Modul der Vorlesung „Ökologische Systemanalyse“ Dr ... · 1 Produktrisikoanalyse Modul der...

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Produktrisikoanalyse

Modul der Vorlesung„Ökologische Systemanalyse“

Dr. Natalie von Götz, 18.05.2018Inst. for Chemical and Bioengineering, ETH Zurich

Organisatorisch14.5.2018

RA - für Pflanzenschutzmittel (hoch reguliert, hoch entwickelte Anforderungen an die Risikoanalyse, Substanz- und Produkt-basierte RA)Übung- 5 (5-10 min): Pecini und PECtwa für Boden

18.05.2018ERA - für PSM, Boden, Übung 6 (30 min): RA für BodenERA - für PSM, Oberflächenwasser, Hausaufgabe Übung 7

25.05.2018Kurze- Besprechung der Hausaufgabe (20 min)ERA - für PSM, Grundwasser, HRA für PSMERA - für Industriechemikalien (reguliert unter REACH, vor allem Substanz-orientiert)

28.05.2018Übung- 8: RA für IndustriechemikalienHRA - für Industriechemikalien

01.06.2018Abschlussveranstaltung (gemeinsam mit SH, SR)

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Vorlesung

Gliederung heutige VL

• Wiederholung Effektanalyse allgemein• ERA Boden

– Laborversuche Exposition– Laborversuche Effekt– Kombination Effekt und Exposition für die Risikoanalyse– Übung 6: RA für PSM im Boden

• ERA Oberflächenwasser– Laborversuche Exposition– Laborversuche Effekt– Kombination Effekt und Exposition für die Risikoanalyse– Hausaufgabe Übung 7: RA für PSM im Oberfächenwasser

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Kontrollen

0

20

40

60

80

100

-6 -5 -4 -3 -2

kum

ulat

ive

Ant

wor

t

log (Konzentration)

100 %

40 %

20 %

60 %

80 %

LC50 = letale Konzentration für 50% der TestorganismenLOEC = Lowest Observed Effect Concentration (kleinste Konzentration, bei der signifikanter Effekt beobachtet wurde)NOEC = No Observed Effect Concentration (grösste Konzentration, bei der noch kein signifikanterEffekt beobachtet wurde)Signifikanz: Vergleich mit Varianz in der Kontrolle

Bsp. PSM im Algentest

50 %

LC50NOEC

LOEC

Ableitung toxikologischer EndpunkteEffektanalyse

Dosis-Wirkungskurve(Dose-response curve)

1. Tier: LC50 aus Kurzzeit-Labortests mit mehreren Einzelspezies, dann Extrapolation von diesen zu Effekten auf das Ökosystem

Annahmen: Sensitivität des Ökosystems wird durch –die sensitivste Spezies bestimmtSchutz der – Struktur des Ökosystems schützt die Funktionder Gemeinschaft

2. Tier: z.B. längere Labortests, mehr Konzentrationen, Ableitung von NOEC

3. Tier: z.B. Freilandversuche

Tiered approachEffektanalyse

(Un)Sicherheitsfaktoren

Unsicherheiten durch “Unsicherheitsfaktoren” UF berücksichtigt(engl.: assessment factors, safety factors or uncertainty factors)

– Extrapolation vom Labor zum Feld 10 (meist)– Extrapolation von der Einzelspezies zum Ökosystem 10– Extrapolation von Kurzzeit zu Langzeit 10– Bei Bedarf weitere (hier nicht betrachtet)

àBerücksichtigung in der Risikoanalyse

ausserdem: - Test einer aller Erfahrung nach besonders sensitiven Spezies (dies

allerdings nicht unbedingt voraussagbar)- Test verschiedener trophischer Stufen

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Effektanalyse

Solbe et al. (1998), Chemosphere, 36, 99–113 (ECETOC Working group)

