Bioconcentration - Bioconcentration
La bioconcentration est l'accumulation d'un produit chimique dans ou sur un organisme lorsque la source du produit chimique est uniquement l'eau. La bioconcentration est un terme qui a été créé pour être utilisé dans le domaine de la toxicologie aquatique . La bioconcentration peut également être définie comme le processus par lequel une concentration chimique dans un organisme aquatique dépasse celle de l'eau à la suite d'une exposition à un produit chimique en suspension dans l'eau.
Il existe plusieurs façons de mesurer et d'évaluer la bioaccumulation et la bioconcentration. Ceux-ci comprennent: les coefficients de partage octanol-eau (K OW ), les facteurs de bioconcentration (FBC), les facteurs de bioaccumulation (FBA) et le facteur d'accumulation biote-sédiments (FBA). Chacun de ces éléments peut être calculé à l'aide de données empiriques ou de mesures ainsi qu'à partir de modèles mathématiques . L'un de ces modèles mathématiques est un modèle BCF basé sur la fugacité développé par Don Mackay .
Le facteur de bioconcentration peut également être exprimé comme le rapport de la concentration d'un produit chimique dans un organisme à la concentration du produit chimique dans l'environnement environnant . Le FBC est une mesure de l'étendue du partage de produits chimiques entre un organisme et le milieu environnant.
Dans les eaux de surface, le FBC est le rapport entre la concentration d'un produit chimique dans un organisme et la concentration aqueuse du produit chimique. Le FBC est souvent exprimé en unités de litre par kilogramme (rapport du mg de produit chimique par kg d'organisme à mg de produit chimique par litre d'eau). Le FBC peut être simplement un rapport observé ou il peut s'agir de la prédiction d'un modèle de partitionnement. Un modèle de partition est basé sur des hypothèses selon lesquelles les produits chimiques se répartissent entre l'eau et les organismes aquatiques ainsi que sur l'idée qu'un équilibre chimique existe entre les organismes et l'environnement aquatique dans lequel ils se trouvent.
Calcul
La bioconcentration peut être décrite par un facteur de bioconcentration (FBC), qui est le rapport de la concentration chimique dans un organisme ou un biote à la concentration dans l'eau:
Les facteurs de bioconcentration peuvent également être liés au coefficient de partage octanol-eau, K oe . Le coefficient de partage octanol-eau (K oe ) est corrélé au potentiel de bioaccumulation d' un produit chimique dans les organismes; le FBC peut être prédit à partir du log K oe , via des programmes informatiques basés sur la relation structure-activité (SAR) ou par l' équation linéaire :
Où:
à l'équilibre
Capacité de fugacité
La fugacité et le BCF sont liés l'un à l'autre dans l'équation suivante:
où Z Fish est égal à la capacité de fugacité d'un produit chimique dans le poisson, P Fish est égal à la densité du poisson (masse / longueur 3 ), BCF est le coefficient de partage entre le poisson et l'eau (longueur 3 / masse) et H est égal à la constante de la loi de Henry (Longueur 2 / Temps 2 )
Équations de régression pour les estimations chez les poissons
| Équation | Produits chimiques utilisés pour obtenir l'équation | Espèces utilisées |
|---|---|---|
| 84 | Fathead Minnow , crapet arlequin, la truite arc -en- , gambusie | |
| 44 | Divers | |
| 36 | Omble de fontaine , truite arc-en-ciel , crapet crapet, vairon à grosse tête , carpe | |
| 7 | Divers | |
| 13 | Divers |
Les usages
Utilisations réglementaires
Grâce à l'utilisation du profileur PBT et aux critères définis par l' Agence de protection de l'environnement des États-Unis en vertu du Toxic Substances Control Act (TSCA), une substance est considérée comme non bioaccumulable si elle a un FBC inférieur à 1000, bioaccumulable si elle a un FBC de 1000 à 5000 et très bioaccumulable s'il a un FBC supérieur à 5000.
Les seuils selon REACH sont un FBC> 2000 L / kg bzw. pour les critères B et 5000 L / kg pour les critères vB.
Applications
Un facteur de bioconcentration supérieur à 1 indique un produit chimique hydrophobe ou lipophile . C'est un indicateur de la probabilité de bioaccumulation d' un produit chimique . Ces produits chimiques ont des affinités lipidiques élevées et se concentrent dans les tissus à haute teneur en lipides plutôt que dans un environnement aqueux comme le cytosol . Des modèles sont utilisés pour prédire la répartition des produits chimiques dans l'environnement, ce qui permet à son tour de prédire le devenir biologique des produits chimiques lipophiles.
Modèles de partitionnement d'équilibre
Sur la base d'un scénario supposé à l'état d'équilibre, le devenir d'un produit chimique dans un système est modélisé en donnant les phases et les concentrations de point final prévues.
Il faut tenir compte du fait que l'atteinte de l'état d'équilibre peut nécessiter un temps considérable, comme estimé à l'aide de l'équation suivante (en heures).
