MUTAGENNÍ RIZIKO POLUTANTŮ VZNIKAJÍCÍCH SPALOVÁNÍM V LOKÁLNÍCH TOPENIŠTÍCH MALACHOVÁ K., LEDNICKÁ D. Faculty of Science, University of Ostrava, 30.dubna 22, 701 03 Ostrava 1, Czech Republic DANIHELKA P. VSB – Technical University of Ostrava, 708 33 Ostrava 1, Czech Republic
Úvod Znečisťování ovzduší v důsledku spalování tuhých paliv je v naší republice dlouhodobě sledováno. Vedle průmyslových zdrojů se na produkci emisí obsahujících zdraví škodlivé látky významně podílejí také lokální topeniště. V oblastech, kde dosud převládá individuální typ vytápění rodinných domů pevnými palivy, může být stupeň znečistění ovzduší přímo ovlivněn nejen typem a kvalitou paliva, ale i použitými spalovacími technologiemi. Vzhledem k tomu, že nelze počítat s tím, že na všech místech České republiky bude v dohledné době zavedeno vytápění plynem nebo elektrickou energií, nezbývá, než dosáhnout zlepšení nabídkou ekologicky přijatelného paliva a vývojem moderních, efektivních a současně šetrných spalovacích technologií. Tento přístup vyžaduje, aby účinnost nově vyvíjených spalovacích zařízení byla kontrolována také z hlediska produkce škodlivých emisí. Hodnocení genotoxicity umožňuje zjistit, do jaké míry jsou do životního prostředí uvolňovány látky s mutagenním účinkem. Cílem studie bylo sledovat vliv typu spalovacího zařízení a technologií spalovacího režimu na obsah polyaromatických uhlovodíků v plynných emisích a zhodnotit jejich mutagenní efekt.
Použité detekční systémy K hodnocení mutagenity byly použity bakteriální detekční systémy SOS Chromotest a Amesův test ve variantách s a bez metabolické aktivace in vitro jaterními enzymy S9. SOS Chromotest umožňuje detekovat DNA poškození indukující SOS reparace. Indukční aktivita je hodnocena prostřednictvím enzymatické aktivity indikátorového kmene Escherichia coli K12 PQ37 [2,4]. Pozitivní výsledky jsou charakterizovány zvýšením indukčního faktoru Ic o hodnotu 0,5. Amesův detekční systém využívá auxotrofních kmenů Salmonella typhimurium His- k detekci mutagenů vyvolávajících přímé nebo supresorové zpětné posunové nebo záměnové mutace [1,3]. Dvojnásobné zvýšení počtu revertant je považováno za signifikantní.
Charakteristika testovaných vzorků Hodnocené vzorky byly získány spalováním černouhelných briket ve dvou typech spalovacího zařízení o malém výkonu. Jednalo se o nízkotlakový článkový kotel Viadrus U22 C pro spalování pevných paliv (koks, černé uhlí, dřevo) a o ocelový teplovodní kotel Ling 25D určený k pyrolýznímu spalování palivového dřeva a dřevního odpadu. Oba kotle byly výrobci doporučeny jako zařízení vhodná pro spalování černouhelných briket. Palivo, kterým byly černouhelné brikety, bylo podrobeno prvkovému rozboru rentgenovou analýzou, hrubému rozboru a stanovení nasákavosti máčením ve vodě (Tab. 1). V plynných emisích bylo provedeno měření koncentrace CO, SO2 , NOx, měření koncentrace O2 a stanovení celkového obsahu organického uhlíku (TOC) a polyaromatických uhlovodíků (PAU). Analýza byla provedena plynovou chromatografií s plamennou detekcí (GC-FID) (Tab. 2). Vzorky k hodnocení mutagenity byly vyextrahovány ze sorbentu XAD-2 dichlormethanem. Po stanovení množství extrahovatelné organické hmoty (EOM) byly v N2 atmosféře převedeny do méně toxického dimethylsulfoxidu (DMSO). Popel Uhlík Dusík Vodík Síra Kyslík spalné teplo Výhřev Voda
25,65% 59,57% 0,98% 3,70% 0,78% 9,32% 23,20 MJ/kg 22,39 MJ/kg 1,27%
Tab. 1. Hrubý rozbor černouhelných briket
