o que é a ecotoxicologia? - paulo figueiredo · ramo da toxicologia que estuda, de modo integrado,...

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O que é a Ecotoxicologia?

Toxicologia de resíduos 2007/2008

Toxicologia de Resíduos

Ramo da toxicologia que estuda, de modo integrado, osefeitos tóxicos causados, por poluentes sintéticos e

naturais, nos constituintes dos ecossistemas (plantas, animais, microrganismos)

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Resenha histórica da Ecotoxicologia

Data Contaminante(s) Efeitos

1850s Fuligem da queima do carvão Melanismo industrial de insectos

1863 Resíduos aquosos industriais Primeiros testes de toxicidade

1874 Tiros com chumbo Morte de aves aquáticas e faisões

1887 Emissão de arsénico a partir de fundições metálicas Morte de veados e raposas

1907 Derrame de petróleo Morte de papagaios-do-mar

1924 Fuga de zinco e chumbo das minas Morte de peixes

1927 H2S gasoso em campos de petróleo Morte de mamíferos e aves

1950s DDT e pesticidas organocloradosDiminuição da espessura dascascas de ovo em aves que comem peixe

1960s Pesticidas anticolinesterase Morte de vertebrados

1970s Misturas de resíduos tóxicos (dioxinas) Efeitos sobre a saúde de humanos, animais aquáticos e selvagens

1980s Escorrimento da agricultura e substâncias radioactivas Mal-formações e problemas de reprodução

1990s Misturas químicas complexas (PCBs, pesticidas) Disruptores endócrinos

...


Ecotoxicologia como ciência multidisciplinar

Biosfera

Paisagem

Ecosistema

Comunidade

População

Indivíduo

Sistema

Orgão

Tecido

Célula

Biomolécula

Habitat

Micro-habitat

Associação de fases

Química

Ciências físicasGeologiaOceanografiaQuímica AtmosféricaClimatologia

GeografiaHidrologiaCiência dos solosSedimentologia

Química de ColóidesQuímica-físicaQuímica AnalíticaQuímica OrgânicaQuímica Inorgânica

Ciências da vidaEcologia globalEcologia da paisagem Ecologia dos sistemasMicrobiologia ambientalEcologia da comunidadeMetapopulaçãoBiologiaBiologia das populaçõesGenéticaEpidemiologiaFisiologia/AnatomiaComportamentoTeratologiaNeurologiaFarmacologiaEndocrinologiaImunologiaPatologiaOncologiaBioquímica/BiofísicaGenética Molecular

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Objectivo científicoorganizar o conhecimento, testando múltiplas hipóteses

de trabalho, sobre o destino e os efeitos dos contaminantes na biosfera

ao longo do tempo, serão produzidas explicações ouparadigmas, os quais ditarão as vias de investigação a seguir

Objectivos da Ecotoxicologia

Toxicologia de Resíduos 2005/2006


Objectivo tecnológicodesenvolver e aplicar ferramentas e métodos para

adquirir um melhor conhecimento sobre o destino e osefeitos dos contaminantes na biosfera

exemplos:instrumentação analíticaprocedimentos padrão para biomonitorização e utilização de

biomarcadoresmétodos estatísticos e tecnologias informáticas

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Objectivo práticoaplicação do conhecimento e tecnologias disponíveis para

documentar e/ou resolver problemas específicosexemplos:

desenvolvimento de padrões ou limites legais para níveis de contaminantes nos diferentes meios (águas, solos, tecidos)


Materiais nuclearesMercúrio nos peixesDerrames de petróleoDescargas agrícolasEmissões industriaisEsgotosChuva ácidaContaminantes recentes

retardadores de fogoprodutos farmacêuticosprodutos antimicrobianos

Temas actuais em Ecotoxicologia

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Temas actuais em Ecotoxicologia

Disruptores endócrinos tributilestanho

atrazinadetergentespesticidas

Principais grupos de contaminantes

Toxicologia de resíduos

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Contaminantesubstância originada como consequência da actividade

humana e presente no ambiente em concentraçõessuperiores às naturais, devido à actividade humana

antropogénicoPoluente

contaminante com efeito prejudicial para os organismosvivos


Contaminantes com importância ecotoxicológicaorgânicos

inorgânicos

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Contaminantes Orgânicos

Geralmente obtidos a partir de organismos vivosContêm carbono e pelo menos uma ligação covalente C-H

CH4

Podem provir de fontes naturais ou antropogénicashidrocarbonetos policíclicos aromáticos (PAHs)

Dividem-se em diversos grupos químicos, segundo a suaestrutura molecular

larga gama de propriedades químicas e físicas



pesticidasorganocloradosorganofosfatadoscarbamatos

piretróides

herbicidas e fungicidassabões e detergentesprodutos secundários do fabrico de pesticidas

dibenzodioxinas policloradas (PCDDs)dibenzofuranos (PCDFs)

