Cocktaileffekter och ekologisk riskbedömning Magnus Engwall, Forskningscentrum MTM, Örebro Universitet
Definitioner och missuppfattningar Ekologisk farobedömning av kemikalieblandningar Ett ämne i taget TEQ-systemet Direkt testning av blandningar Hur beräkna miljörisker av kemikalieblandningar? Tillämpningar
Vad är cocktaileffekten? 1. Att många ämnen i låga koncentrationer tillsammans kan ge negativa effekter i levande organismer 2. Att många ämnen tillsammans kan ge synergistiska (1+1+1>3) negativa effekter i levande organismer
Hur kan ämnen samverka (interagera) i kroppen? Inte alls = additivitet Antagonism (ett ämne motverkar effekten av ett annat) (ex induktion av avgiftningsenzym pga ämne 1 ökad metabolism av ämne 2 minskad tox av ämne 2) Synergism (ett ämne förstärker ett annat ämnes effekt) (Ex piperonylbutoxid, inhiberar avgiftningsenzym i insekter ökad känslighet för pesticider)
Ekologisk riskbedömning av kemikalieblandningar Ett ämne i taget Toxicitetstesta Blandningar Beräkna kombinationseffekten matematiskt: CA-modellen IA-modellen TEQ-systemet Kan göras i kombination med kemisk analys och TEQ-beräkningar Ger info om de mest toxiska komponenterna i en blandning
Hur görs ekologisk riskbedömning av kemikalier? Ett ämne i taget! Försök att sätta siffra på vilken risk det är att en viss kemikalie påverkar miljön negativt Algtester, mikrotox, dafnia, fisk, fågel mfl Endpoints: tillväxt, metabolism, överlevnad, beteende, reproduktion
Hur tar man reda på hur toxiskt ett ämne är för ekosystemet? Under NOAEL antas ingen effekt finnas av ämnet pga avgiftning och reparationsmekanismer = säker dos/koncentration Tröskelvärde för toxicitet
Enligt nuvarande lagstiftning borde detta inte ge någon effekt! Grunden till oron med kemikalieblandningar! Backhaus T, Aquatic Toxicology, 49(1-2), 49-61, 2000
Problemet med tröskelvärdet NOEL Effekt NOEL/NOEC är inte den verkliga nolleffektnivån! Verkligt tröskelvärde? NOEL/NOEC gråzon Dos Kumulativ additiv riskbedömning av kemikalieblandningar sker med antagandet att NOAEC eller NOAEL för varje ämne betyder ingen biologisk effekt av det ämnet. Detta kan ofta ge underskattning av risker med komplexa kemikalieblandningar
Ekologisk farobedömning av blandningar Ett ämne i taget Toxicitetstesta Blandningar Beräkna kombinationseffekten matematiskt: CA-modellen IA-modellen TEQ-systemet Kan göras i kombination med kemisk analys och TEQ-beräkningar Ger info om de mest toxiska komponenterna i en blandning
Matematiska modeller (CA och IA) Möjliggör prediktion av den sammanlagda toxiciteten av en blandning av kemikalier Förutsätter kunskap om alla komponenters toxicitet var för sig (NOEL-värde eller motsvarande)
Riskbedömning av dioxinlika ämnen med koncentrations-additionsprincipen (CA) PCDF PCB TEQ-systemet TCDD PCDD Långlivade Fettlösliga Giftiga PAH + många fler!
