Биоконцентрация

В водной токсикологии биоконцентрация — это накопление химического вещества, содержащегося в воде, 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 ), факторы биоконцентрации (BCF), факторы биоаккумуляции (BAF) и фактор накопления биота-осадок (BSAF). Каждый из них может быть рассчитан с использованием либо эмпирических данных или измерений, либо с помощью математических моделей . ^[3] Одной из таких математических моделей является модель BCF на основе летучести , разработанная Доном Маккеем . ^[4]

Фактор биоконцентрации также может быть выражен как отношение концентрации химического вещества в организме к концентрации химического вещества в окружающей среде . BCF является мерой степени химического обмена между организмом и окружающей средой. ^[5]

В поверхностных водах BCF представляет собой отношение концентрации химического вещества в организме к концентрации химического вещества в воде. BCF часто выражается в единицах литр на килограмм (отношение мг химического вещества на кг организма к мг химического вещества на литр воды). ^[6] BCF может быть просто наблюдаемым отношением или может быть предсказанием модели разделения. ^[6] Модель разделения основана на предположениях, что химические вещества распределяются между водой и водными организмами, а также на идее, что между организмами и водной средой, в которой они находятся, существует химическое равновесие ^[6]

Расчет

Биоконцентрацию можно описать с помощью коэффициента биоконцентрации (КБК), который представляет собой отношение концентрации химического вещества в организме или биоте к концентрации в воде: ^[2]

${\displaystyle BCF={\frac {Concentration_{Biota}}{Concentration_{Water}}}}$^[2]

Факторы биоконцентрации также могут быть связаны с коэффициентом распределения октанол-вода, K _ow . Коэффициент распределения октанол-вода (K _ow ) коррелирует с потенциалом химического вещества к биоаккумуляции в организмах; BCF можно предсказать из log K _ow , с помощью компьютерных программ, основанных на соотношении структура-активность (SAR) ^[7] или с помощью линейного уравнения :

${\displaystyle \log BCF=m\log K_{OW}+b}$^[8]

Где:

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

Летучесть

Летучесть и КБК связаны между собой следующим уравнением:

${\displaystyle Z_{\text{Fish}}={\frac {P_{\text{Fish}}\times {BCF}}{H}}}$ ^[6]

где Z _Fish равно летучести химического вещества в рыбе, P _Fish равно плотности рыбы (масса/длина ³ ), BCF — коэффициент распределения между рыбой и водой (длина ³ /масса), а H равно константе закона Генри (длина ² /время ² ) ^[6]

Уравнения регрессии для оценки рыб

Использует

Нормативное использование

Благодаря использованию PBT Profiler и критериям, установленным Агентством по охране окружающей среды США в соответствии с Законом о контроле за токсичными веществами (TSCA), вещество считается небиоаккумулятивным, если его КБК составляет менее 1000, биоаккумулятивным, если его КБК составляет от 1000 до 5000 ^[10] и очень биоаккумулятивным, если его КБК составляет более 5000. ^[10]

Пороговые значения REACH составляют BCF > 2000 л/кг bzw. для критериев B и 5000 л/кг для критериев vB. ^[11]

Приложения

Фактор биоконцентрации больше 1 указывает на гидрофобное или липофильное химическое вещество. Это показатель того, насколько вероятно, что химическое вещество будет биоаккумулироваться . ^[1] Эти химические вещества имеют высокое сродство к липидам и будут концентрироваться 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 разбиения

На основе предполагаемого сценария устойчивого состояния моделируется судьба химического вещества в системе, давая прогнозируемые конечные фазы и концентрации. ^[12]

Необходимо учитывать, что достижение устойчивого состояния может потребовать значительного количества времени, как оценивается с помощью следующего уравнения (в часах). ^{[13] [14]}

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

Для вещества с log(K _OW ) 4, таким образом, требуется приблизительно пять дней, чтобы достичь эффективного стационарного состояния. Для log(K _OW ) 6, время равновесия увеличивается до девяти месяцев.

