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13-09-2007
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O que é a Ecotoxicologia?
Toxicologia de resíduos 2007/2008
Toxicologia de Resíduos
Ramo da toxicologia que estuda, de modo integrado, osefeitos tóxicos causados, por poluentes sintéticos e
naturais, nos constituintes dos ecossistemas (plantas, animais, microrganismos)
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Toxicologia de Resíduos
Resenha histórica da Ecotoxicologia
Data Contaminante(s) Efeitos
1850s Fuligem da queima do carvão Melanismo industrial de insectos
1863 Resíduos aquosos industriais Primeiros testes de toxicidade
1874 Tiros com chumbo Morte de aves aquáticas e faisões
1887 Emissão de arsénico a partir de fundições metálicas Morte de veados e raposas
1907 Derrame de petróleo Morte de papagaios-do-mar
1924 Fuga de zinco e chumbo das minas Morte de peixes
1927 H2S gasoso em campos de petróleo Morte de mamíferos e aves
1950s DDT e pesticidas organocloradosDiminuição da espessura dascascas de ovo em aves que comem peixe
1960s Pesticidas anticolinesterase Morte de vertebrados
1970s Misturas de resíduos tóxicos (dioxinas) Efeitos sobre a saúde de humanos, animais aquáticos e selvagens
1980s Escorrimento da agricultura e substâncias radioactivas Mal-formações e problemas de reprodução
1990s Misturas químicas complexas (PCBs, pesticidas) Disruptores endócrinos
...
Toxicologia de Resíduos
Ecotoxicologia como ciência multidisciplinar
Biosfera
Paisagem
Ecosistema
Comunidade
População
Indivíduo
Sistema
Orgão
Tecido
Célula
Biomolécula
Habitat
Micro-habitat
Associação de fases
Química
Ciências físicasGeologiaOceanografiaQuímica AtmosféricaClimatologia
GeografiaHidrologiaCiência dos solosSedimentologia
Química de ColóidesQuímica-físicaQuímica AnalíticaQuímica OrgânicaQuímica Inorgânica
Ciências da vidaEcologia globalEcologia da paisagem Ecologia dos sistemasMicrobiologia ambientalEcologia da comunidadeMetapopulaçãoBiologiaBiologia das populaçõesGenéticaEpidemiologiaFisiologia/AnatomiaComportamentoTeratologiaNeurologiaFarmacologiaEndocrinologiaImunologiaPatologiaOncologiaBioquímica/BiofísicaGenética Molecular
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Toxicologia de Resíduos
Objectivo científicoorganizar o conhecimento, testando múltiplas hipóteses
de trabalho, sobre o destino e os efeitos dos contaminantes na biosfera
ao longo do tempo, serão produzidas explicações ouparadigmas, os quais ditarão as vias de investigação a seguir
Objectivos da Ecotoxicologia
Toxicologia de Resíduos 2005/2006
Objectivos da Ecotoxicologia
Objectivo tecnológicodesenvolver e aplicar ferramentas e métodos para
adquirir um melhor conhecimento sobre o destino e osefeitos dos contaminantes na biosfera
exemplos:instrumentação analíticaprocedimentos padrão para biomonitorização e utilização de
biomarcadoresmétodos estatísticos e tecnologias informáticas
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Toxicologia de Resíduos 2005/2006
Objectivos da Ecotoxicologia
Objectivo práticoaplicação do conhecimento e tecnologias disponíveis para
documentar e/ou resolver problemas específicosexemplos:
desenvolvimento de padrões ou limites legais para níveis de contaminantes nos diferentes meios (águas, solos, tecidos)
Toxicologia de Resíduos 2005/2006
Materiais nuclearesMercúrio nos peixesDerrames de petróleoDescargas agrícolasEmissões industriaisEsgotosChuva ácidaContaminantes recentes
retardadores de fogoprodutos farmacêuticosprodutos antimicrobianos
Temas actuais em Ecotoxicologia
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Toxicologia de Resíduos 2005/2006
Temas actuais em Ecotoxicologia
Disruptores endócrinos tributilestanho
atrazinadetergentespesticidas
Principais grupos de contaminantes
Toxicologia de resíduos
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Toxicologia de Resíduos
Contaminantesubstância originada como consequência da actividade
humana e presente no ambiente em concentraçõessuperiores às naturais, devido à actividade humana
antropogénicoPoluente
contaminante com efeito prejudicial para os organismosvivos
Toxicologia de Resíduos
Contaminantes com importância ecotoxicológicaorgânicos
inorgânicos
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Toxicologia de Resíduos
Contaminantes Orgânicos
Geralmente obtidos a partir de organismos vivosContêm carbono e pelo menos uma ligação covalente C-H
CH4
Podem provir de fontes naturais ou antropogénicashidrocarbonetos policíclicos aromáticos (PAHs)
Dividem-se em diversos grupos químicos, segundo a suaestrutura molecular
larga gama de propriedades químicas e físicas
Toxicologia de Resíduos
Contaminantes Orgânicos
pesticidasorganocloradosorganofosfatadoscarbamatos
piretróides
herbicidas e fungicidassabões e detergentesprodutos secundários do fabrico de pesticidas
dibenzodioxinas policloradas (PCDDs)dibenzofuranos (PCDFs)
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Toxicologia de Resíduos
Contaminantes Orgânicos
sulfonatos de perfluorooctanilo (PFOs)bifenilos policlorados (PCBs)
bifenilos polibromados (PBBs) e éteres difenílicos (PBDEs)hidrocarbonetos policíclicos aromáticos (PAHs)misturas complexas
esgotosefluentes da indústria do papel
Toxicologia de Resíduos
Geralmente obtidos a partir de fontes mineraisMuitos ocorrem naturalmente
gases inorgânicosmetaismetais pesadosoligoelementosmetalóides
Contaminantes Inorgânicos
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Toxicologia de Resíduos
Contaminantes Inorgânicos
metais pesadoscádmiocobrechumbomercúriozinco
metalóidesarsénico
organometaisorganoestanhometilmercúrio
Toxicologia de Resíduos
Contaminantes Inorgânicos
espécies e gases inorgânicosnutrientes
acidez, alcalinidade e salinidadeoxigénio, oxidantes e reductores
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Toxicologia de Resíduos
Determinado por 2 factores principaispropriedades físico-químicas do composto
condições do ecosistema circundante
Destino dos contaminantes no ambiente
Toxicologia de Resíduos
Destino dos contaminantes no ambiente
Fotólise ou moléculas orgânicas na atmosfera, solo e águas superficiais