IUAPPA Praha 2000
139
Section: B
Malachová K.: Mutagenní riziko polutantů vznikajících spalováním v lokálních topeništích
vzorek 1 vzorek 2 vzorek 3 vzorek 4 vzorek 5 µg µg µg µg µg PAU Naftalen Acenaftylen Acenaften Fluoren Fenantren Antracen Fluoranten Pyren Benz(a)antracen Chrysen Benzo(b)fluoranten Benzo(k)fluoranten Benzo(a)pyren Ideno(1,2,3-cd)pyren Dibenz(ah)antracen Benzo(ghi)perylen
3507 1699 76 797 1252 524 657 536 260 242 172 57 143 82 35 80
1277 741 27 238 330 139 172 154 50 26 69 22 49 29 9 28
127 106 5 43 49 21 25 19 9 6 18 5 12 7 2 7
162,51 129,31 2,91 51,87 76,77 24,39 28,25 20,98 3,67 2,82 4,1 0,98 1,71 1,31 <0,24 1,43
57,26 25,06 2,32 27,6 51,18 17,64 10,45 7,23 2,73 2,1 2,59 0,46 1,07 0,64 0,27 0,98
Tab. 2. Obsah polyaromatických uhlovodíků ve vzorcích.
Výsledky a diskuze V SOS Chromotestu byl v testech s metabolickou aktivací in vitro prokázán mutagenní efekt všech tří vzorků emisí z kotle Viadrus U22 C (Graf 1). Vzorky byly testovány v rozmezích koncentrací 2 – 250 µg/ml. V koncentracích nad 100 µg/ml působily všechny tři vzorky toxicky na baktérie indikátorového kmene. V testech bez metabolické aktivace in vitro byla indukční aktivita zjištěna pouze u vzorku 2 (Graf 2).
SOS Chromotest S9Vzorek č.1,2 a 3
SOS Chromotest S9+ Vzorek č.1,2 a 3 7,00
10,00 9,00 8,00 7,00 6,00 Ic 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00
6,00 5,00
1 2 3
Ic
4,00 3,00 2,00 1,00
0
100
200
0,00
300
0
EOM [ug/ml]
100
200
300
400
EOM [ug/ml]
Graf 1 a 2. Hodnocení indukční aktivity vzorků ze spalovacích režimů 1, 2 a 3 kotle Viadrus U22 C. Vzorky 1 a 3 neindukovaly signifikantní zvýšení indukčního faktoru. Tyto výsledky ukazují, že vzorky emisí z kotle Viadrus U22 C obsahovaly komplexní směsi látek s tzv. nepřímou indukční aktivitou SOS reparací. Vzhledem k výsledkům chemických analýz, kterými byla v těchto vzorcích prokázána přítomnost PAU s promutagenním účinkem, souvisí zjištěný genotoxický efekt s největší pravděpodobností s výskytem této skupiny látek. Nejvýraznějším mutagenním účinkem se vyznačoval vzorek 2, nejnižším vzorek 3 (Graf 1 a 5). Mutagenita vzorku 2 v testech bez metabolické aktivace dokazuje, že v emisích byly přítomny také přímé mutageny. Největší podíl PAU nebyl však stanoven ve vzorku 2, nýbrž ve vzorku 1. Vzorek 1, vznikající na IUAPPA 2000
140
Section: B
Malachová K.: Mutagenní riziko polutantů vznikajících spalováním v lokálních topeništích počátku spalovacího procesu obsahoval téměř 5x více PAU, tj. 192,8 mg/m3, než vzorek 2. V procentickém zastoupení karcinogenních PAU nejsou však mezi vzorky 1, 2 a 3 rozdíly tak výrazné (Tab. 4). Vzorek 1 byl také nejtoxičtější. Zatímco vzorek 2 byl oproti vzorkům 1 a 3 toxický relativně nejméně. Mezi sledovanými vzorky emisí z kotle Viadrus U22 C byly zjištěny určité diference v jejich chemickém složení i ve schopnosti indukovat SOS funkce. Vzhledem k tomu, že každý z krátkodobých bakteriálních testů mutagenity dovoluje sledovat jen určité typy poškození DNA, byly výsledky získané v SOS Chromotestu srovnávány s výsledky detekce mutagenity v nejpoužívanějším bakteriálním screeningovém detekčním systému, v tzv. Amesově testu. Výsledky všech provedených testů byly podobně jako v SOS Chromotestu ovlivněny toxicitou vzorků vůči baktériím indikátorových kmenů Salmonella typhimurium His-. Zvýšení počtu revertant bylo zaznamenáno pouze u vzorku 2 v testu bez metabolické aktivace. Tento výsledek koreluje s výsledky SOS Chromotestu bez metabolické aktivace a potvrzuje, že ve vzorku 2 byly přítomny látky s přímým mutagenním účinkem. Výsledky obou testů mutagenity dovolují konstatovat, že emise vznikající během spalovacích režimů 1, 2 a 3 se sice liší obsahem PAU, ale výsledky testů mutagenity byly během všech tří režimů podobné ( Tab. 3) SOS
