Einführung in die ÖkotoxikologieDr. Cornelius HeßInstitut für Rechtsmedizin

Leitung Funktionsbereich Forensische Toxikologie

I n s t i t u t f ü r R e c h t s m e d i z i n

Institut fInstitut füür r RechtsmedizinRechtsmedizin

16.06.2015 Seite 2

http://www.rechtsmedizin.uni-bonn.de/studium/lebensmittelchemie_chemie_pharmazie

16.06.2015 Seite 3

Literatur

16.06.2015 Seite 4

Definition Toxikologie

Die Toxikologie beschäftigt sich mit den Wechselwirkungen von chemischen Stoffen mit dem Organismus, insbesondere mit den Schadeffekten chemischer Stoffe (natürliche Gifte in der Nahrung, Pflanzen- und Tiergifte, Medikamente, Pestizide etc.) auf den Menschen.

16.06.2015 Seite 5

Definition Ökotoxikologie

Untersucht Auswirkungen von Chemikalien auf die belebte Umwelt

Die Ökotoxikologie hat Stoffe, Produkte, aber auch entstehende Abfälle auf ihr Umweltgefährdungspotential zu prüfen. Dazu sind Wirkung, Interaktion und Verbleib zu untersuchen, und es ist zu klären, ob sich Substanzen in unerwünschter Weise in Umweltkompartimentenanreichern können.

16.06.2015 Seite 6

• akute Toxizität: Toxizität nach einmaliger Verabreichung bzw. nach kurzer Zeitperiode

• subakute Toxizität:Toxizität unterhalb derjenigen Konzentration, welche eine direkte Mortalität verursacht

• chronische Toxizität: Toxizität nach der Exposition über längere Zeit, je nach Organismus und dessen Generationszeit Tage, Wochen, Monate oder Jahre

Grundlegende Begriffe der Toxikologie

16.06.2015 Seite 7

• LD50-Wert / LC50 -Wert:Lethal Dose bzw. Lethal Concentration; Konzentration einer Chemikalie, bei der innerhalb eines definierten Zeitraumes 50 % der Tiere sterben, Maß für akute Toxizität

• EC50-Wert:Effect Concentration; Konzentration, bei der der gemessene Effekt 50 % beträgt, z.B. Hemmung der Photosynthese, Hemmung der Acetylcholinesterase, nicht Mortalität

• NOEL-Wert / NOEC-Wert:No Observed Effect Level bzw. No Observed Effect Concentration; höchste Expositionskonzentration in chronischen Studien, bei der keine signifikanten, beobachtbaren Effekte nach längerer Expositionszeit auftreten, Bezug chronische Toxizität

Grundlegende Begriffe der Toxikologie

16.06.2015 Seite 8

Verhalten und Schicksal von Chemikalien in der Umwelt – Umweltchemische Prozesse

16.06.2015 Seite 9

Umweltchemische Kreisläufe

Konzentration und Verbreitung von Chemikalien abhängig von

1. Quellen, Eintragsmenge- und -charakteristik

2. Physikalisch-chemische Stoffeigenschaften (z.B. molekulare Struktur, Dampfdruck, Wasser- und Fettlöslichkeit, Verteilungskoeffizienten Octanol/Wasser, Luft/Wasser, Sediment/Wasser, Adsorptionsfähigkeit etc.)

3. Physikalisch-chemische und biologische Eigenschaften des Ökosystems (z.B. Temperatur, pH-Wert, Schwebstoffgehalt, Redoxverhältnisse, Nährstoffkreisläufe)

4. Transformationsprozesse (Photolyse, Hydrolyse, Redoxreaktionen und biotischer Abbau)

16.06.2015 Seite 10

Transport- und Transformationsprozesse von Umweltchemikalien

Transport- und Transferprozesse: Substanz bleibt unverändert

Chemische und biologische Transformation: Struktur der Substanz wird verändert

Fugazität: Tendenz oder Drang eine Substanz, die Phase, in der sie sich befindet, zu verlassen

16.06.2015 Seite 11

Diagramm Flüchtigkeit gegen Polarität

16.06.2015 Seite 12

Schicksal in Gewässern

1) Verteilung, Verdünnung im Wasser

2) Verflüchtigung in die Atmosphäre (Volatilisation)

3) Verfrachtung in die Sedimente (Sedimentation)

4) Abiotische chemische Umwandlungen

(Hydrolyse, Photolyse, oxidative und reduktive

Prozesse)

5) Biotische Umwandlungen (mikrobieller Abbau,

Metabolismus)

6) Aufnahme in Organismen (Bioakkumulation)

16.06.2015 Seite 13

Transportprozesse in Gewässern -Beispiel Atrazin

» Herbizid im Maisanbau in USA, in Deutschland verboten» Trat in vielen Trinkwasserreservoirs in Konzentrationen >0,1µg/l auf» Niedriger Dampfdruck, kleine Henry-Konstante Verflüchtigung

in die Luft zu vernachlässigen» Sorbiert wenig an Boden- oder Sedimentpartikeln» Geringe Hydrolyse und Photolyse» Relativ hohe Wasserlöslichkeit (33 mg/l), geringer Verteilungskoeffizient relativ hohe

Mobilität vom Boden in Oberflächenwasser und Grundwasser» Ökotoxikologische Wirkung:

Hemmung der Photosynthese von Pflanzen bei > 20 μg/L (NOEC) je nach Art; hier in erster Linie Wirkung auf Phytoplankton und höhere Pflanzen

» Indirekte Wirkungen: Veränderung der Wasserqualität, Reduktion von Zooplankton Nahrungsgrundlage von Fischen wird verändert

» Chronische Toxizität: 5-40 µg/l: Nierenveränderungen bei Fischen; >80 µg/l: Zellveränderungen; reduzierte Fertilität etc.