Velocidades de degradação reduzidas em sedimentos anaeróbicos
Sedimentos
Deposição atmosférica seca e húmida em ecosistemas terrestres e aquáticos
Volatilização
Partição de contaminantes para a microcamada superficial orgânica
Desorção das partículas e sedimentos
Sorção em partículas e incorporação nos sedimentos
Degradação microbiana em sedimentos de superfícies aeróbicas
Contaminantes provenientes de fontes agrícolas, industriais e residenciais são libertados para o solo, atmosfera e água
Transformação abiótica e microbiana em aquíferos, águas subterrâneas, transporte de águas subterrâneas e deslocação para cursos de água
Absorção e metabolização pelos organismos
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Toxicologia de Resíduos
Transporte dos contaminantes é fortemente influenciado porpartição do composto entre vários compartimentos
ambientaisfases gasosa/aquosafases aquosa/sedimentosfases dissolvida e líquida/sólida
Partição dos contaminantes
Toxicologia de Resíduos
Reacções bióticasreacções mediadas biologicamente, controladas por
microrganismosprocessos mais importantes de controlo da degradaçãode contaminantesmineralização – contaminantes utilizados por bactérias como fonte
de carbono podem ser degradados a CO2, H2O e sais inorgânicos
degradação enzimática em organismos superioresdesintoxicaçãoactivaçãoeliminação de contaminantes
Degradação ambiental
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Toxicologia de Resíduos
Degradação ambiental
Reacções abióticasfotólise – luz entre o UV e o visível é absorvida por
moléculas com consequente quebra de ligaçõesimportante em compostos com ligações duplasconjugadas e estruturas aromáticasfotólise directa – o próprio contaminante absorve a luz e sofre
fragmentação ou oxidaçãofotólise indirecta – luz absorvida por outras moléculas (matéria
orgânica dissolvida) formando espécies reactivas
Toxicologia de Resíduos
Degradação ambiental
hidrólise – reacção de uma molécula de água com o contaminante
normalmente resulta na adição de um grupo hidroxilooxidação – adição de oxigénio, remoção de hidrogénio, ou
remoção de electrões de um elemento ou compostono ambiente, matéria orgânica é oxidada a substânciasmais estáveis
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Toxicologia de Resíduos
Voltando aos Contaminantes Orgânicos
Toxicologia de Resíduos
Contaminantes OrgânicosPesticidas
Empregues com diversos propósitosmoluscidasnematicidasrodenticidas
algicidasbactericidasherbicidasfungicidas
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Toxicologia de Resíduos
Contaminantes OrgânicosPesticidas Organoclorados
Compostos sintéticos em que diversos átomos de H foram substituídos por átomos de Cl
Alguns têm O2 incorporado na sua estruturadieldrinametoxiclor
Exemplos mais comuns:ciclodienos
dieldrina, aldrina, toxafeno e clordano
diclorodifeniletanosDDT e seus metabolitos (DDE, DDD, metoxiclor)
benzenos cloradoslindano
Toxicologia de Resíduos
Contaminantes OrgânicosPesticidas Organoclorados
Dieldrina ClordanoToxafeno
LindanoMetoxiclor
Diclorodifeniletanos:
Ciclodienos:
Ciclohexanos:
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Toxicologia de Resíduos
Contaminantes OrgânicosPesticidas Organoclorados
Estruturalmente diferentes da maioria dos compostosnaturais
degradação lentaMaioria tem elevado peso molecular e baixa
hidrossolubilidadetendem a bioacumular e a biomagnificar na cadeiaalimentar
Podem ser volatilizados a partir dos sedimentos e redistribuídos pelas correntes de arcontaminação de áreas distantes
Devido à sua persistência e toxicidade têm deixado de ser usados
Toxicologia de Resíduos
Contaminantes OrgânicosPesticidas Organoclorados
Modo de acçãoprovocam efeitos neurotóxicos ao interferirem com o
movimento dos iões através das membranasneuronaisaumentam sensibilidade dos neurónios, originando tremores
generalizados
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Toxicologia de Resíduos
Contaminantes OrgânicosPesticidas Organoclorados
DDE e DDD têm tempos de meiavida de vários anos
banido há ~30 anosbaixa toxicidade paramamíferos, mas pode ser carcinogénico
DDE e DDD são disruptoresendócrinos
DDT
DDE DDD
Diclorodifeniletanos:
Toxicologia de Resíduos
Contaminantes OrgânicosPesticidas Organofosfatados
Derivados do ácido ortofosfórico, contendo fósforo e ligações éster
alguns contêm enxofreMais hidrossolúveis que os organocloradosTempos de meia vida entre dias e semanas
Ácido Ortofosfórico AdiazinãoClorpyrifos
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Toxicologia de Resíduos
Contaminantes OrgânicosPesticidas Organofosfatados
Modo de acçãoinibição da actividade da acetilcolinoesterase
sistema enzimático comum à maioria dos organismospouca especificidade
Toxicologia de Resíduos
Contaminantes OrgânicosPesticidas Carbamatos
Derivados do ácido carbâmicoBaixa persistência
frequente uso como insecticidas em jardins e relvados
Carbarilo Carbofurano
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Toxicologia de Resíduos
Contaminantes OrgânicosPesticidas Carbamatos
Modo de acçãoinibição da actividade da acetilcolinoesterase
idêntico ao dos organofosfatados
Toxicologia de Resíduos
Contaminantes OrgânicosPesticidas Piretróides
Análogos sintéticos das piretrinas produzidas naturalmente pelas flores de crisântemos
Frequente uso como insecticidasSofrem rápida biodegradação no ambientePodem causar toxicidade em peixes e invertebrados
AletrinaPiretrina I Permetrina
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Toxicologia de Resíduos
Contaminantes OrgânicosPesticidas Piretróides
Modo de acçãoprovocam efeitos neurotóxicos semelhantes aos do DDT
Toxicologia de Resíduos
Contaminantes OrgânicosHerbicidas
Empregues para controlo de ervas daninhas emagricultura (soja, milho, ...), relvados, campos de golfe
Entram no ambiente aquático por escoamento superficial ou deposição atmosférica
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Toxicologia de Resíduos
Contaminantes OrgânicosHerbicidas
Herbicidas aromáticos são os mais frequentementeutilizados