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sulfonatos de perfluorooctanilo (PFOs)bifenilos policlorados (PCBs)

bifenilos polibromados (PBBs) e éteres difenílicos (PBDEs)hidrocarbonetos policíclicos aromáticos (PAHs)misturas complexas

esgotosefluentes da indústria do papel


Geralmente obtidos a partir de fontes mineraisMuitos ocorrem naturalmente

gases inorgânicosmetaismetais pesadosoligoelementosmetalóides

Contaminantes Inorgânicos

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metais pesadoscádmiocobrechumbomercúriozinco

metalóidesarsénico

organometaisorganoestanhometilmercúrio



espécies e gases inorgânicosnutrientes

acidez, alcalinidade e salinidadeoxigénio, oxidantes e reductores

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Determinado por 2 factores principaispropriedades físico-químicas do composto

condições do ecosistema circundante

Destino dos contaminantes no ambiente


Destino dos contaminantes no ambiente

Fotólise ou moléculas orgânicas na atmosfera, solo e águas superficiais

Velocidades de degradação reduzidas em sedimentos anaeróbicos

Sedimentos

Deposição atmosférica seca e húmida em ecosistemas terrestres e aquáticos

Volatilização

Partição de contaminantes para a microcamada superficial orgânica

Desorção das partículas e sedimentos

Sorção em partículas e incorporação nos sedimentos

Degradação microbiana em sedimentos de superfícies aeróbicas

Contaminantes provenientes de fontes agrícolas, industriais e residenciais são libertados para o solo, atmosfera e água

Transformação abiótica e microbiana em aquíferos, águas subterrâneas, transporte de águas subterrâneas e deslocação para cursos de água

Absorção e metabolização pelos organismos

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Transporte dos contaminantes é fortemente influenciado porpartição do composto entre vários compartimentos

ambientaisfases gasosa/aquosafases aquosa/sedimentosfases dissolvida e líquida/sólida

Partição dos contaminantes


Reacções bióticasreacções mediadas biologicamente, controladas por

microrganismosprocessos mais importantes de controlo da degradaçãode contaminantesmineralização – contaminantes utilizados por bactérias como fonte

de carbono podem ser degradados a CO2, H2O e sais inorgânicos

degradação enzimática em organismos superioresdesintoxicaçãoactivaçãoeliminação de contaminantes

Degradação ambiental

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Reacções abióticasfotólise – luz entre o UV e o visível é absorvida por

moléculas com consequente quebra de ligaçõesimportante em compostos com ligações duplasconjugadas e estruturas aromáticasfotólise directa – o próprio contaminante absorve a luz e sofre

fragmentação ou oxidaçãofotólise indirecta – luz absorvida por outras moléculas (matéria

orgânica dissolvida) formando espécies reactivas



hidrólise – reacção de uma molécula de água com o contaminante

normalmente resulta na adição de um grupo hidroxilooxidação – adição de oxigénio, remoção de hidrogénio, ou

remoção de electrões de um elemento ou compostono ambiente, matéria orgânica é oxidada a substânciasmais estáveis

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Voltando aos Contaminantes Orgânicos


Contaminantes OrgânicosPesticidas

Empregues com diversos propósitosmoluscidasnematicidasrodenticidas

algicidasbactericidasherbicidasfungicidas

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Contaminantes OrgânicosPesticidas Organoclorados

Compostos sintéticos em que diversos átomos de H foram substituídos por átomos de Cl

Alguns têm O2 incorporado na sua estruturadieldrinametoxiclor

Exemplos mais comuns:ciclodienos

dieldrina, aldrina, toxafeno e clordano

diclorodifeniletanosDDT e seus metabolitos (DDE, DDD, metoxiclor)

benzenos cloradoslindano



Dieldrina ClordanoToxafeno

LindanoMetoxiclor

Diclorodifeniletanos:

Ciclodienos:

Ciclohexanos:

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Estruturalmente diferentes da maioria dos compostosnaturais

degradação lentaMaioria tem elevado peso molecular e baixa

hidrossolubilidadetendem a bioacumular e a biomagnificar na cadeiaalimentar

Podem ser volatilizados a partir dos sedimentos e redistribuídos pelas correntes de arcontaminação de áreas distantes

Devido à sua persistência e toxicidade têm deixado de ser usados



Modo de acçãoprovocam efeitos neurotóxicos ao interferirem com o

movimento dos iões através das membranasneuronaisaumentam sensibilidade dos neurónios, originando tremores

generalizados

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DDE e DDD têm tempos de meiavida de vários anos

banido há ~30 anosbaixa toxicidade paramamíferos, mas pode ser carcinogénico

DDE e DDD são disruptoresendócrinos

DDT

DDE DDD

Diclorodifeniletanos:


Contaminantes OrgânicosPesticidas Organofosfatados

Derivados do ácido ortofosfórico, contendo fósforo e ligações éster

alguns contêm enxofreMais hidrossolúveis que os organocloradosTempos de meia vida entre dias e semanas

Ácido Ortofosfórico AdiazinãoClorpyrifos

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Contaminantes OrgânicosPesticidas Organofosfatados

Modo de acçãoinibição da actividade da acetilcolinoesterase

sistema enzimático comum à maioria dos organismospouca especificidade


Contaminantes OrgânicosPesticidas Carbamatos

Derivados do ácido carbâmicoBaixa persistência

frequente uso como insecticidas em jardins e relvados

Carbarilo Carbofurano

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Contaminantes OrgânicosPesticidas Carbamatos

Modo de acçãoinibição da actividade da acetilcolinoesterase

idêntico ao dos organofosfatados


Contaminantes OrgânicosPesticidas Piretróides

Análogos sintéticos das piretrinas produzidas naturalmente pelas flores de crisântemos

Frequente uso como insecticidasSofrem rápida biodegradação no ambientePodem causar toxicidade em peixes e invertebrados

