RECETOX, Masaryk University, Brno, CR
holoubek@recetox.muni.cz; http://recetox.muni.cz
Ivan Holoubek
CHEMIE ŽIVOTNÍHO PROSTŘEDÍ III
Vybrané typy environmentálních polutantů
(05/01)
Polycyklické aromatické uhlovodíky (PAHs)
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
2
Polykondenzované aromatické uhlovodíky
Polycyklická aromatická hmota (POH, POM)
Jestliže mezi polyaromáty řadíme též polycyklické
heteroaromatické deriváty, hovoříme o polycyklické
organické hmotě (Polycyclic Organic Matter - POM).
V některých studiích se lze rovněž setkat s označením PNA Polynuclear
Aromatics nebo PAC - Polycyclic Aromatic
Compounds.
Polycyklické aromatické uhlovodíky (PAU, PAH, PAHs)
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
3
Jsou tvořeny dvěma nebo více kondenzovanými benzenovými
jádry v lineárním, angulárním nebo klastrovém uspořádání,
které mohou být různě substituovány, což vede k nesmírné
rozmanitosti forem.
Nejčastěji se vyskytující deriváty jsou halogen-, amino-, sulfo-,
nitroderiváty, ale vyskytují se často i hydroxyderiváty, různé
formy karbonylových a karboxylových derivátů, chinony a
další.
Dalšími velkými skupinami jsou sloučeniny tvořené kombinací
aromatických a nenasycených či nasycených kruhů a
heterocyklické aromatické sloučeniny a jejich deriváty.
Polycyklické aromatické uhlovodíky
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
4
Podle typu uspořádání kondenzovaných benzenových jader v
molekule dělí tyto látky na:
 lineárně anelované
 klastrově (minimálně jedno jádro je obklopeno alespoň
třemi jinými kondenzovanými jádry)
 angulárně uspořádané
Toto uspořádání také predikuje jejich stabilitu, která roste od
lineárních k angulárním.
Klasifikace PAHs
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
5
Klasifikace PAHs
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
6
Klasifikace PAHs
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
7
Klasifikace PAHs
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
8
PAHs jsou sloučeniny s velice rozmanitými rizikovými
vlastnostmi, řada z nich jsou potenciální karcinogeny a
mutageny, mnohé mají toxické vlastnosti.
Představují nebezpečí jak pro žijící organismy, tak i pro následné
generace.
Vyznačují se značnou variabilitou v toxických, fyzikálněchemických
či environmentálně chemických vlastnostech a
různými vlivy na jednotlivé organismy.
Představují dnes největší skupinu chemických karcinogenů
produkovaných během spalování, pyrolýzy a pyrosyntézy
organické hmoty.
Polycyklické aromatické uhlovodíky
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
9
PAHs jsou široce rozšířeny v prostředí, byly detekovány prakticky
ve všech částech prostředí, biotických i abiotických, v
průmyslových oblastech i v oblastech vzdálených od
průmyslových a městských center.
PAHs jsou geochemicky stabilní sloučeniny, které mají tendenci
ke kumulaci v sedimentech a sedimentovaných horninách.
Člověk je exponován těmito polutanty jednak z přírodního pozadí
v půdách a rostlinách, jednak ovzduším a vodou
kontaminovanými nejrůznějšími druhy lidské činnosti,
potravou.
Polycyklické aromatické uhlovodíky
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
10
Nitroderiváty jsou předmětem zájmu zejména pro svoje
mutagenní a karcinogenní účinky.
Tyto látky vznikají interakcí PAHs s oxidy dusíku přítomnými v
atmosféře.
Koncentrace 1 ppm NO2 ve vzduchu už dokáže měnit PAHs na
nitroderiváty.
Sirné polyaromatické heterocykly.
Jejich molekuly se třemi a více kondenzovanými kruhy byly
detekovány v různých typech vzorků a některé z těchto
sloučenin vykazují silné mutagenní účinky.
Deriváty PAHs
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
11
Substituce na jádře obecně významně ovlivňuje genotoxické
vlastnosti PAHs.
Například pyren je běžně považován za nekarcinogenní a
nemutagenní sloučeninu, jeho deriváty 1-nitro- a 1,8-dinitrovšak
vykazují vysoký mutagenní potenciál; podobně je tomu
i u chlorderivátů 1-chlor a zejména 4-chlorpyrenu.
Deriváty PAHs
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
12
Ochrana organismů proti cizorodým látkám není dokonalá,
dokonce mnoho adaptačních odpovědí může vést u
některých organismů k nežádoucím efektům.
Jednou ze základních adaptačních odpovědí organismu na
xenobiotickou expozici je indukce enzymového systému,
který je zapojen do metabolismu a detoxikace xenobiotika.
Avšak právě tyto detoxikační mechanismy často vedou ke vzniku
elektrofilních meziproduktů, které interagují s DNA nebo
jinými endogenními makromolekulami za vzniku
kovalentních aduktů.
Toxikologické účinky PAHs
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
13
Předpokládá se, že vznik DNA aduktů je příčinou následných
mutací a neoplastických transformací cílových tkání a
orgánů.
Úplnější pochopení mechanismu a působení genotoxických
látek vyžaduje komplexní přístup a široké spektrum metod
pro detekci genetických změn.
Proto se často používají in vivo testy s příslušnými zvířecími
systémy ke studiu mechanismu a působení xenobiotik, které
se poté extrapolují na expozici lidské populace.
In vitro testy mají naopak obrovské využití pro studium již
specifických efektů, metabolických drah, ap.
Toxikologické účinky PAHs
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
14
Alternant PAH
Benzo[a]pyrene Chrysene Dibenz[a,h]antracene
Nonalternant PAH
Benzo[k]fluoranthene Benzo[j]fluoranthene Indeno[1,2,3-c,d]pyrene
Strukturní podobnosti PAHs přispívající k podobnostem v
mechanismu biotransformací
BaP metabolismus může být využit jako model pro alternativní PAHs (jako jsou
benz[a]anthracen, chrysen a dibenz[a,h]anthracene) a metabolismus
benzo[b]fluoranthenu jako model non-alterantivní PAHs (jako jsou
benzo[k]fluoranthen, benzo[I]fluoranthen a indeno[1,2,3-c,d]pyren)
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
15
Benzo[c]phenanthrene
Dibenzo[a,l]pyrene
Benzo[a]pyrene
Naphtalene PhenanthreneAnthracene
Pyrene
Benzo[e]pyrene
Coronene
Chrysene
bay-region fjord-region
(-CH3)
A
B
H
OH
HO
OH
OH
H
H
OH
H
H
OH
H
H
H
OH
H
OH
HO
OH
O
H
H
H
Fjord-region syn-DEs
Bay- and fjord-region anti-DEs
Bay-region syn-DEs
Pseudo diaxial
Pseudo diequatorial
Pseudo diequatorial
H
H
H
H
H
H
H
OH
O
H
O
H
O
H
O
H
H
H
O
O
Strukturní podobnosti PAHs přispívající k podobnostem v
mechanismu biotransformací
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
16
Toxikologie PAHs
Již počátkem 20. století prokázali japonští vědci souvislost mezi
aplikací extraktu z uhelného dehtu na králičí kůži a frekvencí
výskytu rakoviny kůže.
Později byl ze surovin jako dehet, saze apod. izolován a
identifikován benzo[a]pyren jako hlavní nositel karcinogenity.
Indukce nádorových onemocnění je nejzávažnějším
toxikologickým aspektem PAHs.
