Zusammenfassung Toxikolgie PDF

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A1960: erste ernsthafte Warnungen vor Auswirkungen auf Mensch und Umwelt1970 Beginn der gesetzlichen Regelungen zur Chemikali- enverwendung1990 Internationale Harmonisierung, Umsetzung des Vor- sorgeprinzips➔ Medikamente die falsch benutzt wurden = größ- ter Anteil Diclofenac (Schmerzmittel) im Luze...

Description

Toxikologie

1

A.K

I N T R O D U C T I O N T O T O X I C O L O G Y : P R O F . D R . R I K I . L. E GG E N

1.1

Einsatz / Verbrauch von Chemikalien wird steigen ➔ Exposition gegenüber Chemikalien wird zunehmen - erhöhte Risiken

•

GE SCHICHTE DER TOXIKOLOGIE

1960: erste ernsthafte Warnungen vor Auswirkungen auf Mensch und Umwelt 1970 Beginn der gesetzlichen Regelungen zur Chemikalienverwendung

1.3 1.3.1

1990 Internationale Harmonisierung, Umsetzung des Vorsorgeprinzips 1.2

QUELL EN DE R MENSCHLI CHEN VERGIFTUN G

AL LGE ME INE FAKTE N UN D ÜBE RBLI CK IN DIVUDE LE KOMPONE NT EN

1.Hormone wie Östrogen und Androgene 2.Endsolufane (neurotoxisches Insektizid) 3. Alu, Zn, Cu 4. Mikroplastik (kleine Kunststoffpartikel)

1.3.2

VERBI NDUNGSKL ASSEN

Pestizide (wie Insektizide, Herbizide), Pharmazeutika und Industriechemikalien und Metalle

1.3.3 ➔ Medikamente die falsch benutzt wurden = größter Anteil

Medizin, Landwirtschaft

1.3.4 1.2.1

BEISPIEL FÜR AKTUE LL E PROBLE ME BE TRE FFE N D TOXIKOL OGI SCHE PROBLE MEN

•

Diclofenac (Schmerzmittel) im Luzerner See → gute Wasserlöslichkeit, führt zu Toxizität gegenüber Seeorgansimen

•

Zu viele hormonaktive Stoffe gelangen in Schweizer Abwässer → Kläranlagen müssen eine zusätzliche Reinigungsstufe einbauen Verschmutzung durch die Landwirtschaft → Pestizide gelangen in Flüssen

•

1.2.2

PROGN OSE N DE R TOXIKOL OGISCHEN PROBLE ME : GLOBAL ER (A UCH I N ÄRM EREN LÄ N DERN) TREN D

•

Anzahl und Menge der eingesetzten Chemikalien werden zunehmen.

• •

Die Menschen werden älter Die Menschen werden reicher.

ANWEN DUN GE N

EIN TRITT UND EXPOSITIONSWE GE

Luft, Wasser, AKW Wasser und Boden

1.3.5

MEN SCHL ICHE GESUNDHE ITSPROBLEM E

Krebs und gestörtes Hormonsystem

1.3.6

UM WEL TPROBL ME

Herbizide: wenn sie ins Wasser kommen interferieren sie vielleicht mit photosynthetische Algen Populationsshift: z.B mehr weibliche Fische Insektizide: man tötet die Target, sowie die Non-Targetorganismen, falls sie den gleichen Stoffwechsel haben und werden fälschlicherweise mitgetötet.

1

Toxikologie

A.K

1.4

• • ➔ • ➔

TOXIKOL OGI E: IN TERDI SZIPL IN ARITÄ T & HERAUSFORDE RUNGE N

Pharmazeutika: Menschen & Rinder Antibiotika, Enzyme, natürliche Toxine.... Unerwünschte Nebenprodukte: chlorierte Dioxine und PAKs (Verbrennung) Schwermetalle:

Natürliches Vorkommen, Anreicherung durch menschliche Aktivitäten / Erosion • KEINE Degradation ➔ Persistente organische Schadstoffe (POPs)

