Effecten van mengsels verklaard:
van laboratorium tests naar effecten in het milieu
Baas, J.
2009. Effecten van mengsels verklaard:
van laboratorium tests naar effecten in het milieu.
Proefschrift Vrije Universiteit, Amsterdam
Samenvatting
Deze Nederlandstalige samenvatting is in een uitgebreidere vorm uitgebracht in het september-nummer van 2010 van het tijdschrift H2O
Inhoudsopgave
- Inleiding
- Doelstelling
- Beschrijven van effecten van mengsels
- Mechanistisch modelleren van effecten van mengsels
- De No Effect Concentratie en het belang daarvan
- Voorspellende waarde van de aanpak
- Effecten van mengsels in de praktijk gerelateerd aan normen
- Normstellingen in oppervlaktewater
- Effecten van verontreiniging in het oppervlaktewater en de MTR
- Conclusies
Een goed begrip van de effecten van stoffen die in het milieu terecht
komen is belangrijk. En hoewel er op dit gebied veel vooruitgang is
geboekt de afgelopen jaren is er nog steeds voldoende te
doen. Eén van de aspecten die lang tijd onderbelicht is
gebleven zijn effecten van mengsels van stoffen. Onderzoek naar
effecten van stoffen is vrijwel altijd gebaseerd op blootstelling aan
een enkelvoudige stof. Ook onze milieunormen zijn gebaseerd op
blootstelling aan enkelvoudige stoffen. In natuurlijke ecosystemen
echter worden organismen niet blootgesteld aan enkelvoudige stoffen
maar aan mengsels. De laatste jaren is er dan ook een toenemende
belangstelling voor effecten van stoffen in mengsels en komen er
steeds meer aanwijzingen dat er in mengsels effecten op kunnen treden
in concentratieranges waarin enkelvoudige stoffen geen effecten laten
zien.
Het is onmogelijk om van zelfs maar een fractie van alle voorkomende
mengsels effecten experimenteel vast te stellen. Een voorbeeld kan dit
heel fraai illustreren, een mengsel van maar 20 pesticiden, bevat 190
paren en meer dan een miljoen mogelijke combinaties van paren,
tripletten, etc. Daarom wordt er binnen de afdeling Theoretische
Biologie van de Vrije Universiteit gewerkt aan mechanistische modellen
om effecten van mengsels te kunnen voorspellen. Dit onderzoek vindt
plaats binnen het kader van het Europese project NoMiracle.
Dit proefschrift geeft een beschrijving van de resultaten van het
onderzoek, zoals dat is uitgevoerd tussen 2005 en 2009 in de vorm van
een aantal wetenschappelijke artikelen.
De nadruk van dit onderzoek heeft gelegen op effecten op overleving,
maar we hebben laten zien, dat de door ons ontwikkelde methode kan
worden uitgebreid naar effecten op groei en reproductie.
Kernvraag was meer te weten te komen over effecten van mengsels. Zo
worden er bijvoorbeeld in het Westland door het Hoogheemraadschap van
Delfland meer dan 80 verschillende stoffen in het oppervlaktewater
gemeten, waaronder 36 verschillende bestrijdingsmiddelen. Het kan
gebeuren dat alle stoffen netjes onder hun norm zitten, maar dat
uitgezette watervlooien toch dood gaan in het oppervlaktewater. Nu
voelt men wel aan dat als je een organisme aan niet één,
maar aan 36 stoffen bloot stelt, weliswaar allemaal onder de norm, dat
dit toch best gevolgen zou kunnen hebben voor het betreffende
organisme. Dit onderzoek was gericht op hoe de verschillende stoffen
nou precies met elkaar samenwerken om zo'n waargenomen effect nu juist
van tevoren te kunnen voorspellen, ook voor effecten van mengsels waar
stoffen in aanwezig zijn waar maar beperkt experimentele gegevens
beschikbaar zijn. Daarvoor is een mechanistische beschrijving van
effecten noodzakelijk.
