ENVIRONMENTÁLNÍ TOXIKOLOGIE ORGANICKÉ LÁTKY A JEJICH TOXICITA
RNDr. Klára Kobetičová, Ph.D. Laboratoř ekotoxikologie a LCA, Ústav chemie ochrany prostředí, Fakulta technologie ochrany prostředí, VŠCHT Praha
OBSAH
Toxikologie organických látek – historie, rozdělení, zdroje, efekty. Perzistentní organické polutanty - rozdělení, zdroje, efekty na člověka a další organismy.
2
ROZDĚLENÍ Organické látky – alifatické, cyklické – homocyklické, heterocyklické – přírodní x antropogenní původ – škodlivé x zdraví prospěšné – perzistentní, (bio)degradovatelné, těkavé, 4
3
HISTORIE
17.století: italský lékař Bernardin Ramazzini – dílo „O nemocech dělníků“ – základ pro pracovního lékařství. Vliv dráždivých látek na horníky, zedníky, kováře, ošetřovatelky a řemeslníky. Jeptišky – vysoká četnost rakoviny prsu x nízká četnost rakoviny děložního čípku Lékař Sir Percival Pott – rakovina šourku u kominíků 1. světová válka – BOL (chlor, fosgen, difosgen, chlorpikrin, kyanovodík, Yperit, 4) 1993 – Sarin – Tokio 1952 – Londýn – velký smog – smrt 4 000 lidí 1962 – Spolana Neratovice – start výroby chlorovaných pesticidů – chlorakné, neuropsychické poruchy, poruchy metabolismu lipidů, 4 lidé zemřeli (dioxiny) při výrobě.
4
HISTORIE - FALŠOVÁNÍ
Kontaminované potraviny – 2008: čínské mléko kontaminované melaminem, vliv na ledviny malých dětí, ředění mléka – poté přídavek melaminu (2,4,6-triaminotriazin) pro ošálení kontrolního testu na přítomnost bílkovin. Metanol x etanol (Česko, Polsko) v nedávné minulosti Nahrazování určitých surovin jinými (kravské x koňské maso) Přídavek jablek do marmelád, kečupů,4. Přídavek různých ochucovadel do potravin a nápojů Výměna léků za placebo nebo nebezpečné náhražky
5
PERSISTENTNÍ LÁTKY – POP (POL)
Stálost v prostředí, dálkový transport, bioakumulace, pomalý nebo téměř žádný rozklad v prostředí Seznam persistentních toxických látek se stále rozrůstá. POPs označovány často také jako PBTs (perzistentní, bioakumulativní a toxické látky). Existují různé národní i mezinárodní iniciativy snažící se o omezování produkce, kontrolu distribuce a spotřeby POL. Existují dvě hlavní iniciativy: - the Aarhus Protocol on POPs (UN-ECE) the Stockholm Convention on POPs (UNEP) pesticidy (toxafen), průmyslové látky (CCPs), meziprodukty lidské činnosti (např. PAHs), i přírodního původu (např. PAHs).
6
ZDROJE POPS Emise
- OBECNĚ
- výroba a na praktická aplikace.
Některé
tyto látky se do prostředí dostávají neúmyslně jako vedlejší produkty chemických reakcí nebo spalovacích procesů (dioxiny, furany) nebo naopak záměrně (pesticidy).
Do
prostředí se persistentní látky uvolňují těkáním či unikají netěsnostmi, jak při používání tak při konečné likvidaci produktu, jenž je obsahuje nebo neúmyslně produkuje. 7
VLASTNOSTI POPS - OBECNĚ Většina
persistentních toxických látek vykazuje výraznou schopnost bioakumulace.
Expozice
i velice nízkých koncentrací těchto látek vede k jejich zakoncentrovávání, jak po přímé expozici v tkáních jednotlivých organismů, tak i v rámci potravního řetězce.
