Ökotox

Verhältnis der Konzentration einer Chemikalie im Organismus im Vergleich zum umgebenden Medium. Auch das Verhältnis zwischen Organismus und Nahrung kann betrachtet werden. (Zooplankton im Verhältnis zu Algen deren Futter)
Der Faktor wird in der Regel experimentell bestimmt und bezieht sich auf einen Gleichgewichts- oder Sättigungszustand, bei der Aufnahme und Elimination der Chemikalie gleich gross sind.
Oft wird der Faktor aufgrund chemisch-analytischer Bestimmung definiert, indem das Verhältnis der Konzentration im Organismus im Vergleich der umgebenden Medium bestimmt wird. Der Faktor bezieht sich auf die Sättigung.
Der Faktor kann verschiedene Einheiten beziehen, auf das Nass-,Trocken- oder Lipidgewicht. Wasserkonzentration werden pro Liter angegeben. Da die Dichte der Biomasse nahe bei Eins liegt, können kg und L gleichgesetzt und in der Formel gekürzt werden. Damit wird der Faktor dimensionslos.

Charakteristisch für bioakkumulierende Stoffe
- Schnelle Akkumulation
- geringer Metabolisms
- langsame Elimination
viel höhere Konzentration in den Organismen als in der Umwelt
schnelle Anreicherung in den Fischlarven.
die Elimination ist langsam. Bleiben mind. 4 Tage.

Endgiftungsprodukte werden kaum gebildet.
keine Erhöhung der Metaboliten.
langsamer Fremdstoffwechsel.

TBT in Elritzenlarven:
Aufnahme erfolgt schnell und dauert auch nach 96 Stunden an, ohne eine Sättigung zu erreichen. Die Elimination im unkontaminierten Wasser ist gering und ein TBT- Metabolismus findet kaum statt.
Wichtige Eigenschaften von stark akkumulierenden Chemikalien sind damit: schnelle Aufnahme und Anreicherung, sowie geringer Metabolismus und Elimination.

Nach der Aufnahme werden Chemikalien im Körper verteilt. Lipophile Chemikalien binden an Serumproteine und gelangen über Blut resp. Hämolymphe in die lipidreichen Kompartimente. Lipide und lipidhaltige Organe sind die primären Speicherorte organischer Chemikalien. Während des Transports, vor allem aber in der Leber, werden Fremdstoffe metabolisiert um schliesslich ausgeschieden zu werden. Der Metabolismus führt zu teilweisen oder vollständigen Reduktion der Bioakkumulation. Die Biokonzentrationsfaktoren sind dadurch geringer als sie aufgrund der Lipophilität erwartet werden.Metabolismus und Elimination wirken der Bioakkumulation entgegen
gehen gerne ins Fettgewebe

reichern sich in lipidreichen Organen an. Höchste Konzentration finden sich in der Leber und Niere, sowie natürlich im Fettgewebe. Daneben reichern sich Schwermetalle bevorzugt in der Niere an.
 

Konzentration gering--> höhere Bioakkumulation

grosse Unterschiede in der Fettlöslichkeit.
 

Welche Eigenschaften von Stoffen führen zur Bioakkumulation?
•Hohe Lipophilität: Octanol/Wasser-Verteilungskoeff. Log Kow
•Schlechter Metabolismus / Elimination
•Schlechter Abbau in der Umwelt (Persistenz)
meist gekoppelt

Der treibende Faktor der Bioakkumulation ist die Verteilung zwischen Wasser- und Lipidphase. Der 1-Octanol-Wasser-Verteilungskoeffizient ist die entscheidende Grösse. Eine Bioakkumulation kann ab einem log Kow > 3 gerechnet werden. Bei einem log Kow bis ca 4 findet sich eine lineare Beziehung zum log BCF. Bei stärker lipophilen Substanzen mit log Kow> 4-6 steigt die Bioakkumulation nicht mehr linear an.
Die Aufnhame und Akkumulation von Fremdstoffen durch die Doppellipidschicht der Zellmembran wird von ihrer hydrophoben Eigenschaften bestimmt. Dabei ist der Verteilungskoeffizient zwischen Wasser und Lipiden ausschlaggebend.
Der wirksame Verteilungskoeffizient müsste aus der Verteilung zwischen Membranphospholipiden und Zellwasser bestimmt werden.
--> schlecht durchfühbar
stattdessen: anhand von fettlöslichen, unpolaren organischen Lösungsmittel, die als Modelle für die Membranlipide dienen.
In der Ökotoxikologie dient als wichtigste Messgrösse der Lipophilität der Verteilungskoeffizient zwischen 1-Octanol und Wasser.
So trifft die lineare Beziehung zwischen log BCF und log Kow bei hohem Werten oft nicht mehr zu.
Bei stärker lipophilen Chemikalien steigt der log BCF nicht mehr linear mit den lg Kow an, da hier die molekulare Eigenschaften an Bedeutung zunehmen
Tendenz der Chemikalien, sich in einer Doppellipidschicht der Zellmembran zu lösen.
Von Wichtigkeit ist ferner ein geringer Ionisierungsgrad und eine geringe Molekülgrösse, die eine gute Durchlässigkeit durch biologische Membran erlaubt