Ne všechny látky z této rozsáhlé skupiny však vykazují takovéto
negativní účinky.
Toxikologické účinky PAHs
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
17
Metabolismus, mutagenita a případná kancerogenita
polycyklických aromatických uhlovodíků z velké části závisí
na jejich struktuře.
Obecně platí, že mutagenita PAHs se vzrůstajícím počtem
kondenzovaných aromatických jader stoupá, nejvyšší
mutagenitu vykazují uhlovodíky s pěti aromatickými kruhy.
Vzájemné postavení aromatických kruhů, přítomnost různých
substitučních skupin či heterocyklického prvku, prostorová
orientace substitučních skupin - to vše ovlivňuje
metabolismus a následné nežádoucí efekty PAHs v
exponovaném organismu.
Toxikologické účinky PAHs
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
18
Podobně u karcinogenity z toxikologických studií vyplývá, že u
PAHs se vzrůstajícím počtem jader stoupá, až dosáhne
maxima pro uhlovodíky s pěti kondenzovanými benzenovými
jádry.
Pro PAHs s vyšším počtem jader tato aktivita postupně klesá, což
je zřejmě způsobeno již relativně velkým rozměrem molekuly,
resp. nižší intercelulární pohyblivostí, takže existuje menší
pravděpodobnost vazby na akceptor.
Jednotlivé izomery se mohou karcinogenními účinky značně lišit.
Polyaromáty vykazující karcinogenní aktivitu obsahují ve skeletu
molekuly oblast tzv. zátoky (Bay region) nebo tzv. fjordu.
Toxikologické účinky PAHs
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
19
V protilehlé oblasti molekuly lze najít oblast s vyšší elektronovou
hustotou, tzv. oblast K, která je velmi reaktivní, na vazbě
dochází snadno k adici řady sloučenin.
Zde také přednostně probíhá oxidace (in vitro).
Při oxidacích in vivo k ní dochází na uhlících aromatického jádra
v sousedství oblasti "zátoky", zatímco K oblast je blokována
primární reakcí s akceptorem.
Toxikologické účinky PAHs
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
20
Při odhadu karcinogenity na základě hodnocení struktury je
důležitá též dvojice uhlíků v poloze para- na benzenovém
jádru, tzv. oblast L.
K vyvolání karcinogenního účinku je nutné, aby elektronová
hustota, resp. reaktivita v oblasti L byla malá, tj. aby
uhlovodík nebyl v organismu rychle deaktivován a aby
reaktivita oblasti K byla dostatečně vysoká, což je
předpokladem pevné vazby uhlovodíku s akceptorem.
Substitucí aromatického jádra se reaktivita oblastí K a L, resp.
"Bay region" mění v souladu s posuny elektronů vyvolanými
působením substituentu.
Toxikologické účinky PAHs
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
21
Tím lze vysvětlit např. zvýšení karcinogenní aktivity mnohých
di- a trimethylderivátů.
Reaktivitu oblasti L lze snížit i sterickou zábranou, např. u
cholanthrenů je tato oblast "bráněna" ethylenovým
můstkem.
Naopak u např. 2-, resp. 3-methyl- benzo[a]pyrenu lze vysvětlit
vymizení karcinogenity přítomností nové oblasti L v poloze
1 a 4.
Tvorba diolepoxidů v oblasti "zátoky" představuje proces
aktivace PAHs na karcinogenní sloučeninu.
Toxikologické účinky PAHs
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
22
Dihydrodioly a epoxidy jsou na rozdíl od nesubstituovaných
derivátů považovány za přímé, tzv. ultimativní karcinogeny.
Mohou reagovat totiž přímo s DNA v jádře buňky a tím ji
transformovat na buňku rakovinnou.
V živočišných organismech jsou PAHs metabolizovány
indukovanými jaterními tzv. mixed function oxidasami
(MFO) právě na epoxidy a dihydrodioly a dále na fenoly a
chinony.
Po vstupu do organismu dochází k metabolismu PAHs
především jaterními mikrosomálními enzymy, cytochromy
P450, v tzv. I. fázi detoxikačního cyklu.
Toxikologické účinky PAHs
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
23
Primární funkcí těchto enzymů je přeměna cizorodých
lipofilních látek na látky hydrofilní, tedy schopné exkrece z
organismu.
Exkrece se zpravidla uskutečňuje v II. fázi detoxikačního cyklu
po konjugaci hydrofilního produktu I. fáze s endogenními
molekulami, např. glutathionem, kyselinou glukuronovou,
sulfonovou, ap.
Polycyklické aromatické uhlovodíky mohou být cytochromy P450
metabolizovány na vícefunkční alkoholy (dioly, trioly,
tetroly), ale i na epoxidy, arenoxidy, případně na volné
radikály.
Toxikologické účinky PAHs
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
24
Pouze alkoholické produkty jsou schopné následné exkrece z
organismu.
Epoxidy, arenoxidy a volné radikály další detoxikační enzymy
nedokáží metabolizovat.
Jsou vysoce reaktivní, mohou se vázat a vytvářet kovalentní
adukty s životně důležitými makromolekulami, jako jsou
celulární proteiny, DNA ap., nebo mohou způsobit
peroxidaci membránových lipidů.
Z jednoho zástupce PAHs může vznikat několik různých
metabolitů.
Např. dibenzo[a,h]anthracen je metabolizován na 27 metabolitů, přitom více
jak polovina těchto metabolitů jsou dihydrodioly.
Toxikologické účinky PAHs
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
25
Mechanismus karcinogenní aktivity BaP u
savců podle současných znalostí je
následující:
Toxikologické účinky PAHs
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
26
Mechanismus karcinogenní aktivity BaP u savců podle
současných znalostí je následující:
Toxikologické účinky PAHs
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
27
Metabolismus benzo(a)pyrenu
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
28
1
2
3
4
567
8
9
10
11
12
ARENEOXIDESGLUTATIONE
CONJUGATES 4,5-
7,8-
9,10-
DIHYDRODIOLSGLUCURONIDES
AND
SULFATE ESTERS
9,10-
7,8-
4,5-
DIOLEPOXIDESGLUTATIONE
CONJUGATES 7,8-diol-9,10-Epoxide
9,10-diol-7,8-Epoxide
TETRAOLS
PHENOL-DIOLS
9-OH-4,5-diol
6-OH-7,8-diol
1-(3)-OH-9,10-diol
PHENOLS
1- 7-
8- 9-
6-
QUINONES
GLUCURONIDES
AND
SULFATE ESTERS
1,5-
3,6-
6,12-
GLUTATIONE
CONJUGATES
Předpokládané schéma metabolismu benzo[a]pyrenu
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
29
BayRegion 1
2
3
4
567
8
9
10
11 12
O
7,8-epoxide
OH
HO
7,8-dihydrodiol
O
OH
HO
7,8-dihydrodiol 9,10-epoxide
OH OH
HO HO
O
Edeloc
HO +
diol epoxide triol carboniumion
The bay region dihydrodiol epoxide route of metabolism of
benzo[a]pyrene (IPCS, 1998)
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
30
Vznik DNA aduktu
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
31
O
epoxide
OH
phenol
O
O
quinone
OH
HO
OH
triol
OH
HO
dihydrodiol
HO
OH
O
diol-epoxide
O
OH
HO
O
OH
HO
O
OH
HO
HO
OH
HO
OH
tetrol
Struktury některých typů metabolitů benzo[a]pyrenu
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
32
1
2
3
4
5
6
7 8 9
10
11
12
HO
+
HO
+
HO
B[b]F
HO
OH
OH
B[b]F-9,10-diol
OH
OH
O
B[b]F-9,10-DE
O
OH
OH
HO
syn-5(6)-OH-B[b]F-9,10-DE
HO
OH
OH
5(6)-OH-B[b]F-diol
O
HO
OH
OH
anti-5(6)-OH-B[b]F-9,10-DE
+
Předpokládané schéma metabolismu
benzo[b]fluoranthenu
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
33
Cyclopenta[c,d]pyrene (CPP)
Fluoranthene (F)
Benzo[b]fluoranthene (BF)
3
4
CPP-3,4-epoxide
3
21
5
9
12
10
11
F-2,3-dihydroxy 1,10b-epoxide
10b
—
BF-5,9,10-trihydroxy 11,12-epoxide
OH
O
OH
O
O
OH
OH
HO
Schéma metabolismu (benzo[b]fluoranthenu),
cyklopenta[c,d]pyrenu a fluorantenu
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
34
S účastí cytochromu P 450, který je přítomný v endoplasmatickém retikulu
buněk, je BaP oxidován na arenoxid (epoxid).