Účinky
těchto látek jsou dlouhodobé a mají vliv na celkový zdravotní stav. Persistentní látky poškozují vnitřní orgány i imunitní systém, jsou to látky potencionálně karcinogenní.
8
DŮSLEDKY EXPOZICE Přítomnost
persistentních toxických látek je zodpovědná například za: zvýšený výskyt alergií dětí i dospělých; zvýšené riziko rozvoje nádorových onemocnění; snížení plodnosti mužů ve většině industrializovaných zemí; snížení reprodukční kapacity většiny organismů na konci potravního řetězce.
Dá
se předpokládat množství dosud neznámých zdravotních následků, jež mohou vznikat v důsledku společného působení různých látek. 9
SEZNAM POPs A) UNEPa organo-chlorine pesticides
aldrin, DDT and its metabolites, dieldrin, endrin, heptachlor, mirex, toxaphene, chlordecone
industrial products
hexachlorobenzene (HCB), polychlorinated biphenyls (PCBs)
industrial by-products
polychlorinated dibenzo-dioxins (PCDDs), polychlorinated dibenzo-furans (PCDFs)
B) UN-ECE b organo-chlorine pesticides
aldrin, DDT and its metabolites, dieldrin, endrin, heptachlor, chlordane, mirex, toxaphene, chlordecone, γ-HCH
industrial products
hexachlorobenzene (HCB), polychlorinated biphenyls (PCBs), hexabromobiphenyl (HBB)
industrial by-products
polychlorinated dibenzo-dioxins (PCDDs), polychlorinated dibenzo-furans (PCDFs), polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs)
Kandidátské látky: endosulfan, methoxychlor, short-chain chlorinated paraffins
10
SKUPINY PERZISTENTNÍCH TOXICKÝCH LÁTEK Polyaromatické
uhlovodíky Dioxiny a furany Polychlorované bifenyly, PCB Polychlorované difenylethery Polychlorované alkylethery Polychlorované naftalény a bibenzyly Bromované látky Pesticidy
11
POLYAROMATICKÉ UHLOVODÍKY
Polyaromatické uhlovodíky (PAH) vznikají spalováním materiálů obsahujících uhlík a vodík, především tedy ropných látek a dřeva. Přirozenými procesy se do atmosféry dostává několika řádově menší množství PAH. Hlavními přírodními zdroji jsou požáry lesů a sopečná činnost. Ještě menší měrou se na produkci PAH podílejí rozkladné procesy v sedimentech a mezi biogenní zdroje patří rostliny, řasy a mikroorganismy.
Naftalén Antracén
Fenantrén
Pyrén Benzo[a]pyrén
12
ANTROPOGENNÍ ZDROJE PAHS
procesy spalování ropných paliv, konzervace dřeva, slévárenský průmysl, výroba oceli, syntetické barvy a nátěrové hmoty, pokrývání silnic asfaltem. Roční Evropské emise PAH dosahují řádu desítek tisíc tun.
13
ÚČINKY PAH
Polyaromáty působí toxicky u vyšších organismů až po metabolické aktivaci.
Metabolizace PAH enzymy vede ke vzniku diolových a epoxidických sloučenin schopných vázat buněčné makromolekuly např. DNA, RNA, a některé bílkoviny což vede k mutagenním a karcinogenním účinkům.
Akutní toxicita není vysoká. 14
CHLOROVANÉ AROMATICKÉ SLOUČENINY Organismy z prostředí přijímají řadu chlorovaných aromatických sloučenin. Jedná se o látky odolné vůči biotransformačním reakcím. Velmi dobře se rozpouštějí v tucích a dobře se tudíž kumulují v tukové tkáni a v CNS. Nesnadno se vylučují z organismu. TCDD/F (produkty hoření chlorovaných organických látek, vedlejší produkty výroby) PCB (transformátorové oleje, hydraulické oleje, změkčovadla plastických materiálů)
15
DIOXINY A FURANY
Polychlorované dibenzo-para-dioxiny (PCDD) a polychlorované dibenzofurany (PCDF), zkráceně uváděné jako dioxiny a furany jsou podobnou skupinou chlorovaných aromatických uhlovodíků.
