CHEMIE ŽIVOTNÍHO PROSTŘEDÍ IV. Vybrané typy environmentálních polutantů (04/04) Polychlorované bifenyly (PCBs) Osud, účinky

Transkript

1 CHEMIE ŽIVOTNÍHO PROSTŘEDÍ IV Vybrané typy environmentálních polutantů (04/04) Polychlorované bifenyly (PCBs) Osud, účinky Ivan Holoubek RECETOX, Masaryk University, Brno, CR

2 Cesty distribuce PCBs 2

3 Bioakumulace PCBs 3

4 Globální distribuce PCBs Složka prostředí Celkové zatížení prostředí Poměr ke světové produkci [%] [t] [%] Terrestrické a pobřežní oblasti Ovzduší 500 0,13 Říční a jezerní voda ,94 Mořská voda ,64 Půda ,64 Sediment Biota ,1 Celkem (A) Otevřený oceán Ovzduší 790 0,21 Mořská voda Sediment 110 0,03 Biota 270 0,07 Celkem (B) Celkové zatížení (A + B) Degradováno a spáleno Zásoby Světová produkce používané produkty a produkty deponované na skládkách 4

5 Globální distribuce PCBs a kontaminace půdy Global historical usage of total PCBs by latitude (in tonnes) Použité PCBs Hladiny v půdách 5

6 Predikované koncentrace PCB-101 v tkáních pro různé věkové skupiny v UK narozené mezi 1920 a 1990 PCB-101 pg.g -1 fat pg PCB-101. g lipid Age st Child 2nd Child Účinek počtu narozených dětí na obsah PCB-101 v těle matky. Tělesný tuk matky narozené v roce 1950 a nemající dítě a jiné, mající 3 děti ve věku 20, 22 a rd Child No offspring Age 6

7 Rozklad PCBs 7

8 Aerobní rozklad PCBs 8

9 Schéma expozičního metabolismu a transformace POPs v lidském organismu across GI tract Changing fugacity gradients ROUTES OF EXPOSURE Ingestion GI TRACT Inhalation Dermal absorption ROUTES OF LOSS Possible biotransformation/formation Adsorption. Diffusive transport across GI tract. Compound specific and controlled by properties, foodstuff etc. Shedding of gut lining Diffusive transport back across GI tract Non-absorbed Metabolism Reverse diffusion Other modes of clearance (skin shedding) Lactation FECAL EXCRETION LIVER LIVER and other and other organis organs FAT STORE FAT STORE Metabolism; urinary excretion of more polar metabilites 9

10 Metabolismus PCBs 10

11 Schéma metabolické transformace PCBs MIKROBIÁLNÍ DEGRADACE x y x COOH P450 O x GLUTATHION TRANSFERASA y EPOXID HYDROLASA x-1 OH y DECHLOROVANÉ FENOLY x KONJUGÁTY S GLUTATHIONEM SG y x OH P450 y THIOLY x SH y KONJUGOVANÉ SLOUÈENINY x (OH) 2 DIOLY y x y METHYLSULFONY SO 2 CH 3 11

12 Metabolismus PCBs 12

13 Antagonismus thyroxinu 13

14 Toxicita vybraných PCB kongenerů 14

15 Klinické příznaky otravy YUSHO Efekt na: kůži žlázách nehtech, mukózních membránách játrech plíce sérové lipidy imunitní systém ženském reprodukčním systému nervovém systému placentě novorozencích Anamnéza: hyperkeratogeneze, hyperpigmentace, akné otoky, hypersekrece pigmentace zvýšení sérové transaminásy, alkalické fosfatásy, pokles sérového bilirubinu chronická bronchitida (způsobená sulfonovými metabolity) zvýšení sérových triglyceridů zvýšená náchylnost k infekcím, snížení hladin imunoglobulinů (IGA, IGM), pokles buněčné imunity ovlivnění menstruačního cyklu snížená rychlost vedení nervových impulsů v periferních nervech, senzorická neuropatie indukce enzymů snížení porodní váhy, hyperpigmentace kůže a mukózních membrán, obličejové otoky, abnormální kalciferace lebky 15

16 Obecné schéma biotransformace monooxygenázou RH + (NADPH + H + ) + O 2 ROH + NADP + + H 2 O xenobiotikum hydroxyderivát 16

17 Interacts with various receptors Toxic metabolite Stable metabolite Metabolite bound to cellular target Metabolismus PCBs Non-toxic Water-soluble metabolite Polychlorinated biphenyl Detoxication Antigenic conjugate Reactive metabolite Failure or overload of detoxication DNA damage Tissue damage Necrosis Urine and feces Toxicity by interfering with physiological process Immune response Mutation Cancer 17

18 Persistence PCBs a PCB metabolitů Obecně, PCB s jedním nebo více v ortho polohách jsou persistentnější než kongenery nesubstituované v ortho polohách. Nejenže jsou ortho-pcb metabolizovány pomaleji, ale některé metabolity jsou také méně vylučovány. Persistence většinou limituje proveditelnost prvního kroku metabolismu (CYP-katalyza). Některé metabolity s ortho chlory jsou přednostně vázány v krvi a tkáních. 18