bipiridinas – Diquat, Paraquattriazinas – Atrazinaclororofenoxi-herbicidas – 2,4-Dazotados – Propanil, Alachlor
N
N
Diquat
N
O
Cl
O
Alachlor
Toxicologia de Resíduos
Contaminantes OrgânicosHerbicidas
Muito hidrossolúveisForte tendência para particionar nos solos
tem que ser directamente aplicado na plantaEm geral degradam-se por hidrólise ou acção microbiana
tempo de meia vida de semanas ou meses
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Toxicologia de Resíduos
Contaminantes OrgânicosHerbicidas
Metabolismo da Atrazina
Toxicologia de Resíduos
Contaminantes OrgânicosDibenzodioxinas Policloradas (PCDDs) e
Dibenzofuranos Policlorados (PCDFs)
Compostos estruturalmente semelhantesproduzidos durante diversas reacções químicas e
térmicasnão são produzidos intencionalmentenão têm valor de mercado
Hidrocarbonetos aromáticos halogenados
diversos graus de cloração
2,3,7,8-Tetracloro-dibenzo-p-dioxina (TCDD ou Dioxina)
2,3,7,8-Tetracloro-dibenzofurano
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Toxicologia de Resíduos
Contaminantes OrgânicosDibenzodioxinas Policloradas (PCDDs) e
Dibenzofuranos Policlorados (PCDFs)
Elevada estabilidade químicadifícil biodegradação
elevada persistênciaBaixa hidrossolubilidade75 congéneres de PCDD e 135 de PCDF
Toxicologia de Resíduos
Contaminantes OrgânicosSulfonatos de Perfluorooctanilo (PFOs)
Contaminantes recentesCompostos fluorados usados como:
refrigerantesadesivosretardadores de chamalubrificantes
degradam-se no ambiente, formando PFOs
PFO
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Toxicologia de Resíduos
Contaminantes OrgânicosBifenilos Policlorados (PCBs)
Resultado da cloração de uma molécula de bifeniloUtilização:
condutores de calor em transformadores eléctricosplastificanteslubrificantes
209 congéneres possíveisfunção do nº de Cl substituintes
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Toxicologia de Resíduos
Contaminantes OrgânicosBifenilos Policlorados (PCBs)
Compostos sintéticosMetabolizados ou degradados lentamente
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Toxicologia de Resíduos
Contaminantes OrgânicosBifenilos Policlorados (PCBs)
Modo de acçãoafectam diversos sistemas
nervosoendócrino
afectam vias bioquímicascrescimento celularmetabolismo
Toxicologia de Resíduos
Contaminantes OrgânicosBifenilos Polibromados (PBBs)
Resultado da bromação de uma molécula de bifeniloUtilização:
misturas para uso como retardantes de fogoDestino ambiental e efeitos semelhantes aos dos PCBsRaramente encontrados em concentração significativa no
ambiente
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Toxicologia de Resíduos
Contaminantes OrgânicosÉteres Difenílicos Polibromados (PBDEs)
Contaminantes recentes, aumentando rapidamente!Utilização:
diminuir a inflamabilidade de têxteis e equipamentoelectrónico
Configuração semelhante aos PCBs e PBBs, mas com um átomo de O a separar os 2 anéis
Existe em misturas complexas, com mais de 175 tiposdiferentes
2,2',4,4',5-difeniléter-pentabromado
Toxicologia de Resíduos
Contaminantes OrgânicosÉteres Difenílicos Polibromados (PBDEs)
3 misturas comerciais mais importantes:decabromodifeniléter (deca-BDE)
octabromodifeniléter (octa-BDE)pentabromodifeniléter (penta-BDE)
Geralmente estáveis, mas podem sofrer perca de átomosde Br, no ambienteaumento de toxicidade
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Toxicologia de Resíduos
Contaminantes OrgânicosÉteres Difenílicos Polibromados (PBDEs)
Modo de acção:disruptor endócrino
altera função da tiróide
Toxicologia de Resíduos
Contaminantes OrgânicosHidrocarbonetos Policíclicos Aromáticos (PAHs)
Resultado da combustão incompleta da matéria orgânicaOs de maior peso molecular são mais hidrofóbicos
podem bioacumular nos sedimentos e organismosbenzo[a]pireno
Os de menor peso molecular são altamente tóxicosantraceno
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Toxicologia de Resíduos
Contaminantes OrgânicosHidrocarbonetos Policíclicos Aromáticos (PAHs)
Modo de acção:convertidos em intermediários reactivos durante o
metabolismoinduzem cancro
Toxicologia de Resíduos
Contaminantes OrgânicosHidrocarbonetos Policíclicos Aromáticos (PAHs)
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Toxicologia de Resíduos
Contaminantes OrgânicosMisturas Complexas
Esgotosprovenientes de fontes domésticas, comerciais,
industriais e processamento de alimentossubstâncias com carência de oxigénio (fezes, gorduras, sólidos) removidas por processos primários e secundários de tratamento de resíduospoluentes que podem restar após tratamento:
produtos domésticos (detergentes)patogénicos (vírus e bactérias)sais (amaciadores da água, resíduos humanos)metais pesados (resíduos industriais, laboratórios químicos)produtos farmacêuticos (hormonas, antibióticos, inibidores de
absorção da seratonina)
Toxicologia de Resíduos
Contaminantes OrgânicosEstrogénios Naturais e Sintéticos
Presentes em esgotos e águas a jusante de ETARsModo de acção:
disruptores endócrinosfeminização de peixes machos
Estrogénio natural : Estradiol, E2Estrogénio sintético : Etinilestradiol, EE2
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Toxicologia de Resíduos
Contaminantes OrgânicosAlquilfenóis etoxilados (APEs) e Alquilfenóis (APs)
Presentes em esgotos e águas a jusante de ETARsUtilização:
APEs são tensioactivos usados em detergentes, pesticidas, cosméticos e tintasbiodegradados durante tratamento de efluentes, formando APs
NonilfenolOctilfenol
Toxicologia de Resíduos
Contaminantes OrgânicosAlquilfenóis etoxilados (APEs) e Alquilfenóis (APs)
Modo de acção:disruptores endócrinos
estrogénicos
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Toxicologia de Resíduos
Contaminantes OrgânicosMisturas Complexas
Efluentes da indústria do papelcontêm cerca de 300 compostos químicos
composição química depende de:tipo de árvore usada (madeira dura ou mole)processo de cozeduraprocesso de branqueamento (uso de cloreto?)tratamento de efluentes
compostos considerados tóxicos:ácidos gordos e ácidos resínicos (componentes naturais da madeira)esteróis vegetais (funcionam como hormonas)compostos clorados (dioxinas, fenóis clorados, ...)