16.06.2015 Seite 14

» Mischungs- und Transportvorgänge in der Troposphäre (bis zu 12km) verlaufen schnell» Austausch zwischen Tropo- und Stratosphäre (12-50km Höhe) verlaufen langsamer» Es dauert jahrelang, bis FCKW Stratosphäre erreichen (Ozonabbau)» „Grashopping-Effekt“/“globale Destillation“: Atmosphäre dient als Transport-, Meer

als Lagermedium» Ablagerungsgradient in Richtung Polregionen aufgrund Temperaturgradient

Transportprozesse –atmosphärischer Transport

16.06.2015 Seite 15

Transferprozesse: Verflüchtigung: Transport aus Wasser und Boden in Luft

» Wichtigster Transportweg für Chemikalien mit niedriger Wasserlöslichkeit und geringer Polarität» In dynamischen Systemen (z.B. Fließgewässer) kann sich jedoch kein Gleichgewicht zwischen den

Kompartimenten (z.B. Luft und Wasser) einstellen, da Transfergeschwindigkeit stark von Umweltbedingungen abhängt

» Diffusion aus Wasser in Luft = Verflüchtigung (Volatilisation)» Diffusion aus Luft in Wasser = Deposition» Verteilung von Luft und Wasser im Gleichgewichtszustand wird durch Henry-Konstante am besten

beschrieben

» Beispiel: Transfer von Radionukleotiden aus der Umwelt in Biota: Fukushima» Geschätzte Emission von 22*1015 Bq 137Cäsium und etwa gleich viel 134Cäsium in der Umgebung» Im Meer wurden neben Wasser auch Algen und Meeresfauna kontaminiert» Stark migrierende Tiere nehmen Radionukleotide auf und bringen sie in weit entfernte Gebiete (z.B.

5 Monate nach Unglück Thunfische an kalifornischer Küste mit zehnfach erhöhten Radiocäsium-Werten)

16.06.2015 Seite 16

Transferprozesse: Adsorption an Feststoffe: Verteilung zwischen Wasser und Partikel

» Partikel spielen in Gewässern wichtige Rolle als Adsorbentien» Transfer aus wässriger Phase in feste Phase: Sorption» Transfer aus fester in wässrige Phase: Desorption» Verteilung zwischen fester Phase und Lösung wird im Gleichgewicht durch Festkörper-

Wasser-Verteilungskonstante Kp beschrieben:

» Je größer Gehalt an organischem Kohlenstoff desto höher Adsorption» Je stärker Substanz an Boden- oder Sedimentpartikel gebunden ist, desto weniger wird

sie mobilisiert. Dies gilt v.a. für stark lipophile Substanzen Substanzen und Metalle. Da viele lipophile Substanzen zudem schlecht abbaubar sind, kommt es zu einer langen Aufenthaltszeit im Boden

16.06.2015 Seite 17

Verteilung zwischen Wasser und Biota: 1-Octanol-Wasser-Koeffizient

» Verteilung in die Organismen in Beziehung mit Lipophilie

» Maß für Lipophilie: Verteilungskoeffizient zwischen 1-Octanol und Wasser (als Logarithmus)

» Octanol: ähnliche Struktur wie Phospholipideder Zellmembranen

16.06.2015 Seite 18

Transformationsprozesse

» Persistenz: Langlebigkeit einer Chemikalie in Umwelt (fehlende Anfälligkeit gegenüber Transformation) Anhaltspunkte aus Molekülstruktur

» Z.B.: unverzweigte Alkylgruppen wenig persistent; Alkene weniger persistent als Alkane; Alkaneweniger als Arene; mit Zahl elektronegativer Substituenten (Cl, F) steigt Persistenz

» Durch Transformation kann Toxizität (meistens) erniedrigt, aber auch erhöht werden (Aktivierung)

» Beispiel 1: Tetrachlorethen• Durch schrittweise reduktive Dechlorierung ensteht u.a. Vinylchlorid (Chlorethen)• Chlorethen: Gas, das in Kunststoffproduktion eingesetzt wird; wirkt erst in hohen Konzentrationen für

Menschen einschläfernd; Risiko von Leber- und Bauchspeicheldrüsenkrebs erhöht

16.06.2015 Seite 19

Transformationsprozesse – Beispiel:Alkylphenolpolyethoxylate und Abbauprodukte Nonyl- und Octylphenol

» Alkylphenolpolyethoxylaten (APEO) wurden früher in Waschmitteln und heute in Industriereinigungsmitteln verwendet

» Nichtionische Tenside mit hydrophobem Alkylphenol-Rest und hydrophilen Ethylenoxid-Einheiten

» APEO werden in Kläranlagen mikrobiell unvollständig abgebaut (z.B. zu Nonylphenol)

» Toxizität ist abhängig vom Ethoxylierungsgradd.h. der Kettenlänge

» Nonyl- und Octylphenol, weitere Abbauprodukte NP1EO (Nonylphenol-1-ethylenoxid) und NP2EO (Nonylphenol-2-ethylenoxid) sind kurzkettig und daher toxischer als längerkettige Verbindungen und Ausgangssubstanzen (Bioaktivierung)

16.06.2015 Seite 20

Alkylphenolpolyethoxylate und Abbauprodukte Nonyl- und Octylphenol

Besitzen estrogene Aktivität

Kurzzeitige Exposition erhöht das Gebärmutter-Gewicht nach 24h

Induktion von Vitellogenin und Reduktion der relativen Hodengröße bei männlichen Regenbogenforellen

16.06.2015 Seite 21

AbiotischeTransformationen (1)

