Bioakkumulation ist die allmähliche Anreicherung einer Chemikalie in einem lebenden Organismus im Laufe der Zeit. Dies geschieht entweder, weil die Chemikalie schneller aufgenommen wird, als sie verbraucht werden kann, oder weil die Chemikalie nicht zur Verwendung durch den Organismus abgebaut werden kann (d. h. die Chemikalie kann nicht verstoffwechselt werden).
Bioakkumulation muss nicht bedenklich sein, wenn die akkumulierte Verbindung nicht schädlich ist. Gesundheitsschädliche Verbindungen wie Quecksilber können sich jedoch in lebendem Gewebe anreichern.
Chemische Schadstoffe, die sich in der Bioakkumulation anreichern, stammen aus vielen Quellen. Pestizide sind ein Beispiel für einen Schadstoff, der sich in Organismen anreichert. Regen kann frisch versprühte Pestizide in Bäche spülen, von wo aus sie schließlich in Flüsse, Flussmündungen und das Meer gelangen. Eine weitere wichtige Quelle für toxische Schadstoffe sind Verbindungen aus industriellen Schornsteinen und Autoabgasen, die mit dem Regen wieder in den Boden gelangen. Eine weitere Quelle für chemische Schadstoffe ist die absichtliche Einleitung von Verbindungen ins Wasser.
Sobald sich ein giftiger Schadstoff im Wasser oder im Boden befindet, kann er leicht in die Nahrungskette gelangen. Im Wasser zum Beispiel werden Schadstoffe adsorbiert oder haften an kleinen Partikeln, einschließlich winziger lebender Organismen namens Phytoplankton. Da an jedem Phytoplankton nur so wenig Schadstoff haftet, richtet der Schadstoff auf dieser Ebene des Nahrungsnetzes keinen großen Schaden an. Allerdings kann ein kleines Tier wie ein Zooplankton den Partikel dann verzehren. Ein Zooplankton, das zehn Phytoplankton gefressen hat, hätte dann die zehnfache Schadstoffmenge wie das Phytoplankton. Da das Zooplankton den Schadstoff möglicherweise nur langsam abbaut oder ausscheidet, kann sich der Schadstoff im Organismus anreichern oder bioakkumulieren. Ein kleiner Fisch könnte dann zehn Zooplankton fressen. Der Fisch hätte dann die 100-fache Menge an giftigen Schadstoffen wie das Phytoplankton. Diese Vervielfältigung würde sich im gesamten Nahrungsnetz fortsetzen, bis sich hohe Schadstoffkonzentrationen im Spitzenprädator biomagnifiziert haben. Während die Schadstoffmenge auf den untersten Ebenen des Nahrungsnetzes vielleicht gering genug war, um keinen Schaden anzurichten, könnte die biomagnifizierte Menge Organismen auf höheren Ebenen des Nahrungsnetzes ernsthaft schädigen. Dieses Phänomen ist als Biomagnifikation bekannt.
Die Quecksilberkontamination ist ein gutes Beispiel für den Prozess der Bioakkumulation. Typischerweise wird Quecksilber (oder eine chemische Version namens Methylquecksilber) von Bakterien und Phytoplankton aufgenommen. Kleine Fische fressen die Bakterien und das Phytoplankton und reichern das Quecksilber an. Die kleinen Fische werden wiederum von größeren Fischen gefressen, die wiederum als Nahrung für Menschen und Tiere dienen können. Das Ergebnis kann die Anhäufung (Biomagnifikation) großer Quecksilberkonzentrationen in menschlichem und tierischem Gewebe sein.
Eines der klassischen Beispiele für Bioakkumulation, die zu Biomagnifikation führte, war das Insektizid Dichlordiphenyltrichlorethan (DDT). DDT ist ein Insektizid, das vor 1972 in den Vereinigten Staaten versprüht wurde, um Moskitos und andere Insekten zu bekämpfen. Durch Regen wurde das DDT in Bäche gespült, von wo aus es schließlich in Seen und ins Meer gelangte. Der giftige Schadstoff akkumulierte sich in jedem Organismus und reicherte sich über das Nahrungsnetz bis zu sehr hohen Konzentrationen in Raubvögeln wie Weißkopfseeadlern, Fischadlern, Wanderfalken und braunen Pelikanen an, die die Fische fraßen. Die DDT-Konzentrationen waren so hoch, dass die Eierschalen der Vögel ungewöhnlich dünn wurden. Infolgedessen zerbrachen die erwachsenen Vögel die Schalen ihrer noch nicht geschlüpften Jungen, und die Jungvögel starben. Die Population dieser Vögel ging stark zurück. DDT wurde schließlich 1972 in den Vereinigten Staaten verboten, und seitdem sind die Populationen vieler Raubvögel dramatisch angestiegen.
Die Bioakkumulation und Biomagnifikation von toxischen Schadstoffen kann auch die menschliche Gesundheit gefährden. Wenn der Mensch Organismen isst, die in der Nahrungskette relativ weit oben stehen, kann er hohe Dosen einiger schädlicher Chemikalien aufnehmen. Beispielsweise weisen Meeresfische wie Schwertfisch, Hai und Thunfisch oft bioakkumulierte Quecksilberwerte auf, und Blaufische und Streifenbarsche haben manchmal hohe Konzentrationen von polychlorierten Biphenylen (PCB). Die Bundesregierung und einige Bundesstaaten raten davon ab, zu viel von bestimmten Fischarten zu essen, weil sie bioakkumulierte und biomagnifizierte Mengen giftiger Schadstoffe enthalten.
Es werden Fortschritte bei den Bemühungen gemacht, die Bioakkumulation giftiger Verbindungen zu verringern. Rechtsvorschriften, die die Entsorgung bestimmter Verbindungen in Wasser verbieten, tragen dazu bei, die Menge an toxischen Verbindungen in der Umwelt zu verringern, die sich in der Nahrungskette anreichern können. Außerdem werden Mikroorganismen gentechnisch so verändert, dass sie in der Lage sind, ein giftiges Material wie Quecksilber als Nahrungsquelle zu nutzen. Solche Bakterien können die Verbindung direkt aus der Umwelt entfernen.