•

•

1.6 1.5

Sie gehen in die Umwelt und sind sehr schwierig zu degradieren. Persistente organische Schadstoffe (POPs) sind hoch bioakkumulierbar. PE RSISTE NTE ORGA NISCH E SCHA DSTOFFE (POPS)

CHEM IKA LIE N ➔ Mikroverunreinigungen [ng/l]

1.6.1

KLA SSISCHE POP‘S

1.6.2

MODERNE POP’S

Natürliche oder (meist) anthropogene Chemikalien, die in geringen Konzentrationen vorliegen und bereits bei diesen niedrigen Konzentrationen auf Mensch und Organismus einwirken können. z.B. Pestizide, Biozide, Pharmazeutika, Tenside, Schwermetalle ➔ Makroverunreinigungen [µg/l, mg/l] Natürliche Chemikalien, die in hoher Konzentration im Raum oder in der Zeit vorhanden sind und negative Auswirkungen haben können. z.B. Phosphat, Stickstoff, Arsenat, Fluorid

1.5.1

CHE MIKAL IE NARTEN

➔ Industriechemikalien: • Zwischenprodukte: Anilin, Vinylchlorid, Epichlorhydrin,.... • Zusatzstoffe: Weichmacher - Kunststoff, Farbstoffe, Flammschutzmittel. Versteifung - Beton • Mangel: z.B. TBT (Boote), Tributyltin • Lösungsmittel: z.B. Aceton, Perchlorethylen als Reinigungsmittel • Oxidations-/Reduktionsverbindungen , Korrosionsschutz ➔ Körperpflegeprodukte: • Shampoo, UV-Filter, Creme, Parfüm, Peeling,...... ➔ Aktive Chemikalien: • Pestizide: Landwirtschaft, Haushalt und Bauwesen (Biozide, Herbizide, Fungizide, Insektizide,....)

Synthetische Gerüche, Pharmazeutika, Flammschutzmittel 1.7

ORGA NISCHE VS AN ORGAN ISCH •

organische Verbindungen: Abbau möglich

2

Toxikologie

A.K •

1.8

anorganische Verbindungen (wie Metalle): kein Abbau möglich

1.9

VE RTE IL UN G I N DER UM WEL T – KONS E QUE NZ FÜR EXPOSITION

NUTZUNG UN D E IN TRITT

➔ Die Verteilung ist nicht in allen Phasen gleich. 1.10 VERTEIL UN GSSCHÄ TZUN G

•

urban areas = städtische Gebiete

deposit site = Lagerstätte WWTP = waste water treatment plants → Die Abwasserbehandlung ist ein Verfahren zur Umwandlung von Abwasser in ein Abwasser (Abfluss von Wasser in einen Vorfluter), das mit minimalen Auswirkungen auf die Umwelt in den Wasserkreislauf zurückgeführt oder direkt wiederverwendet werden kann. ➔ Exposition über Luft, Wasser, Sediment, Boden und/oder Nahrung • Diffuse & punktuelle Quellen: wichtig zu wissen im Falle von Minderungsoptionen

• •

Der n-Octanol-Wasser-Verteilungskoeffizient Kow ist ein Verteilungskoeffizient für das Zweiphasensystem aus nOctanol und Wasser. K ow dient als Maß für das Verhältnis zwischen Lipophilie (Fettlöslichkeit) und Hydrophilie (Wasserlöslichkeit) einer Substanz. Der Wert ist größer als eins, wenn eine Substanz besser in fettähnlichen Lösungsmitteln wie n-Octanol löslich ist, kleiner als 1, wenn sie besser in Wasser löslich ist.

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Toxikologie

A.K Photolyse, chemische Reaktion, Sonnenlicht / UV-Strahlung und Energie, die chemische Struktur wird gestört und weitere Reaktionen folgen.

1.10.1 DI CH TE •

Dichte von Kohlenwasserstoffen ( < 1) und chlorierten Kohlenwasserstoffe ( >1).

