Ecotoxiciteit van metalen in oppervlaktewater: van totale
concentraties naar 'BLM'
Karel De Schamphelaere, Colin Janssen
Ecotoxiciteit van metalen in oppervlaktewater – Leuven – 23 september 2005 [email protected]
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
Ecotoxiciteit van metalen in oppervlaktewater – Leuven – 23 september 2005 [email protected]
DUS
Bewijsvoering
Waarom zeggen totale concentraties niets over effecten?
‘Biobeschikbaarheid’!Effecten van fysico-chemie op metaaltoxiciteitHet Biotisch Ligand Model (BLM)
Waarom werken vlakke normen niet?Wat zijn de mogelijke oplossingen?Hoe implementeren?
Eerst: korte inleiding tot ecotoxicologieHoe kunnen we aquatisch leven beschermen?Ecotoxiciteit van metalen in oppervlaktewater – Leuven – 23 september 2005
Ecotoxicologie van metalen
Ecotoxiciteit van metalen in oppervlaktewater – Leuven – 23 september 2005 [email protected]
Concentratie
overleving
groei
reproductie
defici
en
tie
op
tim
um
toxic
iteit
Niet-essentieel (Cd, Pb, Ni)
Essentie
el
(Cu, Z
n, Ni)
‘50% Effect Concentratie’ =EC50
Biobeschikbaarheid = “Metaal-toxiciteit (NOEC, EC50) is functie van water-karakteristieken”, o.a. pH, Ca, DOC,
etc.
< NOEC
< EC50
Veilige concentratie =
‘No observed effect concentration’ = NOEC
Biobeschikbaarheid (1)
Ecotoxiciteit van metalen in oppervlaktewater – Leuven – 23 september 2005 [email protected]
21-d
ay N
OE
C (
µg
Cu/
L)
150
100
50
8.07.0
6.0pH mg DOC/L5
1015
20
200
250
D. magna
P. subcapitata
0
50
100
150
200
250
300
0 5 10 15 20 25
DOC (mg/L)
72h
-EC
50 (
µg
Cu
/L)
Cu
> factor 10 variabiliteit
DOC verklaart 65% van variantie
pH ~ 20%
‘SPECIATIE’ effecten
Biobeschikbaarheid (2)
Ecotoxiciteit van metalen in oppervlaktewater – Leuven – 23 september 2005 [email protected]
Zn
0
5
10
15
20
25
0 0.5 1 1.5 2 2.5
Ca2+-activity (mM)
LC
50 a
s Z
n2+
act
ivit
y (µ
M)
“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
Biobeschikbaarheid (3) 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
Meyer et al., 1999Environ. Sci. Technol. 33: 913-
916Ecotoxiciteit van metalen in oppervlaktewater – Leuven – 23 september 2005 [email protected]
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)Ecotoxiciteit van metalen in oppervlaktewater – Leuven – 23 september 2005
Biobeschikbaarheid (4)
Biotisch Ligand Model
Ecotoxiciteit van metalen in oppervlaktewater – Leuven – 23 september 2005 [email protected]
MeOH+
MeCO3
Me-DOC
pH
[Me] op ‘biotisch ligand’
Toxisch effect
Water Organisme
H+
pH
Me2
+
Ca2+
Na+
Mg2
+
‘biotisch ligand’ b.v. kieuwen, celoppervlak
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 – [email protected]
10
100
1000
10000
10 100 1000 10000
observed EC50 (µg/L)
pre
dic
ted
EC
50 (
µg
/L)
Daphnia - acute - Cu
Daphnia - chronic -Cu
Daphnia -acute -Zn
Daphnia - chronic -Zn
Daphnia - acute - Ni
Field cladocerans -acute - CuRainbow trout -chronic - Zn
BLM: Wat kan het? (2)
Typisch: faktor 10 tot 30 variabiliteit in toxiciteit > 90% van predictie-fouten < faktor 2
Toward an algal Cu-BLM – 8th ICOBTE – Adelaide, april 6, 2005 – [email protected]
10
100
1000
10000
10 100 1000 10000
observed EC50 (µg Cu/ L)
pred
icte
d EC50 (
µg C
u/L)
P. subcapitataChlorella sp.C. reinhardtiiP. subcapitata (NOEC, fi eld)
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
Ecotoxiciteit van metalen in oppervlaktewater – Leuven – 23 september 2005 [email protected]
BLM: Wat kan het? (3)
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?Ecotoxiciteit van metalen in oppervlaktewater – Leuven – 23 september 2005
Implementatie in beleid?
