250 likes | 450 Vues
Ecotoxiciteit van metalen in oppervlaktewater – Leuven – 23 september 2005 Karel.Deschamphelaere@Ugent.be. Ecotoxiciteit van metalen in oppervlaktewater: van totale concentraties naar 'BLM'. Karel De Schamphelaere, Colin Janssen.
E N D
Ecotoxiciteit van metalen in oppervlaktewater – Leuven – 23 september 2005 Karel.Deschamphelaere@Ugent.be Ecotoxiciteit van metalen in oppervlaktewater: van totaleconcentraties naar 'BLM' Karel De Schamphelaere, Colin Janssen
Ecotoxiciteit van metalen in oppervlaktewater – Leuven – 23 september 2005 Karel.Deschamphelaere@Ugent.be Take home message • Toxiciteit van zware metalen bij zoetwater-organismen is NIET ALLEEN afhankelijk van de concentratie; • Totale metaalconcentraties zeggen NIETS over potentiële toxiciteit • ‘Vlakke normen’, gebaseerd op totale concentraties, kunnen zowel over- als onder-beschermend zijn voor het aquatische leven DUS
Ecotoxiciteit van metalen in oppervlaktewater – Leuven – 23 september 2005 Karel.Deschamphelaere@Ugent.be Bewijsvoering • Waarom zeggen totale concentraties niets over effecten? • ‘Biobeschikbaarheid’! • Effecten van fysico-chemie op metaaltoxiciteit • Het Biotisch Ligand Model (BLM) • Waarom werken vlakke normen niet? • Wat zijn de mogelijke oplossingen? • Hoe implementeren? • Eerst: korte inleiding tot ecotoxicologie • Hoekunnen we aquatisch leven beschermen?
overleving groei reproductie Niet-essentieel (Cd, Pb, Ni) deficientie Essentieel (Cu, Zn, Ni) optimum toxiciteit Concentratie Veilige concentratie = ‘No observed effect concentration’ = NOEC < NOEC ‘50% Effect Concentratie’ = EC50 < EC50 Ecotoxiciteit van metalen in oppervlaktewater – Leuven – 23 september 2005 Karel.Deschamphelaere@Ugent.be Ecotoxicologie van metalen Biobeschikbaarheid = “Metaal-toxiciteit (NOEC, EC50) is functie van water-karakteristieken”, o.a. pH, Ca, DOC, etc.
250 200 150 21-day NOEC (µg Cu/L) 100 50 20 15 8.0 10 7.0 pH 5 mg DOC/L 6.0 Ecotoxiciteit van metalen in oppervlaktewater – Leuven – 23 september 2005 Karel.Deschamphelaere@Ugent.be Cu D. magna • ‘SPECIATIE’ effecten Biobeschikbaarheid (1) P. subcapitata • > factor 10 variabiliteit • DOC verklaart 65% van variantie • pH ~ 20%
Ecotoxiciteit van metalen in oppervlaktewater – Leuven – 23 september 2005 Karel.Deschamphelaere@Ugent.be Zn Biobeschikbaarheid (2) • “COMPETITIE” tussen metaalionen (hier Zn2+) en andere kationen (hier: Ca2+) verlaagt de toxiciteit • Ook voor andere metalen (Cu, Cd, Ni, Pb) en andere kationen (Mg, Na, H) werd dit veelvuldig aangetoond
Ecotoxiciteit van metalen in oppervlaktewater – Leuven – 23 september 2005 Karel.Deschamphelaere@Ugent.be • Ca verlaagt toxiciteit van Cu (bovenaan) • Ca verlaagt de accumulatie van Cu op de kieuw (competitie) • [Cu-kieuw] bepaalt effect; = onafhankelijk van Ca bij 50% mortaliteit (onderaan) • Gelijkaardige resultaten voor cel-oppervlak algen Biobeschikbaarheid (3) Meyer et al., 1999 Environ. Sci. Technol. 33: 913-916