Als men een mechanistische beschrijving van effecten van (mengsels
van) stoffen op organismen wil is het essentieel om te accepteren dat
toxische effecten afhankelijk zijn van de tijd. De meest gebruikte
methoden om toxische effecten van mengsels te meten en te
interpreteren doen dit op één vast punt in de tijd. Als
men is ge&iiml;nteresseerd in effecten op een ander tijdstip moet het
onderzoek voor ieder punt in de tijd opnieuw worden uitgevoerd. En
omdat de bestaande methoden geen verschillende toxicologische
eindpunten (zoals reproductie, groei en overleving) kunnen integreren
moet dit ook nog eens voor ieder eindpunt afzonderlijk worden
gedaan. Dat leidt tot de rare situatie dat verschillende effecten voor
één enkel organisme op geheel onafhankelijke wijze wordt
geïnterpreteerd en ook tot heel verschillende conclusies kan
leiden.
Daar komt nog bij dat het vaststellen van effecten van mengsels
experimenteel erg tijdrovend is, waardoor veel van het huidige
onderzoek gericht is op het vaststellen van statistisch significante
synergistische interacties in binaire mengsels. Omdat
extrapolatiemogelijkheden erg beperkt zijn met de huidige methoden
moet dit voor ieder (binair) mengsel opnieuw worden
uitgevoerd. Synergistische effecten kunnen weliswaar belangrijk zijn
omdat hierdoor effecten van stoffen worden versterkt in elkaars
bijzijn, iets waarin bij de milieuwetgeving geen rekening wordt
gehouden. Maar sterke synergistische effecten zijn erg zeldzaam,
feitelijk wordt er in de literatuur maar één binair
mengsel genoemd waarbij echt sterke synergistische effecten
optreden. Verder blijken interacties sterk af te hangen van het moment
van blootstelling en blijkt dat interacties nauwelijks reproduceerbaar
zijn vast te stellen. Maar het grootste bezwaar tegen de huidige
aanpak is dat de vraag waarom zo'n effect optreedt blijft onbeantwoord
blijft. Daarmee kan er op basis van de huidige aanpak geen uitspaak
worden gedaan over effecten
- van mengsels van andere stoffen;
- op andere tijdstippen;
- voor andere toxicologische eindpunten;
- op andere organismen;
- bij een fluctuerende blootstelling.
De methode die wij toepassen is gebaseerd op de "Dynamic Energy Budget
(DEB) theorie". In deze theorie worden effecten van toxicanten
geïnterpreteerd als effecten op de energiehuishouding van
organismen en deze aanpak staat dit soort extrapolaties wel toe, zoals
we in ons onderzoek hebben laten zien.
De mechanistische aanpak die we hebben gekozen impliceert dat we het effect van het mengsel opbouwen uit de effecten van de individuele stoffen. Daarbij wordt aangenomen dat stoffen uit dezelfde chemische groep (bijvoorbeeld de organofosfor pesticiden) met elkaar samenwerken. En dat stoffen uit afzonderlijke groepen (bijvoorbeeld de pesticiden en de PAKs) afzonderlijk van elkaar werken. Dit idee is niet nieuw en wordt ook in traditionele toepassingen gebruikt. Maar wat nieuw is, is dat we erin zijn geslaagd om dit in te passen in een mechanistisch model met extrapolatiemogelijkheden.
De basisaanname is dat er voor ieder afzonderlijke stof waaraan een
organisme wordt blootgesteld een drempelconcentratie is, waaronder de
stof geen effect heeft. De zogenaamde "No Effect Concentratie"
afgekort de NEC. Stoffen die hetzelfde werkingsmechanisme hebben
dragen allemaal bij aan het opvullen van de drempelwaarde, hetgeen
verklaart waarom stoffen in mengsels effecten hebben in concentraties
waarin individuele stoffen dat niet hebben. Zo kunnen we voor iedere
stof of stofgroep een drempelconcentratie (NEC) berekenen. Als een NEC
wordt overschreden kunnen we met onze aanpak uitrekenen wat het effect
is op overleving van een organisme dat wordt blootgesteld aan een
mengsel. Daarmee is dan ook direct het verband met de stof of
stofgroep die het effect bepaald gelegd. Als geen van de NECs wordt
overschreden is er geen effect op overleving. Deze methode bleek een
grote voorspellende kracht te hebben voor metingen die zijn uitgevoerd
in het laboratorium. Het hele tijdsverloop van toxische effecten kon
nauwkeurig worden beschreven en ook voorspeld. Een groot deel van het
onderzoek was dan ook gericht op het kunnen beschrijven van het gedrag
van de NEC.