AletrinaPiretrina I Permetrina

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Contaminantes OrgânicosPesticidas Piretróides

Modo de acçãoprovocam efeitos neurotóxicos semelhantes aos do DDT


Contaminantes OrgânicosHerbicidas

Empregues para controlo de ervas daninhas emagricultura (soja, milho, ...), relvados, campos de golfe

Entram no ambiente aquático por escoamento superficial ou deposição atmosférica

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Herbicidas aromáticos são os mais frequentementeutilizados

bipiridinas – Diquat, Paraquattriazinas – Atrazinaclororofenoxi-herbicidas – 2,4-Dazotados – Propanil, Alachlor

N

N

Diquat

N

O

Cl

O

Alachlor



Muito hidrossolúveisForte tendência para particionar nos solos

tem que ser directamente aplicado na plantaEm geral degradam-se por hidrólise ou acção microbiana

tempo de meia vida de semanas ou meses

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Metabolismo da Atrazina


Contaminantes OrgânicosDibenzodioxinas Policloradas (PCDDs) e

Dibenzofuranos Policlorados (PCDFs)

Compostos estruturalmente semelhantesproduzidos durante diversas reacções químicas e

térmicasnão são produzidos intencionalmentenão têm valor de mercado

Hidrocarbonetos aromáticos halogenados

diversos graus de cloração

2,3,7,8-Tetracloro-dibenzo-p-dioxina (TCDD ou Dioxina)

2,3,7,8-Tetracloro-dibenzofurano

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Contaminantes OrgânicosDibenzodioxinas Policloradas (PCDDs) e

Dibenzofuranos Policlorados (PCDFs)

Elevada estabilidade químicadifícil biodegradação

elevada persistênciaBaixa hidrossolubilidade75 congéneres de PCDD e 135 de PCDF


Contaminantes OrgânicosSulfonatos de Perfluorooctanilo (PFOs)

Contaminantes recentesCompostos fluorados usados como:

refrigerantesadesivosretardadores de chamalubrificantes

degradam-se no ambiente, formando PFOs

PFO

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Contaminantes OrgânicosBifenilos Policlorados (PCBs)

Resultado da cloração de uma molécula de bifeniloUtilização:

condutores de calor em transformadores eléctricosplastificanteslubrificantes

209 congéneres possíveisfunção do nº de Cl substituintes

1 - 10



Compostos sintéticosMetabolizados ou degradados lentamente

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Modo de acçãoafectam diversos sistemas

nervosoendócrino

afectam vias bioquímicascrescimento celularmetabolismo


Contaminantes OrgânicosBifenilos Polibromados (PBBs)

Resultado da bromação de uma molécula de bifeniloUtilização:

misturas para uso como retardantes de fogoDestino ambiental e efeitos semelhantes aos dos PCBsRaramente encontrados em concentração significativa no

ambiente

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Contaminantes OrgânicosÉteres Difenílicos Polibromados (PBDEs)

Contaminantes recentes, aumentando rapidamente!Utilização:

diminuir a inflamabilidade de têxteis e equipamentoelectrónico

Configuração semelhante aos PCBs e PBBs, mas com um átomo de O a separar os 2 anéis

Existe em misturas complexas, com mais de 175 tiposdiferentes

2,2',4,4',5-difeniléter-pentabromado



3 misturas comerciais mais importantes:decabromodifeniléter (deca-BDE)

octabromodifeniléter (octa-BDE)pentabromodifeniléter (penta-BDE)

Geralmente estáveis, mas podem sofrer perca de átomosde Br, no ambienteaumento de toxicidade

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Modo de acção:disruptor endócrino

altera função da tiróide


Contaminantes OrgânicosHidrocarbonetos Policíclicos Aromáticos (PAHs)

Resultado da combustão incompleta da matéria orgânicaOs de maior peso molecular são mais hidrofóbicos

podem bioacumular nos sedimentos e organismosbenzo[a]pireno

Os de menor peso molecular são altamente tóxicosantraceno

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Modo de acção:convertidos em intermediários reactivos durante o

metabolismoinduzem cancro



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Contaminantes OrgânicosMisturas Complexas

Esgotosprovenientes de fontes domésticas, comerciais,

industriais e processamento de alimentossubstâncias com carência de oxigénio (fezes, gorduras, sólidos) removidas por processos primários e secundários de tratamento de resíduospoluentes que podem restar após tratamento:

produtos domésticos (detergentes)patogénicos (vírus e bactérias)sais (amaciadores da água, resíduos humanos)metais pesados (resíduos industriais, laboratórios químicos)produtos farmacêuticos (hormonas, antibióticos, inibidores de

absorção da seratonina)


Contaminantes OrgânicosEstrogénios Naturais e Sintéticos

Presentes em esgotos e águas a jusante de ETARsModo de acção:

disruptores endócrinosfeminização de peixes machos

Estrogénio natural : Estradiol, E2Estrogénio sintético : Etinilestradiol, EE2

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Contaminantes OrgânicosAlquilfenóis etoxilados (APEs) e Alquilfenóis (APs)

Presentes em esgotos e águas a jusante de ETARsUtilização:

APEs são tensioactivos usados em detergentes, pesticidas, cosméticos e tintasbiodegradados durante tratamento de efluentes, formando APs

NonilfenolOctilfenol


Contaminantes OrgânicosAlquilfenóis etoxilados (APEs) e Alquilfenóis (APs)

Modo de acção:disruptores endócrinos

estrogénicos

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Contaminantes OrgânicosMisturas Complexas

Efluentes da indústria do papelcontêm cerca de 300 compostos químicos

composição química depende de:tipo de árvore usada (madeira dura ou mole)processo de cozeduraprocesso de branqueamento (uso de cloreto?)tratamento de efluentes

compostos considerados tóxicos:ácidos gordos e ácidos resínicos (componentes naturais da madeira)esteróis vegetais (funcionam como hormonas)compostos clorados (dioxinas, fenóis clorados, ...)