Biotisch Ligand Model
Ecotoxiciteit van metalen in oppervlaktewater – Leuven – 23 september 2005 [email protected]
MeOH+
MeCO3
Me-DOC
pH
Water Organisme
Me2
+
[Me] op ‘biotisch ligand’
H+
pH
Ca2+
Na+
Mg2
+
‘biotisch ligand’ b.v. kieuwen, celoppervlak
Toxisch effectVLAKKE NORM
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/LZn: 200 µg/LEcotoxiciteit van metalen in oppervlaktewater – Leuven – 23 september 2005
VERSUS
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 [email protected]
0
50
100
150
200
250
300
350
Daphnia Alg Forel
NO
EC
(µ
g C
u/L
)
0
200
400
600
800
1000
Daphnia Alg Forel
NO
EC
(µ
g N
i/L
)
0
200
400
600
800
1000
Daphnia Alg Forel
NO
EC
(µ
g Z
n/L
)Vlakke normen (2)
De oplossing 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
Ecotoxiciteit van metalen in oppervlaktewater – Leuven – 23 september 2005 [email protected]
De praktijk
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
Ecotoxiciteit van metalen in oppervlaktewater – Leuven – 23 september 2005 [email protected]
De praktijk (1)
Ecotoxiciteit van metalen in oppervlaktewater – Leuven – 23 september 2005 [email protected]
0
20
40
60
80
100
0 50 100 150 200 250 300 350
Cu concentration (µg L-1)
% o
f s
pe
cie
s a
ffe
cte
d (
%)
Species Sensitivity Distribution
Data compilation: Patrick Van Sprang, EURAS
NOEC NOE
CNOEC
NOEC NOE
C
NOEC
NOECs als totale concentraties: zeer grote intra-species variatieHypothese: door verschillen in biobeschikbaarheid
baars
slak
Alg
plant
watervlo
forelHC5 = 8.3 µg/L = basis voor norm
‘high-quality’ NOECs uit literatuur
De praktijk (2)
BLM reduceert onzekerheid omtrent literatuur-NOECs Voor ALLE species
Ecotoxiciteit van metalen in oppervlaktewater – Leuven – 23 september 2005 [email protected]
0 10 20 30 40 50 60 70 80
C. reinhardtii
C. vulgaris
P. subcapitata
D. magna
D. pulex
H. azteca
O. kisuch
O. mykiss
P. fluviatilis
P. notatus
P. promelas
S. fontinalis
Factor verschil tussen hoogste en laagste NOEC
Opgelost Cu
Biobeschikbaar Cu
De praktijk (3)
Ecotoxiciteit van metalen in oppervlaktewater – Leuven – 23 september 2005 [email protected]
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 50 100 150 200 250 300 350
Cu concentratie (µg/L)
% v
an
de
org
an
ism
en
da
t n
eg
ati
ef
eff
ec
t o
nd
erv
ind
t
8.3HC5 =(µg/L)
Onzekerheid gereduceerd
De praktijk (3)
Ecotoxiciteit van metalen in oppervlaktewater – Leuven – 23 september 2005 [email protected]
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 50 100 150 200 250 300 350
Cu concentratie (µg/L)
% v
an
de
org
an
ism
en
da
t n
eg
ati
ef
eff
ec
t o
nd
erv
ind
t
DOC = 6 mg/L
pH = 7.5
8.3HC5 =(µg/L)
Vertaal nu, met BLM, NOEC voor elk organisme naar site-specifiek water
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 50 100 150 200 250 300 350
Cu concentratie (µg/L)
% v
an
de
org
an
ism
en
da
t n
eg
ati
ef
eff
ec
t o
nd
erv
ind
t
8.3HC5 =(µg/L)
DOC = 6 mg/L
pH = 7.5
43
BLM
BLM
BLM
• Ecotoxiciteit van metalen in oppervlaktewater – Leuven – 23 september 2005 [email protected]
De praktijk (3)
Verschuiving van SSD (HC5)
• Ecotoxiciteit van metalen in oppervlaktewater – Leuven – 23 september 2005 [email protected]
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)
10de percentiel = 15 µg Zn/L 90ste percentiel = 50 µg Zn/L
NOECs voor verschillende waters berekend met BLM voor elk species
HC5 voor elk water met SSD ‘Distributie’ van HC5’s
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0 20 40 60 80 100
HC5 (µg Zn/L)
Cu
mu
lati
ve
pro
ba
bili
ty
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!Ecotoxiciteit van metalen in oppervlaktewater – Leuven – 23 september 2005
DUS
MAAR
Recommended