19 Metabolismus PCBs Polychlorinated biphenyl Hydroxylated metabolite UGT, SULT CYP Glucuronide and sulfate conjugates CYP? Epoxide Dihydrodiol Catechols and hydroquinones Quinones CYP EH DHD? GST Glutathione conjugate Multi-step pathway (several enzymes) Methylsulfones 19

20 Biotransformace Intenzivně studován 3,3,4,4 -tetra-chlorbifenyl. TCB je nejprve metabolizován cytochromem P450 (CYP1A) na epoxidy. Epoxidy vznikající působením CYP mohou být přeměněny na hydroxylované metabolity, hydrolyzovány na dihydrodioly nebo reagovat s GSH. Hydroxylované metabolity mohou být oxydovány na katechol a hydrochinon metabolity nebo konjugovány na sulfáty nebo glukuronidy. GSH konjugáty jsou přeměňovány na kyselinu merkapturovou nebo methylsulfonové metabolity. 20

21 PCB-77 CYP1A O re-arrange OH + HO 21

22 PCB-77 CYP1A O other CYP? CYP2 or 3? re-arrange OH OH + HO 22

23 PCB-77 23

24 Lipofilita PCB metabolitů Compound Estimated lipophilicity CB hydroxy-CB Glucuronide of hydroxy-cb Sulfate of hydroxy-cb Glutathione conjugate of CB N-acetylcysteine conjugate of CB Methylsulfone of CB CB-77 is 3,3,4,4 -tetrachlorobiphenyl 24

25 Lipofilita PCB metabolitů 25

26 CB

27 Lipofilita PCB metabolitů Compound Estimated log P CB-153* 7.1 mono-hydroxy-cb methylsulfone of CB glucuronide of hydroxy-cb sulfate of hydroxy-cb glutathione conjugate of CB * CB-153 is 2,2,4,4,5,5 -hexachlorobiphenyl 27

28 Druhové rozdíly Vodní bezobratlí metabolizují všechny PCBs extrémně pomalu ve srovnání s vyššími organismy. Ryby vykazují rozdíly mezi druhy a organismy pokud jde o schopnost metabolizovat PCBs se stejnými trendy jako v případě vyšších obratlovců. Hmyz může metabolizovat některé PCBs velmi účinně. Savci metabolizují non-ortho PCBs rychleji než orthosubstituované PCBs. 28

29 Vlastnosti hydroxylovaných PCBs Hydroxylované PCB mohou tvořit glukuronidové a sulfátové konjugáty a mohou být snadněji vylučovány močí a žlučí. m- a p- hydroxylované PCB vázané na proteiny plasmy, nejsou přijímány játry či jinými orgány a nedochází tak k jejich konjugaci. Hydroxylované PCBs nejsou vhodnými substráty pro glukuronidizaci a sulfonaci. 29

30 Methylsulfonové metabolity 30

31 Některé persistentní MeSO 2 metabolity 3-methylsulfonylCB101 O CH 3 S O 4-methylsulfonylCB101 O S CH 3 O 4-MethylsulfonylCB149 O CH 3 S O 31

32 Vlastnosti methylsulfonů PCBs Některé 3-methylsulfon metabolity jsou přednostně zadržovány v játrech. Některé 4-methylsulfony se kumulují v tucích a byly nalezeny v mléce. Persistentní 3- a 4-methylsulfony jsou obtížně vylučovány močí a výkaly. PCB s 2,5-dichlor- nebo 2,3,6-trichlor-fenylovým kruhem tvoří methylsulfonové metabolity persistentní v tkáních. Některé methylsulfonové metabolity se bioakumulují v potravních řetězcích. 32

33 Metabolismus PCBs O O e.g. OH SG SO 2 CH 3 SO 2 CH 3 OH OH 33

34 Názvosloví PCB metabolitů OH CB-199 The primed ring OH 4'-OH-CB199 The primed ring CB-149 SO 2 CH 3 Position 2 SO 2 CH 3 5-MeSO 2 -CB149 34

35 Polychlorované bifenyly - výskyt v prostředí 35

36 OH-PCBs ve volně žijicích organismech 6-30 ng.g -1 ww # ng.g -1 w w * 2-20 ng.g -1 ww # Klasson-Wehler et al., ET&C, 17 (1998) 1620 * Sandau et al., Proc. Third Biennial Int. Conf. on Chem. Measur. and Monit. of the Envir., Olsson et al., ES&T, 34 (2000)

37 OH-PCBs v lososech 37

38 Časové trendy PCBs ve volném ovzduší 38

39 PCBs ve volném ovzduší 39

40 Časové trendy koncentrací PCBs ve volném ovzduší 40

41 [ng.m(-3)] S 7 PCBs ve volném ovzduší, observatoř Košetice, časové trendy, mediány, vzorkování jednou týdně, [ng.m -3 ] 0,2 Air (Aerosol + Gas Phase), S PCBs medians, Košetice, CR 0,15 0,1 0, Years Vliv povodní na Moravě, 1997??? 42