Během dalšího kroku enzym epoxid-hydratasa transformuje tento metabolit na
trans-dihydrodiol, který pak podléhá epoxidaci za účasti cytochromu P
450 za vzniku ultimativního (přímého) karcinogenu.
Tento trans-diolepoxid může existovat ve dvou stereoisomerech 4 a 5, přičemž
se každý z nich vyskytuje ve 2 enantiomerních formách.
Z dosud prováděných výzkumů vyplývá, že pouze molekula ((+)-5) projevuje
vysokou karcinogenní aktivitu při experimentech s krysami, zatímco
ostatní tři sloučeniny a BaP sám vykazují minoritní nebo vůbec žádnou
aktivitu.
Elektrofilní molekula ((+)-5) reaguje s nukleofilními bazemi nukleových
kyselin, nejčastěji atakovanou bází bývá guanin.
Toxikologické účinky PAHs
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
35
Zvláštní pozornost je třeba věnovat problematice nitroderivátů
PAHs (nitro-PAHs) - tato skupina zahrnuje nejméně 200
různých sloučenin.
Nejčastěji se vyskytující zástupci nitro-PAHs naadsorbovaných na tuhých
částicích jsou 1-nitropyren a 2-nitrofluoren.
Nitro-PAHs se vyznačují značnou chemickou stabilitou, jejich osud v prostředí
není dosud zcela znám.
Na rozdíl od epoxidů a diolepoxidů PAHs, které mají pouze krátký poločas
života, nitroderiváty setrvávají v ovzduší relativně dlouho a působí jako
přímé karcinogeny.
Řada z nich má rovněž mutagenní účinky, což bylo potvrzeno Amesovým
testem.
Toxikologické účinky nitro-PAHs
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
36
I přes značnou chemickou stabilitu jsou nitro-PAHs v organismu
poměrně intenzivně metabolizovány.
Člověk může být nitro-PAHs exponován převážně dvěma
cestami, přímou a nepřímou.
Přímý vstup představuje inhalaci nitro-PAHs buď v podobě
plynné fáze nebo naadsorbované na tuhé částečky rozptýlené
ve vzduchu.
Nepřímá cesta je dána konzumací kontaminované potravy.
Srovnáním toxicity nitro-derivátů PAHs s jejich rodičovskými
PAHs je výsledkem vyšší toxicita nitro-PAHs.
Toxikologické účinky nitro-PAHs
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
37
Toxikologické účinky nitro-PAHs
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
38
Toxikologické účinky nitro-PAHs
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
39
US EPA 16 PAHs
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
40
Environmentální chemie PAHs
Hlavní pozornost je věnována pohyblivým PAHs s nižší
molekulovou hmotností mezi 128,16 (naftalen, C10H8 ) a
300,36 (koronen, C24H12 ).
Sloučeniny s vyšší molekulovou hmotností jsou relativně
nepohyblivé vzhledem k vyšším molekulovým objemům a
extrémně nízké těkavosti a rozpustnosti.
Počet kondenzovaných
benzenových jader
Počet izomerů
PAHs
3 3
4 7
5 22
6 82
7 333
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
41
Fyzikální a chemické vlastnosti PAHs se všeobecně mění s
molekulovou hmotností.
Se vzrůstem molekulové hmotnosti klesá rozpustnost ve vodě a
roste bod tání, bod varu i rozdělovací koeficient
oktanol/voda.
PAHs různých molekulových hmotností se podstatně liší ve svém
chování a distribuci v prostředí a ve svých biologických
vlivech.
Environmentální chemie PAHs
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
42
PAHs vykazují silnou absorpci v UV oblasti a mají také význačná
fluorescenční spektra.
Z hlediska chemické reaktivity je možné obecně konstatovat, že
jsou reaktivnější než benzen.
Z environmentálně-chemického hlediska jsou zajímavé ty reakce,
které mají vliv na změny koncentrace v ovzduší či dalších
složkách prostředí, během odběru vzorků, skladování a
laboratorního zpracování.
Environmentální chemie PAHs
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
43
 Teplota
 Světlo
 Kyslík
 Ozón
 Další chemické reagenty
 Druh a velikost povrchu částic, na kterých mohou být PAHs
sorbovány
PAHs, které mají ionizační potenciál vyšší než 7,1 eV, jsou
relativně stabilní (naftalen, benzo[a]anthracen, chrysen,
benzo[a]pyren, koronen); PAHs s ionizačním potenciálem
nižším než 7,1 eV jsou za stejných podmínek obecně
reaktivnější.
Faktory okolního prostředí, které mohou mít vliv na
reaktivitu jednotlivých PAHs
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
44
Nejvýznamnější environmentální zdroje PAHs
ANTROPOGENNÍ
(a) Průmyslové zdroje
 Výroba tepelné a elektrické energie
 Výroba koksu
 Produkce a zpracování kamenouhelného dehtu
 Výroba, zpracování a použití asfaltu
 Katalytické krakování
 Stroje s vnitřním spalováním
 Výroba a použití sazí
 Odpadní vody
 Potravinářské technologie
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
45
(b) Neprůmyslové zdroje
 Požáry lesů, stepí atd.,
 Volné hoření odpadů
 Spalovny odpadů
 Kouření
 Domácí topeniště
Nejvýznamnější environmentální zdroje PAHs
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
46
NEANTROPOGENNÍ
(a) Geochemické zdroje
 Uhlí
 Sedimentované horniny
 Minerály (curtizit, idrialit..)
 Vulkanická činnost
(b) Biologické zdroje
 Biochemická syntéza makrofyty a mikroorganismy
Nejvýznamnější environmentální zdroje PAHs
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
47
Přírodní zdroje PAHs
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
48
Přírodní zdroje PAHs
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
49
Přírodní zdroje PAHs
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
50
Přírodní zdroje PAHs - uhlí
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
51
Přírodní zdroje PAHs - uhlí
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
52
Přírodní zdroje PAHs
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
53
Jestliže je směs organických látek obsahujících uhlík a vodík
vystavena teplotám vyšším než 700 °C, tzn. podmínkám
pyrolýzy, resp. podmínkám nedokonalého spalování,
dochází k tvorbě nestabilních menších molekul - prekurzorů
PAHs a v přítomnosti atomů O, N, S aj. též k tvorbě
příslušných heterocyklických analogů.
Tyto fragmenty, vesměs radikály, se rekombinují při vysokých
teplotách (500 – 800 °C) za vzniku poměrně stabilních
aromatických uhlovodíků.