ACR = 10

ACR = 1000

ACR = 1

ACR=0.1

Analyse von 2200 Daten für 360 Substanzen und 121 biolog. Spezies

ACR = 100

Unsicherheit Kurzzeit à LangzeitEffektanalyse

ACR = akute LC50 (oder EC50 )chronische NOEC

ACR: acute to chronic ratio

Risikotheorem

LC50 lethal concentration 50%NOEC no effect concentrationPEC predicted environmental concentrationsTERa toxicity exposure ratio acute (LC50/PECini)TERc toxicity exposure ratio chronic (NOEC/PECtwa)

Kein Risiko für TERa > 1000 und TERc > 100 ( analog UF)

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RiskEffect/ Toxicity Exposure

Risikoanalyse

TERLC50 oder NOEC PECini oder PECtwa

Ökotoxikologie Umweltchemie

Tiered approach in der Umwelt-Risikoanalyse

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Expositionsanalyseakut (PECini)

Effektanalyseakut (LC50)

RisikoanalyseTERa

Boden Oberfächen-wasser

Übergang von TERakut (TERa) zu TER chronisch (TERc)

Risikoanalyse

ExpositionsanalyseChron. (PECtwa)

Effektanalysechronisch (NOEC)

RisikoanalyseTERc

TERa>1000 ?

TERc>100 ?

ja

ja

nein

nein

Registrierungmöglich

Registrierungmöglich

Weitere Versuche nötigoder

keine Registrierung

Graphik gibt das Prinzip wieder. Andere Schwellenwerte sind möglich, das Beispiel hier bezieht sich auf Oberflächenwasser

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Boden

Exposition: Berechnung PECini

PECinitial: Anfängliche Umweltkonzentration [mg/kg]

A: Aufwandmenge [g/ha] fint: durch die Feldfrucht abgefangene Menge Substanz [-] d: Verteilungstiefe [cm] 5 (default-Wert)ρ: Dichte [g/cm³] 1.4 (default-Wert)

11

�

PECinitial = A ⋅ (1− f int ) /(100 ⋅ d ⋅ ρ)

Boden

N. von Götz: Analyse und Beurteilung der Umweltverträglichkeit, ERA

Boden

12

Berechnung PECtwa

�

PECact = PECini ⋅e−ln 2DT 50

t

�

PECtwa = PECact /(n +1)t=0

n

∑

PECact: aktuelle Umweltkonzentration (mg/kg)PECtwa: zeitgewichtete Umweltkonzentration (mg/kg)twa Arithmetisches Mittel über die Zeit (time weighted average)twa: Zeitdauer, über die für den PECtwa gemittelt wird

PECtwa = PECini *DT50

twa * ln(2)* 1−

− wat * ln(2)

50DTexp⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥

Boden

Feldversuche• in verschiedenen Regionen: Bestimmung der “dissipation time” (keine reine Abbaurate), unmarkiert, Aufteilung in Nord- und Südeuropa

Exposition: Experiment

• Abbau/Metabolismus in vier verschiedenen Böden im Labor bei 20�C, 40-60% Wasserkapazität (14C-markiert)

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Boden

à DT50 Labor

à DT50 Feld

zusätzlich: Umrechnung von T=20�C auf T=10�C Temperaturabhängigkeit des Abbaus z.B. nach Arrhenius

Exposition: Wichtigste Mechanismen

Abbau, Metabolismus im Boden

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Boden

Model: first order rate law

�

dM1

dt= −k1 ⋅P

parent

Metabolite 3Metabolite 2

Metabolite 1

CO2

k1

k2

k3

�

k(T) = A ⋅e−EART A: Arrheniusfaktor

Effekt: Studien an Bodenorganismen

Pro 1 m2 und 30 cm Tiefe: 1.6 Billionen Bodenorganismen !!