Voltando aos Contaminantes Inorgânicos

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Metais pesadoscádmio

cobrechumbomercúriozinco

Metalóidesarsénico

Organometaisorganoestanhometilmercúrio



Espécies e gases inorgânicosNutrientes

Acidez, alcalinidade e salinidadeÓxigénio, oxidantes e redutores

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Contaminantes InorgânicosMetais Pesados

Entre os poluentes mais prejudiciaisInclui tanto elementos essenciais (Fe) como tóxicos (Cd, Pb,

Hg)Libertados para o ambiente como resíduos industriais, das

minas, produtos de combustão e pesticidas agrícolas


Contaminantes InorgânicosMetais Pesados

Modo de acção:grande afinidade para os grupos sulfurados das enzimas

e outras proteínaspodem ligar-se às membranas celulares, alterando osprocessos de transporte através das paredes celulares

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Contaminantes InorgânicosMetais Pesados - Mercúrio

Fontes:antropogénicas

processamento de bases e metaisincineração de carvãoresíduos médicos e outrosminagem de ouro e mercúrio

naturaisvulcõesdepósitos geológicos de mercúriovolatilização a partir do oceano

deposição atmosférica é a principal fonte


Contaminantes InorgânicosMetais Pesados - Mercúrio

Efeitos tóxicos dependem da forma química e da via de exposição

metilmercúrio (CH3Hg) é a forma mais tóxicamercúrio elementar (Hg) é a forma menos tóxica

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Contaminantes InorgânicosMetalóides

Arsénico (As) é o mais importante no ambientepropriedades entre metais e não metais

Fontes naturais e antropogénicasAs pode ser metilado por microrganismos, dando

compostos muito mais tóxicos e biodisponíveis


Contaminantes InorgânicosOrganometais

Átomos metálicos covalentemente ligados a compostosorgânicos

tributil estanho (TBT)intencionalmente sintetizado para uso industrial como agente

antivegetativo para impedir crescimento de cracas e outrosorganismos nos barcos

metilmercúrioproduto de degradação microbiana

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Contaminantes InorgânicosNutrientes

Excesso de nutrientes azotados e/ou fosforilados nossistemas aquáticos

eutrofizaçãoN e P entram nas massas de água a partir de:

escoamento superficialchuvasdeposição atmosféricaesgotos e descargas industriais


Contaminantes InorgânicosNutrientes

Sintomas:desenvolvimento explosivo de algas à superfície

hipoxiamorte de peixes

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Exposição, interacções químicas e

dosagem-resposta



Conceitos básicos

Para se dar um efeito tóxico, um composto químico terá quealcançar o orgão alvo numa concentração suficientemente

elevada e durante tempo suficientemente longodepende de:

propriedades químicas e físicas do agente tóxicoduração e momento da exposiçãoconcentração da exposiçãosusceptibilidade do sistema biológico

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Características da exposição

Principais vias de exposição:tracto gastrointestinal (ingestão)

pulmões (inalação)peleoutras vias (injecções):

intraperitonealintravenosaintramuscular

guelras (peixes e outros vertebrados)


Duração da exposição

Aguda - < 24 hSubaguda - ≤ 1 mês

Subcrónica – 1 – 3 mesesCrónica - > 3 meses

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Frequência da exposiçãoC

on

ce

ntr

açã

o n

o o

rgã

o a

lvo

3

2

1

Intervalo da resposta tóxica

A

B

C

A: Compostos com velocidades de eliminação muito lentas (1 ano)

B: Compostos com velocidades de eliminação intermédias (iguais à frequência da dosagem, 1 dia)

C: Compostos com velocidades de eliminação muito rápidas (> frequência da dosagem, 6 h)

Dose únicaDoses múltiplas


Momento da exposição

Janelas de sensibilidadeprimeiras fases de vida dos organismos são mais

sensíveis aos efeitos dos contaminantesdiferenciação sexualorganogénesecrescimento somático

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Interacções Químicas

Tipos:aditiva

efeito combinado de 2 compostos igual à soma dos efeitos de cada um

sinérgicaefeito combinado de 2 compostos muito superior à soma dos efeitos de cada um

potenciaçãoquando uma substância não possui efeito tóxico mas, adicionada a outra torna o efeito tóxico desta muito maior

antagónicaquando as acções de 2 compostos interferem uma com a do outro


Concentração de exposição vs. Dosagem

Concentração de exposiçãoconcentração ambiental à qual os animais estão expostos

Dosagemquantidade total de um composto administrada a um

organismoexpressa em termos de massa corporal

Dose aplicadaquantidade administrada oralmente (ou na pele) por

unidade de pesoDose absorvida

quantidade efectivamente absorvida por unidade de peso

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Resposta

Alteração relativamente ao estado normalníveis molecular, celular, orgão, organismo

sintomas“endpoint”

