Kombinationswirkungen von Umweltchemikalien - zur Analyse der milieuabhängigen Mischungstoxizität von Kontaminanten mit unbekanntem Wirkungsmechanismus in umweltrelevanten Konzentrationen

Abstract

Aquatische Organismen sind in der Regel nicht gegenüber einzelnen Chemikalien exponiert, sondern sind mehreren Substanzen gleichzeitig oder nacheinander ausgesetzt. Zur Vorhersage und Beurteilung der Toxizität von Stoffgemischen auf der Basis der Einzelstofftoxizitäten werden hauptsächlich zwei konkurrierende Konzepte, Konzentrationsadditivität und Unabhängige Wirkung, diskutiert. In der vorliegenden Arbeit wurde die Vorhersagbarkeit der Toxizität eines Chemikaliengemisches untersucht, wie es im Freiland vorliegen könnte, d. h. bestehend aus Substanzen, deren Wirkungsmechanismen größtenteils unbekannt sind. Die Prioritätsliste EEC Liste 1, Council Directive 76/464/EEC bildete die Basis für die Selektion der Mischungskomponenten. Zur Ermittlung der Toxizität der Einzelsubstanzen und der Gemische wurde ein chronischer Biotest mit der einzelligen Grünalge Scenedesmus vacuolatus verwendet. Exemplarisch wurde der Einfluß variierender Wasserstoff-ionenkonzentrationen auf die Vorhersage und Beurteilung der Kombinationswirkung der Mischung untersucht. Zusätzlich wurden Untersuchen zu möglichen Ursachen der pH-Wert abhängigen Toxizität ionogener Substanzen durchgeführt. Zur Klärung des Einflusses niedriger Effektkonzentrationen auf die Toxizität von Mischungen aus Chemikalien wurde untersucht, ob ein Substanzgemisch, deren Komponenten in Konzentrationen vorliegen, die gleich oder kleiner ihrer statistisch bestimmten Wirkungsschwellen sind, noch eine signifikante Toxizität erzeugt. Die beobachtete Toxizität der Mischung aus 11 Chemikalien mit heterogenen Strukturen und größtenteils unbekannten Wirkungsmechanismen ist präziser unter Verwendung des Konzeptes der Unabhängigen Wirkung als mit dem Konzept der Konzentrationsadditivität vorhersagbar. Für die Vorhersage und Beurteilung der Kombinationswirkung von Mischungen aus Umweltchemikalien sollte das Konzept der Unabhängigen Wirkung zukünftig in Betracht gezogen werden. Liegen die Komponenten der Mischung in Konzentrationen vor, die kleiner oder gleich der individuellen NOECs der Einzelstoffe sind, ist eine Toxizität zu beobachten, die deutlich über den Effekten der Einzelstoffe liegt. Damit wurde gezeigt, daß Grenzwerte in Form von NOECs zur Vermeidung unerwarteter Effekte von Mischungen untauglich sind. Der pH-Wert besitzt, über die pH-abhängige Toxizität von TCP, einen deutlichen Einfluß auf die Intensität und die Vorhersagbarkeit und Beurteilung der Kombinationswirkung der multiplen Mischung. Die Berücksichtigung dieses Umstandes kann zu einer deutlichen Verbesserung der Validität der Vorhersagbarkeit und Beurteilung der Kombinationswirkung des betreffenden Chemikaliengemisches führen. Die Ergebnisse der pH-Wert-abhängigen Toxizität können weder für alle Substanzen einheitlich noch für alle Substanzen eindeutig entweder im Sinne einer alleinigen Wirksamkeit der undissoziierten Form oder im Sinne einer Beteiligung der Wirkung der dissoziierten Form an der Gesamtwirkung bzw. im Sinne eines konzentrationsadditiven Zusammenwirkens der Spezies interpretiert werden.

As a rule, aquatic organisms are exposed against a multitude of chemicals, either simultaneously or in sequence, rather than against single substances. To predict and assess the toxicity of chemical mixtures based on the single substance toxicity, two concepts, concentration addition and independent action, are mainly discussed. The present dissertation deals with the predictability of the toxicity of a chemical mixture likely to be found in the environment, i. e. constituted of substances with mainly unknown modes of action. The EEC priority List 1 (Council Directive 76/464/EEC) build the basis for the selection of mixture components. To determine the toxicity of the single substances and the mixtures a chronic one generation algae biotest with Scenedesmus vacuolatus as test organism was used. The influence of varying hydrogen concentrations on the predictability and assessment of the combined effect of the mixture of concern was studied. Furthermore experiments were conducted intending to better understand the background of pH-depending toxicity of ionogenic substances. To clarify the impact of low effect concentrations on the toxicity of chemical mixtures, it was examined, whether a mixture, consisting of components at concentrations, which are equal or below their statistically determined effect thresholds, still generates a significant toxicity. The observed toxicty of the mixture composed of 11 chemicals with heterogeneous structures and primarily unknown modes of action was more precisely predictable with the concept of independent action than with the concept of concentration addition. In future, for the prediction and assessment of combined effects of mixtures of environmental chemicals the concept of independent action should be taken into account. Are the mixture components present in concentrations below or equal the individual NOEC of the single substances, a toxicity was observed, which lies significantly above the effects of the single chemicals. Thus it was demonstrated, that thresholds in form of NOECs do not prevent from unwanted mixture effects. The pH-value of the medium, mediated by the pH-depending toxicity of TCP, shows a significant impact on the intensity, the predictability and the assessment of the combined effect of the chemical mixture. Considering this, the validity of the predictability and assessment of the combined effect of the mixture under concern can be crucially improved. The results of the study on the background of the pH-depending toxicity of ionogenic substances could not be interpreted uniformly for all examined substances neither unequivocally in the sense of a sole effectivity of the undissociated form nor in the sense of a contribution of the effectivity of the dissociated form at the overall effect nor in the sense of a concentration additive contribution of both species.