» Photolyse• v.a. in Atmosphäre, aber auch an Oberfläche von Gewässern und Böden• Direkte Photolyse: Substanz selbst adsorbiert Licht und wird danach umgewandelt• Indirekte Photolyse: Reaktion mit reaktiven Spezies (Hydroxy-Radikale, Peroxy-

Radikale, Singulett-Sauerstoff 1O2), die zuvor durch Einwirkung von Licht gebildet werden

» Hydrolyse• Reaktion mit Wasser oder Hydroxyl-Ionen• Z.B. aus C-Cl oder C-C-Einfachbindungen können C-OH-Bundungen entstehen• Spaltung von C=O-Bindungen• i.A. weniger toxische Produkte• Inbesondere in Gewässern• Stark temperatur- und pH-abhängig

16.06.2015 Seite 22

AbiotischeTransformationen (2)

» Redox-Reaktionen• Reaktionen verlaufen enzymatisch, durch Mineralien oder Bestandteile des Bodens

katalysiert• Z.B. Methylierung von Metallen durch Methylcobalamin oder Methyliodid (Abiotisch)• Aber: Methylierung auch durch mikrobielle Prozesse (Biotisch; z.B. Methylierung von

Quecksilber)

» Oxidative Prozesse• Reaktion mit molekularem Sauerstoff oder reaktiven Sauerstoffspezies• In Troposphäre Hydroxy-Radikale oder Ozon• In Gewässrn v.a. Peroxy-Radikale (R-O-O.) und Singulett-Sauerstoff (1O2)

» Reduktive Prozesse• Besonders im anaeroben Milieu von Sedimenten und Boden• Eisen-Redoxsysteme oder an Protein gebundene Porphyrine übertragen Elektronen

vom reduzierten organischen Substrat auf Umweltchemikalien

16.06.2015 Seite 23

Biotische Transformationen

» Mit Hilfe von Enzymen

» Es werden weniger giftige Metaboliten gebildet, gefolgt von einer vollständigen Metabolisierung zu CO2 und H2O

» 2 Wege:

1. Atmungsprozess;

2. cometabolischer Prozessnicht lebenswichtige Verbindungen werden gleichsam nebenbei zu Nährstoffen umgewandelt

16.06.2015 Seite 24

Geochemischer Kreislauf von Quecksilber-Verbindungen

» Durch Methylierung entstehen aus anorganischen Quecksilber-Verbindungen bzw. Quecksilber Methyl-, Dimethylquecksilber und Methylquecksilberchlorid

» Diese sind lipophiler als das anorganische Element und können daher von den Zellen besser aufgenommen werden

» Methylquecksilber wird mikrobiell in See- und Meersedimenten gebildet» Mikroorganismen reduzieren Hg-Kation zu elementarem Hg oder wandeln es in methylierte Varianten

um» Methylquecksilber ist stark neurotoxisch und reichert sich aufgrund der Lipophilie in Fischen und

terrestrischen Lebewesen an» Methyleirung von Metallen (Hg, Sn) führt meist zur Toxizitätserhöhung. Ausnahme: Arsen

16.06.2015 Seite 25

1) Erfassung, Charakterisierung und Bewertung der Ökotoxizität von einzelnen Chemikalien

2) Definition von Gefährdungsklassen für die Umwelt

3) Basis für die Risikocharakterisierung und -beurteilung von Chemikalien für die Umwelt

Ziel und Nutzen von Toxizitätstests

16.06.2015 Seite 26

Aquatische Toxizitätstests

Da sich die Gesamtheit der Organismen eines Ökosystems nicht untersuchen lässt, werden repräsentative Vertreter ausgewählt, die verschiedene trophische Stufen repräsentieren

16.06.2015 Seite 27

Aquatische Testsysteme - Bakterien

» Destruenten: bauen organische Stoffe zu Nährstoffen ab und um» Abbau von Fremdstoffen in Abwasserreinigungsanlagen» Zellwand schützt vor Chemikalien» Adaption: vermögen sich an Chemikalien anzupassen und Resistenzen

auszubilden» reagieren daher weniger empfindlich auf Giftstoffe als eukaryotische Zellen» Tests schnell durchführbar (kurze Generationszeit, hohe Stoffwechselaktivität)

und kostengünstig» Messgrößen: Bakterienwachstum, Zellenergie, Substratverwertung, Atmung

(Sauerstoff, Nitrat, organische Moleküle), Hemmung von Enzymen, Biolumineszenz

» Beispiel: Respirationstest mit Belebtschlamm, Prüfung akut toxischer Wirkung von Abwasser/Chemikalien auf aerobe Mikroorganismen. Messgröße: Änderung der Atmungsrate von Belebtschlamm

16.06.2015 Seite 28

Aquatische Testsyteme -Leuchtbakterientest

» Einer der gebräuchlichsten Toxizitätstests» Reagieren empfindlich auf Schwermetalle und auf unspezifisch wirkende

Chemikalien» Gefriergetrocknete Aliivibrio fischeri senden als Stoffwechselprodukt kaltes

Leuchten (Biolumineszenz) aus» Gleichmäßige Lumineszenz deutet auf ungestörten Stoffwechsel hin, bei

Beeinträchtigung wird Lichtemission reduziert» Photometrische Messung der Lichtemission nach 15-60 min Inkubation mit

Chemikalie» Test darf nicht als einziges Kriterium bei Beurteilung von Chemikalien und

Umweltproben verwendet werden Kombination mehrerer Tests mit verschiedenen Spezies notwendig

16.06.2015 Seite 29

Aquatische Testsysteme – Krebstiere (Akuter Daphnientest)

