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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
9
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
10
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
21
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)
22
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
27
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
29
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
33
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
34
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
36
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