Ecotoxicologie
Examen: schriftelijke voorbereiding met mondelinge toelichting
1. Concept ecotoxicologie
Toxicologie = effecten van polluenten op de mens
Milieutoxicologie
• Studie effecten van toxische substanties in natuurlijke en antropogene omgevingen (Duffus, 1980)
• Studie van de impact van polluenten op structuur en functie van ecosystemen (molecule tot ecosysteem)
Ecotoxicologie → relatief jonge wetenschap
• Truhaut 1969: Tak vd Toxicologie, die de effecten van natuurlijke en synthetische polluenten
bestudeert op dieren (inclusief mens), planten en bacteriën.
• Veel andere auteurs: uitbreiding naar populaties, levensgemeenschappen
Essentie ecotoxicologie:
• (Indirecte) relaties effecten op individu vs. effecten op populatie – levensgemeenschap – ecosysteem
• Uitbreiding: -landschap – ecoregio – continent – biosfeer
Integratie van min. 3 disciplines:
• Milieuchemie (inclusief fysische disciplines) (environmental chemistry):
bestuderen van gedrag van (organische en anorganische) polluenten in het
milieu. Hoe gedragen ze zich in het milieu? Wat is de concentratie? Wat is
hun biobeschikbaarheid? Dat wordt bestudeerd door te modelleren
(voorspelen hoeveel er in welk deel van het milieu terecht komt) en wat is
het effect van omgevingsfactoren? En wat betekent dat voor de
blootstelling van planten en dieren?
Milieuchemie kijkt naar gedrag van micro-polluenten in het milieu (hangt
af van omgevingsfactoren bv. pH, T, O2…) → biobeschikbaarheid!
o Voorkomen van chemicaliën in milieu
o Bronnen + verdeling milieucompartimenten
o Invloed fysische en chemische factoren
o Depositie, degradatie
• Toxicologie (toxicological approach): kijken naar wat het effect is op individuen.
Bv. aquatische toxicologie: kijken naar effect op vissoort. Bv. wat is effect van
polluent op genexpressie, biochemie, fysiologie… van soorten. Maar ook als
polluent opgenomen wordt: hoe gaat die zich verdelen in dat organisme?
Hoeveel komt in de lever terecht, hoeveel in spierweefsel?
o Effecten stoffen op individueel niveau
o Verdeling stof naar organen
o Onderzoek “target orgaan”: orgaan waar de hoogste concentratie van polluent terecht zal
komen/ effect gaat geven. Bv. asbest zal in longen het meeste problemen geven, PCB’s in
vetweefsel, Pb in beenderen…
1
, o Transformatie (hoe breekt stof zich in het organisme af?), metabolieten (chemisch metaboliet
= chemisch afbraakproduct)
• Ecologie (ecological approach): de blootstelling karakteriseren van
polluenten onder de echte veldcondities (natuurlijke omstandigheden).
Toxicologie gebeurt in labo-omstandigheden en ecologische blootstelling
is wat er in het ecosysteem zelf gebeurt. Ook kijken naar ecologische
relevante eindpunten: wat is effect op de gehele levensgemeenschap of
gehele ecosysteem?
o Basis van ecotoxicologie
o Kennis effect natuurlijke factoren op populatie: zelf zonder
polluent zullen er natuurlijke fluctuaties zijn
o Populatiedynamica, -genetica, systeemecologie (zonder
die kennis kunnen we zonder zekerheid effecten gaan
bestuderen)
Als de effecten gekend zijn, kan er een risico-evaluatie gemaakt worden. Dat
is afhankelijk van type ecosysteem, maar ook van de menselijke invloed. Eens
de risico’s gekend zijn, kan er aan milieubeheer gedaan worden. Er komen
veel disciplines aan bod in de ecotoxicologie.
1.1 Definiëring van termen
→ In de literatuur vaak kleine verschillen in termen. In deze cursus eens zijn
over betekenis van gehanteerde begrippen.
Polluent = chemische component die een schadelijk effect veroorzaakt (kan van nature aanwezig zijn).
Contaminant = milieuvreemde stof → niet noodzakelijk schadelijk (iets dat niet thuishoort op bepaalde plaats)
Componenten: keukenzout, DDT, PFOS → welk is meest toxisch? Kan men niet zeggen, hiervoor moet men
concentratie weten!
• Bv. soeplepel zout kan heel schadelijk zijn: kan je van sterven. Terwijl een klein beetje DDT of PFOS ga je
daar geen onmiddelijke shade van ondervinden.
