauksena kalan

vuosiluokan alenema.

Esim. Exxon Valdez tuhon

vaikutus silakan poikas-

tuotantoon oli -52 %.

YSE

HSE

Uintikyky

Leuka-

vaurio

Selkäranka-

vaurioita

Tyynenmeren

silakka Clupea

pallasi. (ETC 18:481, Carls et al.)

Pitoisuudet µg/l

Epidemiologian haaste:

Tunnistaa vaurion syyn ja seurauksen

väliset yhteydet ja riippuvuudet ilman, että

käytettävissä välttämättä on kontrol-

loitujen kokeiden antamia näyttöjä.

EPIDEMIOLOGIA Oppi sairauksien ja oireiden esiintymisestä

ja aiheuttajista (ihmis)populaatiossa…

HAVAINTOJEN KOKOAMINEN YHTEEN

Cause

Pathway Effect

Ecoepidemiology

Mm. öljyn

PAH-

yhdisteet,

vaikutus-

mekanismit.

Välivaiheita,

prosesseja. Vaikutukset

populaatioissa

(mm. lajitaso)

ja eliöyhtei-

söissä.

HAVAINTOJEN KOKOAMINEN YHTEEN

Näytteenotto suunniteltava ja hoidettava hyvin !

Öljyntorjuntaharjoitus - WWF & kumpp.

Syyskuu 2005 – Porvoo/Tolkkinen

KIITOKSIA !