Je höher die Fettlöslichkeit (Lipophilität), desto höher die Bioakkumulation (bei Stoffen, die nicht schnell metabolisiert werden
100 000 mal stärker im Organismus metabolisiert
Neue Ergebnisse: bei höheren log Kow keine Linerarität mehr

abhängig von:Rückstände in der Nahrung
b) über die Kieme aufnehmt
c) Elimination aus den Kiemen
d) Wachstum, je grösser wird die Menge verdünnt.
 

exp. Abfall übertrieben.
eher langsamerer
Lipid: Ectanol-System
 

Das Ein-Kompartiment-Modell ist die Grundform des Bioakkumulationsprozesses und lässt meist eine genügend gute und generelle Abschätzung der Bioakkumulation zu
Ein-Kompartiment-Modell, wird der Organismus als homogenes Einzelkompartiment betrachtet. Die Bioakkumulation kann als Verteilungsprozess zwischen einer Wasser-und Lipidphase aufgefasst werden.
Der Organismus wird damit als ein einfaches Lipidgefäss betrachtet , in welches Chemikalien aufgrund thermodynamischer Gesetzmässigkeiten aufgenommen und wieder eliminiet werden. Dabei wird die Bioakkumulation als Resultat zweier kinetischer Prozesse gesehen, der Aufnahme und  der Elimination. Beide werden durch Geschwindigkeitskonstanten beschrieben.
Da die Bioakkumulation als kinetischer prozess 1. Ordnung verstanden wird, ist die Akkumulation zu Beginn direkt proportional zur Expositionskonzentration und schwächt sich dann erst ab.
Mit der Zunahme der Konzentration im Organismus nimmt auch die Bedeutung des Eliminationsprozesses zu. Der zeitliche Verlauf der Akkumulation eines Fremdstoffes beschreibt damit eine Sättigungskurve: In der Sättigung halten sich Aufnahme und Elimination die Waage,

Fettgehalt spiel eine Rolle,
Beispiel : Lindan.

Fische mit meisten Fett in der Schweiz:
Aale

mehr Rückstände im Aal als im Lachs.
 

DDT nimmt innerhalb der Nahrungsstufe zu.
Kann nicht verloren gehen.
Müssen wesentlich an Biomasse zu sich nehmen.
D.h. mehr Rückstände werden sie aufsummiert,da sie nicht verloren gehen

Eischalendicke sind dünner geworden.
und haben weniger Eier gelegt.
DDT hat sich angereichert.
Wanderfalke frisst andere Vögel

•Chemikalien, die sich in Nahrungskette anreichern
•12 Stoffe wurden in POP-Konvention (Stockholm Konvention) reguliert/verboten, 2009 sind weitere Stoffe dazu gekommen
•PCB
–Etwa 40% der Produktion gelangte in Umwelt
–Heute Altlastenproblem: sehr langsamer Abbau
–Kontamination von Böden, Sedimenten
–Heute überall zu finden: vor allem in Lipiden von Organismen
–Verwendung bei Prozessen, wo grosse Hitze entsteht: schlecht entzündbar
–Elektroindustrie, vor allem Transformatorenöle
–Verwendung auch im Baubereich: Kittfugen, Aussenfarben etc.
–Bei 400-800 oC entstehen toxische Dibenzodioxine und –furane
–Vernichtung nur im Hochtemperaturofen (1200 oC)