» Cladoceren (Blattfußkrebse) bilden wichtigen Teil des Zooplanktons in Kleingewässern» Akuter Daphnientest: prozentuale Immobilisierung (Schwimmunfähigkeit) nach 24h Prüfzeit

wird bestimmt» Schwimmunfähig: Wasserfloh zeigt 15 Sekunden nach Berühren des Gefäßes keine

Schwimmbewegung» Chronischer Reproduktionstest: dauert 14-21 Tage» Toxizitätsparameter sind Mortalität, Zeitpunkt des ersten Auftretens von Nachkommen und

NOEC» NOEC: höchste geprüfte Konzentration, bei der nach 14 oder 21 Tagen weder eine letale

Wirkung auf die Elterntiere, noch eine Verminderung der Reproduktionsrate noch eine Verzögerung des ersten Auftretens von Nachkommen i.Vgl. zu Kontrollen auftritt

16.06.2015 Seite 30

» v.a. Jungtiere (3-8 cm Länge)» Früher: Als Vertreter unseres Ökosystems Regenbogenforelle,

Nachteil: Territorialverhalten, Größe, Erfordernis von Durchfluss-Systemen

» Heute: Warmadaptierte Fische» Lassen sich leicht kultivieren, kurze Generationszeiten» Bsp.: 1. Dickkopfelritze: Frühstadien (Eier, Larven) werden

bei hormonell wirksamen Stoffen eingesetzt2. Karpfen: bei Bioakkumulationsstudien,

Entwicklungs- und Reproduktionsbiologie3. Zebrafisch: bekannte Erbgutsequenz

Genexpressionsstudien

Aquatische Testsysteme - Fische

16.06.2015 Seite 31

• Akute Fischtoxizität» Prozentualer Anteil toter Fische werden entweder nach 24 h, 48 h oder 96 h bestimmt

(LC0, LC50 und LC100)» i.d.R. ca. 50-80 Testfische» OECD Guideline 203 oder Deutsches Abwasserabgabengesetz (DIN 38412):- Je giftiger die akute Toxizität, umso teurer wird es für den Verursacher des Abwassers- 3 Goldorfen je Verdünnungsstufe- Bleiben alle drei Fische innerhalb 48h am Leben, so geht dieser Verdünnungsfaktor als

Schädlichkeitsindex in Berechnung mit ein- Problem: ethische Gründe + chronische Toxizität wird nicht erfasst- Alternative: Tests mit Zebrafischembryonen oder in vitro Systeme

• Chronische Fischtoxizität» Mindestens 14-28 Tage» NOEC wird bestimmt» Untersucht werden: Aussehen (Farbveränderung), Futteraufnahme, Schwimmverhalten

(Lethargie), hämatologische und blutschemische Werte, histologische Gewebsuntersuchungen

Akute und chronische Fischtoxizität

16.06.2015 Seite 32

Fischtoxizität – weitere Tests

Early Life Stage Test» Frühe Entwicklungsstadien: befruchtetes Ei, verschiedene Embryonalstadien,

Dottersacklarve, freischwimmende Larve, die sich aktiv ernährt» Frühstadien, die sich noch nicht aktiv ernähren (sondern vom Dottersack) werden

verfolgt» Gegenüber Chemikalien sehr empfindlich» Meist gute Voraussagekraft für gesamten Lebenszyklus» Messgröße: Schlüpfrate der Larven, Mortalität, Wachstum, Deformation an Larven» Gilt nicht als Tierversuch im Sinne des Tierschutzgesetzes

Life Cycle Test» Wirkung wird über den gesamten Lebenszyklus beobachtet» Rückschlüsse auf Fortpflanzung, Fertilität, Qualität der Nachkommen» Test dauert 12-52 Wochen» LOEC und NOEC wird bestimmt

16.06.2015 Seite 33

Fischtoxizität –Hintergrund in vitro Zellkulturen

» Im Jahr 2005: im Rahmen der Chemikalienprüfung 114000 Fische verwendet» Primärzellen: werden aus blutfreiem Fischgewebe gewonnen und können nur für

kurze Zeit kultiviert werden» Zellen, die sich subkultivieren lassen und über lange Zeit in Kultur gehalten werden

können, nennt man Zell-Linien» v.a. Bindegewebs-Zellen oder Leberzellen» Messgrößen: Schädigung der Zellmembran, Mutagenität, Induktion von Proteinen,

endokrine Wirkungen

16.06.2015 Seite 34

» Nur wenige Testsysteme, nicht ausreichend standardisiert und validiert

» Negative Effekte werden v.a. auf schädigende Einflüsse auf Bodenfruchtbarkeit und Ökosystemstruktur betrachtet

» Böden und Sedimente haben hohe Kapazität zur Rückhaltung von Umweltchemikalien, speziell von apolaren Molekülen und positiv geladenen Ionen und Metallen

» Boden, Eluate (mobile Anteile), Porenwasser und Extrakte werden untersucht

Terrestrische Testsysteme

16.06.2015 Seite 35

Aussagen und Grenzen von Toxizitätstests

» Häufig sind Effekte von Chemikalien in situ oder im Feld kleiner als die in Laborversuchen gemessenen, weil ihre ökotoxikologische Bioverfügbarkeit geringer ist als in Laborsituation

» Können nur Hinweise auf mögliche Gefährdung des Gesamtsystems geben» LC50 und EC50 reichen nicht aus: wichtige Informationen zur Toxikokinetik sind

nicht enthalten, wie sie sich z.B. aus Art der Dosis-Wirkungsbeziehung ergeben» Dosis-Wirkungs-Kurven sollen mit einbezogen werden: Steigung ergibt

Informationen: steil: rasche Adsorption der Chemikalie, rasches Einsetzen der Wirkunggering: schwache Aufnahme, langsam einsetzende Wirkung oder wirksame Entgiftungsmechanismen und schnelle Exkretion