•

Kohlenwasserstoffe ρ kleiner als eins, bleibt in der oberen Fläche, weil

•

chlorierten Kohlenwasserstoffe ( >1), gehen weiter unten → können in Grundwasser gelangen

1.12.1 BI OLOGISCH ER ABBAU Schadstoff als Kohlenstoff- und Energieträger

1.12.2 EL EKTRONEN A KZE PTOR 1.10.2 K H UN D K OW Low KH = doesn’t like to be in air High KH = likes to go into the air High Kow = goes in fat and biota (Lebewesen der Umwelt (Pflanzen, Tiere, Pilze u. a.). Chemikalien mit hohen Koeffizienten beispielsweise neigen eher dazu, sich im Fettgewebe von Organismen anzureichern (Bioakkumulation).

➔ mit Sauerstoff (Aerob) Mikroorganismen verwenden Sauerstoff als terminalen Elektronenakzeptor • oxidatives Enzym, welche Sauerstoff verwendet. ➔ Ohne Sauerstoff (Anaerob)

•

• • •

Nitrat, Sulfat, Mn, Fe als terminaler Elektronenakzeptor Schadstoff als Elektronenakzeptor wichtig in Sedimenten und im Boden

Low Kow = goes in water and doesn’t prefer fat 1.11 QUNA TA TIVE A UFTEI LUN G

1.12.3 MI NERAL ISA TION einfacher Prozess: Die Verbindung wird vollständig abgebaut, am Ende gibt es nur noch anorganische Endprodukte & alles ist weg.

1.12 DE GRADIERUNG •

Biologischer Abbau

überwiegend mikrobiell •

Abiotischer Abbau:

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Toxikologie

A.K

1.13.1 BI ODE GRA DA TI ON: LI MI TATI ON: FUN KTIONEL LE GRUPPEN Je höher die Elektronegativtät, umso schwerer ist es, dass das Molekül abgebaut wird, weil es für die Enzyme schwieriger ist Elektronen zu entfernen oder hinzuzufügen.

1.12.4 KOMETABOL ISM US •

Schadstoffe sind NICHT gleichzeitig Kohlenstoff- und Energiequelle.

1.14 BI ODEGRADA TION : L IM I TA TION Wie ist die Verfügbarkeit (wasserlöslich und diffusionsfähig)? Wenn es wasserlöslich ist wird es verfügbar für Mikroorganismen

•

Organischer Schadstoff = Elektronenakzeptor

1.13 BI ODEGRADA TION : L IM I TA TION: SI ZE

Reduzierter biologischer Abbau: trockene Umgebung, adsorbierte Schadstoffe • •

Das untere Molekül ist grosser und hat eine sterische Hinderung → schwieriger zu degradieren während Oktan besser biodegradabel ist

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Toxikologie

A.K

1.15 UMWE LTE IN FLÜSSE AUF DEN BIOLOGISCHEN ABBA U •

Physikalische Faktoren (Temperatur, pH-Wert)

• • •

Nährstoffe (Stickstoff, Phosphor, Zucker) Salzgehalt Redox-Bedingungen

1.16 A BIOTISCHE TRAN SFORM ATI ON ➔ Chemische Reaktionen • Substitutionen: Reaktionen mit Nucleophilen oder Base (z.B. Hydrolyse) • Redoxreaktionen (meist anaerobe Reduktion) ➔ Photochemische Reaktionen • direkte Photolyse (UV-Licht trifft direkt auf die organischen Verbindungen) •

Indirekte Photolyse (aktiviert eine andere Verbindung: reaktives Zwischenprodukt, das mit der Verbindung reagiert)

1.17 SCHWE RMETA LL E • •

Schwermetalle werden NICHT metabolisiert...... Sie werden vielleicht transformiert (Speziation/Artbildung) und dadurch gelangen sie in einem anderen Umweltkompartiment

•

Die Form oder Speziation eines Metalls in natürlichen Gewässern kann seine kinetischen und thermodynamischen Eigenschaften verändern.

