1

Produktrisikoanalyse

Modul der Vorlesung„Ökologische Systemanalyse“

Dr. Natalie von Götz, 24.03.2017Inst. for Chemical and Bioengineering, ETH Zurich

Organisatorisch20.3.2017- 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

24.03.2017- ERA für PSM, Boden, Übung 6 (15 min): RA für Boden- ERA für PSM, Oberflächenwasser, Hausaufgabe Übung 7

27.03.2017- Kurze Besprechung der Hausaufgabe (20 min)- ERA für PSM, Grundwasser, HRA für PSM- ERA für Industriechemikalien (reguliert unter REACH, vor allem Substanz-orientiert)

31.03.2017- Übung 8: RA für Industriechemikalien- HRA für Industriechemikalien

03.06.2016Abschlussveranstaltung (gemeinsam mit SH, SR)

2

Vorlesung

Gliederung heutige VL

• Wiederholung Expositionsanalyse/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

3

Tiered approach in der Umwelt-Risikoanalyse

4

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

5

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)

6

�

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

Boden

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

Boden

7

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)

8

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

9

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

10

Boden

Effekt Regenwurm

11

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 TER<10 • höhere Tiers erforderlich (zB Bestimmung des NOEC, dannfür TER>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.(ein Parasitoid) 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.)

12

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

14

Boden

Tier 2: erweiterte Standardtestsrealistischeres• 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

15

Boden

Hazard identification(Gefahrenidentifikation)

Exposure assessment (Expositionsanalyse)

Effect assessment (Effektanalyse)

Risk characterization(Risikocharakterisierung)

Daten zuEffekten

Daten zurExposition

Tiered approach für Boden

16

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)

17

Risikoanalyse PSM im Boden

2,4-D: 2,4-Dichlorphenoxyessigsäure

N. von Götz: Analyse und Beurteilung der Umweltverträglichkeit, ERA 18

19

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

Der WasserkreislaufWasser

Stufen der Risikoanalyse

20

Wasser

Hazard identification(Gefahrenidentifikation)

Exposure assessment (Exposition)

Effect assessment (Effekt)

Risk characterization(Risikocharakterisierung)

Daten zuEffekten

Daten zurExposition

Studien für die Expositionsanalyse

21

Wasser

Grundwasser Oberflächenwasser

Freilandtests(nach Bedarf)

Labortests(Standard)

AdsorptionDesorption Photolyse Wasser-Sediment

Studie

ModelleGrundwasser

ModelleOberfl.wasser

LysimeterMesokosmen

(z.B. Teich)Versickerungs-

studien

22

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

23

Oberflächenwasser

Bild an der Tafel

Wichtigste Mechanismen

• Abbauschema Wasser-Sediment-System

24

Oberflächenwasser

Schema an der Tafel mit Geschw.konstanten

PECini

25

30 cm

5 cm

Oberflächenwasser

Standardannahmen Wasser SedimentVerteilungstiefe d (cm) 30 5

Dichte ρ (kg/l) 1 1.3

OC (%) 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

26

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

14.05.18

27

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

28

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

29

Oberflächenwasser

Hazard identification(Gefahrenidentifikation)

Exposure assessment (Exposition)

Effect assessment (Effekt)

Risk characterization(Risikocharakterisierung)

Daten zuEffekten

Daten zurExposition

Studien für die Effektanalyse

30

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:

31

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 gemäss TGD: 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)

38

Oberflächenwasser

Photos: Peter Winandy

Mesokosmenanlage der RWTH Aachen/ RCC Itingen

Feldstudie Reisfeld

39

Oberflächenwasser

Kombination zwischen Effekt- und Expositionsstudie

Feldstudie Reisfeld

Probenahme

40

Oberflächenwasser

Stufen der Risikoanalyse

41

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

42

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

43

Welche Fragen muss ich mir zunächst stellen?

Risikoanalyse

Massnahmen zur Risikominderung

44

Oberflächenwasser

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.

45

Oberflächenwasser