» Hauptsächlich untersucht wird akute Toxizität, chronische Toxizität aber viel wichtiger. Chronische Toxizität lässt sich nicht aus akuter Toxizität ableiten

» Speziesvariabilität: mangelhaften bis unmöglichen Übertragung von Toxizitätswerten von einer Spezies auf andere. Es sollten Toxizitätsbereiche angegeben werden, die sich aus verschiedenen Untersuchungen an mehreren Spezies ergeben

16.06.2015 Seite 36

Ökotoxikologische Bioverfügbarkeit

» Ökotoxikologische Bioverfügbarkeit = Verfügbarkeit aus Umwelt

» Toxikologische Bioverfügbarkeit = Verfügbarkeit des Fremdstoffes innerhalb des Organismus (teil der aufgenommenen Chemikalie, derZielort erreicht)

» Für toxische Reaktion ist Konzentration am Zielort (Rezeptor) entscheidend

16.06.2015 Seite 37

Abiotische und biotische Faktoren

16.06.2015 Seite 38

Ökotoxikologische Bioverfügbarkeit in aquatischen Systemen – pH-Wert

» Chemische Speziierung und damit Bioverfügbarkeit von Umweltchemikalien hängt vom pH-Wert des Umweltmediums ab

» Beispiel Ammoniak/Ammonium in Wasser:» Ammoniumionen und Ammoniak in pH- und

temperaturabhängigen Gleichgewicht» Mit zunehmendem pH (mehr Ammoniak) steigt Toxizität» Ammoniak toxischer als Ammonium, da er Zellmembran

leichter passiert» Bei für unsere Fließgewässer typischen pH-Werten

(pH 8,5) und Temperaturen (20°C) ist der Anteil des Ammoniaks < 10%

» Kurzzeitige Stoßbelastungen (tageszeitliche Schwankungen v.a. unterhalb Kläranlagenausläufen) führen zu keinen Schädigungen, wenn sich Fische danach erholen können

» Spannweite für verschiedene Fischarten ist groß (LC50 = 0,04 und 4,2 mg/l; chronische Toxizität bei 0,01-0,1 mg NH3 über mehrere Wochen)

» Qualitätsziel für NH3 liegt bei 0,025 mg/l (NOEC für Forellen bei 0,005-0,014 mg/l)

» Weitere Beispiele: Toxizität sinkt bei steigendem pH-Wert bei Säuren (Cyanid oder H2S)

16.06.2015 Seite 39

» Metalle kommen in Umwelt als 1. freie Ionen, 2. gelöste anorganische oder organische Komplexe, 3. unlösliche Komplexe oder 4. adsorbiert an suspendierten Partikeln vor

» Anteil jeder Erscheinungsform hängt von pH-Wert und Liganden im Wasser ab» Totale Konzentration eines Metalls in Lösung entspricht Summe aller

auftretenden Spezies

» Liganden reagieren mit Metallen und bestimmen Bioverfügbarkeit- Anorganische Anionen (Carbonate, Hydroxide, Chlorid etc.)- Anorganische Partikel (z.B. Eisenoxide)- Natürliche organische Moleküle (Abbauprodukte von Lebewesen, Huminstoffe,

Exudate von Algen)- Synthetische Liganden (EDTA, NTA (Nitrilotriessigsäure)) aus Wasch- und

Reinigungsmitteln enthalten Chelat-Bindungsstellen für Metalle» Speziierung von Metallen ist Funktion des pH-Werts, der Wasserhärte bzw.

Alkalinität sowie des Gehaltes an anorganischen und organischen Liganden

Ökotoxikologische Bioverfügbarkeit in aquatischen Systemen – Metalle

16.06.2015 Seite 40

Ökotoxikologische Bioverfügbarkeit in aquatischen Systemen – Metalle

16.06.2015 Seite 41

Ökotoxikologische Bioverfügbarkeit in aquatischen Systemen – Metalle

» Für Ökotoxizität von Metallen hauptsächlich freie Metall-Ionen oder deren Aquo-Komplexeverantwortlich

» Grund: Bioverfügbarkeit und Interaktion mit Rezeptoren der Zelle

» Beispiel: Toxizität Cadmium- Abhängig von pH-Wert (siehe folgende Folien)- Abhängig von Salinität: Toxizität sinkt mit

zunehmender Konzentration an Ligand Cl-Bildung von Cadmiumchlorid im Meerwasser (höherer Gehalt an freien Chlorid-Ionen geringere Cadmium-Toxizität als in Süßwasser

- Komplexierung führt zu Reduktion der Metalltoxizität

16.06.2015 Seite 42

Ökotoxikologische Bioverfügbarkeit in aquatischen Systemen – Metalle

Bedeutung der Wasserhärte» Ca2+ und zu geringerem Maß Mg2+ hauptsächliche

gelöste Kationen in Süßwasser» Wasserhärte: Konzentration der Härtebildner,

d.h. ursprünglich die mit Seife zu schwerlöslichen Salzen reagierenden zweiwertigen Ionen (Ca2+

(z.B. CaCO3) und Mg2+

» Gesamthärte: Summe der zweiwertigen Kationendes Wassers ([Mg2+ ] + [Ca2+])

» Alkalinität (“Carbonathärte“): Summe der mit starker Säure titrierbaren Basen (~ [CO3

2- ] + [HCO3-])» Aufgrund Elektroneutralität [Mg2+ ] + [Ca2+] ~

[CO32- ] + 2 [HCO3-] sind Begriffe Wasserhäte und

Alkalinität für die meisten Gewässer synonymBeispiel: Kupfer» Mit zunehmender Wasserhärte sinkt die