Модели летучести

Летучесть — еще один предсказательный критерий равновесия между фазами, имеющий единицы давления. Он эквивалентен парциальному давлению для большинства экологических целей. Это склонность материала к исчезновению. ^[1] КБК может быть определен из выходных параметров модели летучести и, таким образом, использован для прогнозирования доли химического вещества, немедленно взаимодействующего с организмом и, возможно, оказывающего на него воздействие. ^{[ необходима ссылка ]}

Модели пищевой сети

Если доступны значения летучести , специфичные для организма , можно создать модель пищевой сети, которая учитывает трофические сети . ^[1] Это особенно актуально для консервативных химических веществ, которые нелегко метаболизируются в продукты распада. Биомагнификация консервативных химических веществ, таких как токсичные металлы, может быть вредна для хищников высшего порядка, таких как косатки , скопы и белоголовые орланы . ^{[ требуется ссылка ]}

Приложения к токсикологии

Прогнозы

Факторы биоконцентрации облегчают прогнозирование уровней загрязнения в организме на основе химической концентрации в окружающей воде. ^[12] BCF в этой ситуации применим только к водным организмам. Организмы, дышащие воздухом, не поглощают химические вещества таким же образом, 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 химикаты, которые влияют на организм. Фактор накопления биота-отложений (BSAF) и фактор биомагнификации (BMF) также влияют на токсичность в водной среде. ^{[ необходима цитата ]}

BCF явно не учитывает метаболизм, поэтому его необходимо добавлять в модели в других точках посредством уравнений поглощения, элиминации или деградации для выбранного организма.

Нагрузка на тело

Химикаты с высокими значениями BCF более липофильны, и в равновесии организмы будут иметь большую концентрацию химикатов, чем другие фазы в системе. Нагрузка на организм — это общее количество химикатов в организме, ^[12] и нагрузка на организм будет больше, если иметь дело с липофильным химикатом.

Биологические факторы

При определении степени, при которой происходит биоконцентрация, необходимо учитывать биологические факторы. Скорость, с которой организм подвергается воздействию через дыхательные поверхности и контакт с кожными поверхностями организма, конкурирует со скоростью выделения из организма. Скорость выделения представляет собой потерю химического вещества с дыхательной поверхности, разбавление роста, выделение фекалий и метаболическую биотрансформацию. ^[15] Разбавление роста не является фактическим процессом выделения, но из-за того, что масса организма увеличивается, а концентрация загрязняющего вещества остается постоянной, происходит разбавление.

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 (д ⁻¹ ). ^[15] k ₁ — константа скорости поглощения химического вещества из воды на дыхательной поверхности (л*кг ⁻¹ *д ⁻¹ ). ^[15] C _WD — концентрация химического вещества, растворенного в воде (г*л ⁻¹ ). ^[15] k ₂ ,k _E ,k _G ,k _B — константы скорости, которые представляют выделение из организма с дыхательной поверхности, выделение с фекалиями, метаболическую трансформацию и разбавление роста (д ⁻¹ ). ^[15]
${\displaystyle {\frac {dC_{B}}{dt}}=(k_{1}C_{WD})-(k_{2}+k_{E}+k_{M}+k_{G})C_{B}}$

Статические переменные также влияют на BCF. Поскольку организмы моделируются как мешки жира, 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, представляющий интерес, является основным фактором, влияющим на значения BCF, поскольку он определяет все биологические факторы, которые изменяют BCF. ^[6]

Параметры окружающей среды

Температура

Температура может влиять на метаболические преобразования и биоэнергетику. Примером этого является движение организма, которое может измениться, а также скорость выделения. ^[15] Если загрязняющее вещество является ионным, изменение pH, на которое влияет изменение температуры, может также повлиять на биодоступность ^[1]

Качество воды

Содержание природных частиц, а также органического углерода в воде может влиять на биодоступность. Загрязнитель может связываться с частицами в воде, затрудняя поглощение, а также попадать в организм. Это поглощение может состоять из загрязненных частиц, что может привести к тому, что источником загрязнения будет не только вода. ^[15]