• Het is vooral dosis of concentratie die belangrijk is
• Paracelsus: alle substanties zijn potentiële polluenten. De dosis bepaalt of een stof al dan niet schadelijk
is.
Wat is “abnormaal”? :
• Effect van biobeschikbaarheid
o Bv. exacte hoeveelheid metaal gelijk, maar in het ene geval is de biobeschikbaarheid heel laag
(sterk gebonden aan bodem, moeilijk opneembaar door organismen) terwijl een andere plaats
een grote biobeschikbaarheid (bv. door hoge pH) heeft.
• Wat is schadelijk
• Ook de situatie is belangrijk
o Bv. lozing afvalwater dat hoge concentraties aan zout bevat (saline) → debiet aan nete is kleiner
dan debiet lozing, dus lozing maakt beekje zout. Moest zelfde hoeveelheid geloosd worden aan
de kust, zou dat niet schadelijk zijn. Maar hier zullen zoetwaterorganismen sterven omdat ze
niet met zout water kunnen omgaan.
2
,Biomerker = biologische respons op chemische componenten op individueel niveau of lager.
• Bv. bepaalde enzymeresponsen in bloed gaan meten die veroorzaakt worden door bv. lood. Vaak een
andere betekenis in de medische wereld waar het bloed op zich een biomerker is.
Toxicant vs. toxine
• Toxine is een stof die geproduceerd wordt door organisme.
o Bv. eutrofiëring: bloei blauwalgen en die maken cyanide aan en die zijn toxisch (toxines).
• Toxicant: chemische stof die toxisch effect veroorzaakt (polluent)
Xenobiont: milieuvreemde stof door de mens gemaakt, niet van nature aanwezig.
• Contaminant wordt ook als milieuvreemde stof beschouwd, maar hier focus op mens
Ecologische relevantie in functie van tijd en complexiteit
• Laagste niveau: genexpressie. Hoe gaan verschillende
genen tot expressie komen of juist minder tot expressie
komen door blootstelling?
o X-as: vraagt korte tijd → binnen enkele uren al
weten wat effect is van contaminant of
polluent op genexpressie. Complexiteit is ook
laag: andere factoren die toegevoegd worden,
hebben weinig of geen invloed (in labo onder
gecontroleerde omstandigheden).
o Ecologische relevantie is laag
• Tweede niveau: weefsels of organen → biochemisch gaan kijken. Bv. gaan zien wat inductie is van
bepaald enzym als rat wordt blootgesteld aan een polluent. Heeft meer tijd nodig, langere blootstelling
(meerdere dagen). Complexiteit ook hoger: werken met verschillen individuen die niet even groot zijn,
verschillen in seks… Aantal factoren die ook effect gaan hebben op die respons. Moeilijker om die
effecten te onderscheiden van polluent. Hogere ecologische relevantie.
• Derde niveau: op individueel niveau kijken. Wat is effect van groei op muis? Wat is effect van zang op
vogel? Wat is effect van ademhaling van vis? Complexiteit neemt toe en zal nog langer duren. Ook andere
factoren die rol spelen: stress, temperatuur, licht… Maar ook heel ecologisch relevant: als een vis niet
meer ademt dan heeft dat effect op hele debat.
• Vierde niveau: populaties (= verzameling individuen van één soort) en levensgemeenschap (=
verzameling van verschillende soorten samen). Zal lang duren om effecten te zien. Complexiteit groot
tussen prooi en predator.
• Vijfde niveau: ecosysteemniveau → hetgeen we willen beschermen. Moeilijk om referentiesysteem te
vinden, want elk ecosysteem is uniek
Grootste uitdaging: effecten op responsen op laag niveau van biologische organisatie vinden die voorspellen wat
er gebeurt op een hoger niveau van biologische organisatie.
Ecotoxicologie: van molecule tot ecosysteem
• Toename belangrijkheid respons
• Responstijd is fct. niveau biologische organisatie
• Toename onzekerheid respons
3
, Retrospectieve en predictieve ecotoxicologie
Retrospectief:
• Maakt gebruik van vroegere data “epidemiologisch”
o Bv. relatie tussen longkanker en roken. Men gaat na: is er meer longkanker bij mensen die
roken?
• Onzekerheid over relatie oorzaak-gevolg
o Moeilijk om causaal verband te vinden.
o Dus ook in de ecotoxicologie heel moeilijk: als je effect ziet, en bepaalde polluent meet, ligt het
dan aan deze polluent?