Dit gedrag van de NEC speelde vervolgens een belangrijke rol bij het voorspellen van effecten van complexe mengsels, zoals die in de praktijk worden gemeten. We hebben de ontwikkelde methode toegepast op de eerder genoemde metingen van het Hoogheemraadschap van Delfland. Delfland doet niet alleen concentratiemetingen van de verontreinigende stoffen in het oppervlaktewater in hun beheersgebied, maar voert daarnaast ook metingen uit van de overleving van in dat oppervlaktewater blootgestelde watervlooien. De meting van de overleving van watervlooien was gestart in 1990 om meer zekerheid te hebben over de kwaliteit van het oppervlaktewater dan alleen toetsen aan normen. Als de chemische verontreiniging in het oppervlaktewater onder de norm zit kan het nog steeds zo zijn dat de ecologische waterkwaliteit niet in orde is. Het bekijken van de sterfte onder uitgezette watervlooien geeft hier een goed beeld van.
Het door ons ontwikkelde model is bij uitstek geschikt om deze
metingen te bekijken en te onderzoeken hoe de voorspellende waarde van
onze aanpak werkelijk is. In totaal zijn 37 datasets geanalyseerd,
allen gemeten in het jaar 2000. Er waren 20 datasets met volledige
overleving en 17 met volledige sterfte onder de uitgezette
watervlooien. Van de 20 datasets zonder sterfte wordt dit in 19
gevallen ook juist voorspeld. Van de 17 datasets waarbij sterfte wordt
gemeten is dit in 15 gevallen ook voorspeld. Het belangrijkste hiervan
is dat als het oppervlaktewater "schoon" is we dat ook voorspellen. In
de gevallen waarin we een onjuiste voorspelling doen over het wel
optreden van sterfte wordt in één geval de
drempelconcentratie van zink net overschreden en in het tweede geval
wordt de NEC (en de 48 hr LC50) voor het bestrijdingsmiddel
pirimifos-methyl overschreden Toch treedt er geen sterfte op,
waarschijnlijk is de gemeten concentratie niet helemaal representatief
geweest voor de hele blootstellingperiode. Omdat er een direct
verband is gelegd tussen de stoffen in het mengsel en de sterfte kan
worden aangegeven welke stof of combinatie van stoffen de sterfte
veroorzaakt. In op 1 na alle gevallen wordt de waargenomen sterfte
veroorzaakt door een hoge concentratie van een enkele stof. Van de
bestrijdingsmiddelen zijn vooral pirimifos-methyl, diazinon en
parathion belangrijke probleemstoffen. Verder zijn een te hoge pH of
een te laag zuurstofgehalte problematisch. Eén maal werd een te
hoog chloride gehalte vastgesteld. In 1 geval werd er geen NEC voor
een individuele stof overschreden, maar wel voor het mengsel van de
pesticiden. Dit is een mooi voorbeeld van een effect van een mengsel,
alle individuele stoffen afzonderlijk leiden niet tot een effect, maar
tezamen doen ze dat wel.
We worden vaak geconfronteerd met vragen over de relatie tussen de
oppervlaktewaterkwaliteit en normen. De belangrijkste vragen zijn:
"Hoe erg het is als een norm wordt overschreden" of eigenlijk
belangrijker "is het water 'schoon' als een norm niet wordt
overschreden". Deze vragen zijn niet eenvoudig te beantwoorden, maar
een vergelijking van de NECs met de gegeven MTR waarden voor de
verschillende stoffen geeft wel enig inzicht.