2001 wurde in Stockholm unterzeichnet, die zum Ziel hat, ein weltweites Verbot von 12 gefährlichen Chemikalien zu realisieren. Sie strat 2004 in Kraft und wurde 2009 ergänzt.
Es handelt sich bei sog. Persistent Organic Pollutants (POP) um chlorierte Verbindungen wie die Pestizide Aldrin, Chlordran, DDT, Dieldrin, Endrin, Heptachlor, mirex und Torphen um die Industriechemikalien PCB und Hexachlorbenzol und um unerwünschte Nebenprodukte.
So wird die Herstellung und Verwendung von DDT zu Bekämpfung der Anophelesmücke, des Überträger des Malariaerregers, weiterhin einigen Entwicklungsländer zugestanden.
Bei den 12 POP handelt es sich um Stoffe, die auf Grund ihrer chemischen Beschaffenheit äusserst persistent sind und weder durch Sonnenlicht, noch Mikroorganismen zersetzt werden, sondern über Jahrzente in der Umwelt verbleiben.
POP wandern über grosse Distanzen, indem sie sich in warmen Gebiete verflüchtigen und so in die Atmosphäre gelangen, wo die mit den Winden über weite Strecken transportiert werden.
In den kalten Polarregionen kondensieren sie dann aus. Deshalb sind in Polargebiete oftmals deutlich höhere Konzentrationen an Pop zu finden als anderswo. Sie reichern sich zudem in Organismen an und dies ist nicht nur eine Gefahr für das Lebewesen selbst, sondern auch für andere Tiere, die sich von diesen oder von Pflanzen ernähren.
Alle POP zeigen eine Biomagnifikation. Die beiden Prozesse der Anreicherung in den Nahrungsketten sowie des Transports führen dazu, dass die Bevölkerung oder Eisbären viel stärker belastet sind als Mensch und Tier in anderen Gebieten.
POP haben eine chronische Toxizität. Zu den Wirkungen zählen Krebs, Immuntoxizität, Neurotoxizität, Deformationen von Embryonen, Entwicklungstoxizität und Störung des Hormonhaushaltes und z.T. der Fruchtbarkeit und Reproduktion.
 

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Stoffe und Verwendung. Flammenschutzmittel in Kunststoffen von elektrischen Geräten sollen verhindern, dass Brände von aussen her auf die Geräte übergreifen oder diese sich selbst entzünden.
bis zu 1990 PBB(polybromierten Biphenyl) & PBDE(polybromierten Diphenylethern)
neuester Stoff: TBBA( Tetrabrombisphenol A)

TBBA gast weniger aus und weniger Gifstoffel dafür Antimontrioxid= krebserregend.
Bei der Müllverbrennung, insbesondere auch beim Verbrennen von Elektroschrott in China, Indien und Afrika.
polarer.
PBDE-Kongere mit vier, fünf, sechs Bromatomen haben das höchste Bioakkumulations- und Toxizitätspotenzial und sind wegen ihrer Persistenz am stärksten in der Umwelt verbreitet.
PBDE: atmosphärische Vebreitung. lipophil.log :6,5-10
hohe Stabilität gegen chemischen, mikrobiellen und metabolischen Abbau in Umwelt und Biota.
Halbwertzeit in Menschen sehr lange 10-20 Jahren
Toxizität ähnlich wie PCB
wirken antiandrogen.
Weniger bromierte PBDE Kongenere scheinen das endokrine und hepatische System und die Entwicklung der Nervensystems negativ zu beeinflussen.
Stören die Funktion der Schilddrüse,

BDE: Flammschutzmittel

z.B. Computer, Beamer, überall in Plastikgehäuse da wo kein Feuer entstehen soll

überall. Teppich, Gardine

sind lipophil, werden kaum metabolisiert

Wale fressen Krebstiere.. Krebstiere fressen Plankton

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Akkumulation in Körperfett und Muttermilch
•Fixierung in Nahrungskette
•Akkumulation in Polarregionen
•Hohe Belastung von Inuit (Eskimos) aufgrund ihrer Ernährungsweise
•Hinweise auf neurotoxische Effekte bei Kindern aufgrund von Methyl-Hg und PCB: Hyperaktivität, Lernschwierigkeiten

tierische Zelle

Initial 12 POPs (dirty dozen)
Pesticides
Aldrin
Chlordane
DDT
Dieldrin
Endrin
Heptachlor
Mirex
Toxaphene
Industrial chemicals
Polychlorinated biphenyls (PCB)
Hexachlorbenzene (HCB)
By-products
Polychlorinated dibenzodioxins
Polychlorinated dibenzofurans
Nine new POPs (2009) restr.
Pesticides
Chlordecone
Alpha hexachlorocyclohexane
Beta hexachlorocyclohexane
Lindane
Pentachlorobenzene
Industrial chemicals
Hexabromobiphenyl (PBB)
Hexabromodiphenyl ether and heptabromodiphenyl ether (PBDE)
Perfluorooctane sulfonic acid, its salts and perfluorooctane sulfonyl fluoride
Tetrabromodiphenyl ether and pentabromodiphenyl ether

Alle Stoffe sind sehr Bioakkumulativ.
Schädigen Immunsystem, Befruchtungssystem.