Ecotoxiciteit van metalen in oppervlaktewater – Leuven – 23 september 2005 Karel.Deschamphelaere@Ugent.be Biobeschikbaarheid (4) • Totale concentraties zeggen inderdaad NIETS over effecten, door biobeschikbaarheid • Grote variatie NOECs, EC50s, afhankelijk van watereign. • Biobeschikbaarheid = • een complexe combinatie van speciatie, competitie, en interactie met celoppervlakken/kieuwen • een gecombineerd effect van verschillende parameters (pH, DOC, Ca, etc.) • Al deze kennis uit >30 jaar wetenschappelijk onderzoek werd geïntegreerd in het ‘biotisch ligand model’ (BLM)
Ca2+ Water Organisme Mg2+ H+ pH Me-DOC [Me] op ‘biotisch ligand’ Toxisch effect Me2+ Na+ pH MeCO3 MeOH+ Ecotoxiciteit van metalen in oppervlaktewater – Leuven – 23 september 2005 Karel.Deschamphelaere@Ugent.be Biotisch Ligand Model ‘biotisch ligand’ b.v. kieuwen, celoppervlak
Toward an algal Cu-BLM – 8th ICOBTE – Adelaide, april 6, 2005 – Karel.Deschamphelaere@Ugent.be BLM: Wat kan het? (1) • Faktor 10 tot 30 variabiliteit in toxiciteit • > 90% van predictie-fouten < faktor 2
Toward an algal Cu-BLM – 8th ICOBTE – Adelaide, april 6, 2005 – Karel.Deschamphelaere@Ugent.be BLM: Wat kan het? (2) • Typisch: faktor 10 tot 30 variabiliteit in toxiciteit • > 90% van predictie-fouten < faktor 2
Ecotoxiciteit van metalen in oppervlaktewater – Leuven – 23 september 2005 Karel.Deschamphelaere@Ugent.be • Toxiciteit voorspellen voor: • Verschillende metalen (Cu, Zn, Ni, Ag, Cd) • Verschillende organismen van verschillende trofische niveaus (alg, invertebraat, vis) • Verschillende blootstellingen (acuut/chronisch) • Verschillende eindpunten (overleving, groei, reproductie) • De variabiliteit/onzekerheid omtrent toxische en veilige concentraties verklaren/reduceren BLM: Wat kan het? (3)
Ecotoxiciteit van metalen in oppervlaktewater – Leuven – 23 september 2005 Karel.Deschamphelaere@Ugent.be Implementatie in beleid? • US EPA overweegt BLM te gebruiken voor site-specifieke normering van Cu • In kader van lopende EU risico-evaluaties van Zn, Cu, en Ni wordt BLM ook overwogen • Vlaanderen? • Wat heeft biobeschikbaarheid tot gevolg voor de doeltreffendheid van ‘vlakke normen’? • Wat kan het BLM verbeteren?
Ca2+ Water Organisme Mg2+ H+ pH Me-DOC [Me] op ‘biotisch ligand’ Me2+ Na+ pH MeCO3 MeOH+ VLAKKE NORM Ecotoxiciteit van metalen in oppervlaktewater – Leuven – 23 september 2005 Karel.Deschamphelaere@Ugent.be Biotisch Ligand Model ‘biotisch ligand’ b.v. kieuwen, celoppervlak Toxisch effect
Ecotoxiciteit van metalen in oppervlaktewater – Leuven – 23 september 2005 Karel.Deschamphelaere@Ugent.be Vlakke normen (1) • Veilige concentraties (NOECs) in natuurlijke waters voor Daphnia, alg, en forel • Afgeleid uit eigen laboratoriumtesten • basiskwaliteitsnormen oppervlaktewater VLAREM II: • Ni: 50 µg/L • Cu: 50 µg/L • Zn: 200 µg/L VERSUS
Ecotoxiciteit van metalen in oppervlaktewater – Leuven – 23 september 2005 Karel.Deschamphelaere@Ugent.be Vlakke normen (2) • Veilige concentraties in natuurlijke waters liggen zowel boven als onder de norm • ‘Vlakke norm’ is zowel onder- als overbeschermend!