Vznik PAHs při spalovacích procesech
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
54
Vysoce reaktivní fragmenty se stabilizují uzavřením kruhu, kondenzací,
dehydrogenací, Diels - Alderovými reakcemi, rozšířením kruhu a jinými
způsoby za vzniku různorodých polycyklických systémů.
Vznik PAHs při spalovacích procesech
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
55
Výsledek pyrosyntézy je funkcí mnoha proměnných, v
neposlední řadě též přítomností redukční atmosféry uvnitř
plamene, kde řetězová radikálová propagace dosahuje
většího rozsahu a dochází tak k tvorbě složitých molekul
PAHs.
Tvorba těchto velkých molekul je podporována přítomností
radikálů vyšší molekulové hmotnosti.
Vznik PAHs při spalovacích procesech
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
56
V současnosti se předpokládá, že se každoročně dostává okolo
43 000 t PAHs do atmosféry a kolem 230 000 t do vod.
Největší podíl na emisích PAHs mají stacionární zdroje,
především procesy výroby tepelné a elektrické energie
spalováním uhlí (až 90 %).
Nejvýznamnější environmentální zdroje PAHs
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
57
Příčiny kontaminace:
Kromě kontaminace z výše uvedených zdrojů i některé
technologické zásahy, prováděné během výroby poživatin.
Endogenní tvorba PAHs při tepelné úpravě potravin je za
běžných podmínek zanedbatelná.
Pouze v extrémních případech, např. přepálením tuku (při
teplotách kolem 500 °C) vznikají PAHs, přičemž prekursory
jsou zejména steroidy.
Výskyt PAHs v potravinách
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
58
Mnohem významnější je exogenní znečištění, kdy potraviny
přicházejí do styku se zplodinami hoření při grilování,
přímém sušení, pražení a především uzení.
Rozhodujícím faktorem, ovlivňujícím množství PAHs v uzeném
výrobku je jejich obsah v udícím kouři, který je podmíněn
teplotou vyvíjení kouře, jeho následnou úpravou a surovinou
použitou k jeho výrobě.
Při dodržení optimálních technologických podmínek je však
množství především karcinogenních PAHs přijímaných v
takto upravených výrobcích minoritní ve srovnání s
některými dalšími zdroji PAHs, ovlivňujícími obsah těchto
polutantů v potravinách.
Výskyt PAHs v potravinách
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
59
Degradace PAHs
Navzdory relativně značné stabilitě aromatického jádra,
vyplývající ze značné hodnoty negativní rezonanční energie,
může v prostředí docházet k degradaci polycyklických
aromatických uhlovodíků.
Tyto látky jsou ve svém základním stavu vystaveny různým typům
reakcí jako elektrofilní a nukleofilní substituci, 1,2- a 1,4cyklo-
adičním reakcím, oxidaci, hydrogenaci, intra- a
intermolekulárním kondenzačním reakcím, některé PAHs a
strukturně příbuzné heteroaromatické systémy mohou také
podléhat přesmykům katalyzovaným Lewisovými kyselinami.
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
60
Obecně lze konstatovat, že při studiu degradace PAHs je nutné
mít na zřeteli fakt, že pro danou sloučeninu roste počáteční
rychlost transformace s vyšší počáteční koncentrací a
zároveň se snižuje s rostoucím počtem kondenzovaných jader
v molekule.
Pokles koncentrace PAHs je podmíněn jednak fyzikálněchemickými
vlastnostmi prostředí, jednak ději
biochemickými čili enzymově katalyzovanými reakcemi.
V závislosti na charakteru prostředí probíhají degradační reakce
různého typu s odlišnou intenzitou.
Degradace PAHs
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
61
Environmentální osud PAHs
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
62
Značné množství PAHs je emitováno do ovzduší.
Ve volném ovzduší bylo identifikováno více než 100 PAHs.
Tyto sloučeniny jsou přednostně vázány na povrch
atmosferických tuhých částic, ale vyskytují se i v plynné fázi.
Ve volné atmosféře dochází jednak k jejich rozkladu slunečním
zářením a jednak k jejich změnám reakcemi s ostatními
chemickými látkami přítomnými v atmosféře.
PAHs v atmosféře
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
63
Významným typem reakcí PAHs v atmosféře jsou reakce
probíhající na povrchu tuhých částic, se kterými jsou často
emitovány.
PAHs se dostávají na povrch tuhých částic kondenzací a
adsorbčním mechanismem.
Jsou primárně generovány v plynné fázi a v průběhu emise
dochází k sorpci na vznikající tuhé částice spojené s
kondenzací při ochlazování emisí.
U méně těkavých PAHs dochází ke konverzi z plynné fáze na
tuhou v relativně krátkém čase po emisi.
Těkavější PAHs jsou emitovány převážně v plynné fázi.
PAHs v atmosféře
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
64
PAHs sorbované na povrchu popílku vykazují odlišné chemické
chování než PAHs sorbované na jiné tuhé částice nebo v
roztoku.
Výsledkem je stabilizace PAHs proti chemické oxidaci na jedné
straně, ale podpoření spontánní nefotochemické oxidace pro
určité PAHs na straně druhé.
Kromě oxidace mohou PAHs v atmosféře podléhat dalším typům
reakcí, jejichž výsledkem jsou deriváty s různou karcinogenní
aktivitou.
PAHs v atmosféře
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
65
 Tenze par PAHs (jako funkce teploty)
 Množství jemných částic (vhodný povrch pro sorpci PAHs)
 Teplota ovzduší
 Koncentrace PAHs
 Afinita jednotlivých PAHs k organické matrici částic
 Velikosti částic
Faktory ovlivňující distribuci PAHs v atmosféře mezi
plynnou a tuhou fázi
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
66
Velikosti částic:
 až 75% PAHs může být vázaných na povrch částic
respirabilní frakce (< 1 mm)
 relativně málo těkavé PAHs jsou převážně vázány na povrch
tuhých částic o velikosti < 1 mm; tato skupina vzniká během
procesu adsorpce
 těkavější PAHs s výjimkou fluorantenu jsou vázány na
částice > 1 mm, což je spojeno převážně s procesem
kondenzace.
Faktory ovlivňující distribuci PAHs v atmosféře mezi
plynnou a tuhou fázi
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
67
Pokud se PAHs dostanou do atmosféry, mohou podléhat celé
řadě atmosférických procesů:
 Distribuce
 Transport
 Depozice
 Degradace
Množství a distribuce PAHs v atmosféře jsou závislé nejenom
na velikosti emise, ale také na stabilitě PAHs v atmosféře.
Procesy PAHs v atmosféře
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
68
(1) Fyzikální vymizení pomocí procesů suché a mokré
atmosférické depozice
(2) Atmosférický transport a disperze spojená s pohybem
vzdušných mas, turbulencí a konvekcí
(3) Atmosférická degradace nebo konverze reakcí s jinou částicí
nebo sloučeninou anebo fotochemickou reakcí
(4) Výměna mezi plynnou a tuhou fází posunem fázové
rovnováhy
Atmosférické děje spojené s vymizením PAHs
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
69
Doba setrvání PAHs sorbovaných na povrchu tuhých částic v
atmosféře a transport do různých oblastí jsou řízeny velikostí
částic, meteorologickými podmínkami a atmosférickou
fyzikou.
Vysoce reaktivní PAHs se v atmosféře snadno rozkládají
reakcemi s ozónem a dalšími oxidanty.