▪ Bv. PFAS: moeilijk om te bewijzen dat meer PFAS in bloed = meer kanker. Die mensen
wonen al dicht bij industrie waar ook andere factoren een rol kunnen spelen.
o Er is één oplossing voor: werken met gradiënten.
▪ Meten aan een verontreinigingsbron en verder van bron af: concentratie verdunt maar
andere omstandigheden blijven gelijk.
▪ Bv. lozing waterloop: hoge concentratie door regen verdunt concentratie → daling van
effecten, dan al iets meer bewijs dat effecten te wijten zijn aan die verontreiniging.
o Een ander nadeel: het is a posteriori → het probleem is er al
Predictief:
• Bij nieuwe componenten voorspellen wat er zal gebeuren in het milieu.
• Theoretisch
o Kijken naar structuur en dat vergelijken met informatie die men heeft van bestaande
componenten. Chemici gebruiken deze benadering vaak, maar ecotoxicologen weten dat dit
niet altijd klopt.
• Toxiciteitstesten: in labo organismen blootstellen aan concentratiegradiënten onder sterk
gecontroleerde omstandigheden.
1.2 Historische schets chemisch tijdperk
Eerste menselijke nederzettingen
• Vloeibaar afval naar rivieren, meren, zee
• Vast afval land
• Beperkte luchtverontreiniging
• Natuurlijke substanties: plantaardig. Als nederzetting verlaten werd, degradeerden deze snel.
• Eerste reglementering rond verontreiniging: 500 v.C. in oude Rome/Athene → voornamelijk te maken
met stank.
Industriële revolutie
• Industrialisatie, verstedelijking, toename bevolkingsgroei
• Mijnactiviteit, steenkool
o 19de eeuw: luchtverontreiniging – kanker → eerste toxicologische studie die werd
geproduceerd. Er was een arts die verband zag tussen testiskanker en het roet die aanwezig
was in schoorsteen. Mensen die in contact kwamen met roet = meer teelbalkanker. Achteraf
ook aangetoond dat het een PAK was die idd aanwezig was in roet
• Begin 20ste eeuw:
4
Examen: schriftelijke voorbereiding met mondelinge toelichting
1. Concept ecotoxicologie
Toxicologie = effecten van polluenten op de mens
Milieutoxicologie
• Studie effecten van toxische substanties in natuurlijke en antropogene omgevingen (Duffus, 1980)
• Studie van de impact van polluenten op structuur en functie van ecosystemen (molecule tot ecosysteem)
Ecotoxicologie → relatief jonge wetenschap
• Truhaut 1969: Tak vd Toxicologie, die de effecten van natuurlijke en synthetische polluenten
bestudeert op dieren (inclusief mens), planten en bacteriën.
• Veel andere auteurs: uitbreiding naar populaties, levensgemeenschappen
Essentie ecotoxicologie:
• (Indirecte) relaties effecten op individu vs. effecten op populatie – levensgemeenschap – ecosysteem
• Uitbreiding: -landschap – ecoregio – continent – biosfeer
Integratie van min. 3 disciplines:
• Milieuchemie (inclusief fysische disciplines) (environmental chemistry):
bestuderen van gedrag van (organische en anorganische) polluenten in het
milieu. Hoe gedragen ze zich in het milieu? Wat is de concentratie? Wat is
hun biobeschikbaarheid? Dat wordt bestudeerd door te modelleren
(voorspelen hoeveel er in welk deel van het milieu terecht komt) en wat is
het effect van omgevingsfactoren? En wat betekent dat voor de
blootstelling van planten en dieren?
Milieuchemie kijkt naar gedrag van micro-polluenten in het milieu (hangt
af van omgevingsfactoren bv. pH, T, O2…) → biobeschikbaarheid!
o Voorkomen van chemicaliën in milieu
o Bronnen + verdeling milieucompartimenten
o Invloed fysische en chemische factoren
o Depositie, degradatie
• Toxicologie (toxicological approach): kijken naar wat het effect is op individuen.
Bv. aquatische toxicologie: kijken naar effect op vissoort. Bv. wat is effect van
polluent op genexpressie, biochemie, fysiologie… van soorten. Maar ook als
polluent opgenomen wordt: hoe gaat die zich verdelen in dat organisme?