Allereerst valt er op de wijze waarop normen tot stand komen wel het
nodige af te dingen. Een Maximum Toelaatbare Risico concentratie (MTR)
is gebaseerd op de het meten van een toxisch effect van een
enkelvoudige stof op een aantal verschillende soorten. Vervolgens
wordt een extrapolatie gemaakt naar alle soorten, waarbij wordt
geaccepteerd dat 5% van alle aanwezige soorten "schade" zal
ondervinden. Dit wordt gezien als een veilige concentratie in het
milieu. Het uitgangspunt daarbij is echter een concentratie die al een
effect heeft en op een gestandaardiseerde wijze wordt gemeten, waarbij
geen onderscheid wordt gemaakt tussen soorten. Terwijl er wel een
extrapolatie wordt gemaakt naar andere soorten, waarbij het de
bedoeling is dat de meeste soorten geen effect ondervinden. Verder is
het onverdedigbaar dat je accepteert dat per stof in het milieu 5% van
de soorten gevaar loopt en dat dit dan als een veilige concentratie
wordt beschouwd. Tenslotte wordt er aangenomen dat de gevoeligheid van
soorten in het milieu gelijk is aan die van de dieren in het
laboratorium. Dat is waarschijnlijk niet het geval, maar er wordt hier
ook geen rekening mee gehouden dat een vis die watervlooien eet en
zelf ongevoelig is voor een bepaalde verontreiniging toch uitsterft
als de watervlooien wel gevoelig blijken te zijn voor die
verontreiniging.
Los van de beschouwingen over de totstandkoming van de MTR kunnen we
wel bekijken of de MTR voldoende bescherming biedt voor watervlooien
om te overleven. Het is opvallend dat de MTR voor de meeste stoffen
voldoende bescherming biedt. Maar voor een aantal stoffen is dat
duidelijk niet het geval. De twee meest in het oog springende zaken
zijn de MTR waarden voor de metalen cadmium en zink en voor de
pesticiden pirimiphos-mehtyl en diazinon. Voor deze individuele
stoffen geldt dat een relatief kleine overschrijding van de MTR binnen
30 uur blootstelling leidt tot uitsterven van de uitgezette populaties
van watervlooien. Verder hebben we kunnen berekenen dat als er naast
zink en cadmium nog andere metalen in het oppervlaktewater aanwezig
zijn, zoals het geval is in het beheersgebied van het
Hoogheemraadschap van Delfland, er al op het concentratieniveau van de
MTR uitsterven van watervlo populaties op kan treden. Hetzelfde geldt
voor de bestrijdingsmiddelen. Voor diazinon geldt net als voor veel
andere nieuwere bestrijdingsmiddelen een uniforme ad hoc norm van 2
ng/l. Vooral voor de potentere insecticiden biedt deze ad hoc norm
nauwelijks bescherming voor de watervlooien. Men zou kunnen
argumenteren dat het uitsterven van de watervlooien nu eenmaal
geaccepteerd is omdat deze organismen toevallig bij de 5% gevoeligste
soorten behoren. Dit blijkt echter niet het geval te zijn, hoewel de
huidige wijze van experimenteel vaststellen van effecten dit beeld wel
oproept. De watervlo is een gemiddeld gevoelige soort en heeft een
belangrijke functie in een gezond ecosysteem. Dus als een watervlo
populatie binnen 30 uur na blootstelling uit kan sterven ten gevolge
van de aanwezige chemische verontreiniging en er worden dan geen MTR
waarden overschreden is er iets behoorlijk mis met ons systeem van
normstellingen. Dat beeld wordt nog versterkt doordat er in de
metingen van Delfland geen verband bestaat tussen het wel of niet
overschrijden van de MTR waarden en het optreden van sterfte onder
watervlooien.
We hebben een proces gebaseerde aanpak ontwikkeld waarmee effecten van
complexe mengsels zoals die in bijvoorbeeld het Nederlandse
oppervlaktewater voorkomen kunnen voorspellen.
Het gedrag van de No Effect Concentratie speelt daarin een belangrijke
rol en is de rode draad in dit proefschrift. De No Effect concentratie
blijkt een krachtig concept bij het voorspellen van effecten na
blootstelling aan complexe mengsels. We hebben succesvol een
fundamentele link kunnen leggen tussen een gemeten complex mengsel van
verontreinigende stoffen in het oppervlaktewater en de overleving van
blootgestelde organismen. Daarmee kunnen we niet alleen het optreden
van effecten op overleving voorspellen, we kunnen ook exact aangeven
door welke stof of stofgroep het effect wordt veroorzaakt. Uit dit
onderzoek bleek ook dat het voldoen aan de oppervlaktewaternormen niet
automatisch betekent dat aan de randvoorwaarden voor een goede
ecologische waterkwaliteit zal worden voldaan. Hier zal in de wijze
waarop normen tot stand komen aandacht aan moeten worden besteedt.
This is the symposium that concludes my project