TEQ-systemet för dioxinlika ämnen De giftigaste dioxinerna och furanerna och plana PCB ger likartade effekter Dioxinerna/furanerna/plana PCB har mycket olika potens TCDD är den giftigaste kongenen (molekylen) Övriga kongeners toxicitet relateras till TCDD --> toxicitetsfaktor för varje kongen (TEF eller REP) TCDDs faktor har satts till 1, övriga får då en lägre faktor Faktorn för varje förening multipliceras med föreningens mängd eller koncentration - ->TCDD ekvivalentkoncentration - TCDD-ekvivalenter (TEQ). Alla kongeners TEQ-koncentration adderas till en summa - TEQ I ett miljöprov kan alltså mängden dioxinlika ämnen utryckas som TEQs (ofta i pg/g) TEQ-värdet anger sammanlagda toxiciteten hos blandning av dioxinlika ämnen Bygger på koncentrations-additionsprincipen och förutsätter gemensam verkningsmekanism och additivitet Används vid screening, riskbedömning och för att uttrycka gränsvärden TEQ-värdet kan även bestämmas med biotester
Cl O Cl Dioxinreceptor (AhR)-mekanismen Cl O Cl Cl O Cl Cl Hsp90 O Cl Hsp90 cellkärna DNA dioxin - receptorn Hsp90 Hsp90 Hsp90 Hsp90 ARNT Cl Cl O Cl O Cl ARNT DRE CYP1A induktion mrna Biokemisk och toxisk respons TCDD: Uppreglerar 80-90 genes nedreglerar 20-30 gener (Frueh et al. 2001) proteiner Protein syntes Magnus Engwall, MTM, Örebro universitet
TEQ-systemet Används vid riskbedömning av dioxinlika ämnen TDI (tolerabelt dagsintag) kan uttryckas som TEQ mängd/dag TEQ är ett toxicitetsnormaliserat koncentrationsmått för dioxinlika ämnen Exponering kan likaså uttryckas som daglig dos (TEQmängd) Enkel beräkning av säkerhetsmarginal (TDI/Exponering) Mycket framgångsrikt och väl testat system. Kan det utvidgas till andra ämnen?
Beräkna miljörisk av blandningar? Kan kanske göras som för kumulativ human riskbedömning: Ett ämne: Exponering/tolerabelt dagligt intag (TDI). Kvot <1 OK Många ämnen (Expo(1)/TDI(1)) + (Expo(2)/TDI(2)) + <1 OK PEC(1)/PNEC(1) + PEC(2)/PNEC(2) +.<1 OK Alternativ: TEF system! Gemensam verkningsmekanism Genererar ett ekvivalensvärde (summan av alla ämnens toxicitetsnormaliserade koncentration) för tolerabel exponering. Detta kan sedan jämföras mot verklig exponering Den stora utmaningen: all data som behöver genereras!!
Uppskatta miljörisk av blandningar? Lägga på osäkerhetsfaktor? mixture assessment factor (MAF). Dividera NOEL eller PNEC för högriskämne med en faktor som tar hänsyn till att organismen exponeras för fler ämnen än det som riskbedöms. Ett generellt värde på MAF diskuteras (10-100?)
Ekologisk riskbedömning av blandningar Ett ämne i taget Toxicitetstesta Blandningar Beräkna kombinationseffekten matematiskt: CA-modellen IA-modellen TEQ-systemet Kan göras i kombination med kemisk analys och TEQ-beräkningar Ger info om de mest toxiska komponenterna i en blandning
Riskbedömning genom toxtestning av verkliga kemikalieblandningar? Bygger på att kemikaliernas biologiska effekter mäts i levande celler Samlad respons från alla biologiskt aktiva kemikalier i ett prov kan mätas Effekten orsakas av kända och okända miljögifter som har den toxikologiska/biologiska verkningsmekanism som testet mäter Exempel på bioanalysmetoder: Dioxiner och dioxinlika ämnen Östrogena ämnen Mutagena ämnen mm
Exempel på ett in vitro effektbaserad bioanalytiskt test: H4IIE assay Rat hepatoma cell line stably transfected with a luciferase reporter gene Mechanism specific and detects all compounds that bind and activate the Ah-receptor Dioxins, PCBs, PAHs... Can be used in combination with chemical analysis (mass balance analysis) how much of the effect can be explained by the analysed compounds? Generates bioassay-derived TEQs (bio-teqs)
Riskbedömning genom toxtestning av verkliga kemikalieblandningar? Bioassay Dos-responsanalys beräkning av bio-teq -värde för en blandning Kemisk analys Så utförlig kvantitativ analys som möjligt av ingående toxiska ämnen Dos-responsanalys för samtliga analyserade toxiska ämnen TEF eller REP-värden (anger hur toxiskt ämnet är i relation till en referenskemikalie (tex TCDD) Beräkning av kem-teq-värden för varje ämne genom multiplicering med respektive REP/TEQ-värde Summering av alla ämnens toxicitetsnormaliserade halt (TEQ) till ett totalvärde på ämnenas sammanlagda toxicitet uttryckt i kem- TEQ (pg/g) Jämför bio-teq mot kem-teq bio-teq=kem-teq effekten beror på de analyserade ämnena, additiv effekt bio-teq>kem-teq effekten kan inte förklaras enbart av de analyserade ämnena bio-teq<kem-teq antagagonism (mkt ovanligt)
Dioxinlika ämnen i PAH-förorenade jordar 70000 60000 kem-teq pg/g EC25 bio-teq pg/g EC25 50000 pg/g torrvikt 40000 30000 20000 Okända dioxinlika ämnen 10000 0 prov 1 prov 2 prov 3 prov 4 prov 5 prov 6 prov 7 prov 8 prov 9 OECD Jämförelse mellan kem-teq (PAH 16 ) och bio-teq i extrakt från totalextraktion. Kemisk analys räcker inte till! Bioanalys behövs!