Zkratka typu MXDD/F označuje mono-halogenovaný dioxin / furan.
Vyskytují se i polybromované dioxiny (PBDD) a furany (PBDF) a zároveň bromové i chlorované dioxiny (PBCDD) a furany (PBCDF), např. 4-bromo-6chlorodibenzofuran (4-B,6-CDF).
16
DIOXINY CHEMICKÁ STRUKTURA
Dle substituce Cl lze určit až 75 kongenerů dioxinů a 135 kongenerů furanů. Téměř se neliší ve svých chemicko-fyzikálních vlastnostech. Významně se ovšem liší v biologických účincích.
Cl
O
Cl
Cl
O
Cl
Cl
Cl
Cl Cl
Cl O
2,3,7,8 TCDD
Cl
1,2,3,6,7,8 – HxCDF
17
Zdroje PCDD a PCDF
Dioxiny a furany nebyly nikdy komerčně vyráběny. Byly a jsou neplánovaně emitovány jako vedlejší produkty různých průmyslových a spalovacích procesů. Téměř ve všech spalovacích procesech, kde dochází ke spalování látek obsahujících chlór, dochází ke vzniku dioxinů a furanů. Největšími antropogenním zdroji PCDD/F jsou v sestupném pořadí: procesy spalování ropných paliv, uhlí a dřeva, spalování odpadů, bělení buničiny chlorem, produkce železa a oceli, slévárenský průmysl, a doprava. Výrazně menší měrou se na emisích podílejí kremace, skládkování, cementářský a papírenský průmysl. Dioxiny se významně hromadí v čistírenských kalech. 18
Dioxiny - účinky
Pro člověka představuje hlavní zdroj dioxinů potrava, především živočišného původu.
Nejvíce se hromadí v tukových tkáních, krvi a mateřském mléce. Méně se akumulují v mozku.
Sloučeniny dioxinového typu mají negativní vliv na reprodukční, endokrinní, nervový a imunitní systém, a to především na raná vývojová stádia organismů, včetně lidí.
Dioxiny narušují homeostázi a hormonální rovnováhu. To u dospělých jedinců může vést ke vzniku rakoviny. 19
SPECIFIKA INTERAKCÍ RECEPTORŮ S DIOXINY A PCB Dioxiny
a PCB jsou toxické třemi různými mechanismy 1) toxicita díky ireverzibilní vazbě na množství makromolekul, např. DNA 2) vysoká lipofilita – komulace v tukových tkáních 3) reverzibilní reakce s vazebnými místy receptorů a enzymů.
20
DIOXINY – OBRATLOVCI A BEZOBRATLÍ
Nejtoxičtější je 2,3,7,8 –TCDD.
Navzdory rozšířené představě není toxický pro bezobratlé organismy.
Koncentrace µg/l ve vodě nemají toxický účinek na řasy, cévnaté rostliny, měkkýše či korýše Koncentrace stokrát i tisíckrát nižší než u bezobratlých jsou letální obratlovcům Koncentrace v řádu ng/l jsou smrtelné či jinak nepříznivé obratlovcům.
