Biodostupnost kontaminantů pro půdní organismy

Mgr. Lucia Škulcová, Ph.D.

Doctoral thesis

Contaminants bioavailability to soil organisms

Abstract:

Environmentální rizika spojená s kontaminaci půd (včetně zemědělských půd) představují celosvětový problém a aktuální společenskou výzvu. Vznikají v důsledku rostoucí lidské populace a s tím souvisejícím zintenzívněním zemědělské produkce a nároky na úrodnost a kvalitu půdy. Současná legislatíva při řešení rizik půdních kontaminantů bere v potaz pouze celkovou koncentraci kontaminantů v půdě. Takový přístup je však ve vědecké komunitě již mnoho let překonán. Hlavním faktorem, který řídí bioakumulaci, (eko)toxicitu a rizika hydrofobních organických látek v půdním prostředí je jejich biodostupnost. Biodostupnost je definována jako část kontaminantu dostupná nebo přístupná pro příjem organismem. Z této definice vyplýva, že biodostupnost závisí na řadě faktorů včetně vlastností chemické látky (např. rozpustont, Kow, těkavost), organismu (např. metabolismus a strategie krmení) a prostředí (např. vlhkost, obsah organického uhlíku, hodnota pH, pórovitost). Dalším faktorem ovlivňujícím biodostupnost je čas, respektive doba, po kterou daná látka setrváva v půdě (stárnutí). Čím delší je toto stárnutí, tím nižší je ekotoxicita dané látky v důsledku silnější sorpce a sekvestrace do půdy. Všechny tyto faktory mohou působit v půdě společně. Poznání problematiky biodostupnosti obsahuje stále řadu mezer a poskytuje řadu výzkumných příležitostí, které jsou adresovány vědecko-výzkumným pracovníkům, hodnotitelům rizik a regulačním orgánům. V současné době jsou na hodnocení biodostupnosti látek využívány dva základní přístupy – biologický a chemický. Biologický přístup (např. bioakumulační testy) poskytují informace o “reálné” biodostupnosti chemické látky za daných podmínek testu. Tyto testy jsou však finančně a časově náročné a nevyhovují principu “3R” (z angl. reduce, replace, refine), jehož cílem je omezit využívání zvířat na výzkumné účely. Z těchto důvodů je snaha vyvinout a aplikovat chemické metody, které budou schopné napodobit příjem látek živými organismy a budou rychlejší a levnější než biologické testy. Řada takových metod včetně technik na bázi pasivního vzorkování a extrakcí rozpouštědly již byla vyvinuta. Neustále však probíhá ve vědeckých kruzích diskuze, která z těchto metod by měla být využívaná na predikci biodostupnosti látek do organismů. Předkládaná dizertační práce shrnuje nejmodernější výzkum v oblasti biodostupnosti a uvádí poznatky ze tří nových vědeckých článků autorky, které tento výzkum doplňují. Cílem práce bylo zkoumat (bio)dostupnost a bioakumulaci organochlorovaných pesticidů v různých environmentálních scenářích a za využití rozličných přístupů: i) srovnání biologických a chemických metod za účelem určení chemické metody vhodné na nahrazení bioakumulačního testu se žížalou; ii) stanovení biologické a chemické dostupnosti kontaminantů v průběhu krátkodobého a dlouhodobého stárnutí těchto látek v půdě a současně za podmínek laboratorního a terénního stárnutí; a iii) stanovení biologické a chemické dostupnosti p,p´-DDE před a po sterilizaci půdy γ-zářením, která je často využívána na zastavení procesu biodegradace chemických látek v půdě a jejíž důsledky na osud kontaminantů v půdě však stále nejsou objasněny.

Abstract:

Environmental risks associated with soil pollution (including agricultural soils) is a worldwide hot topic and societal challenge. This is given by the rapidly growing human population and the associated intensified agricultural production and demands on soil quality and fertility. However, it becomes generally accepted by the scientific community that risks that chemicals pose in soils are not strictly related to their total concentration as suggested by the current legislation. The major factor that governs fate and ecotoxicity of hydrophobic organic compounds (HOCs) in soil environment concerns pollutant bioavailability. Bioavailability is defined as the fraction of pollutants that is available or accessible for biological uptake. From this definition it is clear that bioavailability depends on a variety of factors, including the properties of the chemical (e.g. solubility, Kow, volatility), of the organism (e.g. metabolism, feeding strategy), and of the environment (e.g. moisture, organic carbon content, pH value, porosity). Another factor controlling bioavailability is time, respectively soil residence time (aging). Increasing soil residence time generally results in decreased ecotoxicity due to stronger sorption and sequestration of the compound in soil. All these factors may operate in concert in soil and this complexity opens many research opportunities as well as present knowledge gaps that should be addressed by scientists, risk assessors as well as regulatory agencies. Two basic approaches are being currently applied to assess bioavailability - biological and chemical tools. Biological endpoints (e.g. bioaccumulation tests) provide information on the “true” bioavailablity of a compound under the conditions of the test. However, at the same time they are also financialy and time-consuming and against the 3Rs (reduce, replace, refine) principle aiming at reducing the use of animals for research purposes. Therefore, efforts have been attempted to develop and apply chemical methods capable of mimicking the biouptake that would be faster and more cost-effective than biological tests. A range of methods have been developed, including passive sampling based techniques and various mild solvent extractions. The discussion on which of the newly developed biomimetic methods should be preferentially used for bioavailability predicition is still ongoing. The present thesis summarizes the state-of-the art in bioavailability research as well as introduced findings of three new scientific papers of the author to add novelty. The general aim of this thesis was to investigate the assessment of organochlorine pesticides (bio)availability and bioaccumulation for various environmental scenarious and using various approaches with the following subgoals: i) comparison of biouptake with chemically measured endpoints in order to reveal the best chemical surrogate methods for the earthwom bioaccumulation test; ii) determination of biological and chemical availability under the conditions of short-term and long-term aging in soil as well as under the conditions of laboratory and field aging; and iii) assessment of p,p´-DDE biological and chemical availabilty prior to and after soil steriliization by γ-irradiation that is often used for supressing biodegradation in soil and for which, however, the implications for the behaviour of HOCs are not well understood.

Keywords

Biodostupnost, půda, půdní organická hmota, hydrofobní organické polutanty, DDE, DDT, žížaly, aging, sterilizace, pasivní vzorkování, superkritická fluidní extrakce, mikroextrakce na pevnou fázi, XAD

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 10. 11. 2017

Thesis defence

• Date of defence: 16. 1. 2018
• Supervisor: doc. RNDr. Jakub Hofman, Ph.D.
• Reader: Assoc. prof. Patryk Oleszcuk, prof. RNDr. Tomáš Cajthaml, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biology (4-years) / Ekotoxicology