SOILEFFECT Utveckling av bioreporter-baserad mätning och riskbedömning av giftiga kemikalier i förorenade områden Soil (plastic strips, hydrophilic samplers) Dioxin-like chemicals (TEQs) Site survey Soil (total toxicants) Bioreporter systems Endocrine disruptors (EEQs etc) Risk assessment Soil dust Soil gas phase Genotoxic compounds Bioreporterbaserad kartläggning och hälsooch ekologisk riskbedömning av förorenade områden kan: Ta hänsyn till toxiska interaktioner och effekter av komplexa blandningar av kemikalier. Möjliggöra riskbedömning baserad på total toxicitet istället för kemisk analys. Bedöma risker med hormonstörande ämnen. Ta hänsyn till biotillgänglighet. Bidra till kostnadseffektiva markundersökningar och bättre beslutsunderlag för kostnadseffektiv efterbehandling. Quantitative health risk assessment (TEQ approach) Relative ecological risk assessment
Sammanfattning Oftast är biologiska effekten av komplexa kemiska blandningar additiv (dvs synergism och antagonism ovanligt) Kemikalier som ligger under kritiska effektnivåer (NOEL) i en organism KAN bidra till den totala toxiciteten Riskbedömningen behöver ta hänsyn till att miljön exponeras för många ämnen i låga doser samtidigt! Görs inte systematiskt idag! Riskbedömning av blandningar kan göras med olika metoder Enskilda ämnen i kombination med matematisk prediktering (CA, IA, eller TEQ-systemet) Direkt testning av komplexa blandningar Riskkarakterisering kan göras med ovanstående farodata i kombination med exponeringsanalys Antingen genom kumulativ riskbedömning med additivitetsantagande Genom bedömning det farligaste ämnet och en säkerhetsmarginal (mixture assessment factor) Kombination av toxtestning av blandningar och kemisk analys: kraftfullt verktyg
Har antalet ämnen i blandningen någon betydelse? Ju fler komponenter i en blandning, desto större chans för additivitet Avvikelse från additivitet synergi additivitet antagonism Tratthypotesen Antal ämnen Warne and Hawker, Ecotoxicol Environ Saf. 1995 Jun;31(1):23-8.
Synergistisk effekt av PFOS på CPPs genotoxiska effekt i hamsterceller Frequency of micronucleated V79 cells exposed to PFOS (12.5 μg/ml) combined with CPP (1.25 μg/ml and 2.5 μg/ml) Cyclophosphamide (CPP) Perlfuorooktansulfonsyra (PFOS) Jernbro et al.env Sci Pollut Res 14 (2) 85 87 (2007)
Behnisch et al, 2001, 27(5) 413-439, Environment International
Relative ecological risk assessment Individual sample toxicity BTR enables a relative risk assessment approach. The toxicity tested samples can be put into context. BTR gives an answer to the question: is the measured toxicity a problem or not?? BTR TOXIC RANGE Not OK OK Background soil toxicity database Contaminated soil toxicity database
Larsson et al 2012 ESPR
Kemisk analys och toxicitetstestning av blandningar?? Pre-selected chemicals detected and quantified No interactions detected No pre-selection, only effects of knowns and unknowns in complex combination More chemicals detected than in chemical analysis Interactions detected Chemical analysis Bioanalysis