Amesův
test
Chromotest
Vzorek
-S9
+S9
TA100- TA100+S9 TA98-S9 TA98+S9 S9 -
1 VIADRUS
-
+
2 VIADRUS
+
+
PM
-
-
-
3 VIADRUS
-
+
-
-
-
-
4 LING
+
-
-
PM
+
+
5 LING
+
+
PM
PM
PM
PM
Tab. 3. Srovnání výsledlů hodonocení mutagenity v emisích kotlů Viadrus U22 C a Ling 25D. Vysvětlivky: - negativní, + pozitivní, PM potenciálně mutagenní Vzorky 4 a 5 získané extrakcí emisí z kotle Ling 25D byly ve srovnání se vzorky z kotle Viadrus U22 C mutagenní v SOS Chromotestu jak bez metabolické aktivace, tak s aktivací (Tab 3). V testu bez aktivace byla indukční aktivita vzorku 5 vyšší než u vzorku 4 (Graf 4). V testu s aktivací byly výsledky u vzorku 4 ovlivněny toxicitou. Mutagenita byla proto prokázána jen u vzorku 5, dosažený indukční faktor byl dokonce nižší než v testu bez metabolické aktivace (Graf 3, 4).
SOS Chromotest S9+ Vzorek č.4 a 5
SOS Chromotest S9Vzorek č.4 a 5 7,00
3,00
6,00
2,50
5,00 2,00
4
Ic 1,50
5
Ic
4,00 3,00 2,00
1,00
1,00
0,50
0,00 0,00
0 0
100 200 EOM [ug/ml]
300
100
200
300
EOM [ug/ml]
Graf 3 a 4. Hodnocení indukční aktivity vzorků ze spalovacích režimů 4 a 5 kotle Ling 25D Toxickým účinkem vzorků 4 a 5 byly ovlivněny i výsledky hodnocení v Amesově testu (Graf 5). Zvýšení počtu revertant bylo zaznamenáno pouze na kmeni TA 98 při aplikaci nižších dávek vzorku 4 a to v obou typech IUAPPA 2000
141
Section: B
Malachová K.: Mutagenní riziko polutantů vznikajících spalováním v lokálních topeništích testů, tj. s i bez metabolické aktivace in vitro. Vzorek 5 byl ve všech variantách Amesova testu pouze potenciálně mutagenní.
Ames test TA98 Vzorek č. 4 průměrný počet revertant
100 S9S9+
50 0 0
100
200
300
400
EOM [mg/misku]
Graf 5. Hodnocení mutagenity vzorku ze spalovacího režimu 4 kotle Ling 25D. Výsledky detekce mutagenity ve vzorcích 4 a 5 ukázaly, že emise produkované při spalovaní černouhelných briket v kotli Ling 25D jsou poněkud méně toxické pro indikátorové bakteriální kmeny, a proto byly pravděpodobně získány pozitivní výsledky ve větším počtu testů. Emise obsahují přímé i nepřímé mutageny, které indukují SOS reparace i posunové a záměnové mutace. Negativní ovlivnění výsledků způsobené toxicitou vzorků nám proto nedovoluje přesněji posoudit, zda emise produkované kotlem Ling 25D jsou mutagennější než z kotle Viadrus U22 C. Oproti kotli Viadrus U22 C je kotel Ling 25D technologicky modernější. Zkouškami bylo zjištěno, že proces hoření v něm probíhá plynuleji za vzniku nižších koncentrací CO a celkově nižšího množství emisí. Množství PAU obsažených v plynných emisích z kotle Ling 25D bylo v průměru nižší než v kotli Viadrus U22 C. Procentické zastoupení karcinogenních PAU bylo u kotle Ling 25D v průměru 3,87% u kotle Viadrus U22 C v průměru 11,2%. Výsledky hodnocení genotoxicity nejsou však výrazně odlišné. K reálnějším výsledkům lze dojít porovnáním obou typů zařízení na základě parametru emisního faktoru. Množství karcinogenních PAU ve sledovaném vzorku je vztaženo buď na množství vyrobeného tepla nebo tok paliva. U kotle Ling 25D jsou hodnoty obou faktorů o řád nižší než u kotle Viadrus U22 C (Tab. 4 ). Objem odebraný
Σ(PAU)
Σ(PAU)
Emisní fakt.