Local vs. sistémicaReversível vs. irreversívelImediata vs. retardadaGradual vs. quantal

Quantal ≡ resposta tudo ou nada


Relação Dosagem-Resposta

À medida que aumenta a dosagem de um agente tóxico, também a resposta aumenta

0 1

Dose (escala log)

Resp

osta

10 100 1000

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Formas do gráfico Dosagem-Resposta

0 1

Dose (escala log)

Resp

osta

10 100 1000

Morte

To

xic

ida

de

Se

m e

feit

o

Nutrientes essenciais

Agentes tóxicosPatamar


Formas do gráfico Dosagem-Resposta

0 1

Dose (escala log)

Resp

osta

10 100 1000

Morte

To

xic

ida

de

Se

m e

feit

o

Composto A Composto B

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Gráfico Dosagem-Resposta

Patamardose abaixo da qual não é detectável qualquer efeito

Nível de efeito adverso não observável (NOAEL)nível de exposição mais elevado para o qual não é

observável qualquer efeitoNível de efeito adverso observável mais baixo (LOAEL)

nível de exposição mais baixo ao qual está associado um efeito adverso

Diferença entre NOAEL e PatamarNOAEL usado para medir efeitos crónicos


Gráfico Dosagem-Resposta

LD50

valor tirado do gráfico

dose de um composto capaz de provocar a morte de 50% dos animais testados

LC50

quando a dose é desconhecida (contaminação a partir do ar respirado ou da água em que vivem)concentração de um composto capaz de provocar a mortede 50% dos animais testados

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Variações na resposta tóxica

Susceptibilidade individualnuma dada população, a resposta pode variar entre 10 e

30 vezesgenética

variações em espécie e estirpe

géneroestado nutricionalidade

jovens têm mecanismos excretadores, sistemas de biotransformaçãoe barreira hematoencefálica pouco desenvolvidos

velhos têm maior teor de gordura corporal e alterações nas taxasmetabólica e excretória

estado de saúdeexposições prévias ou concorrentes

efeitos aditivo, antagonista ou sinérgico

Absorção, distribuição, excreção e

biotransformação de contaminantes em organismos vivos


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Absorção

Processo pelo qual os agentes tóxicos atravessam membranasdo corpo e entram na corrente sanguínea

Processos de absorção mais prováveisoral

absorção gastrointestinal

inalaçãopulmões e guelras


Absorção

Vias celulareslipídica

pequenos compostos polares sem carga (lipofílicos)

aquosagrandes compostos hidrofílicos, transportados por canais e proteínas

de transporte

endocitosemetais e nutrientes essenciais

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Absorção

Canal de iões

Bomba de iões

Molécula transportadora

Transporte Activo

Difusão

Difusão facilitada

Endocitose

Difusão através da bicamada lípidica

cabeça polar

Fosfolípido

cadeia de ác. gordo


Absorção pelo tracto Gastrointestinal

Diferentes velocidades de absorção entre espéciesdiferentes morfologias, devido a preferências alimentares

Absorção pode ocorrer em todo o tractoboca até recto

Absorção depende de:pH

estômago mais ácido que intestino

fluxo do sangueárea e motilidade no intestinopresença de sistemas de transporte especializados

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Absorção pelos Pulmões

Gases, vapores ou líquidos voláteisnasofaringetraqueiabronquíosbronquíolosalvéolos

Velocidade de absorção de gases depende da razão de solubilidade[sangue]/[fase gasosa]

gases com baixa solubilidade – absorção aumenta apenas com o aumento de fluxo do sangue

gases com elevada solubilidade – absorção aumenta apenas com aumento da velocidade respiratória

Lipossolubilidade e pH são pouco importantes



Aerossóis e partículas aero-transportadasPartículas > 10 mm não entram no sistema respiratório

Partículas < 0.01 mm são exaladasPartículas entre 0.01 – 10 mm percorrem todo o caminho

até aos alvéolos

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Absorção pelas Guelras

Peixes e outros vertebradosAbsorção directamente proporcional à velocidade de

ventilaçãoespécies com maiores necessidades de O

2, absorvem

mais compostos químicosdeficiência de O2 ou exercício físico traduzem-se emmaior absorção de contaminantes

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Absorção pela Pele

Pouco permeávelProdutos químicos têm

que atravessardiversas barreirasepiderme – maiorsuperfície da pelederme – glândulassudoríferas e sebáceas, folículoscapilares, vasossanguíneos


Absorção pela Pele

Maioria dos produtos químicos atravessa a pele pordifusão passiva

Importante via de exposição para animais com pele maciaanfíbios, répteis, peixes sem escamas

Exoesqueleto dos invertebrados é muito permeável a agentes tóxicos lipofílicos

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Distribuição

Após entrar no sangue, um composto químico é rapidamentedistribuído pelo corpo

Velocidade de distribuição depende de:Fluxo sanguíneo através do orgão ou tecidoVelocidade de difusão dos capilares para as célulasAfinidade do orgão ou tecido para o contaminante


DistribuiçãoOrgãos alvo

Efeito adverso depende da concentração do compostoactivo no tecido alvo, durante tempo suficiente

Orgãos afectados diferentementefígado – fluxo sanguíneo elevado; reacções oxidativasrins – fluxo sanguíneo elevado; concentra produtos

químicospulmões – fluxo sanguíneo elevado; local de exposiçãoneurónios – dependentes do O2; danos irreversíveis

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DistribuiçãoVolume de Distribuição