•

Die Transformatonen können auch an der Oberfläche eines Bodenteilchens oder Kolloids oder in der Bodenlösung auftreten. Die Grafik zeigt die potentielle Schicksale und Transformationen von Metallen in der Bodenumgebung Volatilization = Verflüchtigung

•

•

1.18 KONROLL FRAGE N

1.18.1 WE LCHE PHYSIKAL ISCH -CHEM ISCHEN PARAME TE R WERDEN ZUR ABSCHÄ TZUNG DE R VE RTE IL UNG ZWISCHEN ORGAN ISM EN UND WASSE R UND ZWISCHEN LUFT VE RWE NDE T? KH und Kow , schau 1.10 an

1.18.2 WA S IST EI N MI KROVE RUN RE INIGUN G, WAS E IN MAKROVE RUN RE IN IGUNG? Schau 1.5 an → Hauptunterschied ist die Konzentration und dass Makrovernunreinigungen eher natürliche Komponenten sind

1.18.3 WE LCHES SI ND DIE H AUPTEI NTRITTSPFA DE VON SCH ADSTOFFE N I N DE R UMGEBUNG ? Schau 1.8 an

1.18.4 WA S IST DE R UNTE RSCH I ED ZWISCHEN MIN ERA LISIE RUNG UN D ME TA BOL ISMUS? Mineralisierung = wenn die Verbindung umgewandelt wir & vollständig abgebaut Metabolismus = Verbindung kann als Energiequelle oder Elektronenzeptor verwendet werden, sie wird nicht vollständig abgebaut, sondern es ist eine biologische Umwandlung in eine andere Verbindung. 6

Toxikologie

A.K

Schau 1.12 genauer an

1.18.5 WIE BEE IN FLUSSE N STRUKTUR UND CHE MISCHE E IGE NSCHA FTE N VON SCHADSTOFFE N I HRE N BIOLOGISCHE N ABBAU? Es ist eine enzymatische Chemie, der Stoff muss passen, er braucht eine bestimmte Struktur, um zu passen. Die Stoffe sind auch geladen und man muss auf die Stabilität achten. Schau 1.13 und 1.15 an

1.18.6 WE LCHE AN DEREN A BBAU PROZESSE KEN NE N SIE? andere Abbauprozesse: UV-Licht (PHOTODEGRADATION). Das UV-Licht aktiviert ein anderes Molekül oder trifft das Molekül und wandelt es in etwas anderes um Schau 1.16 an

1.18.7 WIE WE RDE N SCH WERME TALL E A BGE BAUT? Sie werden nicht degradiert! Sie werden einfach in etwas anderes umgewandelt und werden z.B dadurch lipohiler etc. Schau 1.17 an

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Toxikologie

2

A.K

B I O V E R F Ü G B A R K E I T U N D B I O A K K U M U L A T I ON

2.1

BI OVE RFÜGBARKEI T

Gesamtschadstoffbelastung -> Ver/Aufteilung in Umweltkompartimente (Bio-)Abbau -> Bioverfügbarkeitskonzentration

2.2

BI OA KKUMUL ATION • •

• (Die Bioverfügbarkeit ist eine pharmakologische Messgröße für den Anteil eines Wirkstoffes, der unverändert im systemischen Kreislauf (speziell im Blutkreislauf) zur Verfügung steht.)

2.1.1

Bioakkumulation = Biokonzentration + Biomagnifikation Biomagnifikation ist ein Teilaspekt der Bioakkumulation. Sie beschreibt die Anreicherung von Schadstoffen aus der Umwelt in Lebewesen über die Nahrung. Die Anreicherung von Schadstoffen über die Körperoberflächen von Organismen (Lunge, Kieme, Haut) ist der zweite Teilaspekt der Bioakkumulation und wird als Biokonzentration bezeichnet; dieser Aufnahmepfad ist insbesondere für viele aquatische Lebewesen von Bedeutung, die Stoffe über Kiemen und die Haut aufnehmen Biokonzentration ist die Anreicherung einer Substanz in einem aquatischen Organismus