42 PCBs [ng.m-3] S 7 PCBs ve volném ovzduší, observatoř Košetice, vzorkování jednou týdně, [ng.m -3 ] PCBs in Ambient Air - Košetice ,6 0,5 Σ PCBs (Aerosol) Σ PCBs (Gas Phase) 0,4 0,3 0,2 0,1 6E-16-0,1 Sampling Date 43

43 PCBs v sobech, zajících a bělokurech 44

44 PCBs ve svalovině štik a sivenů 45

45 Trendy PCB a DDT ve vejcích 46

46 PCBs ve velrybách 47

47 Účinky POPs na reprodukci polárních medvědů 48

48 POPs v lidské krvi 49

49 POPs v lidské krvi 50

50 3. kolo WHO-koordinované expoziční studie Současný stav 18 zemí poslalo kumulativní vzorky na analýzu do referenční laboratoře před 31/12/ zemí poslalo vzorky v roce Všechny analýzy PCDDs, PCDFs a PCBs byly ukončeny v březnu Analýza POPs a PBDEs byla provedena poté. Současně bylo provedeno hodnocení demografických dat. 51

51 Příspěvky PCDDs/Fs a PCBs k celkové hodnotě TEQ v mateřském mléce v různých zemích WHO TEQ (pg/g fat) PCB PCDD/F Fiji Philippines Brazil Australia Hungary Bulgaria New Zealand Ireland USA China Croatia Finland Norway Romania Sweden Spain Slovak Rep. Russia Germany Czech Rep. Italy Ukraine Luxembourg Belgium Netherlands Egypt 52

52 Množství (mediány) indikátorových PCBs v mateřském mléce v různých zemích ng/g fat Brazil Fiji Philippines Australia Hungary New Zealand Bulgaria China USA Ireland Finland Egypt Norway Croatia Ukraine Russia Sweden Romania Netherlands Belgium Germany Luxembourg Spain Italy Slovak Rep. Czech Rep. 53

53 TEQ (pg/kg fat) Dioxinům-podobné kongenery v mateřském mléce Netherlands Egypt Czech Rep. 0 2,3,7,8-TCDD 1,2,3,7,8-PeCDD 1,2,3,6,7,8-HxCDD 2,3,7,8-TCDF 1,2,3,7,8-PeCDF 2,3,4,7,8-PeCDF PCB126 PCB169 PCB118 PCB156 54

54 WHO TEQ (pg/g fat) Časový trend PCDDs/Fs v lidském mléce Netherlands Spain Germany Finland Czech Republic Slovak Republic Ukraine Norway Croatia Hungary 55

55 POPs v mateřském mléce, studie WHO, S 6 PCBs [mg.kg -1 tuku] Malisch et al., Dioxin2010, San Antonio, TX 56

56 PCBs v lidském mléce 57

57 PCB Amount Manufactured [t] Výroba PCBs v Československu Year of Manufacture 58

58 PCBs na Slovensku 59

59 PCBs na Slovensku Uložení odpadů s PCBs v areálu původního výrobce Chemko Strážské 60

60 PCBs na Slovensku Production Waste t Fate Unknown t = Products t Stored / landfilled t Destroyed 368 t In Use 959 t Odhad inventury PCBs použitých na Slovensku (situace v listopadu 1997) 61

61 N Stropkov District W S E PCBs na Slovensku Ondava River Domasa Lake Chemko - former PCB producer Near Chemko waste storage Near Chemko dump Fields near Chemko dump Rim of Michalove dump At asphalt/gravel mix plant Vicinity of A/G mix plant 1 Vicinity of A/G mix plant 2 Vicinity of A/G mix plant 3 Vicinity of A/G mix plant Waste Disposal Sites Asphalt/Gravel Mixing Plants PCB Concentration [ng/g, dry soil] Laborec River Zemplinska Sirava Lake PCB hladiny (suma všech kongenerů) v půdních vzorcích odebíraných v okolí obalovny asfaltu a na skládce odpadů Chemko Strážské. Michalovce District More detailed map of the polluted and control areas with rivers and lakes; the population of the Michalovce district is and the Stropkov one

62 PCBs Inventura - Slovensko a ČR (2003) Typ Ident. Neident. Celkem kusů Tun Kondenzátory (170) Transformátory (82) Ostatní (92) CELKEM (344) Typ Ident. Neident. Celkem kusů Tun Kondenzátory (330.5) Transformátory ( ) Ostatní ( ) CELKEM ( ) t PCBs bylo použito uvnitř bývalého Československa; kolem kusů korekčních kondenzátorů bylo vyrobeno (3-20 kg PCBs) 63

63 PCBs Inventura - Slovensko a ČR (2003) t bylo použito v bývalém Československu ČR/SR Inventura t Tanabeho předpoklad - ~ 1/3 vyrobeného množství je v prostředí Ještě kolem t je někde odpady, nekontrolovaná a neregistovaná zařízení, bylo ilegálně zlikvidováno, neznámo kde 64