Studien mit Organismen aus folgenden systematischen bzw. ökologischen Gruppen

• Regenwürmer

• Insekten und Spinnentiere (Nicht-ziel-Arthropoden)

• Honigbienen

• Wirbeltiere

• Mikroorganismen im Boden

• Nicht-Zielpflanzen

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Boden

Effekt Regenwurm

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Boden

Tier 1: Standardtest

• mit Kompostwurm Eisenia fetida

• Tiere in behandeltem Boden inkubiert

• Bestimmung der LC50 (akute Tox) nach 2 Wochen

• Bildung des TER mit PECtwa für 2 Wochen

• falls TERa<10 höhere Tiers erforderlich (zB Bestimmung des NOEC, dannfür TERc >5 ok Ausnahme!)

Effekt Nicht-Ziel-Arthropoden

Tier 1: Standardtest (i.A. OECD-Test)Im• Labor auf inertem Substrat (Glasplatte oder Quarzsand) über Kontaktmit behandelter Fläche über best. Zeit

2 • versch. Organismen, z.B. die empfindlichen Standardarten Aphidius sp.(eine Schlupfwespe) und Typhlodromus pyri (eine Raubmilbe)

Bestimmung• der ER50 (effective rate 50%) analog der LC50

Bewertet• werden mögliche Auswirkungen: erhöhte Mortalität, eingeschränkte Fraßleistung, Vergiftungserscheinungen wieBewegungslosigkeit, Rückenlage und Koordinationsschwierigkeiten

Limittest• (höchste Aufwandmenge, höchste Zahl Wiederholungen) möglich, besser Dosis-Wirkungstests (mehrere Konz.)

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Boden

Kontrollen

0

20

40

60

80

100

-6 -5 -4 -3 -2

kum

ulat

ive

Ant

wor

t

log (Konzentration)

100 %

40 %

20 %

60 %

80 %

LC50 = letale Konzentration für 50% der TestorganismenLOEC = Lowest Observed Effect Concentration (kleinste Konzentration, bei der signifikanter Effekt beobachtet wurde)NOEC = No Observed Effect Concentration (grösste Konzentration, bei der noch kein signifikanterEffekt beobachtet wurde)Signifikanz: Vergleich mit Varianz in der Kontrolle

Bsp. PSM im Algentest

50 %

LC50NOEC

LOEC

Ableitung toxikologischer EndpunkteEffektanalyse

Dosis-Wirkungskurve(Dose-response curve)

Effekt Nicht-Ziel-Arthropoden

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Boden

Tier 2: erweiterte Standardtests• realistischeres Substrat: z.B. Blätter, Boden

• weitere Effekte beurteilt: z.B. Reproduktions- undParasitierungsraten

• 2 weitere Arten (Laufkäfer, Marienkäfer)

• Halbfreilandversuche

Tier 3: Freilandtests unter repräsentativenlandwirtschaftlichen Bedingungen

• z.B. Prüfung der Wiederbesiedelbarkeit• Bodenfallen zur Ermittlung der Aktivitätsdichte

Stufen der Risikoanalyse

20

Boden

Hazard identification(Gefahrenidentifikation)

Exposure assessment (Expositionsanalyse)

Effect assessment (Effektanalyse)

Risk characterization(Risikocharakterisierung)

Daten zuEffekten

Daten zurExposition

Tiered approach für Boden

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Expositionsanalyseakut (PECini)

Effektanalyseakut (LC50)

RisikoanalyseTERa

Boden Oberfächen-wasser

Risikoanalyse

ExpositionsanalyseChron. (PECtwa)

Effektanalysechronisch (NOEC)

RisikoanalyseTERc

TERa>10 ?

TERc>5

ja

ja

nein

nein

Registrierungmöglich

Registrierungmöglich

Weitere Versuche nötigoder

keine Registrierung

Graphik gibt das Prinzip wieder. Andere Schwellenwerte sind möglich, das Beispiel hier bezieht sich auf Boden/Regenwurm

TER = LC50 oder NOECPEC

Übung 6: 15 min

Leiten Sie für den Regenwurm einen TER ab, beruhend auf 1. Tier Ansätzen für die Exposition und gegebenen Effektdaten für den zugelassenen Pflanzenschutzmittel-Wirkstoff 2,4-D.