BEISPIEL FÜR BIOVE RFÜGBA RKE IT

Akkumulation im Menschen → Als persistente organische Schadstoffe werden sie (Dioxine) in der Umwelt kaum abgebaut. Spuren polychlorierter Dioxine und Furane kommen überall auf der Welt vor. Über die Nahrungskette reichern sich Dioxine in lebenden Organismen, bei Wirbeltieren vor allem in der Leber als dem Entgiftungsorgan der Stoffwechselkreisläufe an. Der Mensch nimmt Dioxine vor allem über tierische Nahrungsmittel (Fisch, Fleisch, Eier, Milchprodukte) auf. → Akkumulation in Fischen

durch direkte Aufnahme aus dem umgebenden Wasser. Im Gegensatz zum Begriff der Bioakkumulation wird der Aufnahmepfad über die Nahrung unberücksichtigt gelassen. Die Biokonzentration und der daraus abgeleitete Biokonzentrationsfaktor (BCF) sind wichtige Prüfgrößen in der Ökotoxikologie. Die Aufnahme in den Körper eines Fisches oder eines anderen Wasserorganismus erfolgt über die Kiemen oder über andere permeable Körperoberflächen, die insbesondere bei weichhäutigen Organismen für viele lipophile Stoffe gut durchlässig sind. •

In ökologischen Fischtests ist der BCF definiert als Verhältnis zwischen der Konzentration der Prüfsubstanz im Versuchsfisch (cf) und der

8

Toxikologie

A.K Konzentration in Versuchswasser (cw): ➔ •

2.3

Vielfach wird die Bioakkumulation konzeptionell unterteilt in die Biokonzentration, die die reine Aufnahme aus der Umgebung über Körperoberflächen darstellt (Aufnahme über die Kiemen ist für viele Wasserorganismen wichtig) und in die Biomagnifikation, die die Aufnahme über die Nahrung darstellt. Die unterschiedliche Bedeutung dieser beiden Eintrittspfade ist in der Praxis manchmal schwer festzustellen, da die Aufnahmewege häufig parallel verlaufen (etwa bei Wasserorganismen) POPS

•

Persistente organische Schadstoffe (POPs) sind hoch bioakkumulierbar.

•

haben folgende Eigenschaften: haben bestimmte funktionelle Gruppen (wie z.B Chlor), ein Ringsystem, und der Octanol-Wasser-Verteilungskoeffizient ist hoch und gehen an die Seite der Biota. Chemikalien mit hohen Octanol-Wasser-Koeffizienten beispielsweise neigen eher dazu, sich im Fettgewebe von Organismen anzureichern (Bioakkumulation). Der Ausdruck Biota bezeichnet alle Lebewesen der Umwelt (Pflanzen, Tiere, Pilze u. a.) POPs können Pestizide oder Industriechemikalien sein

• •

2.3.1

STOCKHOL MER ÜBE REI NK OM ME N ÜBE R PERSISTE NTE ORGAN ISCHE SCHADSTOFFE

•

Aufgabe: Schutz der menschlichen Gesundheit und der Umwelt vor POPs. indem sie ihre Herstellung, Verwendung, ihren Handel, ihre Freisetzung und ihre Lagerung einschränken und letztendlich

•

abschaffen.

2.3.2 •

•

(Galaxolide): sterische Hinderung und Ringstruktur: schwer abbaubar

➔ Steigerung der Parfümproduktion und des Verbrauchs: im angesammelten Sediment zu finden 2.4

BI OA KKUMUL ATION PROZ ESSE

Die Bioakkumulation kann sich auf eine chemische Verbindung beziehen (etwa DDT), auf ein chemisches Element (etwa Blei), auf ein Isotop (etwa 90Sr, das radioaktive Strontium-90) oder auf besonders kleine Teilchen (sog. Nanopartikel). Bioakkumulationen treten vorwiegend bei Substanzen auf, die eine lange biologische Halbwertszeit besitzen, die also weder rasch biochemisch ab- oder umgebaut noch rasch ausgeschieden werden. Geht die Konzentration im Außenmedium (Wasser, Boden, Nahrung) wieder zurück, vermindert sich die Bioakkumulationshöhe im Organismus vielfach allmählich wieder, wobei die Verminderung aber zeitverzögert und häufig auch nur unvollständig ist.