Toxicologia de Resíduos
Voltando aos Contaminantes Inorgânicos
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Toxicologia de Resíduos
Contaminantes Inorgânicos
Metais pesadoscádmio
cobrechumbomercúriozinco
Metalóidesarsénico
Organometaisorganoestanhometilmercúrio
Toxicologia de Resíduos
Contaminantes Inorgânicos
Espécies e gases inorgânicosNutrientes
Acidez, alcalinidade e salinidadeÓxigénio, oxidantes e redutores
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Toxicologia de Resíduos
Contaminantes InorgânicosMetais Pesados
Entre os poluentes mais prejudiciaisInclui tanto elementos essenciais (Fe) como tóxicos (Cd, Pb,
Hg)Libertados para o ambiente como resíduos industriais, das
minas, produtos de combustão e pesticidas agrícolas
Toxicologia de Resíduos
Contaminantes InorgânicosMetais Pesados
Modo de acção:grande afinidade para os grupos sulfurados das enzimas
e outras proteínaspodem ligar-se às membranas celulares, alterando osprocessos de transporte através das paredes celulares
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Toxicologia de Resíduos
Contaminantes InorgânicosMetais Pesados - Mercúrio
Fontes:antropogénicas
processamento de bases e metaisincineração de carvãoresíduos médicos e outrosminagem de ouro e mercúrio
naturaisvulcõesdepósitos geológicos de mercúriovolatilização a partir do oceano
deposição atmosférica é a principal fonte
Toxicologia de Resíduos
Contaminantes InorgânicosMetais Pesados - Mercúrio
Efeitos tóxicos dependem da forma química e da via de exposição
metilmercúrio (CH3Hg) é a forma mais tóxicamercúrio elementar (Hg) é a forma menos tóxica
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Toxicologia de Resíduos
Contaminantes InorgânicosMetalóides
Arsénico (As) é o mais importante no ambientepropriedades entre metais e não metais
Fontes naturais e antropogénicasAs pode ser metilado por microrganismos, dando
compostos muito mais tóxicos e biodisponíveis
Toxicologia de Resíduos
Contaminantes InorgânicosOrganometais
Átomos metálicos covalentemente ligados a compostosorgânicos
tributil estanho (TBT)intencionalmente sintetizado para uso industrial como agente
antivegetativo para impedir crescimento de cracas e outrosorganismos nos barcos
metilmercúrioproduto de degradação microbiana
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Toxicologia de Resíduos
Contaminantes InorgânicosNutrientes
Excesso de nutrientes azotados e/ou fosforilados nossistemas aquáticos
eutrofizaçãoN e P entram nas massas de água a partir de:
escoamento superficialchuvasdeposição atmosféricaesgotos e descargas industriais
Toxicologia de Resíduos
Contaminantes InorgânicosNutrientes
Sintomas:desenvolvimento explosivo de algas à superfície
hipoxiamorte de peixes
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Exposição, interacções químicas e
dosagem-resposta
Toxicologia de Resíduos
Toxicologia de Resíduos
Conceitos básicos
Para se dar um efeito tóxico, um composto químico terá quealcançar o orgão alvo numa concentração suficientemente
elevada e durante tempo suficientemente longodepende de:
propriedades químicas e físicas do agente tóxicoduração e momento da exposiçãoconcentração da exposiçãosusceptibilidade do sistema biológico
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Toxicologia de Resíduos
Características da exposição
Principais vias de exposição:tracto gastrointestinal (ingestão)
pulmões (inalação)peleoutras vias (injecções):
intraperitonealintravenosaintramuscular
guelras (peixes e outros vertebrados)
Toxicologia de Resíduos
Duração da exposição
Aguda - < 24 hSubaguda - ≤ 1 mês
Subcrónica – 1 – 3 mesesCrónica - > 3 meses
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Toxicologia de Resíduos
Frequência da exposiçãoC
on
ce
ntr
açã
o n
o o
rgã
o a
lvo
3
2
1
Intervalo da resposta tóxica
A
B
C
A: Compostos com velocidades de eliminação muito lentas (1 ano)
B: Compostos com velocidades de eliminação intermédias (iguais à frequência da dosagem, 1 dia)
C: Compostos com velocidades de eliminação muito rápidas (> frequência da dosagem, 6 h)
Dose únicaDoses múltiplas
Toxicologia de Resíduos
Momento da exposição
Janelas de sensibilidadeprimeiras fases de vida dos organismos são mais
sensíveis aos efeitos dos contaminantesdiferenciação sexualorganogénesecrescimento somático
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Toxicologia de Resíduos
Interacções Químicas
Tipos:aditiva
efeito combinado de 2 compostos igual à soma dos efeitos de cada um
sinérgicaefeito combinado de 2 compostos muito superior à soma dos efeitos de cada um
potenciaçãoquando uma substância não possui efeito tóxico mas, adicionada a outra torna o efeito tóxico desta muito maior
antagónicaquando as acções de 2 compostos interferem uma com a do outro
Toxicologia de Resíduos
Concentração de exposição vs. Dosagem
Concentração de exposiçãoconcentração ambiental à qual os animais estão expostos
Dosagemquantidade total de um composto administrada a um
organismoexpressa em termos de massa corporal
Dose aplicadaquantidade administrada oralmente (ou na pele) por
unidade de pesoDose absorvida
quantidade efectivamente absorvida por unidade de peso
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Toxicologia de Resíduos
Resposta
Alteração relativamente ao estado normalníveis molecular, celular, orgão, organismo
sintomas“endpoint”
Local vs. sistémicaReversível vs. irreversívelImediata vs. retardadaGradual vs. quantal
Quantal ≡ resposta tudo ou nada
Toxicologia de Resíduos
Relação Dosagem-Resposta
À medida que aumenta a dosagem de um agente tóxico, também a resposta aumenta
0 1
Dose (escala log)
Resp
osta
10 100 1000
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Toxicologia de Resíduos
Formas do gráfico Dosagem-Resposta
0 1
Dose (escala log)
Resp
osta
10 100 1000
Morte
To
xic
ida
de
Se
m e
feit
o
Nutrientes essenciais
Agentes tóxicosPatamar
Toxicologia de Resíduos
Formas do gráfico Dosagem-Resposta
0 1
Dose (escala log)
Resp
osta
10 100 1000
Morte
To
xic
ida
de
Se
m e
feit
o
Composto A Composto B
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Toxicologia de Resíduos
Gráfico Dosagem-Resposta
Patamardose abaixo da qual não é detectável qualquer efeito
Nível de efeito adverso não observável (NOAEL)nível de exposição mais elevado para o qual não é
observável qualquer efeitoNível de efeito adverso observável mais baixo (LOAEL)
nível de exposição mais baixo ao qual está associado um efeito adverso
Diferença entre NOAEL e PatamarNOAEL usado para medir efeitos crónicos
Toxicologia de Resíduos
Gráfico Dosagem-Resposta
LD50
valor tirado do gráfico
