Ökotox

Toxische Wirkungen sind die Folge einer Reihe von komplexen Vorgängen, in denen der Fremdstoff Wechselwirkungen mit dem Organismus eingeht.
Wir sprechen dann von Toxizität oder toxischen Reaktion, wenn als Folge der Einwirkung von Chemikalien negative Veränderungen beim Organismus auftreten.
Die ékotoxizität schliesst auch die Folgen von Umweltchemikalien auf Populationen, Gemeinschaften und ganzen Ökosystem ein.

Gesamtheit der belebten Natur in ihrer grossen Diversität zum Gegenstand. Wirkungen treten nicht nur bei prinzipiell verschiedenen gebauten Organimen auf, sondern umfassen auch die verschiedenen biologischen Stufen, vom Molekük bis zum ökosystem. Die Wirkungen auf verschiedene Ebenen unterscheiden sich nicht nur hinsichtlich ihres zeitlichen Auftretens und ihrer Empfindlichkeit, sondern auch in ihrer Komplexität. Empfindlichkeit und Relevanz für das ökosystem verhalten sich dabei gegenläufig.

1.Hohe biologische Aktivität
-Dibenzodioxine (2,3,7,8-TCDD)
-Trisubstituierte organische Zinnverbindungen
-Pestizide (Organochlorverbindungen, Pyrethroide
2.Persistenz und Mobilität
-Organochlorverbindungen (PER)
3.Hohe Bioakkumulation - DDT - PCB
-Organochlorpestizide
-Methylquecksilber

Toxische Reaktionen reichen von reversiblen Störungen bis zum Tod. Das Ausmass der Wirkung ist von der Stoffumwandlung (Metabolismus) und der Wechselwirkung mit bestimmten Makromolekülen abhängig. Entscheidend ist aber die Konzentration des Stoffes am Zielort. Da diese unter anderem von der Aufnahme , Biotranformation und Ausscheidung des Fremdstoffes abhängt, ist die Wirkung auch zeitabhängig. Daher wird die Toxizität durch die Konzentration und Einwirkungszeit (Exposition) bestimmt.

Fremdstoffe können nur dann eine Wirkung hervorrufen, wenn sie mit Rezeptoren interagieren
•Rezeptoren: Begriff weit fassen
–biologisch-physiologisch wichtige Proteine
–Zelluläre Strukturen (z.B. Zellmembran)

Nach der Rezeptortheorie beruhen die molekularen Wechselwirkungen von Schadstoffen auf der Bindung an Rezeptoren.
Die biologisch/ toxikologischen Reaktionen werden damit durch Wirkstoff-Rezeptor-Wechselwirkungen hervorgerufen. Die toxische Wirkung ist dabei von der Konzentration am Zielort abhängig. Die Rezeptortheorie ist die molekulare Grundlage der Dosis-Wirkungs-Beziehung.
1.Die toxische Wirkung ist auf eine Wechselwirkung mit einer biologischen Struktur( Rezeptor) zurückzuführen
2. Die Konzentration des Stoffes am Rezeptor ist proportional zur aufgenommenen Dosis.
3. Der Ausmass der toxischen Wirkung verläuft proportional zur Konzentration des Stoffes am Rezeptor.
Im engeren Sinne handelt es sich um Proteine wie z.B. Rezeptoren für Hormone, die wie ein Schlüssel in ein Schloss passen.
Die Rezeptoren können in vier Gruppen eingeteilt werden.
Da eine Vielzahl anderer Biomoleküle wie Lipide oder DNA ebenfalls als Zielorte von Stoffen wirken, muss der Rezeptorbegriff weit gefasst werden.
Auf der Grundlage der Rezeptortheorie lässt sich der sigmoide Verlauf der Dosis-Wirkung-Kurve und das Auftreten einer Schwellenkonzentration verstehen,unterhalb der keine toxische Wirkungen auftreten.: Es sind zu wenig Rezeptoren mit dem Fremdstoff besetzt, um eine biologische Reaktion hervorzurufen.
Vorraussetzung für die toxische Wirkung eines Stoffes ist seine Bindung an den Rezeptor, der als Begriff weit gefasst wird. Die Rezeptortheorie ist die molekulare Grundlage der Dosis-Wirkungs-Beziehung.
Die toxische Wirkung korreliert mit der Anzahl der durch den Fremdstoff besetzten Rezeptoren.
Diese hängt von der Konzentration am Zielort ( Dosis) ab. Die Toxizität wird durch die Konzentration am Zielort hervorgerufen.
Das ist die entscheidene Grösse.