VERSCHIE DE NE BEI SPI E LE FÜR POPS bromierte Flammschutzmittel (HBCD) in Fisch → stromabwärts von Städten: die Konzentration im Wasser und in den Fischen nimmt zu. Duftverbindungen reichern sich in Sedimenten und Organismen an 9

Toxikologie

A.K

2.5

•

BI OKON ZEN TRA TIONSKIN ETIK I N Z .B. WASSER UND DA NN + ESSEN

• • •

2.5.3

•

•

2.5.1

BIOAKKUM UL ATION VON KÜRZE R UND LÄN GE RKE TTIGE N MOL EKÜLEN

längere Moleküle sind schwer aus dem Fettgewebe zu bekommen und bleiben länger dort, darum haben sie eine verändere Biokonzentrationskinetik

2.5.2

•

2.6

Im Menschen gehen die Substanzen in Lipide & Proteine Apolare Lipide findet man v.a. im Fettgewebe Polare Lipide findet man in Membranen Die chemische Zusammensetzung der Organismen ist die Grundlage für die interne Aufteilung und die Bioakkumulation → z.B Person mit mehr Fettgewebe und gleicher Diät akkumuliert mehr der Substanzen, weil mehr ,,Raum’’ für die Verbreitung bereitgestellt wird.

BEISPIEL FÜR DIE CH E MI SCHE ZUSA MMEN SE TZUNG

Links: Die Fische haben einen unterschiedlichen Gehalt an Lindan (Insektizid) → [Mikrogram pro Gram Fisch) Rechts: Die Fische gleicher Art haben den gleichenFettgehalt, je mehr Fettgehalt umso mehr können sie von dieser Verbindungen akkumulieren. → Arten mit höherem Fettgehalt akkumulieren mehr → Die Konzentration pro Gramm Fett ist ähnlich. BCF (BI OCONCE NTRATION FACTOR (BCF)) AN D K O W

BIOAKKUM UL ATION UN D CHEM ISCHE ZUSAM MEN SE TZUNG DE S ORGA NISMUS Die Bioakkumulation ist ein ,,internes Trennverfahren’’

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Toxikologie

A.K • • •

•

• •

• • • • •

je höher der Kow, desto höher ist der Biokonzentrationsfaktor (BCF). log BCF = a*logKow + b

2.7

WI CHTIGE PA RA ME TE R FÜR DIE BIOAKKUM UL ATI ON

2.8

ZUSA MME NHA NG ZWISCHEN K O W UN D KOA

Die Aufnahmerate erreicht eine Sättigung bei mittleren Kow-Werte und fällt dann ab

QSAR = Quantitative Struktur-Aktivitätsbeziehung

Der Octanol-Wasser-Verteilungskoeffizient (Kow) ist mit dem Potential einer Chemikalie zur Bioakkumulation in Organismen korreliert; der BCF kann aus log K ow, über Computerprogramme basierend auf der Strukturaktivitätsbeziehung (QSAR) oder über die lineare Gleichung vorhergesagt werden: Grenzen des Konzepts: Stoffwechsel im Organismus verminderte Aufnahme von superlipophilen Verbindungen verminderte Aufnahme von geladenen Verbindungen die vorherig genannten Punkte sind alles Aufnahmebeschränkungen

Zahlreiche aquatische Studien haben einen positiven Zusammenhang zwischen dem Bioakkumulationspotential und dem Octanol-Wasser-Verteilungskoeffizienten (KOW) gezeigt. Studien an Fischen haben gezeigt, dass Verbindungen mit log KOW tötet die Fische Der Begriff Quantitative Struktur-Wirkungs-Beziehung stammt von dem englischen Quantitative Structure-Activity Relationship (QSAR) ab. Er beschreibt die Erstellung einer quantitativen Beziehung zwischen einer pharmakologischen, chemischen, biologischen, physikalischen (z. B. Siedepunkt) Wirkung eines Moleküls mit seiner chemischen Struktur.

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Toxikologie

A.K

6.10.1 EN TKOPPL UN G DES PROTONEN G...