dose de um composto capaz de provocar a morte de 50% dos animais testados
LC50
quando a dose é desconhecida (contaminação a partir do ar respirado ou da água em que vivem)concentração de um composto capaz de provocar a mortede 50% dos animais testados
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Toxicologia de Resíduos
Variações na resposta tóxica
Susceptibilidade individualnuma dada população, a resposta pode variar entre 10 e
30 vezesgenética
variações em espécie e estirpe
géneroestado nutricionalidade
jovens têm mecanismos excretadores, sistemas de biotransformaçãoe barreira hematoencefálica pouco desenvolvidos
velhos têm maior teor de gordura corporal e alterações nas taxasmetabólica e excretória
estado de saúdeexposições prévias ou concorrentes
efeitos aditivo, antagonista ou sinérgico
Absorção, distribuição, excreção e
biotransformação de contaminantes em organismos vivos
Toxicologia de Resíduos
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Toxicologia de Resíduos
Absorção
Processo pelo qual os agentes tóxicos atravessam membranasdo corpo e entram na corrente sanguínea
Processos de absorção mais prováveisoral
absorção gastrointestinal
inalaçãopulmões e guelras
Toxicologia de Resíduos
Absorção
Vias celulareslipídica
pequenos compostos polares sem carga (lipofílicos)
aquosagrandes compostos hidrofílicos, transportados por canais e proteínas
de transporte
endocitosemetais e nutrientes essenciais
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Toxicologia de Resíduos
Absorção
Canal de iões
Bomba de iões
Molécula transportadora
Transporte Activo
Difusão
Difusão facilitada
Endocitose
Difusão através da bicamada lípidica
cabeça polar
Fosfolípido
cadeia de ác. gordo
Toxicologia de Resíduos
Absorção pelo tracto Gastrointestinal
Diferentes velocidades de absorção entre espéciesdiferentes morfologias, devido a preferências alimentares
Absorção pode ocorrer em todo o tractoboca até recto
Absorção depende de:pH
estômago mais ácido que intestino
fluxo do sangueárea e motilidade no intestinopresença de sistemas de transporte especializados
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Toxicologia de Resíduos
Absorção pelos Pulmões
Gases, vapores ou líquidos voláteisnasofaringetraqueiabronquíosbronquíolosalvéolos
Velocidade de absorção de gases depende da razão de solubilidade[sangue]/[fase gasosa]
gases com baixa solubilidade – absorção aumenta apenas com o aumento de fluxo do sangue
gases com elevada solubilidade – absorção aumenta apenas com aumento da velocidade respiratória
Lipossolubilidade e pH são pouco importantes
Toxicologia de Resíduos
Absorção pelos Pulmões
Aerossóis e partículas aero-transportadasPartículas > 10 mm não entram no sistema respiratório
Partículas < 0.01 mm são exaladasPartículas entre 0.01 – 10 mm percorrem todo o caminho
até aos alvéolos
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Toxicologia de Resíduos
Absorção pelos Pulmões
Toxicologia de Resíduos
Absorção pelas Guelras
Peixes e outros vertebradosAbsorção directamente proporcional à velocidade de
ventilaçãoespécies com maiores necessidades de O
2, absorvem
mais compostos químicosdeficiência de O2 ou exercício físico traduzem-se emmaior absorção de contaminantes
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Toxicologia de Resíduos
Absorção pela Pele
Pouco permeávelProdutos químicos têm
que atravessardiversas barreirasepiderme – maiorsuperfície da pelederme – glândulassudoríferas e sebáceas, folículoscapilares, vasossanguíneos
Toxicologia de Resíduos
Absorção pela Pele
Maioria dos produtos químicos atravessa a pele pordifusão passiva
Importante via de exposição para animais com pele maciaanfíbios, répteis, peixes sem escamas
Exoesqueleto dos invertebrados é muito permeável a agentes tóxicos lipofílicos
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Toxicologia de Resíduos
Distribuição
Após entrar no sangue, um composto químico é rapidamentedistribuído pelo corpo
Velocidade de distribuição depende de:Fluxo sanguíneo através do orgão ou tecidoVelocidade de difusão dos capilares para as célulasAfinidade do orgão ou tecido para o contaminante
Toxicologia de Resíduos
DistribuiçãoOrgãos alvo
Efeito adverso depende da concentração do compostoactivo no tecido alvo, durante tempo suficiente
Orgãos afectados diferentementefígado – fluxo sanguíneo elevado; reacções oxidativasrins – fluxo sanguíneo elevado; concentra produtos
químicospulmões – fluxo sanguíneo elevado; local de exposiçãoneurónios – dependentes do O2; danos irreversíveis
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Toxicologia de Resíduos
DistribuiçãoVolume de Distribuição
Concentração do composto no plasma reflecte a suadistribuição
ex: compostos lipossolúveis terão baixa concentração no plasma
Con
c. sa
ng
uín
ea
Tempo
A
B
A: administração oralB: administração IV
Toxicologia de Resíduos
DistribuiçãoBarreiras Naturais
Barreira hematoencefálicaimpede parcialmente a passagem de
agentes tóxicos para o Sistema Nervoso Central
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Toxicologia de Resíduos
DistribuiçãoBarreiras Naturais
Placentaimpede a passagem de agentes tóxicos para o feto,
através de processos de biotransformação
Toxicologia de Resíduos
Ligação e Armazenamento
Proteínas do plasmaCapazes de se ligar a diversos compostos
albuminatransferina (metais)lipoproteínas
Fígado e rinsGrande capacidade de ligação
metalotioneína (metais pesados)ligandina (ácidos orgânicos)
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Toxicologia de Resíduos 2005/2006
Ligação e Armazenamento
Tecido adiposoArmazenamento de contaminantes lipossolúveis
OCPsPCBs
OssosArmazenamento de inorgânicos
FPbSr
Toxicologia de Resíduos
Eliminação
Rins e urinaVias mais importantes para eliminação de agentes tóxicos
sobretudo pequenas moléculas hidrossolúveisProcessos de excreção
filtraçãodifusãotransporte activo
Excreção Urinária
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Toxicologia de Resíduos
EliminaçãoExcreção Biliar
Sistemas específicos de transportetransporte activo
Circulação enterohepáticarecirculação de compostos para o fígado
Toxicologia de Resíduos
EliminaçãoOutras vias de Excreção
Pulmõescompostos voláteis
Leite maternocompostos lipossolúveis
Gema de ovocompostos lipossolúveis
Suor, saliva, lágrimas, sémencompostos hidrossolúveis
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Toxicologia de Resíduos
Metabolismo ou Biotransformação
Normalmente provoca aumento da hidrossolubilidade dos compostos químicos
Diminui tempo de meia vida e tempo de exposiçãodiminui toxicidade
Também pode provocar aumento da toxicidade!