Hoeveel komt in de lever terecht, hoeveel in spierweefsel?
o Effecten stoffen op individueel niveau
o Verdeling stof naar organen
o Onderzoek “target orgaan”: orgaan waar de hoogste concentratie van polluent terecht zal
komen/ effect gaat geven. Bv. asbest zal in longen het meeste problemen geven, PCB’s in
vetweefsel, Pb in beenderen…
1
, o Transformatie (hoe breekt stof zich in het organisme af?), metabolieten (chemisch metaboliet
= chemisch afbraakproduct)
• Ecologie (ecological approach): de blootstelling karakteriseren van
polluenten onder de echte veldcondities (natuurlijke omstandigheden).
Toxicologie gebeurt in labo-omstandigheden en ecologische blootstelling
is wat er in het ecosysteem zelf gebeurt. Ook kijken naar ecologische
relevante eindpunten: wat is effect op de gehele levensgemeenschap of
gehele ecosysteem?
o Basis van ecotoxicologie
o Kennis effect natuurlijke factoren op populatie: zelf zonder
polluent zullen er natuurlijke fluctuaties zijn
o Populatiedynamica, -genetica, systeemecologie (zonder
die kennis kunnen we zonder zekerheid effecten gaan
bestuderen)
Als de effecten gekend zijn, kan er een risico-evaluatie gemaakt worden. Dat
is afhankelijk van type ecosysteem, maar ook van de menselijke invloed. Eens
de risico’s gekend zijn, kan er aan milieubeheer gedaan worden. Er komen
veel disciplines aan bod in de ecotoxicologie.
1.1 Definiëring van termen
→ In de literatuur vaak kleine verschillen in termen. In deze cursus eens zijn
over betekenis van gehanteerde begrippen.
Polluent = chemische component die een schadelijk effect veroorzaakt (kan van nature aanwezig zijn).
Contaminant = milieuvreemde stof → niet noodzakelijk schadelijk (iets dat niet thuishoort op bepaalde plaats)
Componenten: keukenzout, DDT, PFOS → welk is meest toxisch? Kan men niet zeggen, hiervoor moet men
concentratie weten!
• Bv. soeplepel zout kan heel schadelijk zijn: kan je van sterven. Terwijl een klein beetje DDT of PFOS ga je
daar geen onmiddelijke shade van ondervinden.
• Het is vooral dosis of concentratie die belangrijk is
• Paracelsus: alle substanties zijn potentiële polluenten. De dosis bepaalt of een stof al dan niet schadelijk
is.
Wat is “abnormaal”? :
• Effect van biobeschikbaarheid
o Bv. exacte hoeveelheid metaal gelijk, maar in het ene geval is de biobeschikbaarheid heel laag
(sterk gebonden aan bodem, moeilijk opneembaar door organismen) terwijl een andere plaats
een grote biobeschikbaarheid (bv. door hoge pH) heeft.
• Wat is schadelijk
• Ook de situatie is belangrijk
o Bv. lozing afvalwater dat hoge concentraties aan zout bevat (saline) → debiet aan nete is kleiner
dan debiet lozing, dus lozing maakt beekje zout. Moest zelfde hoeveelheid geloosd worden aan
de kust, zou dat niet schadelijk zijn. Maar hier zullen zoetwaterorganismen sterven omdat ze
niet met zout water kunnen omgaan.
2
,Biomerker = biologische respons op chemische componenten op individueel niveau of lager.
• Bv. bepaalde enzymeresponsen in bloed gaan meten die veroorzaakt worden door bv. lood. Vaak een
andere betekenis in de medische wereld waar het bloed op zich een biomerker is.
Toxicant vs. toxine
• Toxine is een stof die geproduceerd wordt door organisme.
o Bv. eutrofiëring: bloei blauwalgen en die maken cyanide aan en die zijn toxisch (toxines).
• Toxicant: chemische stof die toxisch effect veroorzaakt (polluent)
Xenobiont: milieuvreemde stof door de mens gemaakt, niet van nature aanwezig.