Degradační časy se pohybují v rozmezí od několika dnů do šesti
týdnů pro PAHs adsorbované na částice o průměru menším
než 1 mm (při absenci srážek) nebo v rozmezí od méně než 1
den do několika dnů pro PAHs adsorbované na větší částice.
Atmosférické děje spojené s vymizením PAHs
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
70
Jsou obecně považovány za nejdůležitější atmosférické reakce
PAHs v obou fázích.
Jednou z nejběžnějších fotooxidačních reakcí PAHs je vznik
endoperoxidů, ze kterých řadou reakcí mohou vznikat
chinony.
Chemické a fotochemické reakce PAHs v atmosféře mohou
ovlivňovat různé faktory, např. intenzita světla, koncentrace
plynných polutantů (O3, NOx, SOx) a fyzikálně-chemické
charakteristiky částic nebo substrátů, na které jsou PAHs
sorbovány.
V závislosti na těchto faktorech může atmosférická doba života například
benzo[a]pyrenu kolísat od 10 minut do 72 dnů.
Fotochemické atmosférické přeměny PAHs
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
71
Fotochemické atmosférické přeměny PAHs
Nejběžnější průběh fotooxidačních reakcí vede zřejmě přes vznik
endoperoxidů.
Obvykle jsou na molekule příslušného PAH pro vznik
endoperoxidu nutné dvě pozice stejného druhu.
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
72
Fotolýza nebo pyrolýza endoperoxidů PAHs vede k různým reakčním
produktům cestou dealkylace a štěpení kruhu, jak je ilustrováno možnými
pyrolýzními produkty 9,10-dimethylantracen-peroxidu (rovnice A).
Fotochemické atmosférické přeměny PAHs
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
73
Chinony mohou vznikat i tehdy, kdy endoperoxidy nemohou být ze sterických
důvodů tvořeny.
Tak např. BaP může po ozáření poskytnout mj. směs tří chinonů (rovnice B).
Fotochemické atmosférické přeměny PAHs
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
74
Fotochemické atmosférické
přeměny PAHs
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
75
Atmosférická doba života PAHs je obecně menší než 30 dnů.
Celá řada produktů, která při atmosferické degradaci vzniká,
vykazuje mutagenní aktivitu.
Nejvíce byla mutagenní aktivita pozorována u produktů reakcí se
singletovým kyslíkem a oxidy dusíku.
Vzhledem k tomu, že PAHs jsou v prostředí většinou asociovány
s tuhými částicemi, mají velký význam především degradační
studie týkající se chování PAHs v sorbovaném stavu.
Fotochemické atmosférické přeměny PAHs
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
76
Výsledky studií zabývajících se fotodegradací takovýchto látek v
atmosféře naznačují, že rychlost oxidace závisí jak na
charakteru a velikosti částic, tak na typu PAHs; tyto reakce
probíhají zřejmě jinou cestou než přes endoperoxidy.
Sorpce na tuhé částice umožňuje i oxidační reakce některých
PAHs ve tmě, tedy ne cestou fotooxidace.
Tak například dochází k úplné oxidaci fluorenu vázaného na tuhé částice ve
tmě, zatímco fluoranten a fenantren oxidační reakci ve tmě nepodléhají a
antracen a BaP minimálně.
Nesubstituované areny (tj. PAHs s lineární strukturou) snadno
tvoří fotodimery reakcí jedné molekuly PAHs excitovaného
do singletového stavu s jinou molekulou, která se nachází ve
stavu základním.
Fotochemické atmosférické přeměny PAHs
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
77
Jsou do atmosféry emitovány z řady zdrojů a navíc v ní vznikají
reakcemi mezi PAHs a oxidy dusíku nebo kyselinou
dusičnou, přítomnými ve znečištěném ovzduší v poměrně
velkých koncentracích.
Kyselina dusičná i oxidy dusíku mohou PAHs substituovat nebo
oxidovat.
Tyto reakce vedou k přeměně nekarcinogenních PAHs na
nitroderiváty PAHs s významnou mutagenní aktivitou.
Rychlost těchto reakcí silně závisí na chemické struktuře
jednotlivých PAHs a na podstatě substrátu, na který mohou
být PAHs sorbovány.
Nitro-deriváty PAHs (NO2-PAHs)
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
78
Reakce mohou být usnadněny kyselostí povrchu, zvláště
přítomností kyseliny dusičné.
Vznik NO2-PAHs - tři různé mechanismy:
(1) Reakce PAHs s radikálem OH
(2) Reakce PAHs s radikálem NO3
(3) Radikálová adice NO2 s PAHs
Nitro-deriváty PAHs (NO2-PAHs)
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
79
(1) Reakce PAHs s radikálem OH
Tento mechanismus předpokládá jako iniciační krok reakci PAHs s radikálem OH v
přítomnosti NOX a adičně-eliminační vznik nitroderivátu PAHs a molekuly vody.
Tímto způsobem je možné vysvětlit vznik 2-nitropyrenů:
Tímto způsobem můžeme spolehlivě vysvětlit vznik nitro-PAHs za dne, resp. v
přítomnosti slunečního záření. Jak bylo ale zjištěno, úroveň je prakticky stejná i v
noci (při absenci slunečního záření).
Nitro-deriváty PAHs (NO2-PAHs)
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
80
(2) Reakce PAHs s radikálem NO3
To znamená, že musí existovat další aktivující částice pro iniciační a transformační
reakce PAHs probíhající v noci.
Touto částicí je radikál NO3, který je produkován v rovnovážné reakci s N2O5 v
noci a tak iniciuje noční reakce vzniku.
Například v modelové reakci oxidu dusičného s fluorantenem se předpokládá pro
vznik jeho nitroderivátů následující mechanismus, kde (III) = 2,5-dinitro-FLU
a (IV) = 1,2,5-trinitro-FLU.
Nitro-deriváty PAHs (NO2-PAHs)
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
81
(2) Reakce PAHs s radikálem NO3
 NO3 radikál se v prvním kroku reakce aduje na FLU a takto vytvořený radikál (A)
potom v rekombinační reakci s NO2 vytvoří intermediát (B), který se stabilizuje
odstěpením HNO3 za vzniku 2-nitro-FLU (II).
Jak bylo dokázáno v modelové reakci, ten může být dále nitrován N2O5 za vzniku
(III) a (IV).
Nitro-deriváty PAHs (NO2-PAHs)
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
82
(3) Radikálová adice NO2 s PAHs
Jiným iniciačním krokem reakce vzniku nitro-PAHs může být radikálová adice
NO2 na PAHs:
Na základě studií týkajících se nitrace aromátů se předpokládá, že nitrace může
probíhat nejen homolytickou substitucí radikálaniontem NO2
-, ale taktéž
substitucí probíhající s jednoelektronovým přenosem (SET = Single Electron
Transfer).
Nitro-deriváty PAHs (NO2-PAHs)
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
83
(3) Radikálová adice NO2 s PAHs
Tak například vznik 9-nitroantracenu je možné vysvětlit tímto mechanismem:
Nitro-deriváty PAHs (NO2-PAHs)
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
84
(3) Radikálová adice NO2 s PAHs
Při přenosu elektronu vznikne v prvním kroku radikálový kation (A) a radikálaniont
NO2
-.
Radikálový kationt (A) může dále reagovat s NO2
- za vzniku radikálu (C) nebo s
NO2 za vzniku kationtu (B), který se odštěpením protonu stabilizuje za vzniku
9-nitroantracenu.
Radikál (C) může dále reagovat s NO2 na intermediát (D), který se odštěpením
HNO3 stabilizuje na (I).