Toxicologia de Resíduos
Metabolismo ou BiotransformaçãoReacções enzimáticas
Fase Ialteração do agente tóxico, adicionando um grupo
funcionalFase II
conjugação de metabolitos da Fase I (adição de grupopolar) para excreção final
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Toxicologia de Resíduos
Metabolismo ou BiotransformaçãoReacções enzimáticas
Fase I Fase II
Oxidação Sulfatação
Redução Glucoronidação
Hidrólise Conjugação de glutationa
Hidratação Acetilação
Desalogenação Conjugação de aminoácidos
Toxicologia de Resíduos
Metabolismo ou BiotransformaçãoReacções enzimáticas
Citocromas P450catalizam reacções da Fase I
diversas isoenzimasmaioria encontra-se no fígadopossuem um átomo de Fe (grupo hemo)
CYP-450 3AHemo
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Mecanismos de toxicidade
Toxicologia de Resíduos
Toxicologia de Resíduos
Agentes tóxicos finais
Podem ser os compostos originais (TCDD) ou os seusmetabolitos (PAHs)
ActivaçãoBiotransformação dos compostos iniciais em produtos
tóxicosAumento de reactividade pode dever-se à conversão dos
compostos iniciais em:electrófilosradicais livres
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Toxicologia de Resíduos
Agentes tóxicos finaisElectrófilos
Moléculas que contêm um átomo deficiente em electrõespodem reagir com outras moléculas por partilha de pares de electrõespodem ser tóxicas para as célulasfrequentemente produzidas por oxidação com CYP450s
Toxicologia de Resíduos
Agentes tóxicos finaisElectrófilos
PAHs podem ser metabolizados para formar electrófilos
OH
CYP450
HO
O
B[a]P diol epóxidoBenzo[a]pireno
Carcinogénico
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Toxicologia de Resíduos
Agentes tóxicos finaisRadicais livres
Compostos altamente reactivos, com um único electrãodesemparelhado na órbita mais externatransferem esse electrão para O2
O2
.(superóxido)
muito tóxicos para as célulasstress oxidativo
reagem entre sireacções autocatalíticas em cadeia
espécies reactivas de oxigénio (ROS)radicais livres derivados do O2
H2O2, NO
Toxicologia de Resíduos
Agentes tóxicos finaisRadicais livres
Formados no corpo por estímulos fisiológicos (naturais) e patológicos
fisiológicosrespiração mitocondrial
O2, H2O2, NOcélulas
NO3, NO2
patológicosradiação ionizante
lise da água corporal (H2OH++ OH-)metais de transição
Cu+, Fe2+
radiação UVagentes tóxicos
paraquat
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Toxicologia de Resíduos
Agentes tóxicos finaisRadicais livres
Toxicologia de Resíduos
Agentes tóxicos finaisInteracção com as Moléculas alvo
Radicais livres provocam peroxidação dos lípidos e stress oxidativo
ácidos gordos polinsaturados das membranas celularesparticularmente vulneráveislipoperoxidação aumenta permeabilidade das células
influxo de cálcioalteração do pH celular
Radicais livres alteram enzimas e proteínas receptorasRadicais livres provocam fracturas nos núcleos celulares
danos no DNAmorte celularmutações no DNA
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Toxicologia de Resíduos
Agentes tóxicos finaisInteracção com as Moléculas alvo
Toxicologia de Resíduos
Vias de Desintoxicação
Electrófilosconjugação com glutationa (nucleófilo)
Radicais livrespresença de antioxidantes
vitaminas (C, E)enzimas
dismutase do superóxidocatalaseglutationa peroxidase
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Toxicologia de Resíduos 2005/2006
Disfunção Celular
Induzida por:Stress oxidativo (lipoperoxidação)Desregulação e manutenção celular
Toxicologia de Resíduos
Disfunção Celular
Desregulação celular da:expressão genética
divisão celularapoptosesíntese e transcrição proteica
actividade celularalteração na regulação da actividade neural e/ou muscular
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Toxicologia de Resíduos
Disfunção Celular
Alteração da manutenção celular (morte/dano celular) por:manutenção interna
síntese de ATPregulação de Ca2+
síntese proteicafunção membranar
manutenção externafuncionamento deficiente de sistemas integrados
ex: gluconeogénese hepática
Toxicologia de Resíduos
Reparação
Reparação
Molecular
Celular
Tecidular
Proteína
Lípido
DNA
Apoptose Proliferação
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Toxicologia de Resíduos
Disrupção
Necrose dos tecidosmorte celular
Fibrose dos tecidosdeposição excessiva de matrizes extracelulares com composição “anormal”
Cancerigeneseproliferação celular anormal e desregulada
Toxicologia de Resíduos
Disrupção
Necrose
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Testes de toxicidade em animais
Toxicologia de Resíduos
Toxicologia de Resíduos
Testes de toxicidade
Integração de 3 estratégiasRastreio químico
em laboratório ou no exteriorEstudos em mesocosmo
ambiente confinado, simulando um ecosistema naturalTrabalho de campo de avaliação ecológica
populações naturais estudadas no seu ambiente natural
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Toxicologia de Resíduos
Testes de toxicidade
Tipos de testes:In vitro
células ou tecidosIn vivo
animal inteiroMicrocosmoMesocosmoTrabalhos de campo
Toxicologia de Resíduos
Testes de toxicidade
Tipos de testes:In vitro
muito rápidos e baratos úteis para estabelecer mecanismos de acção dos agentes tóxicos difícil extrapolação para animais vivos
In vivoexactamente o contrário
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Toxicologia de Resíduos
Testes de toxicidade
Tipos de testes:Agudos
muito rápidos e baratos apropriados para agentes tóxicos que induzemmortalidade
Crónicosimportantes para diversos efeitos sub-letais caros e lentos