Berechnen Sie dafür zunächst den PECini (Anwendungsparameter siehe Tabelle unten) und vergleichen diesen mit den akuten Effektdaten. Mit welchen Expositionswerten müsste der NOEC verglichen werden?

(nötige weitere Daten siehe folgende Folie, bzw verteilte Ausdrucke)

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Risikoanalyse PSM im Boden

2,4-D: 2,4-Dichlorphenoxyessigsäure

N. von Götz: Analyse und Beurteilung der Umweltverträglichkeit, ERA 23

Lösungen Uebung

24

25

Quelle: IVA-Informationsbroschüre “Am Anfang war das Wasser”

Der WasserkreislaufWasser

Stufen der Risikoanalyse

26

Wasser

Hazard identification(Gefahrenidentifikation)

Exposure assessment (Exposition)

Effect assessment (Effekt)

Risk characterization(Risikocharakterisierung)

Daten zuEffekten

Daten zurExposition

Studien für die Expositionsanalyse

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Wasser

Grundwasser Oberflächenwasser

Freilandtests(nach Bedarf)

Labortests(Standard)

AdsorptionDesorption Photolyse Wasser-Sediment

Studie

ModelleGrundwasser

ModelleOberfl.wasser

LysimeterMesokosmen

(z.B. Teich)Versickerungs-

studien

28

Oberflächenwasser

Wasser-Sediment-Studie

• analog Boden-Studie, aber Versuche mit zwei Wasser-Sedimentsystemen (ein stehendes und ein fliessendesGewässer)

• Laborversuch mit 14C: konstante Temperatur, kein Licht• Bestimmung von parent und Metaboliten in beiden Phasen

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Oberflächenwasser

Bild an der Tafel

Wichtigste Mechanismen

• Abbauschema Wasser-Sediment-System

30

Oberflächenwasser

Schema an der Tafel mit Geschw.konstanten

PECini

31

30 cm

5 cm

Oberflächenwasser

Standardannahmen Wasser SedimentVerteilungstiefe d (cm) 30 5Dichte ρ (kg/l) 1 1.3OC (%) 5

�

PECinitial = A ⋅ (1− f int ) /(100 ⋅ d ⋅ ρ)

worst case: overspray Berechnung für verschiedene Abstände

PECini: Eintragspfade ins Oberflächenwasser

• Drift, Runoff, Drainage und/oder Erosion

(Verfeinerung des worst case “overspray” )

• Modelle z-B. FOCUS-sw Step 1 and 2, EXPOSITT

32

Oberflächenwasser

Step 1: Alle

Eintragspfade werden

für PECini addiert

Step 2: Zunächst

Berechnung Spraydrift, 4

Tage später Eintrag über

Runoff, Drainage, Erosion

Drainage

Run off

Drift

18.05.18

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1 hectare field treated with pesticide

2 hectare field, not treated

Input from drainage and baseflow (no pesticide)

Input from drainage only

100 m

100 ha upstream catchment.20 % treated with pesticide

Drainage or runoff (pesticide) plus baseflow (no pesticide) No sediment input

1 ha field treated with pesticide

Input from drainage or runoff

Eroded sediment (+ pesticide) input from a 20 m contributing margin

along stream(runoff scenarios only) 100 m

4500 m2 field treatedwith pesticide

Input from drainage or runoff(pesticide) plus baseflow (no

pesticide)

PondEroded sediment (+ pesticide)

input from a 20 m margin along one side of pond (runoff

scenarios only)

