Ocena ekotoksykologiczna - Wydział Chemii

UNIWERSYTET GDAŃSKI
WYDZIAŁ CHEMII
Pracownia studencka
Katedra Analizy Środowiska
Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych
Ćwiczenie nr 4 i 5
OCENA EKOTOKSYCZNOŚCI
TEORIA
Chemia zanieczyszczeń środowiska
Gdańsk, 2014
Ocena ekotoksyczności – teoria
2
Źródło: T. M. Traczewska, Biologiczne metody oceny skażenia środowiska, Oficyna Wydawnicza
Politechniki Wrocławskiej, Wrocław, 2011, s. 27-33
METODY TESTOWE BADANIA TOKSYCZNOŚCI PRZYDATNE W INŻYNIERII
ŚRODOWISKA
Metody badania toksyczności można sklasyfikować w odniesieniu do czasu trwania testu,
miejsca jego prowadzenia, kryteriów oceny efektów oraz organizmów, jakie mają być
wykorzystane. Obiektem badań może być cały organizm, wybrany narząd, hodowla komórek lub
reakcja enzymatyczna. Negatywny wpływ badanych substancji jest oceniany za pomocą
biologicznych mierzalnych efektów końcowych (ang. end points), które są wybierane ze względu
na znaczenie dla przeżycia, wzrostu, zachowania organizmów, czy przetrwania gatunku. Efekty
te różnią się w zależności od typu testu, użytych gatunków i przyjętego modelu badań.
Zależność dawka–odpowiedź
Wiele
grup
substancji
chemicznych
zarówno
pochodzenia
naturalnego,
jak
i antropogenicznego wykazuje toksyczność środowiskową. Jednakże nie oznacza to, że każda
ekspozycja organizmu na dany czynnik musi powodować efekt toksyczny. To, że substancja
w określonym stężeniu stanowi zagrożenie jest determinowane przez zależność między dawką czy
stężeniem, na jakie eksponowany jest organizm, a wywołanym efektem toksycznym. Ujawnienie
się tego efektu następuje dopiero wtedy, gdy ilość, na jaką narażony jest organizm jest dostatecznie
duża.
Najważniejsza jest dawka lub ilość składnika, która wniknęła do organizmu i ona
determinuje skutki biologiczne. Najczęstszym efektem końcowym w testach toksyczności ostrej jest
śmierć organizmu. Małe dawki substancji aktywnej w rezultacie stymulującego działania mogą
skutkować lepszym rozwojem czy poprawą czynności fizjologicznych. Wynika stąd, że poniżej
dawki progowej – określonego stężenia – nie obserwuje się negatywnego wpływu związku
chemicznego na organizm.
Relacje między dawką substancji lub stężeniem, na które narażony jest organizm,
a obserwowanym efektem biologicznym określa się mianem zależności dawka–odpowiedź (Wayne
i in., 1995).
Ocena ekotoksyczności – teoria
3
W toksykologii środowiskowej używa się pojęcia stężenia substancji w środowisku. Jest to
substytut nieznanej dawki lub stężenia, które faktycznie wniknęły do organizmu w efekcie
pobrania. Wynika to z faktu, że stopień absorpcji związku chemicznego przez organizm zależy
od wielu parametrów, jak np. od stosunku powierzchni do objętości, kształtu, rodzaju pokrycia
ciała,
rodzaju
układu
oddechowego
itp.
Dlatego
zależność
obserwowanego
efektu
od dawki/stężenia nie jest wprost proporcjonalna i jest odmienna dla różnych gatunków.
Graficzny opis odpowiedzi (enzymatycznej, organizmu, populacji czy biocenozy)
w odniesieniu do ksenobiotyku określa się mianem krzywej zależności dawka–odpowiedź.
Zależnością tą może być opisywana inhibicja enzymów, uszkodzenia DNA, śmierć, zmiana
zachowania i in. W zależności od cech organizmów krzywa ta może mieć różny kształt.
Po połączeniu linią ciągłą punktów mierzonego efektu działania określonej dawki/stężenia badanej
substancji otrzymuje się tzw. krzywą sigmoidalną (Rys. 1). Krzywą tę opisują takie parametry, jak
stężenie lub dawka wywołująca efekt w 50 % oraz nachylenie w części liniowej krzywej
przechodzącej przez punkt efektu połowicznego.
Rys. 1. Kumulowana śmiertelność w efekcie stężenia środowiskowego lub dawki substancji toksycznej
Punkt efektu połowicznego (ang. mid point) zwykle przedstawia się w postaci wartości LC50, LD50,
EC50, ED50 lub IC50, których definicje są następujące:

LC50 – (ang. lethal concentration) – medialne stężenie śmiertelne, statycznie wyznaczona
wielkość stężenia substancji, po narażeniu na które można oczekiwać, że w czasie ekspozycji
lub w trakcie określonego, umownego okresu po ekspozycji nastąpi zgon 50 % organizmów
narażonych na tę substancję. Wartość LC50 wyraża się w jednostkach wagowych danej
substancji na jednostkę objętości (mg/l).
Ocena ekotoksyczności – teoria

4
LD50 – (ang. lethal dose) – medialna dawka śmiertelna, statycznie wyznaczona wielkość
pojedynczej dawki substancji, po podaniu której można oczekiwać śmierci 50 % narażonych
organizmów testowych. Wartość LD50 jest wyrażana w jednostkach wagowych podanej
substancji na jednostkę masy ciała badanych zwierząt (mg/kg).

EC50 – (ang. effective concentration) – medialne stężenie skuteczne, statystycznie obliczone
stężenie, które indukuje w medium środowiskowym określony efekt u 50 % organizmów
doświadczalnych w określonych warunkach (np. działanie hamujące lub stymulujące procesy
fizjologiczne, takie jak aktywność enzymatyczna, bioluminescencja, fotosynteza itp.). Parametr
ten jest używany w przypadku efektów innych niż śmierć organizmów.

ED50 – (ang. effective dose) – medialna dawka skuteczna, statystycznie obliczona dawka
substancji wywołująca określony skutek u 50 % organizmów doświadczalnych w określonych
warunkach testu.

IC50 – (ang. inhibitory concentration) – medialne stężenie inhibitora hamujące w 50 % funkcje
biologiczne i biochemiczne organizmów. Parametr ten stosowany jest do opisu ograniczenia
wzrostu bakterii, glonów i innych organizmów.
Do opisu stężeń minimalnych lub niewywołujących efektów ocenianych metodami graficznymi lub
statystycznymi używa się wielkości zdefiniowanych następująco:

NOEC (ang. no observed effects concentration) – największe stężenie, dla którego nie
występuje istotny wzrost częstości lub nasilenia skutków działania danej substancji u badanych
organizmów w stosunku do próbki kontrolnej.

NOEL (ang. no observed effects level) – największa dawka, dla której nie występuje istotny
wzrost częstości lub nasilenia skutków działania danej substancji u badanych organizmów
w stosunku do próbki kontrolnej.

NOAEC (ang. no observed adverse effects concentration) – największe stężenie
umożliwiające wyznaczenie zależności dawka–odpowiedź, gdy nie występuje statystycznie lub
biologicznie istotny wzrost częstości lub nasilenia szkodliwych skutków działania substancji
u badanych organizmów w stosunku do próbki kontrolnej.

NOAEL (ang. no observed adverse effects level) – dawka umożliwiająca wyznaczenie
zależności dawka–odpowiedź, gdy nie występuje statystycznie lub biologicznie istotny wzrost
częstości lub nasilenia szkodliwych skutków działania substancji u badanych organizmów
w stosunku do próbki kontrolnej.
Ocena ekotoksyczności – teoria

5
LOEC (ang. lowest observed effects concentration) – najmniejsze stężenie, dla którego
występuje istotny wzrost częstości lub nasilenia skutków działania danej substancji u badanych
organizmów w stosunku do próbki kontrolnej.

LOEL (ang. lowest observed effects level) – najmniejsza dawka, dla której występuje istotny
wzrost częstości lub nasilenia skutków działania danej substancji u badanych organizmów
w stosunku do próbki kontrolnej.

LOAEC (ang. lowest observed adverse effects concentration) – najmniejsze stężenie
zastosowane w badaniach, umożliwiające wyznaczenie zależności dawka–odpowiedź
na organizmach doświadczalnych, dla którego jeszcze występuje statystycznie i biologicznie
istotny wzrost częstości występowania szkodliwych skutków działania substancji u badanych
organizmów w stosunku do próbki kontrolnej.

LOAEL (ang. lowest observed adverse effects level) – najmniejsza dawka umożliwiająca
wyznaczenie zależności dawka–odpowiedź na organizmach doświadczalnych, dla którego
jeszcze występuje statystycznie i biologicznie istotny wzrost częstości występowania
szkodliwych skutków działania substancji u badanych organizmów w stosunku do próbki
kontrolnej.