Concentração do composto no plasma reflecte a suadistribuição

ex: compostos lipossolúveis terão baixa concentração no plasma

Con

c. sa

ng

uín

ea

Tempo

A

B

A: administração oralB: administração IV


DistribuiçãoBarreiras Naturais

Barreira hematoencefálicaimpede parcialmente a passagem de

agentes tóxicos para o Sistema Nervoso Central

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DistribuiçãoBarreiras Naturais

Placentaimpede a passagem de agentes tóxicos para o feto,

através de processos de biotransformação


Ligação e Armazenamento

Proteínas do plasmaCapazes de se ligar a diversos compostos

albuminatransferina (metais)lipoproteínas

Fígado e rinsGrande capacidade de ligação

metalotioneína (metais pesados)ligandina (ácidos orgânicos)

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Ligação e Armazenamento

Tecido adiposoArmazenamento de contaminantes lipossolúveis

OCPsPCBs

OssosArmazenamento de inorgânicos

FPbSr


Eliminação

Rins e urinaVias mais importantes para eliminação de agentes tóxicos

sobretudo pequenas moléculas hidrossolúveisProcessos de excreção

filtraçãodifusãotransporte activo

Excreção Urinária

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EliminaçãoExcreção Biliar

Sistemas específicos de transportetransporte activo

Circulação enterohepáticarecirculação de compostos para o fígado


EliminaçãoOutras vias de Excreção

Pulmõescompostos voláteis

Leite maternocompostos lipossolúveis

Gema de ovocompostos lipossolúveis

Suor, saliva, lágrimas, sémencompostos hidrossolúveis

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Metabolismo ou Biotransformação

Normalmente provoca aumento da hidrossolubilidade dos compostos químicos

Diminui tempo de meia vida e tempo de exposiçãodiminui toxicidade

Também pode provocar aumento da toxicidade!


Metabolismo ou BiotransformaçãoReacções enzimáticas

Fase Ialteração do agente tóxico, adicionando um grupo

funcionalFase II

conjugação de metabolitos da Fase I (adição de grupopolar) para excreção final

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Fase I Fase II

Oxidação Sulfatação

Redução Glucoronidação

Hidrólise Conjugação de glutationa

Hidratação Acetilação

Desalogenação Conjugação de aminoácidos



Citocromas P450catalizam reacções da Fase I

diversas isoenzimasmaioria encontra-se no fígadopossuem um átomo de Fe (grupo hemo)

CYP-450 3AHemo

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Mecanismos de toxicidade



Agentes tóxicos finais

Podem ser os compostos originais (TCDD) ou os seusmetabolitos (PAHs)

ActivaçãoBiotransformação dos compostos iniciais em produtos

tóxicosAumento de reactividade pode dever-se à conversão dos

compostos iniciais em:electrófilosradicais livres

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Agentes tóxicos finaisElectrófilos

Moléculas que contêm um átomo deficiente em electrõespodem reagir com outras moléculas por partilha de pares de electrõespodem ser tóxicas para as célulasfrequentemente produzidas por oxidação com CYP450s


Agentes tóxicos finaisElectrófilos

PAHs podem ser metabolizados para formar electrófilos

OH

CYP450

HO

O

B[a]P diol epóxidoBenzo[a]pireno

Carcinogénico

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Agentes tóxicos finaisRadicais livres

Compostos altamente reactivos, com um único electrãodesemparelhado na órbita mais externatransferem esse electrão para O2

O2

.(superóxido)

muito tóxicos para as célulasstress oxidativo

reagem entre sireacções autocatalíticas em cadeia

espécies reactivas de oxigénio (ROS)radicais livres derivados do O2

H2O2, NO



Formados no corpo por estímulos fisiológicos (naturais) e patológicos

fisiológicosrespiração mitocondrial

O2, H2O2, NOcélulas

NO3, NO2

patológicosradiação ionizante

lise da água corporal (H2OH++ OH-)metais de transição

Cu+, Fe2+

radiação UVagentes tóxicos

paraquat

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Agentes tóxicos finaisInteracção com as Moléculas alvo

Radicais livres provocam peroxidação dos lípidos e stress oxidativo

ácidos gordos polinsaturados das membranas celularesparticularmente vulneráveislipoperoxidação aumenta permeabilidade das células

influxo de cálcioalteração do pH celular

Radicais livres alteram enzimas e proteínas receptorasRadicais livres provocam fracturas nos núcleos celulares

danos no DNAmorte celularmutações no DNA

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Agentes tóxicos finaisInteracção com as Moléculas alvo


Vias de Desintoxicação

Electrófilosconjugação com glutationa (nucleófilo)

Radicais livrespresença de antioxidantes

vitaminas (C, E)enzimas

dismutase do superóxidocatalaseglutationa peroxidase

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Disfunção Celular

Induzida por:Stress oxidativo (lipoperoxidação)Desregulação e manutenção celular


Disfunção Celular

Desregulação celular da:expressão genética

divisão celularapoptosesíntese e transcrição proteica

actividade celularalteração na regulação da actividade neural e/ou muscular

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Disfunção Celular

Alteração da manutenção celular (morte/dano celular) por:manutenção interna

síntese de ATPregulação de Ca2+

síntese proteicafunção membranar

manutenção externafuncionamento deficiente de sistemas integrados

ex: gluconeogénese hepática


Reparação

Reparação

Molecular

Celular

Tecidular

Proteína

Lípido

DNA

Apoptose Proliferação

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Disrupção

Necrose dos tecidosmorte celular

Fibrose dos tecidosdeposição excessiva de matrizes extracelulares com composição “anormal”