Pond outflow regulated by a 1.0 m high weir with

a 0.5 m wide crest

Teich

kleines Fliessgewässer

Graben

PECini: Higher Tier FOCUSsw SzenarienOberflächenwasser

Berechnung mit TOXSWA, STEPS etc

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Berechnung PECtwa

�

PECact = PECini ⋅e−ln 2DT 50

t

�

PECtwa = PECact /(n +1)t=0

n

∑

PECact: aktuelle Umweltkonzentration (mg/kg)PECtwa: zeitgewichtete Umweltkonzentration (mg/kg)twa Arithmetisches Mittel über die Zeit (time weighted average)twa: Zeitdauer, über die für den PECtwa gemittelt wird

PECtwa = PECini *DT50

twa * ln(2)* 1−

− wat * ln(2)

50DTexp⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥

Oberflächenwasser

Woher DT50 für Wasser und Sediment?

Stufen der Risikoanalyse

35

Oberflächenwasser

Hazard identification(Gefahrenidentifikation)

Exposure assessment (Exposition)

Effect assessment (Effekt)

Risk characterization(Risikocharakterisierung)

Daten zuEffekten

Daten zurExposition

Studien für die Effektanalyse

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Oberflächenwasser

Pflanzen Tiere

Freilandtests(nach Bedarf)

Labortests(Standard)

Alge,akut

Daphnie,akut

Fisch,akut

Lemna(Entengrütze)

Mesokosmen

Fisch,chronisch

Fisch, Bioakkumulation

Freiland-studien

Labortests(Higher Tier)

Effekt

Kriterien für die Auswahl der Organismen:Stellung• in der Nahrungskette (unterschiedliche trophische Ebenen zubetrachten)weiträumige• Verteilunghohe• Empfindlichkeitgut • erforschte Spezies

Standardorganismen dementsprechendGrünalge•Daphnia magna •Regenbogenforelle• falls persistent auch SedimentbewohnerWarmwasserfisch• (Chironomus riparius-Larven)

37

Oberflächenwasser

Standardorganismen für aquatische Toxizität

Alge

Wasserfloh(Daphnie)

Fisch

vereinfachte aquatischeNahrungskette

Testorganismenaus drei trophischen Stufen

C.J

.v. L

eeuw

en,J

.L.M

. Her

men

s, R

isk

Asse

ssm

ento

f Che

mic

als,

Klu

wer

1995

Effektanalyse

Organismus Akute Toxizität Chronische Tox.

Bakterien Leuchtbakterientest, Stoffwechselaktivität < 1 h, EC50

Wachstumshemmung > 1 h, NOEC

Algen Wachstumshemmung 72 h, EC50

Reproduktion, Chl-Fluoreszenz 72 h, NOEC

Daphnien (Wasserflöhe)

Mortalität, Immobilisierung 2 d, EC/LC50

Reproduktion 21 d, NOEC

Fische Mortalität 96 h, LC50

Mortalität, Reproduktion, Symptome 14 d, 21 d, NOEC

EffektanalyseOberflächenwasser

N. von Götz: Analyse und Beurteilung der Umweltverträglichkeit, Risikoanalyse

• Repräsentative aquatische Primärproduzenten (Photosynthese)• Endpunktbestimmung im Experiment:

– Messung des Populationswachstums mittels Zellzählung oder Bestimmung der optischen Dichte (oder Zunahme der Biomasse) EC50

– Problem der Unterscheidung zwischen akut und chronisch, da bei 72h-Test mehrere Generationen. Konvention: 72h-EC50 gilt als Akuttoxizität, ab 72h-NOEC als chronischer Toxizitätswert

• Testspezies: Grünalgen, z.B. Selenastrum Capricornutum, Desmodesmus subspicatus (siehe Abb.), Scenedesmus, Chlorella

• Kosten: 24-72h EC50 nach OECD 201/ EC92/69/EEC: 1600 CHF

AlgentestOberflächenwasser

Daphnientest

Repräsentativer • aquatischer Primärkonsument

Endpunkt: •akut: – Immobilisierung der einzelnen Organismen (Auszählen, evt. unter Mikroskop), 24 oder 48 Stunden (EC50 oder IC50)

chronisch: Effekt auf Nachkommen und Überleben der –Nachkommen nach 14 oder 21 Tagen (NOECReproduktion)