Ссылки

1. Landis WG, Sofield RM, Yu MH (2011). Введение в экологическую токсикологию: молекулярные структуры экологических ландшафтов (четвертое издание). Boca Raton, FL: CRC Press. стр. 117–162. ISBN 978-1-4398-0410-0.
2. Gobas FAPC; Morrison HA (2000). «Биоконцентрация и биоусиление в водной среде». В Boethling RS; Mackay D (ред.). Справочник по методам оценки свойств химических веществ: науки об окружающей среде и здоровье . Бока-Ратон, Флорида, США: Льюис. стр. 189–231.
3. Арнот, Джон А.; Фрэнк А.П.С. Гобас (2004). «Модель биоаккумуляции органических химических веществ в пищевой сети в водных экосистемах». Экологическая токсикология и химия . 23 (10): 2343–2355. doi :10.1897/03-438. PMID  15511097. S2CID  23843677.
4. Mackay, Don (1982). «Корреляция факторов биоконцентрации». Environmental Science and Technology . 16 (5): 274–278. Bibcode : 1982EnST...16..274M. doi : 10.1021/es00099a008. PMID  22257252.
5. "Глава 173–333 WAC Устойчивые биоаккумулятивные токсины" (PDF) . Департамент экологии . Архивировано из оригинала (PDF) 9 февраля 2017 г. . Получено 6 февраля 2012 г. .
6. Хемонд, Гарольд (2000). Химическая судьба и транспорт в окружающей среде . Сан-Диего, Калифорния: Elsevier. стр. 156–157. ISBN 978-0-12-340275-2.
7. EPA. "Категория стойких, биоаккумулятивных и токсичных новых химических веществ". Документы Федерального реестра по охране окружающей среды . USEPA . Получено 3 июня 2012 г.
8. Берген, Барбара Дж.; Уильям Г. Нельсон; Ричард Дж. Пруэлл (1993). «Биоаккумуляция конгенеров ПХБ голубыми мидиями ( Mytilus edulis ), обитающими в гавани Нью-Бедфорд, Массачусетс». Экологическая токсикология и химия . 12 (9): 1671–1681. doi :10.1002/etc.5620120916.
9. Chiou CT, Freed VH, Schmedding DW, Kohnert RL (1977). «Коэффициент распределения и биоаккумуляция отдельных органических химикатов». Environmental Science and Technology . 29 (5): 475–478. Bibcode : 1977EnST...11..475C. doi : 10.1021/es60128a001.
10. "Критерии биоаккумуляции". Архивировано из оригинала 1 мая 2016 года . Получено 3 июня 2012 года .
11. Руководство по требованиям к информации и оценке химической безопасности: Глава R.11: Оценка PBT (Версия 1.1), 2012, стр. 15
12. Рэнд, Гэри (1995). Основы водной токсикологии . Бока-Ратон: CRC Press. С. 494–495. ISBN 978-1-56032-091-3.
13. РУКОВОДЯЩИЕ ПРИНЦИПЫ ОЭСР ПО ИСПЫТАНИЮ ХИМИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ: Тест № 305: Биоаккумуляция в рыбе: воздействие в воде и пище, S. 56, doi: 10.1787/9789264185296-en
14. Хоукер Д.В. и Коннелл Д.В. (1988), Влияние коэффициента распределения липофильных соединений на кинетику биоконцентрации у рыб. Wat. Res. 22: 701–707, doi: 10.1016/0043-1354(88)90181-9.
15. Арнот, Джон А.; Гобас, Фрэнк А.П.С. (2006). «Обзор оценок коэффициента биоконцентрации (BCF) и коэффициента биоаккумуляции (BAF) для органических химикатов в водных организмах». Environmental Reviews . 14 (4): 257–297. doi :10.1139/a06-005.

Внешние ссылки

• Профилировщик PBT
• Рут «Молот» Софилд
• Стойкие органические загрязнители
• Агентство по охране окружающей среды США