21
DIOXINOVÝ RECEPTOR
Ah receptor – arylhydrocarbon receptor Metabolizace dioxinů, ale i PAH a PCB probíhá monooxygenázovým systémem P- 450 v játrech. Zvýšená expozice jater těmito látkami vede ke zvýšené produkci a aktivitě enzymu AHH - aryl hydrocarbon hydrogenázy – aktivita enzymu je způsobena vazbou látek na AHH receptor. Jiným enzymem indukovaným dioxiny je EROD (ethoxyresorufin-0-dethylase) PAH jsou planární – podobně jako dioxiny. 22
SCREENINGOVÉ METODY DIOXINOVÉ TOXICITY
Měření indukce enzymů AHH (aryl hydrocarbon hydrogenáza) a EROD. Výsledky dobře korelují s jinými toxickými účinky dioxinově aktivních látek. Relativní schopnost látek indukovat AHH v jaterních buňkách laboratorních krys slouží k určování TEF (toxických ekvivalentů). TEF = EC50(TCDD) / EC50(látka) Toxicita ostatních látek dioxinového typu je vyjadřována pomocí faktorů toxických ekvuivalentů TEF, vyjadřujících, kolikrát je daná látka toxičtější než 2,3,7,8-TCDD. Vzhledem k tomu že TEF pro 2,3,7,8-TCDD je roven 1, jsou hodnoty TEF ostatních látek nižší než 1.
23
TEF DIOXINŮ A FURANŮ PCDDs and PCDFs TEF/AHH 2,3,7,8-TeCDD TCDD 1,2,3,7,8-PeCDD 1,2,3,4,7,8-HxCDD 2,3,7,8-TeCDF 1,2,3,7,8-PeCDF 2,3,4,7,8-PeCDF 1,2,3,4,7,8-HxCDF 1,2,3,6,7,8-HxCDF 2,3,4,6,7,8-HxCDF
TEF/NORDIC'1-' 1.0 0.0066 0.034 0.18 0.029 0.28 0.20 0.048 0.10
1.00 0.50 0.10 0.10 0.01 0.50 0.10 0.10 0.10
TEF/AHH – based on Aryl Hydrocarbon Hydrogenase induction Kannan, N., S. Tanabe, and R. Tatsukawa. "Toxic Potential of Non-ortho and Mono-ortho Coplanar PCBs in Commercial PCB Preparations: 2,3,7,8-T4 CDD Toxicity Equivalence Factors Approach," Bull. Environ. Contam. Toxicol. 41:267-276 (1988). Safe, S. "Determination of 2,3,7,8-TCDD Toxic Equivalent Factors (TEFs): Support for the Use of the IN VITRO AHH Induction Assay," Chemosphere 16:791-802 (1987). TEF/Nordic - based on acute and long-term toxicity data for animals in evaluation by an expert group Nordic Expert Group. "Nordisk Dioxinrisk Bedómning,„ NORD 1988:49 (Kobenhavn:Nordisk Ministerrád,1988)
24
TEQ
Toxické ekvivalenty dioxinů TEQ slouží k porovnávání celkového množství látek vykazujících dioxinový typ účinku.
TEQ = TEF1 x c1 + TEF2 x c2 + 4
25
POLYCHLOROVANÉ BIFENYLY
209 možných sloučenin, kongenerů, lišících se stupněm chlorace a umístěním chlorových atomů.
Jedná se o mono- až deka- halogenované isomery bifenylu. Jejich chemicko-fyzikální vlastnosti se liší v závislosti na stupni chlorace.
Obecně lze říci, že se stupněm chlorace roste hydrofobicita, a schopnost sorbovat se na pevné materiály; naopak klesá těkavost a biodegradabilita. V důsledku jejich persistence a mobility byly PCB detekovány po celém světě ve všech matricích.
26
PCB
Dnes je požívání PCB zakázáno, dříve se však ve velkém množství používaly jako dielektrické náplně transformátorů a tepelných výměníků, pomocné látky pesticidů, syntetických barev či tmelů, hydraulické kapaliny; přidávaly se do řezacích olejů, hasících směsí a v dalších aplikacích.
Největšími antropogenním zdroji PCB jsou v sestupném pořadí: transformátorové oleje a součásti elektrických zařízení, spalovací procesy, výroba oceli a železa, spalování odpadů.
Produkce PCB byla v Evropě zakázána, emise PCB do prostředí se však odhadují na řádově stovky tun za rok.