Cancerigeneseproliferação celular anormal e desregulada


Disrupção

Necrose

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Testes de toxicidade em animais



Testes de toxicidade

Integração de 3 estratégiasRastreio químico

em laboratório ou no exteriorEstudos em mesocosmo

ambiente confinado, simulando um ecosistema naturalTrabalho de campo de avaliação ecológica

populações naturais estudadas no seu ambiente natural

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Tipos de testes:In vitro

células ou tecidosIn vivo

animal inteiroMicrocosmoMesocosmoTrabalhos de campo



Tipos de testes:In vitro

muito rápidos e baratos úteis para estabelecer mecanismos de acção dos agentes tóxicos difícil extrapolação para animais vivos

In vivoexactamente o contrário

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Tipos de testes:Agudos

muito rápidos e baratos apropriados para agentes tóxicos que induzemmortalidade

Crónicosimportantes para diversos efeitos sub-letais caros e lentos


Testes de toxicidadeAves

Codorniz do Japão (Coturnix coturnix)

Colin da Virgínia(Colinus virginianus)

Pato real (Anas platyrhynchos)

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Testes de toxicidadeAves

Vantagens:incubação e maturação rápidasovos grandes e de rápido desenvolvimentoaves pequenaspodem reproduzir-se ao longo de todo o anopõem muitos ovos (>300/ano)adaptam-se a gaiolaspadrões endócrinos e comportamentais bemcaracterizadosdimorfismo da plumagem


Testes de toxicidadeMamíferos

Arganaz dos pradosMicrotus pennsylvanicus

Rato veadeiroPeromyscus maniculatus

MartaMustela vison

HerbívoroOmnívoro

Carnívoro

Muito poucos protocolos para animais selvagens

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Testes de toxicidadeAnfíbios

FETAX – Frog Embryo Teratogenesis Assayfeito com embriões de sapo africano (Xenopus laevis)

dura 4 dias e segue o desenvolvimento desde embrião até larvacapaz de controlar diversos tipos de toxicidade

agudacrónicade desenvolvimento

avaliação de riscos ecológicos e para a saúde humanagrau de confiança de ~85% para mamíferosrápido e barato


Testes de toxicidadeAnfíbios

Ciclo de vida do sapo africano

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Testes de toxicidadePeixes

Ciclo de vida curtopoucos meses

Reprodução com muitos descendentesPeixes relativamente pequenos

utilizam espaços pequenosSuficientemente grandes

permite recolher amostras de tecidosCaracterísticas sexuais distintas



Medaka japonesa (Oryzias latipes )

Vairão-de-cabeça-grande (Pimephales promelas)

♀

♂

Peixe zebra (Danio rerio)

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♀

♂

FecundidadeFertilidade

Crescimento e desenvolvimento dos embriõesTaxas de eclosão

Sobrevivência e crescimento dos descendentes

Teste de ciclo de vida com zebras



Achigã (Micropterus salmoides)grande predador

exposto a poluentes persistentesvasta distribuição geográficafácil recolha de tecidos

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Testes de toxicidadeInvertebrados aquáticos

DaphniaDaphnia magna

Hyalella azteca

Chironomus tentans


Testes de toxicidadeComo escolher um modelo animal?

Relevância ecológicaTamanho

Dimorfismo sexual Capacidade de atingir a maturidade reprodutivaDisponibilidadeConhecimentos básicos sobre a sua fisiologia e ecologiaCapacidade de sobreviver e reproduzir-se em cativeiro

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Toxicocinética



Cinética

Como um produto químico alcança o orgão alvoPerfis concentração vs. tempo

Regulação por 2 processos:absorçãoeliminação (metabolismo)

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CinéticaDiferenças entre espécies

Mesmos tecidos em espécies diferentes tendem a tersensibilidades semelhantes a um dado composto químico

Maioria das diferenças em sensibilidade entre espéciesdeve-se a diferenças cinéticas


CinéticaTamanho corporal

Animais mais pequenos receberão maiores doses (porunidade de massa) que os maiores

Efeito de massa corporal maior em animais jovensmaior necessidade de energia

Devem ser usadas como “sentinelas” as menores espéciesde um dado grupo

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Biodisponibilidade e Bioacessibilidade

BiodisponibilidadeDose absorvida/Dose aplicadaQuantidade disponível para produzir efeitos biológicos no

corpoBioacessibilidade

Fracção não ligada ao soloConsiderada “disponível para absorção”


Eliminação

Animais com elevada velocidade metabólica têm elevadavelocidade de eliminação

Animais mais pequenos necessitam maiores dosesPara manter o nível sanguíneo

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BiomarcadoresMoleculares



Biomarcadores podem ser medidos a diversos níveis

Resposta biológica

Exposição/Nível de StressAlto Baixo

Molecular

Bioquímico

Celular

Tecido

Sistémico

Organismo

População

Ecosistema

Resposta Temporal

Min/horas Dias Semanas/Meses Anos

Gerações biológicas

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Biomarcadores

Ferramentas para monitorizar funções biológicas e a saúdeMedidas quantificáveis

bioquímicashistológicasfisiológicas

relacionam o grau de disfunção provocado por contaminantes


Biomarcadores

Podem ser:Específicos

detecção de enzimas em orgãos alvoquantificação da actividade enzimática nos orgãos