Toxicologia de Resíduos
Testes de toxicidadeAves
Codorniz do Japão (Coturnix coturnix)
Colin da Virgínia(Colinus virginianus)
Pato real (Anas platyrhynchos)
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Toxicologia de Resíduos
Testes de toxicidadeAves
Vantagens:incubação e maturação rápidasovos grandes e de rápido desenvolvimentoaves pequenaspodem reproduzir-se ao longo de todo o anopõem muitos ovos (>300/ano)adaptam-se a gaiolaspadrões endócrinos e comportamentais bemcaracterizadosdimorfismo da plumagem
Toxicologia de Resíduos
Testes de toxicidadeMamíferos
Arganaz dos pradosMicrotus pennsylvanicus
Rato veadeiroPeromyscus maniculatus
MartaMustela vison
HerbívoroOmnívoro
Carnívoro
Muito poucos protocolos para animais selvagens
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Toxicologia de Resíduos
Testes de toxicidadeAnfíbios
FETAX – Frog Embryo Teratogenesis Assayfeito com embriões de sapo africano (Xenopus laevis)
dura 4 dias e segue o desenvolvimento desde embrião até larvacapaz de controlar diversos tipos de toxicidade
agudacrónicade desenvolvimento
avaliação de riscos ecológicos e para a saúde humanagrau de confiança de ~85% para mamíferosrápido e barato
Toxicologia de Resíduos
Testes de toxicidadeAnfíbios
Ciclo de vida do sapo africano
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Toxicologia de Resíduos
Testes de toxicidadePeixes
Ciclo de vida curtopoucos meses
Reprodução com muitos descendentesPeixes relativamente pequenos
utilizam espaços pequenosSuficientemente grandes
permite recolher amostras de tecidosCaracterísticas sexuais distintas
Toxicologia de Resíduos
Testes de toxicidadePeixes
Medaka japonesa (Oryzias latipes )
Vairão-de-cabeça-grande (Pimephales promelas)
♀
♂
Peixe zebra (Danio rerio)
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Toxicologia de Resíduos
Testes de toxicidadePeixes
♀
♂
FecundidadeFertilidade
Crescimento e desenvolvimento dos embriõesTaxas de eclosão
Sobrevivência e crescimento dos descendentes
Teste de ciclo de vida com zebras
Toxicologia de Resíduos
Testes de toxicidadePeixes
Achigã (Micropterus salmoides)grande predador
exposto a poluentes persistentesvasta distribuição geográficafácil recolha de tecidos
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Toxicologia de Resíduos
Testes de toxicidadeInvertebrados aquáticos
DaphniaDaphnia magna
Hyalella azteca
Chironomus tentans
Toxicologia de Resíduos
Testes de toxicidadeComo escolher um modelo animal?
Relevância ecológicaTamanho
Dimorfismo sexual Capacidade de atingir a maturidade reprodutivaDisponibilidadeConhecimentos básicos sobre a sua fisiologia e ecologiaCapacidade de sobreviver e reproduzir-se em cativeiro
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Toxicocinética
Toxicologia de Resíduos
Toxicologia de Resíduos
Cinética
Como um produto químico alcança o orgão alvoPerfis concentração vs. tempo
Regulação por 2 processos:absorçãoeliminação (metabolismo)
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Toxicologia de Resíduos
CinéticaDiferenças entre espécies
Mesmos tecidos em espécies diferentes tendem a tersensibilidades semelhantes a um dado composto químico
Maioria das diferenças em sensibilidade entre espéciesdeve-se a diferenças cinéticas
Toxicologia de Resíduos
CinéticaTamanho corporal
Animais mais pequenos receberão maiores doses (porunidade de massa) que os maiores
Efeito de massa corporal maior em animais jovensmaior necessidade de energia
Devem ser usadas como “sentinelas” as menores espéciesde um dado grupo
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Toxicologia de Resíduos
Biodisponibilidade e Bioacessibilidade
BiodisponibilidadeDose absorvida/Dose aplicadaQuantidade disponível para produzir efeitos biológicos no
corpoBioacessibilidade
Fracção não ligada ao soloConsiderada “disponível para absorção”
Toxicologia de Resíduos
Eliminação
Animais com elevada velocidade metabólica têm elevadavelocidade de eliminação
Animais mais pequenos necessitam maiores dosesPara manter o nível sanguíneo
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BiomarcadoresMoleculares
Toxicologia de Resíduos
Toxicologia de Resíduos
Biomarcadores podem ser medidos a diversos níveis
Resposta biológica
Exposição/Nível de StressAlto Baixo
Molecular
Bioquímico
Celular
Tecido
Sistémico
Organismo
População
Ecosistema
Resposta Temporal
Min/horas Dias Semanas/Meses Anos
Gerações biológicas
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Toxicologia de Resíduos
Biomarcadores
Ferramentas para monitorizar funções biológicas e a saúdeMedidas quantificáveis
bioquímicashistológicasfisiológicas
relacionam o grau de disfunção provocado por contaminantes
Toxicologia de Resíduos
Biomarcadores
Podem ser:Específicos
detecção de enzimas em orgãos alvoquantificação da actividade enzimática nos orgãos
Não específicoscrescimentometabolismo
Exposiçãoquantificação da actividade enzimática
Efeitosindução de genes e proteínas
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Toxicologia de Resíduos
BiomarcadoresCritérios para avaliação
Sensibilidade e especificidadeFacilidade de interpretaçãoTempo para manifestação do “endpoint”Permanência da respostaFiabilidadeAplicação às condições de campo
Toxicologia de Resíduos
BiomarcadoresMoleculares - Proteínas
Desintoxicação, metabolismo e excreçãoCYP450s
catalizam reacções de desintoxicação e bioactivaçãohemoproteínas associadas às membranas
metalotioneínasligam-se a metaisinduzidas por metais pesadosparticipam em desintoxicação e sequestro de metais
proteínas de stressdefesas antioxidantes
