Bioaccumulatie is de geleidelijke opeenhoping in de tijd van een chemische stof in een levend organisme. Dit gebeurt ofwel omdat de chemische stof sneller wordt opgenomen dan hij kan worden gebruikt, ofwel omdat de chemische stof niet voor gebruik door het organisme kan worden afgebroken (d.w.z. de chemische stof kan niet worden gemetaboliseerd).
Bioaccumulatie hoeft geen probleem te zijn als de geaccumuleerde stof niet schadelijk is. Verbindingen die schadelijk zijn voor de gezondheid, zoals kwik, kunnen zich echter ophopen in levende weefsels.
Chemische verontreinigende stoffen die bioaccumuleren zijn afkomstig van vele bronnen. Pesticiden zijn een voorbeeld van een verontreinigende stof die bioaccumuleert in organismen. Regen kan vers gespoten pesticiden in beken spoelen, waar ze uiteindelijk hun weg zullen vinden naar rivieren, estuaria en de oceaan. Een andere belangrijke bron van toxische verontreinigende stoffen is de aanwezigheid van verbindingen uit industriële schoorstenen en auto-emissies die bij regenval op de grond terechtkomen. Een andere bron van chemische verontreiniging is het opzettelijk lozen van stoffen in het water.
Als een giftige verontreinigende stof eenmaal in het water of de bodem zit, kan hij gemakkelijk in de voedselketen terechtkomen. In het water bijvoorbeeld adsorberen verontreinigende stoffen of kleven ze aan kleine deeltjes, waaronder een piepklein levend organisme dat fytoplankton wordt genoemd. Omdat er zo weinig verontreinigende stof aan elk fytoplankton kleeft, veroorzaakt de verontreinigende stof niet veel schade op dit niveau van de voedselketen. Een klein diertje, zoals een zoöplankton, kan het deeltje echter opeten. Eén zoöplankton dat tien fytoplanktons heeft opgegeten, zou tien keer zoveel verontreinigende stof als het fytoplankton hebben. Aangezien het zoöplankton de verontreinigende stof traag kan metaboliseren of uitscheiden, kan de verontreinigende stof zich in het organisme ophopen of bioaccumuleren. Een kleine vis kan dan tien zoöplankton eten. De vis zou 100 keer zoveel toxische verontreinigende stof binnenkrijgen als het fytoplankton. Deze vermenigvuldiging gaat door in het hele voedselweb, totdat hoge niveaus van verontreinigende stoffen in de toppredator zijn gediagnosticeerd. Terwijl de hoeveelheid verontreinigende stof misschien klein genoeg was om geen schade te veroorzaken in de laagste niveaus van de voedselketen, kan de biomagnificatie ernstige schade veroorzaken aan organismen hoger in de voedselketen. Dit verschijnsel staat bekend als biomagnificatie.
De verontreiniging met kwik is een goed voorbeeld van het bioaccumulatieproces. Kwik (of een chemische variant daarvan, methylkwik genaamd) wordt doorgaans opgenomen door bacteriën en fytoplankton. Kleine vissen eten de bacteriën en het fytoplankton op en hopen het kwik op. De kleine vissen worden op hun beurt gegeten door grotere vissen, die vervolgens voedsel voor mens en dier kunnen worden. Het resultaat kan de opbouw (biomagnificatie) zijn van grote concentraties kwik in menselijk en dierlijk weefsel.
Een van de klassieke voorbeelden van bioaccumulatie die resulteerde in biomagnificatie deed zich voor met een insecticide genaamd dichloordifenyltrichloorethaan (DDT). DDT is een insecticide dat vóór 1972 in de Verenigde Staten werd gespoten om muggen en andere insecten te bestrijden. Door de regen spoelde de DDT in beken, waar het uiteindelijk in meren en de oceaan terechtkwam. De giftige vervuilende stof bioaccumuleerde in elk organisme en biomagnificeerde vervolgens via het voedselweb tot zeer hoge niveaus in roofvogels zoals zeearenden, visarenden, slechtvalken en bruine pelikanen die de vis aten. De DDT-niveaus waren zo hoog dat de eierschalen van de vogels abnormaal dun werden. Als gevolg daarvan braken de volwassen vogels de eierschalen van hun nog niet uitgekomen jongen en stierven de babyvogels. De populatie van deze vogels stortte in. DDT werd uiteindelijk in 1972 in de Verenigde Staten verboden, en sindsdien zijn de populaties van veel roofvogels dramatisch toegenomen.
De bioaccumulatie en biomagnificatie van toxische verontreinigende stoffen kan ook de menselijke gezondheid in gevaar brengen. Wanneer mensen organismen eten die relatief hoog in het voedselweb staan, kunnen we hoge doses van sommige schadelijke chemische stoffen binnenkrijgen. Zeevissen zoals zwaardvis, haai en tonijn hebben bijvoorbeeld vaak biogeaccumuleerde gehalten aan kwik, en blauwbaars en gestreepte baars hebben soms hoge concentraties polychloorbifenylen (PCB’s). De federale regering en sommige staten hebben adviezen gegeven tegen het eten van te veel van bepaalde soorten vis vanwege de bioaccumulatie en biomagnificatie van toxische verontreinigende stoffen.
Er wordt vooruitgang geboekt bij pogingen om de bioaccumulatie van toxische verbindingen te verminderen. Wetgeving die de lozing van bepaalde verbindingen in water verbiedt, draagt bij tot de vermindering van het niveau van toxische verbindingen in het milieu die zich in de voedselketen kunnen ophopen. Ook worden micro-organismen genetisch gemanipuleerd zodat zij in staat zijn een toxische stof als kwik als voedselbron te gebruiken. Dergelijke bacteriën kunnen de verbinding rechtstreeks uit het milieu verwijderen.