Radikálové kationty PAH+ jsou schopny dlouhé koexistence s jinými PAHs v rámci
následující rovnováhy:
PAH1
+ + PAH2  PAH1 + PAH2
+
To může vést v chemii ovzduší (na povrchu aerosolové částice) ke vzniku nových
PAHs.
Nitro-deriváty PAHs (NO2-PAHs)
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
85
Atmosférická degradace nitro-derivátů PAHs
Dosavadní znalosti chemie a osudu nitroderivátů PAHs jsou velmi
omezené.
Fotodegradaci je však považována za nejpravděpodobnější
možnost transformace.
Mezi izomery byly pozorovány překvapující rozdíly ve
fotochemické stabilitě.
Například 1- a 3-nitroBaP jsou fotostabilní, zatímco 6-nitro izomer po ozáření
degraduje.
Fotodegradace nitro-PAHs zahrnuje přeskupení nitroskupiny na
odpovídající arylnitrát a následnou eliminaci NO2 za tvorby
fenoxyradikálu - fenoxyradikály jsou přístupné pro další
oxidaci na chinony nebo pro nitraci na nitrohydroxyderiváty,
které byly nedávno identifikovány v sazích z výfukových
plynů.
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
86
Z atmosféry jsou PAHs odstraňovány suchým a mokrým spadem.
PAHs přítomné v atmosféře se dostávají do srážek jako výsledek
vnitro- a podoblačného vymývaní.
Srážky jsou základem v atmosférickém cyklu PAHs - tyto
sloučeniny mají ve srážkách charakteristickou distribuci.
Rozsah koncentrací je přímo závislý na meteorologických
podmínkách.
Sezónní variace vykazují maximum v zimním období a minimum
v letním.
Atmosférická depozice PAHs
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
87
Průměrný obsah PAHs ve srážkách se pohybuje v jednotkách až
stovkách ng.dm-3 .
Obsah závisí na rozpustnosti ve vodě - PAHs s nízkou
molekulovou hmotností jsou rozpustné v rozmezí mg.l-1,
vyšší v rozmezí ng.l-1.
Za atmosférických podmínek jsou PAHs s nižší molekulovou
hmotností nacházeny na tuhých částicích i v plynné fázi, s
rostoucí molekulovou hmotností jsou více sorbovány na
tuhých částicích a pouze malá část je v rozpustné frakci.
Například pro BaP je suchá depozice 3-5-krát významnější děj
než depozice mokrá.
Atmosférická depozice PAHs
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
88
PAHs ve vodách
Rozpustnost PAHs a jejich derivátů je jedním z faktorů, který
ovlivňuje jejich distribuci ve vodním ekosystému.
PAHs jsou sloučeniny s velice nízkou rozpustností ve vodě, což je
dáno jejich hydrofobní povahou a tak jsou hlavně
adsorbovány na organických částečkách.
Rozpustnost je ovlivňována teplotou a přítomností dalších
rozpuštěných látek.
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
89
Například rozpustnost benzo[a]pyrenu ve vodě je pouze 0,004
mg.l-1 při 27 °C. Některé detergenty a přírodní složky
vodného prostředí (např. huminové kyseliny) mohou
zvětšovat rozpustnost PAHs, a to až desetkrát.
PAHs se mohou z vody vypařovat, dispergují se ve vodním
sloupci, postupně se stávají součástí sedimentů, koncentrují
se ve vodní biotě.
Podobně jako ve vzduchu i ve vodě jsou hlavním transportním
mechanismem difuze a konvekce.
PAHs ve vodách
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
90
Nejdůležitější procesy ovlivňující degradaci PAHs ve vodném
prostředí jsou fotooxidace, chemická oxidace a biodegradace
vodními organismy.
Hydrolýza není považována za důležitý degradační proces pro
PAHs.
Všeobecně platí, že v přírodních vodních systémech v závislosti
na environmentálních podmínkách nejvýznamněji přispívají
k degradaci PAHs fotooxidace a biodegradace.
Degradace PAHs ve vodách
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
91
Fotooxidace PAHs zahrnuje proces přenosu energie z
tripletového stavu aromatického systému na molekulu
kyslíku za vzniku singletového kyslíku.
Peroxidy mohou vznikat v následné reakci singletového kyslíku s
aromatickou molekulou dle následujícího mechanismu:
1PAH (základní stav)  1PAH* (singletový excitovaný stav)
1PAH*  3PAH* (tripletový excitovaný stav)
3PAH* + 3 02 1PAH + 1O2*
1PAH + 1O2  PAH-peroxid, PAH-chinon
Degradace PAHs ve vodách
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
92
Typy fotooxidace PAHs vedoucí
ke vzniku endo-peroxidů
CH3
CH3
O O
CH3
CH3
CH3 OH
OHCH3
O
CH3OHH
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
CH3
CH3
b)
a)
hO
hO
2
2
 nebo h
Degradace PAHs ve vodách
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
93
Ačkoliv je singletový kyslík vznikající při přímé fotolýze PAHs
jednoznačně hlavním oxidantem těchto látek, jako oxidační
činidla v přirozených, zejména vodních systémech, mohou
působit alkylperoxy- (RO2) a hydroperoxy- (HO2) radikály
získané štěpením stop karbonylových látek nebo z
enzymatických zdrojů.
V hydrosféře tedy jednoznačně převládají fotochemické reakce
nad ztrátami způsobenými chemickými oxidacemi nebo
vytěkáním, avšak rychlost těchto jevů je o několik řádů nižší
než v atmosferických podmínkách.
Je nutné si ale uvědomit, že celkovou distribuci a tím i následnou
degradaci z největší části ovlivňují sorpční jevy.
Degradace PAHs ve vodách
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
94
Rychlost a rozsah fotodegradace široce kolísá mezi jednotlivými
PAHs.
Rychlost této reakce hlavně ovlivňují faktory jako jsou hloubka,
průhlednost vodní vrstvy a teplota.
Fotodegradace vede nejčastěji ke vzniku peroxidů, chinonů a
dionů PAHs.
V přírodních vodních podmínkách například podléhají fotodegradaci antracen,
fenantren a benzo[a]antracen, zatímco fluoren, pyren, chrysen a BaP ne.
PAHs ve vodách mohou být také oxidovány chlorací a ozonací,
což může nastat především při procesech čištění vod,
případně při některých průmyslových procesech jako je
například bělení celulózy chlorací nebo ozonací.
Degradace PAHs ve vodách
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
95
Degradace ozonací je v přírodních vodách pomalejší reakcí než
chlorace a vede většinou k chinonůn a dionům.
Schéma předpokládané ozonace benzo[a]antracenu, fluorenu a benzo[a]pyrenu
uvádí následující schéma:
Degradace PAHs ve vodách
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
96
Degradace PAHs ve vodách
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
97
Ve vodních systémech hrají důležitou roli při degradaci PAHs
mikrobiální degradace v aerobních podmínkách, zatímco v
anaerobních podmínkách tato degradace většinou probíhá
extrémně pomalu.
Některé PAHs jsou částečně nebo úplně degradovány některými
druhy vodních bakterií a hub.
Počáteční reakce všeobecně zahrnuje zavedení dvou
hydroxylových skupin na aromatické jádro za vzniku
dihydrodiolových meziproduktů.
Degradace PAHs ve vodách
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
98
Mechanismus bakteriální degradace zahrnuje vznik cisdihydrodiolů
přes dioxetanové meziprodukty, zatímco v
houbách nebo savcích (obě tyto skupiny mají enzymatický
systém cytochromu P 450) vzniká trans- dihydrodiol cestou
arenoxidových meziproduktů.