27
PCB - ÚČINKY
PCB vykazují různé toxické účinky na živočichy i rostliny. Již v koncentracích řádu mg/m3 se vstřebávají do organismu i neporušenou pokožkou a pronikají lymfatickým a krevním oběhem až do mízních uzlin a sleziny. Jedná se o látky ovlivňující metabolizmus cizorodých látek v organismu. Mají negativní vliv na imunitu, poškozují játra, kde mění obsah vitamínů A a E. Pravděpodobně mají i mutagenní účinky. Produkty pomalého rozkladu PCB jsou ještě více toxické. Jedná se o dibenzofurany a difenylestery. PCB se v živočišném těle akumulují v tukové tkáni, následuje v sestupném pořadí kůže, játra, svalovina a krev. Biokoncentrační faktory (BCF) polychlorovaných bifenylů pro vodní organismy se pohybují v řádu desetitisíců. 28
MOLEKULOVÁ STRUKTURA PCB
PCB jsou dva fenylové kruhy spojené jedoduchou vazbou Fenylové kruhy mohou okolo spojující vazby volně rotovat v případě, že PCB není chlorováno právě v polohách 2,2´nebo 6,6´. Různé množství Cl atomů může být substituováno na každém kruhu.
29
DVA MECHANISMY ÚČINKU PCB
Výsledná toxicita je ovlivněna: Pozicí Cl substituce Schopností molekuly rotovat okolo spojující vazby Reaktivitou Cl atomů
V některých případech PCB vykazuje toxicitu 1. 2.
Odpovídající dioxinům (koplanární PCB) V jiných případech mohou PCB působit jako analogy estrogenů (neplanární PCB).
30
PODOBNOST PCB A DIOXINŮ
Podobnost PCB a dioxinů nastává u meta a para substituovaných PCB, které mohou volně rotovat
Ačkoli PCB je principiálně neplanární molekula, jedna z konformací umožňuje téměř koplanární natočení.
Například 3,3´,4,4´,5,5´HexaCB v planárním natočení napodobuje 2,3,7,8 TCDD.
Byla předložena hypotéza, že koplanární PCB mohou mít vrstevný a štěrbinový účinek přisuzovaný dioxinům.
Naopak 2,2´,4,4´,6,6´HCB nemůže mít stejný typ účinku. 31
TEF PCB Coplanar PCBs 3,3',4,4'-TeCB 3,3',4,4',5-PeCB 3,3',4,5,5'-PeCB
PCB Nr. 77 126 127
TEF/AHH 0.0021 0.30 0.000007
3,3',4,4',5,5'-HxCB 2,3,3',4,4'-PeCB 2,3',4,4',5-PeCB 2,3,3',4,4',5-HxCB
169 105 118 156
0.0012 0.00082 0.000006 0.000034
TEF/AHH: Kannan, N., S. Tanabe, and R. Tatsukawa. "Toxic Potential of Nonortho and Mono-ortho Coplanar PCBs in Commercial PCB Preparations: 2,3,7,8-T4 CDD Toxicity Equivalence Factors Approach," Bull. Environ. Contam. Toxicol. 41:267-276 (1988).
32
2. PODOBNOST PCB S ESTROGENY
Neplanární PCB monou napodobovat estrogeny. Podobnost je běžná především, když jeden kruh PCB připomíná fenyl. Předpokládá se, že hydroxylací jako fází metabolismu PCB, se tyto lýtky stávají estrogenními. Ačkoli ortho substituované PCB jsou méně podobné dioxinům jako ostatní PCB, po hydroxylaci se stávají silně estrogenními látkami.