Konzentration der freien Aquo-Komplexe und damit auch die Toxizität

16.06.2015 Seite 43

Bioverfügbarkeit in Umweltsystemen –Sediment/Boden

» Remobilisierung (Auswaschen ins Grundwasser)

» Aus Sediment extrahierbare Bestandteile besser verfügbar als schlecht extrahierbare

» freie Metall-Aquo-Ionen für Toxizität entscheidend

» Als Liganden v.a. Metalloxide und – in sauerstofffreien Sedimenten aus mikrobiellen Abbauprozessen Sulfide (S2-) verantwortlich

» Eisen- oder Manganoxide reduzieren Verfügbarkeit von Metallen wie Arsen, Kupfer, Blei, Zink

» Zunahme des Anteils an organischen Verbindungen führt zu Reduktion der Bioverfügbarkeit von Al(III), Co(II) und weiteren Metallen

» Sulfide setzen Konzentrationen an freien Metall-Ionen und damit Toxizität im Interstitialwasser herab

16.06.2015 Seite 44

Exkurs: Phytoremediation

» Gebrauch von Pflanzen oder Bäumen zur Entfernung oder Neutralisation von Umweltgiften

» Bestimmte Gifte werden von Pflanzenwurzeln aufgenommen, in Wurzel, Spross und Blättern verteilt und akkumuliert (Phytoextraktion)

» Phytodegradation: Verwendung von Pflanzen und ihrer assoziierten Mikroorganismen zum Abbau von Schadstoffen

» Nur bioverfügbarer Anteil der Schadstoffe kann in Pflanze aufgenommen werden

» Ideale Pflanzen: 1. unempfindlich gegen Schadstoffe; 2. Fähigkeit, große Mengen zu akkumulieren (Hyperakkumulatoren z.B. Farn

Pteris vittata für Arsen): nimmt As(V) über Wurzeln auf und lagert toxisches Metall in Form von As(III) in Pflanzenteilen ab

» Zur Entsorgung wird Pflanzenbiomasse geerntet, verbrannt oder deponiert

16.06.2015 Seite 45

Einfluss von Umweltfaktoren –Einflussfaktoren

» Geringerer Sauerstoffgehalt im Wasser (z.B. Daphnien gegenüber Pestizide)» Trockenstress (z.B. Spinnen gegenüber Pyrethroide)» Temperatur: steigt sie, steigt Löslichkeit von Umweltchemikalien. Aber: keine generelle Regel

(wie bei Fischen häufiger Temperaturerhöhung = Toxizitätserhöhung)» Salinität: 1. Salzgehalt beeinflusst Toxizität (siehe Cadmium)2. Veränderungen des Fremdstoffwechsels der Organismen wird durch Salinität beeinflusst

Beispiel: Bioaktivierung von Aldicarb (Carbamat-Pestizid)Hemmung der Cholinesterase wird verstärkt durch erhöhte Verstoffwechselung zu Aldicarb-Sulfoxid

» Photoinduzierte Toxizität: als Folge der dünneren Ozonschicht tritt vermehrt UV A- und UV B-Strahlung auf Erdoberfläche Hemmung der Photosynthesevor allem bei polnahen Ökosystemenz.B. erhöhte photoinduzierte Toxizität von polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAH) Ursache: durch oxidativen Stress hervorgerufene Membrantoxizität. Es entstehen vermehrt reaktive Sauerstoffspezies (ROS) wie Superoxid (O2

-), H2O2, Singulett Sauerstoff (1O2) und Hydroxyradikale (OH.)

16.06.2015 Seite 46

Toxizität und Metabolismus bestimmter Umweltchemikalien Bioaktivierung von PAH

• polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAH) entstehen bei der unvollständigen Verbrennung organischen Materials wie Holz, Kohle, Erdöl und in Dieselabgasen

• Hohe Sorption und Lipophilie: Verbreitung an Vorkommen von Partikeln (Ruß, Staub, in Luft) gekoppelt

• Durch CYP katalysierte Biotransformation von polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAH) führt zu cancerogenen Metaboliten

• z.B. Benzo[a]pyren aus Tabakrauch, Rohöl oder Teer

• spielt Rolle bei Genese von Lungenkrebs bei Rauchern

16.06.2015 Seite 47

Toxizität und Metabolismus bestimmter Umweltchemikalien Bioaktivierung von PAH

Oxidationen machen aus Benz[a]pyrenDihydroxyoxirane, die als Elektrophilehauptsächlich mit Amino-Gruppe es Guanosinsder DNA reagieren können (siehe Seminar Cancerogenese Dr. Courts)

16.06.2015 Seite 48

„Oxidativer Stress“ am Beispiel des Herbizids Paraquat

» Freie Radikale, die im Rahmen des (Fremd)stoffwechsels gebildet werden, haben hohe chemische Reaktivität

» Schädigen zelluläre Strukturen» Besitzen ungepaarte Elektronen und reagieren mit nukleophilen Gruppen (Thiole, Amine)» Führt dazu, dass sekundäre Radikale aus Proteinen, Lipiden oder Nucleinsäuren gebildet werden

(auch Radikalkettenreaktionen können in Gang gesetzt werden)» Kovalente Bindungen mit Aminosäuren werden gebildet, nach Bildung von lipophilen Radikalen wird

Kettenreaktion (Lipidperoxidation)» Im Fall von Membranphospholipiden Beeinträchtigung der Funktion von Organellen und

Plasmamembran Zelltod» Weiterhin DANN-Schäden und Strang- oder Chromosomenbrüche» Paraquat führt vornehmlich zu Lungenschäden» In Pflanzen hohe Konzentration an Superoxid und als Folge des Enzyms Superoxiddismutase

Wasserstoffperoxid (H2O2)» Wenn hohe Konzentration an H2O2 nicht durch Glutathion inaktiviert wird, kommt es zu oxidativem