Emisní fakt.
Emisní fakt.
za normálních
ve
v emisích
Σkarcinogenních Σkarcinogenních Σkarcinogenních
podmínek litry 52,49 82,14 35,67 138,82 161,86
vzorku mg 10,12 3,36 0,461 0,513 0,237
mg/m3 192,8 40,9 12,9 3,7 1,46
Zastoupení Vzorek
1 2 3 4 5
(PAU) % 10,6 8,6 14,3 3,17 4,57
(PAU) µg/GJ 317 68 15 5,3 5,2
(PAU) µg/kg 46,5 0,8 0,14 0,09 0,05
Σ(PAU) µg/GJ 57039,3 808,6 107,3 166,4 113,7
Tab.4. Charakteristika testovaných vzorků. Jak výsledky měření emisí, tak testy mutagenity ukázaly, že množství škodlivin vznikajících v průběhu spalování černouhelných briket je nejvíce závislé na typu spalovacího zařízení. Méně výrazně je množství a charakter vznikajících škodlivin ovlivněno režimem spalování v tom kterém zařízení. Obdobně jako v některých jiných studiích [6] bylo zjištěno, že obsah PAU vznikajících v procesu spalování není přímo úměrný množství extrahovatelné organické hmoty obsažené v emisích. Přítomnost PAU do určité míry závisí na podmínkách zplyňování, avšak výraznější vliv na jejich obsah má typ technologického zařízení. Změny ve spalovacích režimech se v biologických testech sice projevily mírným snížením toxicity emisí, avšak výsledky týkající se mutagenity byly málo průkazné. Také rozdíly mezi genotoxicitou vzorků z obou sledovaných kotlů nebyly výrazné. V emisích obou spalovacích zařízení byla prokázána přítomnost genotoxických látek, jejichž vyšší koncentrace v prostředí mohou představovat při špatných rozptylových podmínkách zdravotní zátěž. Studie podtrhuje význam integrovaného přístupu k posuzování technologií s nežádoucím dopadem na životní prostředí, který spočívá v souběžném uplatňování chemických analýz a testů mutagenity umožňujících posoudit míru dlouhodobého toxického účinku na organismy. Tento přístup dovoluje komplexně posoudit
IUAPPA 2000
142
Section: B
Malachová K.: Mutagenní riziko polutantů vznikajících spalováním v lokálních topeništích skutečný rozsah ekologických a zdravotních rizik spalovacích procesů a zajišťuje potřebné údaje pro zavádění perspektivních preventivních opatření.
Poděkování Studie je podporována grantovým úkolem INCO-COPERNICUS PL 975022
Použitá literatura [1] [2] [3] [4] [5]
Ames, B. J., M. C. Cann, J. and Yamasaki, R., Mutation Res., Vol. 31, 1975, pp.347-364. Hofnung, M. and Quillardet, P., Mutation Res., Vol. 132, 1984, 141-142 Maron, D. M. and Ames, B. N., Mutation Res., Vol. 113, 1983, pp.173-215. Quillardet, P., DeBellecombe, C. and Hofnung, M., Mutation Res., Vol. 147, 1985, pp.79-95. Mastral.A.,M., Callén, M.S., García, T., Environ. Sci. Technol., Vol. 33, 1999, pp.3177 – 3184.
IUAPPA 2000
143
Section: B