glutationacatalasedismutase do superóxido
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Toxicologia de Resíduos
BiomarcadoresMoleculares - Proteínas
Outras proteínasvitelogeninaproteínas do ovo
vertebrados e invertebrados
receptores celulares
Toxicologia de Resíduos
BiomarcadoresMoleculares - ADN
Quebra de ADN pode ser detectada pelo “ensaio cometa”electroforese unicelular em gel
Ensaio cometa
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Toxicologia de Resíduos
Genómica e Proteómica
Novo campo científico que estuda o envolvimento de todo o genoma, nas respostas biológicas de organismosexpostos a agentes tóxicos e solicitações (stresses) ambientais
Combina informações de:genómica
perfis de m-ARN à escala do gene
proteómicaperfis de proteínas à escala da célula ou do tecido
Toxicologia de Resíduos
Genómica
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Toxicologia de Resíduos
Proteómica
Electroforese em gel a 2 dimensões para análise
simultânea de centenas de proteínas
BiomarcadoresBioquímicos, Celulares e
Tecidulares
Toxicologia de Resíduos
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Toxicologia de Resíduos
Biomarcadores podem ser medidos a diversos níveis
Resposta biológica
Exposição/Nível de StressAlto Baixo
Molecular
Bioquímico
Celular
Tecido
Sistémico
Organismo
População
Ecosistema
Resposta Temporal
Min/horas Dias Semanas/Meses Anos
Gerações biológicas
Toxicologia de Resíduos
Respostas Bioquímicas
HormonasReprodução
esteróides sexuaisCrescimento e metabolismo
hormonas da tiróideStress
hormonas de stresscorticosteróides
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Toxicologia de Resíduos
Respostas Celulares
Morfologia celularhistologia e histopatologiamétodo rentável para verificar efeitos tóxicos e exposição pouco conhecimento da histologia normal e dos seusdesvios maioria das avaliações é qualitativa
Toxicologia de Resíduos
Respostas Tecidulares
Peso dos orgãosíndices organosomáticos
(peso do orgão/peso do corpo)x100fígado
índice hepatosomático (HSI)gónadas
índice gonadosomático (GSI)
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Toxicologia de Resíduos
Respostas Tecidulares
índices organosomáticosgrande variação de espécie para espécieafectados por:
estado nutricional (fígado)estado reproductivo (fígado e gónadas)exposição a contaminantes
aumenta HSI
diminui GSI
Toxicologia de Resíduos
Respostas Tecidulares
índices organosomáticosvantagens:
fácil e baratodesvantagem:
não específico
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Toxicologia de Resíduos
Avaliação do risco
Toxicologia de Resíduos
Avaliação de Riscos
Avaliação do impactoIdentificação dos problemas ambientais específicos a um
projectoponderação desses problemas na elaboração do projecto
Avaliação dos riscosDeterminação de um nível aceitável de contaminação, que
proteja as comunidades e os ecosistemas
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Toxicologia de Resíduos
Avaliação de Riscos
Perigocaracterística intrínseca de um poluente, causadora de potenciais efeitos nefastos aos sistemas ecológicos
Riscoprobabilidade de que o efeito nefasto de um poluente se manifeste num dado compartimento biológico
Toxicologia de Resíduos
Avaliação de Riscos
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Toxicologia de Resíduos
Avaliação de RiscosProcesso de avaliação dos riscos
Identificação dos perigos apresentados pelos compostosquímicos, efluentes, dejectos, solos e sedimentosrelativamente a animais e plantas e suas associações aoseio dos ecosistemas
Definição da exposição dos alvos considerados (animais, plantas) no seu meio
Avaliação dos efeitos sobre os alvosEstabelecimento de uma relação dosagem-resposta
Caracterização dos riscosUsando as informções das etapas anteriores
Toxicologia de Resíduos
Avaliação de RiscosProcesso de avaliação dos riscos
Identificação dos perigosProcesso pelo qual se determina se uma substância é
potencialmente perigosa para a saúde humana e o ambiente
Baseia-se em:mobilidade do produto no ambientereactividade com os elementos bióticos e abióticosefeitos sobre os organismos vivos
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Toxicologia de Resíduos
Avaliação de RiscosProcesso de avaliação dos riscos
Avaliação da exposiçãoDeterminar a concentração prevísivel no ambiente (PEC)
utiliza modelos que têm em conta:local de emissão e suas especificidadesprocessos industriaissubstâncias e quantidades emitidasmeios receptores e suas especificidadescomportamento das substâncias em questão
Toxicologia de Resíduos
Avaliação de RiscosProcesso de avaliação dos riscos
Avaliação dos efeitosDeterminar a concentração prevísivel sem efeito no
ambiente (PNEC)utiliza testes de laboratório (bioensaios) paracaracterizar a toxicidade do composto ou da matrizcontaminada
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Toxicologia de Resíduos
Avaliação de RiscosProcesso de avaliação dos riscos
Avaliação dos efeitosBioensaios permitem avaliar os efeitos tóxicos de um
composto ou de uma mistura de compostos sobre umaou diversas espécies sob condições controladastestes de toxicidade aguda
duração até 96 hresposta medida é a sobrevivência dos indivíduos testados
testes de toxicidade crónicaduração entre 1 e várias semanasmedem-se diversos tipos de resposta
efeitos letaisefeitos sub-letais (crescimento, reprodução)
Toxicologia de Resíduos
Avaliação de RiscosProcesso de avaliação dos riscos
Caracterização dos riscosInterpretação da relação PEC/PNEC
exprime o risco em termos de probabilidade
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