Não específicoscrescimentometabolismo

Exposiçãoquantificação da actividade enzimática

Efeitosindução de genes e proteínas

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BiomarcadoresCritérios para avaliação

Sensibilidade e especificidadeFacilidade de interpretaçãoTempo para manifestação do “endpoint”Permanência da respostaFiabilidadeAplicação às condições de campo


BiomarcadoresMoleculares - Proteínas

Desintoxicação, metabolismo e excreçãoCYP450s

catalizam reacções de desintoxicação e bioactivaçãohemoproteínas associadas às membranas

metalotioneínasligam-se a metaisinduzidas por metais pesadosparticipam em desintoxicação e sequestro de metais

proteínas de stressdefesas antioxidantes

glutationacatalasedismutase do superóxido

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BiomarcadoresMoleculares - Proteínas

Outras proteínasvitelogeninaproteínas do ovo

vertebrados e invertebrados

receptores celulares


BiomarcadoresMoleculares - ADN

Quebra de ADN pode ser detectada pelo “ensaio cometa”electroforese unicelular em gel

Ensaio cometa

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Genómica e Proteómica

Novo campo científico que estuda o envolvimento de todo o genoma, nas respostas biológicas de organismosexpostos a agentes tóxicos e solicitações (stresses) ambientais

Combina informações de:genómica

perfis de m-ARN à escala do gene

proteómicaperfis de proteínas à escala da célula ou do tecido


Genómica

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Proteómica

Electroforese em gel a 2 dimensões para análise

simultânea de centenas de proteínas

BiomarcadoresBioquímicos, Celulares e

Tecidulares


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Biomarcadores podem ser medidos a diversos níveis

Resposta biológica

Exposição/Nível de StressAlto Baixo

Molecular

Bioquímico

Celular

Tecido

Sistémico

Organismo

População

Ecosistema

Resposta Temporal

Min/horas Dias Semanas/Meses Anos

Gerações biológicas


Respostas Bioquímicas

HormonasReprodução

esteróides sexuaisCrescimento e metabolismo

hormonas da tiróideStress

hormonas de stresscorticosteróides

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Respostas Celulares

Morfologia celularhistologia e histopatologiamétodo rentável para verificar efeitos tóxicos e exposição pouco conhecimento da histologia normal e dos seusdesvios maioria das avaliações é qualitativa


Respostas Tecidulares

Peso dos orgãosíndices organosomáticos

(peso do orgão/peso do corpo)x100fígado

índice hepatosomático (HSI)gónadas

índice gonadosomático (GSI)

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índices organosomáticosgrande variação de espécie para espécieafectados por:

estado nutricional (fígado)estado reproductivo (fígado e gónadas)exposição a contaminantes

aumenta HSI

diminui GSI



índices organosomáticosvantagens:

fácil e baratodesvantagem:

não específico

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Avaliação do risco


Avaliação de Riscos

Avaliação do impactoIdentificação dos problemas ambientais específicos a um

projectoponderação desses problemas na elaboração do projecto

Avaliação dos riscosDeterminação de um nível aceitável de contaminação, que

proteja as comunidades e os ecosistemas

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Perigocaracterística intrínseca de um poluente, causadora de potenciais efeitos nefastos aos sistemas ecológicos

Riscoprobabilidade de que o efeito nefasto de um poluente se manifeste num dado compartimento biológico



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Avaliação de RiscosProcesso de avaliação dos riscos

Identificação dos perigos apresentados pelos compostosquímicos, efluentes, dejectos, solos e sedimentosrelativamente a animais e plantas e suas associações aoseio dos ecosistemas

Definição da exposição dos alvos considerados (animais, plantas) no seu meio

Avaliação dos efeitos sobre os alvosEstabelecimento de uma relação dosagem-resposta

Caracterização dos riscosUsando as informções das etapas anteriores



Identificação dos perigosProcesso pelo qual se determina se uma substância é

potencialmente perigosa para a saúde humana e o ambiente

Baseia-se em:mobilidade do produto no ambientereactividade com os elementos bióticos e abióticosefeitos sobre os organismos vivos

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Avaliação da exposiçãoDeterminar a concentração prevísivel no ambiente (PEC)

utiliza modelos que têm em conta:local de emissão e suas especificidadesprocessos industriaissubstâncias e quantidades emitidasmeios receptores e suas especificidadescomportamento das substâncias em questão



Avaliação dos efeitosDeterminar a concentração prevísivel sem efeito no

ambiente (PNEC)utiliza testes de laboratório (bioensaios) paracaracterizar a toxicidade do composto ou da matrizcontaminada

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Avaliação dos efeitosBioensaios permitem avaliar os efeitos tóxicos de um

composto ou de uma mistura de compostos sobre umaou diversas espécies sob condições controladastestes de toxicidade aguda

duração até 96 hresposta medida é a sobrevivência dos indivíduos testados

testes de toxicidade crónicaduração entre 1 e várias semanasmedem-se diversos tipos de resposta

efeitos letaisefeitos sub-letais (crescimento, reprodução)



Caracterização dos riscosInterpretação da relação PEC/PNEC

exprime o risco em termos de probabilidade

o que é a ecotoxicologia? - paulo figueiredo · ramo da toxicologia que estuda, de modo integrado,...

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