Testspezies: • Daphnia magna; Ceriodaphnia dubia

Kosten: 24h• - und 48h-EC50 nach OECD 202/ EC92/69/EEC: 1000 CHF

Oberflächenwasser

• Repräsentativer aquatischer Sekundärkonsument, Vertebrat

• Endpunkt: Überleben (Letalität), Kennwert LC50typischerweise nach 96 h

• Kosten: 96h-LC50 mit Guppy nach OECD203/EC92/69/EEC: 1200 CHF

Regenbogenforelle

amerikanische Dickkopfelritze

Fischtest, akutOberflächenwasser

N. von Götz: Analyse und Beurteilung der Umweltverträglichkeit, Risikoanalyse

Weyer et al., 2000:•In 693 Datensätzen zur Akuttoxizität von Chemikalien gibt es keine eindeutige sensitivste Spezies

Von den 3 trophischen Stufen •waren am sensitivsten:

Algen300

Fisch107

Daphnien150

A. Weyer et al. (2000) Environ. Tox. Chem. 19, 1931–1933

Gibt es die sensitivste Spezies?Oberflächenwasser

Warum Interspeziesdifferenzen?

Mesokosmos (higher Tier Effekt)

44

Oberflächenwasser

Photos: Peter Winandy

Mesokosmenanlage der RWTH Aachen/ RCC Itingen

Feldstudie Reisfeld

45

Oberflächenwasser

Kombination zwischen Effekt- und Expositionsstudie

Feldstudie Reisfeld

Probenahme

46

Oberflächenwasser

Stufen der Risikoanalyse

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Hazard identification(Gefahrenidentifikation)

Exposure assessment (Exposition)

Effect assessment (Effekt)

Risk characterization(Risikocharakterisierung)

Daten zuEffekten

Daten zurExposition

N. von Götz: Analyse und Beurteilung der Umweltverträglichkeit, ERA

Oberflächenwasser

Tiered approach in der Umwelt-Risikoanalyse

48

Expositionsanalyse

akut (PECini)Effektanalyse

akut (LC50)

Risikoanalyse

TERa

BodenOberfächen-

wasser

Risikoanalyse

Expositionsanalyse

Chron. (PECtwa)

Effektanalyse

chronisch (NOEC)

Risikoanalyse

TERc

TERa>1000 ?

TERc>100 ?

ja

ja

nein

nein

Registrierung

möglich

Registrierung

möglich

Weitere Versuche nötig

oder

keine Registrierung

Graphik gibt das Prinzip wieder. Andere Schwellenwerte sind möglich, das Beispiel hier bezieht sich auf Oberflächenwasser

TER = LC50 oder NOECPEC

Methodik

Welche Fragen muss ich mir zunächst stellen?

– Welche/s Kompartiment/e betrachte ich?

– Welche Expositionsstudie muss ich dafür nehmen?

– Für welche Spezies muss ich die Risikoanalyse machen?

49

Risikoanalyse

Hausaufgabe, Übung 7

Material: Artikel von Hand&Oliver, 2010 Aufgrund• welcher Standardstudie wird normalerweise der PEC für

Oberflächenwasser abgeleitet?

Warum• ist hier eine Higher Tier-Studie durchgeführt worden (vergleichen

Sie dafür z.B. Figure 4 und Figure 5)?

Würden• Sie die Studie für die Zulassung akzeptieren? Warum (nicht)?

Welchen• Organismus (bzw welches Kompartiment) würden Sie als

besonders kritisch ansehen?

Warum• wurde die Studie mit zwei verschiedenen 14C-labels

durchgeführt?

Welchen TER würden Sie berechnen und welche Datenpunkte für die Exposition würden Sie aus der Studie dafür extrahieren? Gehen Sie nach dem Prinzip des worst case vor.

50

Oberflächenwasser