Pour une substance avec un log (K OW ) de 4, il faut donc environ cinq jours pour atteindre un état d'équilibre effectif. Pour un log (K OW ) de 6, le temps d'équilibre passe à neuf mois.
Modèles de fugacité
La fugacité est un autre critère prédictif de l'équilibre entre les phases qui a des unités de pression. Cela équivaut à une pression partielle pour la plupart des objectifs environnementaux. C'est la propension à la fuite d'un matériau. Le FBC peut être déterminé à partir des paramètres de sortie d'un modèle de fugacité et ainsi utilisé pour prédire la fraction de produit chimique interagissant immédiatement avec et ayant éventuellement un effet sur un organisme.
Modèles de réseau trophique
Si des valeurs de fugacité spécifiques à un organisme sont disponibles, il est possible de créer un modèle de réseau trophique qui prend en compte les réseaux trophiques . Ceci est particulièrement pertinent pour les produits chimiques conservateurs qui ne sont pas facilement métabolisés en produits de dégradation. La bioamplification de produits chimiques conservateurs tels que les métaux toxiques peut être nocive pour les prédateurs apex comme les orques , les balbuzards et les pygargues à tête blanche .
Applications à la toxicologie
Prédictions
Les facteurs de bioconcentration facilitent la prévision des niveaux de contamination dans un organisme en fonction de la concentration chimique dans l'eau environnante. Le FBC dans ce cadre s'applique uniquement aux organismes aquatiques. Les organismes respirant l'air n'absorbent pas les produits chimiques de la même manière que les autres organismes aquatiques. Les poissons, par exemple, absorbent les produits chimiques par ingestion et gradients osmotiques dans les lamelles branchiales .
Lorsque vous travaillez avec des macroinvertébrés benthiques , l'eau et les sédiments benthiques peuvent contenir des produits chimiques qui affectent l'organisme. Le facteur d'accumulation biote-sédiment (BSAF) et le facteur de bioamplification (BMF) influencent également la toxicité dans les milieux aquatiques.
Le FBC ne prend pas explicitement en compte le métabolisme, il doit donc être ajouté aux modèles à d'autres points par des équations d'absorption, d'élimination ou de dégradation pour un organisme sélectionné.
Charge corporelle
Les produits chimiques avec des valeurs de FBC élevées sont plus lipophiles et, à l'équilibre, les organismes auront des concentrations de produits chimiques plus élevées que les autres phases du système. La charge corporelle est la quantité totale de produit chimique dans le corps d'un organisme, et la charge corporelle sera plus importante lorsqu'il s'agit d'un produit chimique lipophile.
Facteurs biologiques
Pour déterminer le degré auquel la bioconcentration se produit, il faut garder à l'esprit les facteurs biologiques. La vitesse à laquelle un organisme est exposé à travers les surfaces respiratoires et le contact avec les surfaces cutanées de l'organisme, entre en concurrence avec la vitesse d'excrétion d'un organisme. Le taux d'excrétion est une perte de produit chimique de la surface respiratoire, une dilution de croissance, une excrétion fécale et une biotransformation métabolique . La dilution de croissance n'est pas un processus réel d'excrétion mais en raison de l'augmentation de la masse de l'organisme alors que la concentration de contaminant reste constante, une dilution se produit.
L'interaction entre les entrées et les sorties est représentée ici:
Les variables sont définies comme suit:
C B est la concentration dans l'organisme (g * kg −1 ). t représente une unité de temps (d −1 ). k 1 est la constante de vitesse d'absorption chimique de l'eau à la surface respiratoire (L * kg −1 * d −1 ). C WD est la concentration chimique dissoute dans l'eau (g * L −1 ). k 2 , k E , k G , k B sont des constantes de vitesse qui représentent l'excrétion de l'organisme à partir de la surface respiratoire, l'excrétion fécale, la transformation métabolique et la dilution de croissance (d −1 ).
Les variables statiques influencent également le FBC. Étant donné que les organismes sont modélisés comme des sacs de graisse, le rapport lipide / eau est un facteur à prendre en compte. La taille joue également un rôle dans la mesure où le rapport surface / volume influence le taux d'absorption de l'eau environnante. L'espèce préoccupante est le principal facteur influençant les valeurs du FBC car elle détermine tous les facteurs biologiques qui modifient un FBC.
Paramètres environnementaux
Température
La température peut affecter la transformation métabolique et la bioénergie. Un exemple de ceci est le mouvement de l'organisme peut changer ainsi que les taux d'excrétion. Si un contaminant est ionique, le changement de pH qui est influencé par un changement de température peut également influencer la biodisponibilité
La qualité d'eau
La teneur en particules naturelles ainsi que la teneur en carbone organique de l'eau peuvent affecter la biodisponibilité. Le contaminant peut se lier aux particules dans l'eau, ce qui rend l'absorption plus difficile, et peut être ingéré par l'organisme. Cette ingestion pourrait consister en des particules contaminées qui feraient en sorte que la source de contamination provienne de plus que de l'eau.