Ecotoxiciteit van metalen in oppervlaktewater – Leuven – 23 september 2005 Karel.Deschamphelaere@Ugent.be • De “Sustainable development” oplossing • Site-specifieke normering • Normen uitgedrukt als “biotisch ligand concentratie” van een metaal • = Normen (uitgedrukt als totale concentratie) afhankelijk van pH, DOC, Ca, etc., van site specifiek water • = Normen berekend met BLM leiden tot… • … overal zelfde graad van bescherming van aquatisch leven • … optimaal evenwicht milieu/industrie De oplossing
Ecotoxiciteit van metalen in oppervlaktewater – Leuven – 23 september 2005 Karel.Deschamphelaere@Ugent.be • Hoe kunnen we “ecologisch relevante” normen afleiden? • B.v. volgens EU Technical Guidance Document voor risico-evaluatie van chemische stoffen • Species-gevoeligheidsdistributie methode (SSD) • Biobeschikbaarheid? • Gekende toxiciteitsdata van verschillende species met BLM vertalen naar eender welke combinatie van water-eigenschappen • Voorbeeld van Cu en Zn De praktijk
Species Sensitivity Distribution NOEC baars NOEC Alg NOEC plant NOEC watervlo NOEC forel NOEC HC5 = 8.3 µg/L = basis voor norm Data compilation: Patrick Van Sprang, EURAS slak Ecotoxiciteit van metalen in oppervlaktewater – Leuven – 23 september 2005 Karel.Deschamphelaere@Ugent.be De praktijk (1) NOECs als totale concentraties: zeer grote intra-species variatie Hypothese: door verschillen in biobeschikbaarheid ‘high-quality’ NOECs uit literatuur
Ecotoxiciteit van metalen in oppervlaktewater – Leuven – 23 september 2005 Karel.Deschamphelaere@Ugent.be De praktijk (2) • BLM reduceert onzekerheid omtrent literatuur-NOECs • Voor ALLE species
HC5 = (µg/L) 8.3 Ecotoxiciteit van metalen in oppervlaktewater – Leuven – 23 september 2005 Karel.Deschamphelaere@Ugent.be De praktijk (3) • Onzekerheid gereduceerd
Ecotoxiciteit van metalen in oppervlaktewater – Leuven – 23 september 2005 Karel.Deschamphelaere@Ugent.be De praktijk (3) DOC = 6 mg/L pH = 7.5 HC5 = (µg/L) 8.3 • Vertaal nu, met BLM, NOEC voor elk organisme naar site-specifiek water
43 • Ecotoxiciteit van metalen in oppervlaktewater – Leuven – 23 september 2005 Karel.Deschamphelaere@Ugent.be De praktijk (3) BLM BLM BLM DOC = 6 mg/L pH = 7.5 HC5 = (µg/L) 8.3 • Verschuiving van SSD (HC5)
Ecotoxiciteit van metalen in oppervlaktewater – Leuven – 23 september 2005 Karel.Deschamphelaere@Ugent.be De praktijk (4) • Zelfde oefening voor Zn, niet voor één water, maar… • …simulaties voor EU relevante range voor • DOC (1-10 mg/L) • pH (6.5-8.5) • hardheid (25-250 mg CaCO3/L) • NOECs voor verschillende waters berekend met BLM voor elk species • HC5 voor elk water met SSD • ‘Distributie’ van HC5’s • 10de percentiel = 15 µg Zn/L • 90ste percentiel = 50 µg Zn/L
Ecotoxiciteit van metalen in oppervlaktewater – Leuven – 23 september 2005 Karel.Deschamphelaere@Ugent.be Take home message (bis) • Totale metaalconcentraties zeggen niets over de potentiële toxische effecten bij zoetwater-organismen • ‘Vlakke normen’, gebaseerd op totale concentraties, kunnen zowel over- als onderbeschermend zijn voor het aquatische leven • BLM opent de deur naar OPLOSSINGEN! DUS MAAR