• Contaminant wordt ook als milieuvreemde stof beschouwd, maar hier focus op mens
Ecologische relevantie in functie van tijd en complexiteit
• Laagste niveau: genexpressie. Hoe gaan verschillende
genen tot expressie komen of juist minder tot expressie
komen door blootstelling?
o X-as: vraagt korte tijd → binnen enkele uren al
weten wat effect is van contaminant of
polluent op genexpressie. Complexiteit is ook
laag: andere factoren die toegevoegd worden,
hebben weinig of geen invloed (in labo onder
gecontroleerde omstandigheden).
o Ecologische relevantie is laag
• Tweede niveau: weefsels of organen → biochemisch gaan kijken. Bv. gaan zien wat inductie is van
bepaald enzym als rat wordt blootgesteld aan een polluent. Heeft meer tijd nodig, langere blootstelling
(meerdere dagen). Complexiteit ook hoger: werken met verschillen individuen die niet even groot zijn,
verschillen in seks… Aantal factoren die ook effect gaan hebben op die respons. Moeilijker om die
effecten te onderscheiden van polluent. Hogere ecologische relevantie.
• Derde niveau: op individueel niveau kijken. Wat is effect van groei op muis? Wat is effect van zang op
vogel? Wat is effect van ademhaling van vis? Complexiteit neemt toe en zal nog langer duren. Ook andere
factoren die rol spelen: stress, temperatuur, licht… Maar ook heel ecologisch relevant: als een vis niet
meer ademt dan heeft dat effect op hele debat.
• Vierde niveau: populaties (= verzameling individuen van één soort) en levensgemeenschap (=
verzameling van verschillende soorten samen). Zal lang duren om effecten te zien. Complexiteit groot
tussen prooi en predator.
• Vijfde niveau: ecosysteemniveau → hetgeen we willen beschermen. Moeilijk om referentiesysteem te
vinden, want elk ecosysteem is uniek
Grootste uitdaging: effecten op responsen op laag niveau van biologische organisatie vinden die voorspellen wat
er gebeurt op een hoger niveau van biologische organisatie.
Ecotoxicologie: van molecule tot ecosysteem
• Toename belangrijkheid respons
• Responstijd is fct. niveau biologische organisatie
• Toename onzekerheid respons
3
, Retrospectieve en predictieve ecotoxicologie
Retrospectief:
• Maakt gebruik van vroegere data “epidemiologisch”
o Bv. relatie tussen longkanker en roken. Men gaat na: is er meer longkanker bij mensen die
roken?
• Onzekerheid over relatie oorzaak-gevolg
o Moeilijk om causaal verband te vinden.
o Dus ook in de ecotoxicologie heel moeilijk: als je effect ziet, en bepaalde polluent meet, ligt het
dan aan deze polluent?
▪ Bv. PFAS: moeilijk om te bewijzen dat meer PFAS in bloed = meer kanker. Die mensen
wonen al dicht bij industrie waar ook andere factoren een rol kunnen spelen.
o Er is één oplossing voor: werken met gradiënten.
▪ Meten aan een verontreinigingsbron en verder van bron af: concentratie verdunt maar
andere omstandigheden blijven gelijk.
▪ Bv. lozing waterloop: hoge concentratie door regen verdunt concentratie → daling van
effecten, dan al iets meer bewijs dat effecten te wijten zijn aan die verontreiniging.
o Een ander nadeel: het is a posteriori → het probleem is er al
Predictief:
• Bij nieuwe componenten voorspellen wat er zal gebeuren in het milieu.
• Theoretisch
o Kijken naar structuur en dat vergelijken met informatie die men heeft van bestaande
componenten. Chemici gebruiken deze benadering vaak, maar ecotoxicologen weten dat dit
niet altijd klopt.
• Toxiciteitstesten: in labo organismen blootstellen aan concentratiegradiënten onder sterk
gecontroleerde omstandigheden.
1.2 Historische schets chemisch tijdperk
Eerste menselijke nederzettingen
• Vloeibaar afval naar rivieren, meren, zee
• Vast afval land
• Beperkte luchtverontreiniging
• Natuurlijke substanties: plantaardig. Als nederzetting verlaten werd, degradeerden deze snel.
• Eerste reglementering rond verontreiniging: 500 v.C. in oude Rome/Athene → voornamelijk te maken
met stank.
Industriële revolutie
• Industrialisatie, verstedelijking, toename bevolkingsgroei
• Mijnactiviteit, steenkool
o 19de eeuw: luchtverontreiniging – kanker → eerste toxicologische studie die werd
geproduceerd. Er was een arts die verband zag tussen testiskanker en het roet die aanwezig
was in schoorsteen. Mensen die in contact kwamen met roet = meer teelbalkanker. Achteraf
ook aangetoond dat het een PAK was die idd aanwezig was in roet
• Begin 20ste eeuw:
4