Wirkung von Dioxin, PCB,PAH,.
Ursachen der ähnlichen Reaktion dieser Schadstoffe liegt in ihrem molekularen Mechanismus, der aufgrund ihrer gleichen räumlichen,coplanaren Struktur identisch ist. Diese Struktur ist Voraussetzung für die Bindung an den Ah-Rezeptor im Cytosol der Zelle.
Nach der Bindung des Umweltschadstoffes und der Aktivierung des Substrat-Rezeptor-Komplexes wird dieser mit Hilfe von Transportfaktoren in den Zellkern transferiert.
Die Bindung dieses Komplexes an die Dioxin-Response-Elements der DNA bewirkt schliesslich die Expression einer Reihe von Genen.
Die transkribierten RNAs, welche ins Cytosol gelangen, führen zu Bildung verschiedener Proteine.
Als Folge lässt sich eine Vielzahl weiterer biologischer Effekte wie die Veränderung des Steroidmetabolismus, des Gehaltes an Schilddrüsenhormonen, sowie Veränderungen in der Funktion verschiedener Rezeptoren ( Epidermaler Wachstumsfaktor).
AhR= Mensche, Säugern , Wirbeltiere( Reptilien, Amphibien, Fische)
Nicht= Wirbellose.
Der AhR2-Rezeptor ist Fischspezifisch und für die Entwicklungstoxizität von TCDD verantwortlich.
Ahr --> Entwicklung Blutsystems in Organen und in der REgulation des Zellzyklus, Zellwachstum und Zelldifferenzierung.
Bewiesen anhand von Mäusen, AhR extrahiert -->Mäuse haben keine Wirkung gezeigt.

Die Bindungsstärke an den Ah-Rezeptor bestimmt die Stärke der biologischen Wirkung.

Dosisbabhängigkeit der toxikologischen Wirkung, die sich durch die Dosis-Wirkungskurve darstellen lässt.
Dabei wird die prozentuale Häufigkeit einer Wirkung bei einem Organismus bzw. einer Population gegen den Logarithmus der Dosis aufgetragen.
Aus der Konzentrations-Wirkungs-Beziehung lassen sich verschiedene Richtgrössen ermitteln, die anhand von Toxizitätstest an einzelnen Organismen erhalten werden.
Zudem sind Einwirkungszeit und -häufigkeit ausschlaggebend.
Die Toxizität einer Chemikalie ist im Wesentlichen abhängig von der physikalischen-chemischen Stoffeigenschaften, der Konzentration (Dosis), der Dauer und Häufigkeit der Exposition. Wichtig sind auch Bioverfügbarkeit und Expositionsweg.
Für die quantitative Erfassung der Wirkung einer Substanz dient die Dosis-Wirkungs-Kurve.
Sie beschreibt den Zusammenhand zwischen aufgenommener Konzentration und dem Ausmass der toxischen Wirkung, dargestellt als Wirkung (x-Achse) gegenüber dem Logarithmus der Dosis (y-Achse). Dosis-Wirkungsbeziehungen sind grundlegen

Genomischer Wirkungsmechanismus von Estrogenen.Nach Diffusion in die Zielzelle binden Estrogene an Estrogenrezeptoren, die daraufhin aus der Bindung an zytoplasmatische Proteine wie Hitzeschockproteine (HSP) entlassen werden. Ligandenbesetzte Estrogenrezeptoren binden als Dimere an Estrogen-responsive DNA-Elemente. Das Konsensus-Estrogen-responsive Element (ERE) ist in der Abbildung aufgefþhrt. Durch Agonistbindung kommt es zur Interaktion mit Koaktivatoren wie SRC-1, die weitere Proteine mit Histonacetyltransferase- (HAT)-Aktivitæt (CBP, p300) rekrutieren. Der Kontakt zum generellen Transkriptionsapparat (GTA) kann durch Proteine der TRAP220-Familie vermittelt werden, und es wird die Gentranskription durch die RNA-Polymerase II (RNAP II) eingeleitet.Die Antagonist-induzierte Rezeptorkonformation erleichtert die Bindung von Korepressoren (NcoR, SMRT), die weitere Partner mit Histondeacetylase(HDAC)-Aktivitæt rekrutieren. Aufgrund der kompakten DNA-Packung wird ein Trankriptionsinitiationskomplex nicht ausgebildet, RNA-Polymerase II (RNAP II) lagert sich nicht am Promotor an, und es kommt zur Repression des Gens.