Stress

16.06.2015 Seite 49

Stoffwechsel von Umweltchemikalien im Organismus – Phase I-Reaktion

» Effiziente Ausscheidung: lipophile Stoffe müssen in gut ausscheidbare hydrophile Stoffe umgewandelt werden

» Durch Biotransformation findet i.d.R. Entgiftung statt» Bei Mensch und Wirbeltier Biotransformation vorwiegend in Leber, bei Invertebraten (Krebse,

Spinnen etc.) in Mitteldarmdrüse (Hepatopankreas) (aber auch andere Organe zu Biotransformation befähigt z.B. Lunge, Niere)

» Phase I-Reaktionen: enzymatisch katalysierte Oxidationen, Reduktionen, Hydrolysen, Einführung bzw. Freisetzung funktioneller Gruppen wie –OH, -SH, -NH2´, -COOH

» Wichtigste Phase I-Reaktionen im endoplasmatischen Retikulum der tierischen Zelle» Oxidationen und Reduktionen werden durch Cytochrom abhängigen Monooxygenasen (CYP) oder

Peroxidasen katalysiert» Mit fallendem CYP-Gehalt sinken Möglichkeiten der Fremdstoffmetabolisierung (Krebstier z.B.

geringer CYP-Gehalt), weshalb lipophile Umweltchemikalien wie Kohlenwasserstoffe oder PCB bei Wirbellosen langsamer ausgeschieden werden

» Unterschiedliche CYP-Ausstattung und dadurch bedingte Metabolismusunterschiede sind zusammen mit Aufnahme- und Eliminationsraten Ursache für Speziesunterschiede in der Toxizität (siehe auch Seminar Toxikogenetik im WS

» Die Produktion bestimmter CYP-Enzyme (z.B. CYP1A1) wird auch erst durch Exposition mit kritischer Umweltchemikalie (z.B. TCDD) induziert

16.06.2015 Seite 50

Stoffwechsel von Umweltchemikalien im Organismus – Phase I-Reaktion

16.06.2015 Seite 51

Toxizität und Metabolismus bestimmter Umweltchemikalien Bioaktivierung von Organophosphat-Insektiziden

• Hemmung der Acetylcholinesterase in Synapsen Neurotoxizität• Wirksame Form ist Oxidationsprodukt Paraoxon• Erregungsweiterleitung durch Neurotransmitter Acetylcholin• Wird Abbau des Acetylcholins gehemmt, steigt der Muskeltonus und

es kommt zu Krämpfen und Lähmungen

16.06.2015 Seite 52

Phase II Metabolismus

• Konjugationsreaktionen mit Glucuronsäure, Sulfat, Glutathion und Aminosäuren (Glycin(terrestrische Organismen), Ornithin (Vögel) oder Glycin/Glutamin (Säuger))

• Auch Acetylierung kann eintreten• Konjugationen erfolgen an NH2, SH-, OH- oder COOH-Gruppen• Phase II Enzyme im Cytosol• Glucuronidierung durch UDP-Glucuronosyl-Transferasen in Leber (Glucuronsäure wird

dabei aus Glucose aktiviert)

16.06.2015 Seite 53

Beispiel Neonicotinoide bei Bienen

• Nicotin hat als nicotinischer Acetylcholinrezeptor-Agonist insektizide Wirkung• Synthetische analoge Verbindungen (Neonicotinoide, NNC) werden als

Insektizid wegen der hohen Säugertoxizität von Nicotin bevorzugt• Heute neben Pyrethroide wichtigste Insektizide Organophosphate werden

kaum noch eingesetzt)• Kontakt- und Fraßgifte• Binden an Ach-Rezeptoren, werden aber nicht durch Ach-Esterasen abgebaut

Dauererregung mit Dauerkontraktion der Muskulatur• Gelangen in Pflanze über Leitsystem (Xylem) in Blätter und bei Bestäuben in

Pollen und Nektar, gelangen aber auch über Boden- und Staubpartikel über den Wind auf Insekten

• Bienen tragen Partikel in Bienenstock, wo Bienenbrut damit in Berührung kommt Bienenvergiftungen durch NNC (z.B. 2008 im Oberrheintal durch Clothianidin auf Maissaatgut)

16.06.2015 Seite 54

Beispiel Neonicotinoide bei Bienen (2)

» Folge der NNC-Aufnahme bei Bienen: Neurotoxizität, Bienen finden nicht mehr zu ihrem Stock zurück, abnormes Futtersuchverhalten, reduziertes Geruchsgedächtnis und Lernverhalten

» Gleichzeitig setzt im Winter auch die Verroamilbe den Bienen zu» NNC (Imidacloprid, Acetamiprid, Thiacloprid) sind wie die sich im Bienenstock

verwendeten Akarizide (Spinnengifte; Organophosphate oder Pyrethroide) Substrate der Multidrug Resistance Protein (MDR) Transporter bei Bienen

» Insektizide werden mittels MDR su Zelle befördert Entgiftung» im Winter werden Bienenvölker mit Antibiotika gegen Parasiten (Verroamilbe)

bestreut» Antibiotika wie Oxytetracyclin hemmen den MDR-Transporter

Pestizidrückstände werden schlechter ausgeschieden» Indirekte Schädigung durch Antibiotika „synergistischer

Kombinationseffekt“

16.06.2015 Seite 55

Beispiel: Polychlorierte Biphenyle

» Besteht aus Gemisch aus 209 Kongeneren» Physikalische Eigenschaften: geringe Wärmeleitfähigkeit, hohe

Dielektrizitätskonstante, gute Temperaturbeständigkeit, geringe Entflammbarkeit) breite technische Anwendung (z.B. Klebstoffe, Anstrichmittel, Dichtungsmassen)