Degradace PAHs ve vodách
Faktory, které ovlivňují mikrobiální degradaci PAHs můžeme
shrnout následovně:
(1) Předcházející expozice - delší expozice mikrobiálních
společenstev PAHs způsobí jejich adaptaci na přítomnost
PAHs a zvyšuje využívání PAHs a jejich degradaci. Proto se
dá očekávat větší míra degradace PAHs v kontaminovaných
sedimentech než v pozaďových.
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
99
(2) Chemická struktura - PAHs s nižší Mr jsou degradovány
rychleji než vysokomolekulární, které mohou být dosti
odolné k mikrobiálnímu působení a proto mohou setrvávat
ve vodních systémech déle. Alkylace PAHs inhibuje
degradaci. PAHs ze spalovacích procesů adsorbované na
saze mohou být více odolné vůči degradaci než PAHs z
ropných olejů.
(3) Dostupný kyslík - molekulární kyslík je považován za
nezbytný pro degradaci PAHs. Nejvyšší degradace byla
zjištěna v okysličených povrchových sedimentech.
Degradace PAHs za anaerobních podmínek probíhá velmi
pomalu, pokud k ní vůbec dojde.
Degradace PAHs ve vodách
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
100
(4) Dostupné živiny - živiny nejsou limitující na pozaďových
lokalitách, ale v prostředí kam se dostává hodně
organického odpadu, se mohou stát limitujícími prvky
biodegradace "in situ" dusík a fosfor. V přítomnosti jiných
zdrojů uhlíku dochází k degradaci PAHs až po spotřebování
snáze využitelného uhlíku.
(5) Teplota, pH, salinita - nejslaběji probíhá degradace v zimě a
nejrychleji v létě. Při laboratorních studiích byla pozorována
nejrychlejší degradace pro pH = 8, nižší pro pH = 5.
Problém salinity se týká mořských oblastí, kde působí na
degradátory.
Degradace PAHs ve vodách
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
101
Afinita PAHs k tuhým částicím do jisté míry souvisí s jejich
"biokoncentrací", která klesá s rostoucí tendencí k adsorpci.
Ve většině tekoucích vod je sedimentace vyrovnávána
resuspendací částic, PAHs jsou přítomny ve větší míře a
jejich biologická dostupnost je vyšší.
Ve stojatých vodách adsorpce, resp. sedimentace převládají,
přičemž se biologická dostupnost PAHs přes vodní sloupec
minimalizuje, ačkoliv jejich koncentrace v sedimentech je
relativně vysoká.
PAHs v sedimentech
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
102
Relativně vysoký Kow indikuje, že pro určení osudu PAHs v
terestrických systémech jsou mnohem důležitější než
těkavost adsorpční mechanismy.
Hodnoty KOC indikují potenciál sloučeniny vázat se na organický
podíl v sedimentech a půdách.
Rozsah hodnot pro jednotlivé skupiny PAHs:
PAHs dle molekulární
hmotnosti
KOC
nízkomolekulární 103 - 104
středněmolekulární 104
vysokomolekulární 105 - 106
PAHs v sedimentech
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
103
Vysokomolekulární PAHs tedy vykazují silnou tendenci k sorpci
na organický podíl.
Sorpce PAHs v půdách a sedimentech roste se vzrůstem obsahu
organického podílu a také přímo závisí na velikosti částic.
Vysokomolekulární PAHs tedy vykazují silnou tendenci k sorpci
na organický podíl.
Sorpce PAHs v půdách a sedimentech roste se vzrůstem obsahu
organického podílu a také přímo závisí na velikosti částic.
PAHs v sedimentech
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
104
Většina PAHs ve vodném prostředí je asociována s tuhými
částicemi, pouze asi 33% je přítomno v rozpuštěné formě.
PAHs rozpuštěné ve vodě mohou snadněji podléhat fotooxidační
degradaci.
Rychlost degradace se zvyšuje s koncentracemi PAHs, se
zvýšenou teplotou, vyšším obsahem kyslíku a vyšší úrovní
sluneční radiace.
Degradace PAHs fyzikálně-chemickými cestami v sedimentech je
naproti tomu pomalejší vzhledem k nepřítomnosti slunečního
záření a kyslíku.
Degradace PAHs v sedimentech
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
105
To může vést k jejich postupné kumulaci a jejich osud je dán
hlavně rychlostí mikrobiální degradace.
Degradace PAHs ve vodném prostředí je obecně pomalejší než
v atmosféře.
Degradace PAHs ve vodách a sedimentech
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
106
Sedimenty z hodně znečištěných oblastí budou díky vysokému
organickému zatížení anaerobní, přinejlepším s oxidovanou
mikrovrstvou.
Zde by se mohly uplatnit anaerobní mikroorganismy (jako
železnaté či dusíkaté bakterie), jejich úloha v degradaci
PAHs není ještě prozkoumána.
V pozaďových lokalitách okysličené povrchové sedimenty, vyšší
teplota a vstup živin usnadňuje degradaci PAHs.
Rozklad PAHs mikroby může být umocněn iniciální oxidací
PAHs fotooxidací nebo kyslíkem produkovaným řasami.
Degradace PAHs v sedimentech
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
107
Míra mikrobiální degradace PAHs je v zimě s nízkými
teplotami vody velmi nízká v sedimentech i ve vodě.
Jejich fotooxidace koreluje s intenzitou světla a ta je během zimy
nižší.
Proto se dá v zimě očekávat vyšší koncentrace PAHs.
Degradace PAHs v sedimentech
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
108
PAHs v půdách
Obecně adsorpce neionogenních nepolárních látek závisí na:
 Tuhých částicích a jejich pohyblivost při průchodu médiem
závisí na jejich fyzikálně-chemických vlastnostech
 Typu půdy
 Půdní vlhkosti
 Teplotě
 Přítomnosti ostatních látek
 Hodnotě pH
S adsorpcí koreluje především přítomnost organické hmoty, na
kterou se sorbují hydrofobní látky, čímž se stávají relativně
imobilní.
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
109
Biochemický rozklad PAHs v půdách
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
110
Podobně jako v sedimentech i v půdách je prakticky jediným
způsobem transformace PAHs mikrobiální degradace
vzhledem k absenci pronikavé radiace a omezení
přítomnosti kyslíku.
Mnohé půdní aerobní bakterie disponují schopnostmi
katalyzovat oxidaci látek molekulárním kyslíkem.
Tyto bakterie jsou schopny oxidovat benzenové jádro a iniciovat
tak sled reakcí končících Krebsovým cyklem.
Degradace PAHs v půdách
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
111
Rychlost a rozsah degradace PAHs v půdách jsou ovlivňovány
faktory prostředí jako jsou:
 Složení mikrobiální populace
 Teplota
 pH
 Obsah kyslíku
 Vlhkost
 Obsah živin a dalších sloučenin, které mohou působit jako
kosubstráty
 Fyzikálně-chemické vlastnosti PAHs
Degradace PAHs v půdách
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
112
Tyto faktory významně ovlivňují velikost a složení mikrobiálních
populací, například při nízkém pH půdy převládají houby nad
bakteriemi, v neutrálním prostředí jsou dominantními bakterie.
I když je rychlost tohoto způsobu degradace nesrovnatelná s
dekompozicí fotochemickou, v důsledku vysoké afinity PAHs
k pevným částicím, resp. vysoké akumulace v půdách
zejména průmyslových oblastí, hrají půdní bakterie při
degradaci PAHs velmi důležitou roli.