Zeit- und Konzentrationsabhängigkeit der toxischen Wirkung einer Substanz lassen sich in Toxikinetik (Aufnahme, Verteilung, Metabolismus, Exkretion) und Toxidynamik (Rezeptor-Wechselwirkung) einteilen.
Die Toxikonetik beschreibt die Art und Geschwindigkeit der Aufnahme eines Stoffes, seine Verteilung innerhalb des Organismus, seine Umwandlung(Metabolismus) und Ausscheidung (kurz: was macht der Stoff?)
Die Toxikodynamik beschreibt die Wechselwirkung der Substanz mit molekularen Strukturen der Zelle und des Organismus ( kurz: Was macht der Stoff mit dem Körper?)

was passiert mit dem Stoff im Körper?
Aufnahme
Verteilung
Metabolismus
Ausscheidung
 

Was bewirkt der Stoff im Körper?

•physikalisch/chemische Eigenschaften des Stoffes
•Bioverfügbarkeit
•Konzentration am Wirkungsort
•Dauer der Exposition: akut <> chronisch
•Aufnahmeweg
•Zustand des Organismus: Alter, Geschlecht, Entwicklung
•Zustand des Ökosystems

1. Physikalisch-chemische Eigenschaften
2. Bioverfügbarkeit
3. Konzentration (Dosis ) am Zielort
4. Dauer und Häufigkeit der Exposition (akut, chronisch)
5. Expositionsweg (Medium, Nahrung)
6. Biologische Faktoren: Zustand der Organismen ( Ernährung, Adaption an Umweltchemikalien),
Lebensalter
7. Umwandlung in der Umwelt ( Abbau, Bioaktivierung),
8. Zustand des ökosystem ( Pufferkapazität, Jahreszeit)
Dosis
Interaktion mit Rezeptoren
Faktoren die Wirkungen beeinflussen ( Bioverfügbarkeit, persistent)
Dauer der Wirkung

 

Direkte Wirkungen zielen auf die Lebensfunktion des Organismus.
Sie können reversibel sein und durch Reparaturprozesse rückgängig gemacht werden. (z.B. Regeneration geschädigter Gewebe, Narkose)
oder sie sind irreversibel (z.B. Mutagenität, Mortalität)
Die Stärke der toxischen Reaktion kann von vorübergehenden Störungen bis zum Tod reichen.
Akute Wirkungen treten innerhalb kurzer Zeit auf, chronische erst nach einer längeren Periode. Während lokale Effekte am Ort des Kontaktes mit den Chemikalien entstehen, treten systemische  erst nach Verteilung des Schadstoffes an anderen Stellen auf.
Direkte Wirkungen werden in der Regel in Laborversuchen. d.h. in Toxizitätstest ermittelt
Indirekte Wirkungen werden erst sekundär infolge ökologischer Wechselbeziehungen (z.B. Räuber-Beute-Beziehungen) und Charakteristiken der ékosystem ( abiotische und biotische Umwelt oder Habitatsveränderungen) hervorgerufen.
Sie sind ein Charakteristikum ökotoxikologischer Wirkungen und treten insbesondere bei Populationen oder Gemeinschaften auf.
Auch sie sind letztlich auf direkte Effekte bei Organismen zurückzuführen. Indirekte Wirkungen werden im Felde oder experimentell in Modellökosysteme ermittelt.

1. Essenzielle Stoffe ( z.B. Nährstoffe, Vitamine oder Mineralstoffe) rufen bei Unterversorgung Mangelerkrankungen hervor, auch bei überdosierung treten Schädigungen auf. So führt z.B. der Mangel an Vitamin A beim Menschen zur Nachtblindheit, bei überdosierung treten Magen-Darm-Störungen, Schuppen-Dermatitis, Hautprobleme, Haarausfall und Knochenschmerzen auf.
Umweltrelevant sind Metalle: Kupfer führt z.B. bei Unterversorgung im Wirbeltier zu Blutarmut, bei zu hoher Zufuhr hingegen zu toxischen Reaktion.
Die Aufrechterhaltung des Stoffwechsel-Gleichgewichts (Homöostase) erfordert damit einen bestimmten Konzentrationsbereich
2. Stoffe mit einfacher Dosis-Wirkungsbeziehung: Negative Effekte treten erst nach einer Schwellenkonzentration auf. Sie steigen dann mit zunehmender Konzentration an, bis die maximale Intensität erreich wird.
Abhängig von der Konzentration, sind zuerst reversible Effekte feststellbar, dann folgen zunehmend subletale und irreversible Schädigungen und schliesslich der Tod.
Dies ist das typische Verhalten von Umweltchemikalien. Solche Dosis-Wirkungs-Beziehungen werden in der Regel durch einen Rezeptor vermittelt und zeigen einen sigmoiden Verlauf ( sg. Konzentrationsgifte)
Kurve B ist eine typische Paracelcus-Kurve.