» Lipophil und persistent in Umwelt» 1978: Einsatz in „offenen Systemen“ verboten» Verteilung weist auf Bioakkumulation in Nahrungskette hin» Höchste Konzentrationen infolge Biomagnifikation in Fischen,

Vögeln, Meeressäugern an der Spitze der Nahrungskette» Gilt vor allem für höherchlorierte Kongenere, da niederchlorierte

metabolisiert werden» Hohe chronische Toxizität; im Vordergrund beim Menschen:

Lebercancerogenität, Entwicklungstoxizität, negative Wirkung auf Immun- und Nervensystem

» Toxizität beim Menschen: Gewichtsverlust, Hautschädigungen,

16.06.2015 Seite 56

Beispiel: Polychlorierte Biphenyle

» Polychlorierte Dibenzo-p-dioxine (PCDD, „Dioxine“) und polychlorierte Dibenzofurane (PCDF)

» Bindung an Ah-Rezeptor und Induktion von Cytochrom-P450-abhängigen Monooxygenasen (CYP1A) vor allem non-ortho oder mono-ortho Substanzen

» Toxizität wird in Toxizitätsäquivalenten (TEF) relativ zu TCDD (2,3,7,8-Tetrachlordibenzodioxin) ausgedrückt

» Multiplikation der im Organismus vorgefundenen Konzentration an eines Kongeners im Gemisch mit dem entsprechenden TEF ergibt Wert, welche im gemisch den Gesamtwert an TCDD-Äquivalenten (TEQ) ergibt (Annahme einer additiven Wirkung der einzelnen Kongenere)

16.06.2015 Seite 57

Beispiel: Polychlorierte Biphenyle

» September 2004: Wiktor Juschtschenko, Präsidentschaftskandidatin Ukraine, ist zu einem Abendessen mit Ihor Smeschko, dem Chef des ukrainischen Inlandsgeheimdiensts, und dessen StellvertreterWolodymyr Saziuk auf Sazjuks Datscha eingeladen

» In der Nacht: Unterleibs- und Rückenschmerzen, Gesichtsmuskeln waren gelähmt, er musste sich oft übergeben.

» Nach 4 tagen: Wiener Rudolfinerkrankenhaus» Ärzte stellen Entzündungen in Magen, Dünndarm,

Bauchspeicheldrüse und im Ohr fest + Chlorakne» In einem Zwischenbericht vom 16. September vermuteten die Ärzte als

Ursache „chemische Substanzen, die sich üblicherweise nicht als Bestandteil in Lebensmitteln befinden“. Der Direktor der Klinik, Professor Lothar Wicke, distanzierte sich von dieser Diagnose und gab an, als Folge dieser Einschätzung Morddrohungen von „Juschtschenkos Leuten“ erhalten zu haben

» 11.12.15: Dioxin-Konzentration soll den 50.000-fachen Normalwert betragen haben. Demnach war der ukrainische Präsidentschaftskandidat mit 2 bis 5 Milligramm Dioxin vergiftet worden. Dass er nicht daran starb, sei unter anderem der Tatsache zu verdanken dass er sich kurz nach Aufnahme des

16.06.2015 Seite 58

Einteilung der Pestizide nach ihren Anwendungsgebieten

• Einsatz zum Schutz von Pflanzen und Pflanzenerzeugnisse (geernteten Produkten)

• häufig Einsatz desselben Stoffes zur Bekämpfung mehrer Arten von Schädlingen

16.06.2015 Seite 59

Insektizide

• Organochlorverbindungen:(DDT, Dichlordiphenyltrichlorethan; PCB, Polychlorierte Biphenyle; chlorierte Cyclodiene; chlorierte Benzole und Cyclohexane)

• Org. Phosphorsäureester(E 605,Parathion; Malathion)

• Carbaminsäureester (Carbamate)(Carbaryl, Isolan)

• Pyrethroide:(z.B. Fluvalinat)

16.06.2015 Seite 60

Strukturelle Klassifikation der Organochlorinsektizide

16.06.2015 Seite 61

» Bekanntestes Beispiel: DDT

» wirken auf das Nervensystem

» Resorption im Magen- und Darmtrakt und über die Haut

» Lagern sich in die Phospholipidschicht der Nervenmembran ein und blockieren so die Na+-Kanäle (Blockierung des Na+-Einwärtsstroms)

» Wiederherstellung des Membran-Ruhepotentials, damit bleibt Nervenzelle auf gesteigertem Erregungsniveau

» Erregungsweiterleitung nicht mehr möglich

» Halbwertszeit von DDT im menschlichen Körper etwa 1 Jahr, in der Umwelt 10 Jahre

Hemmung von Na+-Kanälen durch Organochlor-Verbindungen

16.06.2015 Seite 62

Pyrethroide

» Pyrethroide wirken ähnlich wie Organochlorverbindungen: Blockierung von Na+-Kanälen bewirken Verlängerung des Na+-Einwärtsstromswährend Erregungsphase ständige Nervenentladungen

» am häufigsten eingesetzten Insektizide» wirken akut lähmend auf Insekten, bei sehr geringer Toxizität für den

Menschen

16.06.2015 Seite 63

Beispiele organischer Phosphorsäureester

16.06.2015 Seite 64

Beispiele insektizider Carbaminsäureester

• Hemmung der Acetylcholinesterase, die Carbamoylierung des Enzyms ist wegen der schnellen Hydrolyse des Serinesters innerhalb von Minuten vollständig reversibel

16.06.2015 Seite 65

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

I n s t i t u t f ü r R e c h t s m e d i z i n

Institut fInstitut füür r RechtsmedizinRechtsmedizin