33
VÝVOJ PRODUKCE PCB
Výroba PCB započala v roce 1929, v Československu až v 50.letech. PCB byly poprvé v životním prostředí popsány v roce 1966. Posléze byla zjištěna jejich přítomnost ve všech biotických i abiotických složkách prostředí, a to i v místech velmi vzdálených od emisních zdrojů. Od začátku 70.let byla ve většině zemí zakázána aplikace PCB v otevřených systémech. V následujících letech se používaly především v systémech uzavřených jako jsou transformátory, tepelné výměníky a další. V té době však produkce PCB v Československu stále narůstala. Výroba těchto látek byla u nás ukončena roku 1983, k jejich používání se však pokračovalo dále. V současné době představují nezanedbatelné zdroje emisí druhotné zdroje znečištění jako jsou spalovací procesy a vytěkávání ze starých ekologických zátěží.
34
VÝVOJ PRODUKCE PCB Úniky
do prostředí ze starých zařízení jsou v současné době hlavním emisním zdrojem PCB ve světě. Ačkoli již PCB nejsou vyráběny, dlouhodobé časové trendy nevykazují pokles koncentrací PCB v lidských tkáních. Dokonce i obyvatelstvo zemí, kde PCB nebyly používány, vykazuje zvýšení koncentrací PCB v tukových tkáních. Na druhou stranu byly v posledních letech zaznamenány poklesy koncentrací PCB v rybách, mlžích i ptácích Baltského moře. 35
POLYCHLOROVANÉ DIFENYLETHERY
Polychlorované difenylethery (PCDE) jsou strukturně podobné PCB a dioxinům. Mají rovněž srovnatelnou persistenci a potenciál bioakumulace.
PCDE nejsou látky vysoce toxické, jedná se ovšem o prekurzory toxických dioxinů a furanů ,na které se mohou transformovat fotolytickými reakcemi především ve výrobních procesech.
PCDE byly zaznamenány v mnoha složkách životního prostředí, ve vodách, v sedimentech i v tělech živých organismů od škeblí, přes ryby, ptáky až savce.
Do prostředí se dostávají jako nečistoty při výrobě technických chlorfenolů. 36
POLYCHLOROVANÉ ALKYLETHERY
Do skupiny polychlorovaných elkyletherů (PCAE) patří anisoly (PCA) a veratroly (PCV). Tvoří se v odpadních vodách z bělících závodů při bělení celulózy. Vznikají v reakcích chloridů s bělícími činidly obsahujícími chlor a lignin. S výjimkou 2,5-dichlor-1,4-dimethoxybenzenu používaného jako fungicid, nebyly přímo průmyslově vyráběny. Jedná se o látky výrazně bioakumulující ovlivňující například chuť rybího masa.
37
POLYCHLOROVANÉ NAFTALÉNY A BIBENZYLY
Polychlorované naftalény (PCN) polychlorované alkyl bibenzyly (PCBB)
PCN jsou strukturně podobné PCB a mají rovněž podobné chemicko-fyzikální vlastnosti.
Vykazují vysokou stabilitu a perzistenci v prostředí. Tvořily se jako nečistoty při výrobě PCB; byly také vyráběny pro použití jako dielektrické kapaliny, přísady proti hoření i jako fungicidy.
38
BROMOVANÉ LÁTKY
Polychloro-bromované sloučeniny se přidávají do podlahových krytin, koberců, textilních tapet, některých dalších textilií a mnoha syntetických hmot jako retardanty hoření. Jedná se nejčastěji o polybromované bifenyly (PBB) a polybromované difenylethery (PBDPE). Tyto látky se spalováním rozkládají za vzniku polybromovaných dibenzo-p-dioxinů (PBDD) a furanů (PBDF). Na tvorbu bromovaných dioxinů a furanů má vliv teplota spalování, přítomnost kovů a poměr množství chloru/bromu. 39
DĚKUJI ZA POZORNOST Tento projekt (57/2013/B4: Inovace předmětu Environmentální toxikologie) je podporován ze zdrojů Fondu Rozvoje Vysokých Škol. Zdroj informací: V. Kočí. Environmentální toxikologie. Výukové texty. VŠCHT Praha.
40