Kurve a: ev. Nahrungsmittel, Wasser, Vitamine.
Mineralstoffe,

Tödliche Wirkungen
= 100%

logarith. Skala

In einer Population ist die Empfindlichkeit der einzelnen Individuen gegenüber der toxischen Substanz nicht einheitlich, sondern folgt einer Häufigkeitsverteilung.
Dies zeigt sich auch, wenn eine Population mit steigenden Dosen eines Stoffes belastet und die Anzahl der reagierenden Individuen kumulativ als Wirkung aufgetragen wird.
Mathematisch stellt die Probit-Transformation eine Integration der Flächen unter der Häufigkeitsverteilung dar. Anhand der Position und Steigung der Dosis-Wirkungs-Kurve lässt sich vergleichend die relative Wirkungsstärke von Stoffen ableiten.
Zur Charakterisierung der Wirkungsstärke wird meist diejenige Konzentration verwendet, die eine halbmaximale Wirkung erzeugt. Der EC50-Wert stellt diejenige Effektkonzentration mit 50% Wirkung dar.
Bei akuten Wirkungen entspricht dies dem LD50-, resp. LC50-Wert.
Das ist diejenige Konzentration, bei der die Hälfte der Versuchstiere stirbt.
Wirkungsstärke auch durch Steilheit der Kurve. , je steiler die Kurve, desto empfindlicher reagiert der Organismus auf Veränderungen der Dosis.
flacher Verlauf: eher langsame Reaktion der Organismus.
Der Verlauf der Kurve hängt auch von den Mechanismen der toxischen Wirkung ab und hat einen wichtigen Einfluss auf die Bewertung der Toxizität von Stoffen. Bei steilen Dosis-Wirkungskurven bewirkt schon eine geringe Erhöhung der Konzentration eine starke Veränderung der toxischen Effekte. Von Bedeutung ist auch die Dauer der Exposition. Je länger ein Organismus an einen Schadstoff exponiert wird, desto tiefer ist der LC50-Wert d.h. desto toxischer.

 

akute Hohe Konzentrationen in kurzer Zeit (Unfälle) chronische Belastung mit (geringen) Konzentrationen über eine lange Zeit (Abwasser, Pestizide aus Landwirtschaft, atmosphärische Depositionen) letale = tödliche Wirkung subletale oder chronische Veränderung des Metabolismus oder Verhaltens, physiologische Veränderungen, Wachstumsverzögerungen, Entwicklungsschäden, Reproduktionsstörungen, histologische Veränderungen Bioakkumulation

...

Toxizität nach einmaliger Verabreichung oder nach einer kurzen Zeitperiode. Dazu sind hohe Dosen notwendig. Die Expositionszeit ändert sich mit der Generationszeit und dem Organismus: Bei Fischen beträgt die Zeitdauer 48 h oder 96 h, bei Daphnien und Algen 24 oder 48 Stunden. In der Regel wird die Mortalität gemessen, bei Algen die Wachstumshemmung

LD50/LC50: Dosis, die bei 50% zum Tod führt EC50: Effekt bei 50% der Organismen LOEC: lowest observed effect concentration: tiefste Dosis mit messbar- em Effekt NOEC: no observed effect concentration: Konzentration, bei der kein Effekt messbar ist

LD50-Wert und LC50-Wert.
Lethal Dose resp. Lethal Concentration (Index 50 =prozentuale Häufigkeit). Der Wert gibt diejenige Konzentration einer Chemikalie an, bei der innerhalb eines bestimmten Zeitraums 50% der Tiere nach einmaliger oder kurzzeitiger Verabreichung sterben. Damit entspricht er der mittleren letalen Dosis. Der LD50-Wert wird als Mass der akuten Toxizität in der Säuger- und Human sowie der ökotoxilogie bei terrestrischen Organismen verwendet.
Der LC50-Wert wird analog bei aquatischen Organismen verwendet und bezieht sich auf die im Wasser vorliegenden akuten toxischen Konzentration.