Grundlage der Wirkungen:
die direkte Interaktion von Umweltchemikalien mit Rezeptoren, sie es als Aktivatoren (Agonisten) oder Inhibitoren (Antagonisten)
Häufig sind auch Transkriptionsfaktoren Ziel der Wirkungen von Umweltchemikalien. Sie können damit Genexpressionen oder molekulare Prozesse in der Zelle wie z.B. Signalkaskaden verändern

Fremdstoffe wirken auf zelluläre Prozesse und Funktionen, aber auch auf subzelluläre Strukturen.
Beide sind jedoch miteinander eng verknüpft. Zu den grundlegenden Wirkungsmechanismen, die auf Zellfunktionen gerichtet sind, gehören:
1. Störung des Calciums- und Ionenhaushalts
2. Hemmung der Energieproduktion ( ATP-Bildung, Photosynthese bei Pflanzen)
3. Störung ( Induktion und Hemmung) enzymatischer Prozesse und Biosynthese
4. Störung der Genexpression
5.Störung der Zellteilung resp. Wachstumsregulation

oft nicht auf isolierte Prozesse rückführbar ausser es handelt sich um eine spezifische Inhibition.

Organismen lassen sich in Prokaryoten (ohne Zellkern) und in Eukaryoten einteilen. Eukaryoten besitzen einen echten Zellkern, Mitochondrien und Chloroplasten(Pflanzen), sind ein-oder vielzellig und zeichnen sich durch weitere Unterschiede aus.
 

Aufbau:
ist durch verschiedene Kompartimente und Organellen bestimmt, welche alle Ziel- und Wirkungsorte von Schadstoffen sein können. Die Zell- oder Plasmamembran wirkt als selektive Barriere. Sie umschliesst das Cytoplasma mit dem Cytosol, Cytoskelett, Zellorganellen und dem Zellkern.
Biologische Membran besteht aus einer Doppellipidschicht und aus Proteine, die die wichtigsten Membranfunktionen übernehmen. Dazu gehören insbesondere Transportprozesse. Im Gegensatz zu tierischen Zellen, weisen Pflanzenzellen eine Zellwand auf.
Doppelte Membran: Zellkern, Mitochondrien und Chloroplasten
einfache Membran1. endoplasmatisches Reticulum, der Golgi-Apparat. Lysosomen und Endosomen
Ribosomen: werden Proteine synthetisiert.

Cytoplasma: Cytosol, Organellen und Cytoskelett
Cytosol: Vielzahl von Enzymen für unterschiedlichste Funktionen.
Cytoskelett: aus Typen von Filamenten, die in der Zellmembran verankert ist. Actinfilamente und Mikrotubuli, die der Beweglichkeit dienen, sowie intermediäre Filamente, die hauptsächlich Stützfunktionen haben

Mitochondrien sind Energieproduzenten der Zelle, die im Rahmen der oxidativen Phosphorylierung ATP produzieren.
Sie bestehen aus einer Außen- und Innenmembran und der Matrix im zentralen Teil.
In der inneren Membran liegen die Enzyme der Atmungskette und der ATP-Synthase-Komplex, der durch den elektro-chemischen Gradienten angetrieben wird und in der Matrix ATP produziert, sowie die Transportproteine für Metaboliten. enthalten mehrere Kopien einer zirkulären DNA

Ribosomen bestehen aus Proteine und rRNA und sind Ort der Proteinsynthese

Golgi-Apparat:
liegt in der Nähe des Zellkern und besteht aus Stapeln scheibenförmig übereinanderliegender Membranzisternen, die mit zahlreichen Vesikeln assoziiert wird.
Hier werden Proteine und andere Moleküle, die z.B. ausgeschieden werden und aus dem ER stammen, modifiziert und an ihren Bestimmungsort weitergeleitet. Der Transport aus dem ER und vom Golgi-Apparat in die weiteren Zellkompartimente erfolg über Vesikel

Lyosomen sind von einer Membran umhüllte Vesikel, die eine ganze Reihe von sauren Hydrolasen zur Spaltung verschiedenster Moleküle enthalten.
Sie sind die abfallverarbeitenden Organellen der Zellen. Enzyme werde nach dem Golgi-Apparat von den Lyosomen transportiert.

Zellkern: Träger der genetischen Information und das Steuerzentrum zellulärer Stoffwechselprozesse.
Er ist von einer Kernhülle umgeben. einer doppelten Membran, die das Kernplasma umschliesst,welches zur Hauptsache aus Chromatin, dem Nucleus als dem Bildungsort der Ribosomen und löslichen und partikulären Komponenten besteht.
Die äussere Membran geht ins ER rüber und trägt auch Ribosomen. Die Kernhülle ist von Kernporen durchsetzt, durch die ein intensiver Stoffaustausch zum Cytoplasma stattfindet