Effect Concentration. Der Wert gibt diejenige Konzentration an, bei der der gemessene Effekt 50% beträgt. Er wird in Testsystemen und bei Organismen verwendet, in denen ein anderes Mass als die Mortalität gemessen wird (z.B. Hemmung der Photosynthese bei Pflanzen und Hemmung bei Enzyme etc.)

LOEL, LOEC
Lowest Observed Effect Level resp. Lowest Observed Effect Concentration
Die Werte beziehen sich auf die niedrigste Konzentration im Versuchsansatz, bei der erste, signifikanten Effekte bei chronischer Exposition nachgewiesen werden

Noel & NOEC
No observed Effect Level resp. No observed Effect concentration.
Konzentrationen, bei der keine signifikanten, beobachtbaren Effekte nach längerer Expositionszeit auftreten. Es ist auch der höchste Wert in einem Versuchsansatz, der keinen Effekt erzeugt. Die Werte beziehen sich auf chronische Toxizität

Maximal Acceptable Toxicant Concentration (MATC)
Dieser Wert  wird vor allem in der Humantoxikologie verwendet. Es ist die Konzentration, die aufgrund chronischer Toxizitätstest lebenslang aufgenommen werden kann, ohne dass es zu beobachten Effekte kommt. Der Wert errechnet sich aus dem NOEL-Wert, der durch einen Sicherheitsfaktor von 100 dividiert wird. In der ékotoxikologie lassen sich MATC-WErte aus partiellen und Life Cycle Tests abschätzen.
Dieser Wert liegt unter der LOEC und oberhalb der NOEC

Subakute Toxizität
Toxizität unterhalb derjenigen Konzentration, welche eine direkte Mortalität verursacht. Effekte auf das Verhalten, biochemische und physiologische Funktionen oder histologische Veränderungen werden gemessen

Chronische Toxizität:
Toxizität nach der Exposition über längere Zeit, die je nach Organismus und dessen Generationszeit Tage, Woche, Monate oder Jahre beträgt.
Chronisch-Toxische Effekte entwickeln sich oft langsam
 

LD50-Werte zeigen nur Teil der Toxizitätskurve Wichtig ist auch Verlauf der Kurve: Steigung: je steiler desto sensitive

Sind als Mass für akute Toxizität wichtig für die Beurteilung der ökotoxizität von Chemikalien und Umweltproben.
LC50 Wert ist eine Richtgrösse, nicht eine biologische Konstante. Die Zeitdauer für die LC50-Werte ist relativ willkürlich gewählt (24 h oder 96h)
und häufig nicht der Belastungssituation entsprechend.
Die Steigung der Dosis-Wirkungs-kurve und damit die Abängigkeit der Toxizität von der Länge der Exposition wird in diesem Wert nicht berücksichtigt.
Der Wert hat allein für die betrachtete Art und den gegebenen Zeitraum Gültigkeit und darf nicht ohne weiteres auf andere Arten übertragen werden

1. LC50-Werte sind keine biologischen Konstante, sondern Richtgrössen da sie von biotischen und abiotischen Faktoren mitbeeinflusst sind.
2.LC50-Werte sind variabel zwischen verschiedenen Spezies und verschiedenen Lebensstadien derselben Spezies.
3. LC-50-Werte können als alleiniges Mass die ökotoxizität eines Stoffes nicht beschreiben. Sie lassen eine Beurteilung der akuten, nicht aber der chronischen Toxizität zu.
Eine Abteilung der chronischen Toxizität aus dem LC50-Wert ist nicht möglich.

Unterschiede in der Empfindlichkeit verschiedener Spezies, methodische Ungenauigkeit und fehlende Aussagekraft für indirekte Effekte oder Langzeitwirkungen limitieren die Aussagekraft von LD50- resp. LC50-Werten im Rahmen der ökotoxikologischen Beurteilung von Chemikalien

chronische Wirkungen werden bei tieferen Konzentrationen auftreten.
Je länger (und je regelmässiger) die Exposition, desto tiefer ist die Konzentration, die Effekte hervorruft