Byla popsána aktivita řady kmenů z bakteriálních rodů Pseudomonas,
Flavobacterium, Rhizobium aj., dále některých aktinomycet (r. Nocardia)
a hub (r. Saccharomyces, Cunninghamella aj.).
Bakteriální degradace PAHs je významná především ve
směsných kulturách, kde společenství mikroorganimů
disponuje pestřejším a účinnějším enzymatickým spektrem.
Degradace PAHs v půdách
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
113
Pro přirozenou biodegradaci platí následující principy:
 Schopnost metabolizovat PAHs (ale i další persistentní
organické polutanty jako jsou například PCBs) je zakotvena v
buněčných plazmidech,
 Půdní bakterie se adaptují na substrát,
 Biodegradabilita je spojena s počtem vazeb C-H schopných
hydroxylace,
 Předpoklad, že aerobní degradace je snazší než anaerobní,
má své omezení - velkou roli hraje koncentrace substrátu,
jeho složení a přítomnost jiných organických látek.
Degradace PAHs v půdách
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
114
Iniciační reakce zajišťující inkorporaci kyslíku do molekuly
PAHs probíhají různým mechanismem u prokaryota a
eukaryota.
Zatímco bakterie disponují dioxygenasami, eukaryota (tj. houby
a vyšší živočichové) jsou vybavena souborem monooxygenas
(viz reakční schéma).
Základním principem pro enzymatické rozštěpení jádra je
dihydroxylace oxygenázami, které inkorporují kyslík do jádra.
Substituenty aromatického jádra mohou být iniciovány přes
funkční skupinu nebo benzenové jádro.
Degradace PAHs v půdách
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
115
Iniciační reakci oxidace PAHs způsobují:
 dioxygenázy (pro prokaryota a bakterie) - katalyzují
zavedení molekuly kyslíku na aromatické jádro, substrát
přechází na cis-dihydrodiol,
Degradace PAHs v půdách
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
116
Iniciační reakci oxidace PAHs způsobují:
 monooxygenázy (pro eukaryota, houby a savce) - katalyzují
zavedení jednoho atomu kyslíku na aromatické jádro za vzniku arenoxidu, který
je dále transformován na trans-dihydrodiol (viz následující schéma). Tento
stereoizomer podléhá za účasti enzymatického systému cytochromu P-450
epoxidaci. Vzniklá elektrofilní molekula je schopna vazby na nukleofilní DNA a
RNA, což může iniciovat vznik nádorů. U vyšších organismů často dochází ke
konjugaci trans-dihydrodiolů, případně fenolů a chinonů s kyselinou
glukuronovou nebo sírovou za tvorby glukuronových a sulfátových konjugátů,
které jsou vylučovány močí. Při mikrobiální degradaci jsou cis-dihydrodioly
transformovány dále na katechol a protokatechovou kyselinu (3,4dihydroxybenzoová
kyselina) nebo na kyselinu gentisovou (2,5dihydroxybenzoová
kyselina). Následuje rozštěpení benzenového jádra za
vzniku kyseliny octové, jantarové nebo fumarové a pyrohroznové, které vstupují
do Krebsova cyklu.
Degradace PAHs v půdách
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
117
Degradace PAHs v půdách - mechanismus rozkladu
PAHs prokaryoty a eukoryoty
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
118
Pokusy izolovat mikroorganismy schopné utilizovat více než
tříjaderné PAHs jako stavební a energetický zdroj pro buňku
nebyly dosud úspěšné.
Bakterie jsou však schopny za přítomnosti jiného, využitelného
zdroje uhlíku biokonverze výšekondenzovaných PAHs, ve
směsné mikrobiální populaci byla pozorována značná
degradace multijaderných PAHs.
Mikrobiální degradace v půdách je dobře známa u naftalenu,
antracenu, BaP a fenantrenu, degradační mechanismy
ostatních PAHs jsou většinou neznámy.
Metabolimus PAHs v půdách má stejný mechamismus popsaný v
případě sedimentů.
Degradace PAHs v půdách
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
119
OH
OH
Naftalen 1,2-dihydroxy-
1,2-dihydro-
naftalen
1,2-dydydroxynaftalen
H OH
OH
-
OH
CHO
+
Salicylaldehyd pyrohroznová kys.
(2-hydroxibenzaldehyd) (2-oxopropanová)
COOH
OH
Salycilová kyselina
(2-hydroxybenzoová)
Katecholcis,cis-mukonová kys.
COOH
COOH
COOH
OH
OH
O
H
C = O
COOH
CH3
C:O
CO2
O
mukonolakton
OH
COOH
CHO
HCOOH
O
CO2
-
CO2
-
3-oxoadipát
CH3
CHOH
CH2
C=O
COOH
OH
OH
Degradace PAHs v půdách
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
120
Příjem se uskutečňuje těmito procesy:
(a) z půdního roztoku kořenem
(b) absorpcí PAHs na povrch kořene
(c) foliární příjem látek odpařených z půdního povrchu
(d) absorpcí PAHs na listovou plochu
(e) některé PAHs mohou být syntetizovány přímo rostlinami.
(základ tzv. endogenní koncentrace).
Příjem kořenem je určen především vodním režimem rostliny.
Podstatný je rovněž podíl lipidických složek v kořenu a na jeho
povrchu umožňující snadnější sorpci do vnitřních pletiv.
Příjem PAHs vegetací
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
121
S 16 PAHs in air, observatory Košetice, time trends, medians,
sampling every week, 1996 - 2004 [ng.m-3]
Air (Aerosol + Gas Phase), S PAHs medians, Košetice, CR
0
5
10
15
20
25
1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004
Years
ng.m(-3)
Economical changes, air pollution
measures, gasification, decreasing of
emissions
Higher price of gas, comeback
of coal combustion in local
heating systems
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
122
S 16 PAHs volné ovzduší, observatoř Košetice, sezónní variace,
odběry jednou týdně, 1996 - 2007 [ng.m-3]
PAHs in Ambient Air - Košetice 1996-2007
Weekly Sampling
0
20
40
60
80
100
120
140
3.1.1996
3.7.1996
1.1.1997
2.7.1997
31.12.1997
1.7.1998
30.12.1998
30.6.1999
29.12.1999
28.6.2000
27.12.2000
27.6.2001
26.12.2001
26.6.02
25.12.02
25.6.03
24.12.03
23.6.04
22.12.04
22.6.05
21.12.05
21.6.06
20.12.06
20.6.07
19.12.07
Sampling Date
PAHs[ng.m-3]
Σ PAHs (Aerosol)
Σ PAHs (Gas Phase)
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
123
MONET-CZ - Seasonal variations of PAHs in ambient
air, Košetice observatory – PAS - 2003-2008
PAS - PAHs
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
1.10.0324.12.03
17.3.04
9.6.04
7.9.04
1.12.04
23.2.05
18.5.05
10.8.05
2.11.05
25.1.06
19.4.06
12.7.06
4.10.0627.12.07
21.3.07
13.6.07
5.9.0728.11.076.3.200828.5.200820.8.200812.11.2008
Sampling period
ngfilter-1
Benzo(ghi)perylene
Dibenz(ah)anthracene
Indeno(123cd)pyrene
Benzo(a)pyrene
Benzo(k)fluoranthene
Benzo(b)fluoranthene
Chrysene
Benz(a)anthracene
Pyrene
Fluoranthene
Anthracene
Phenanthrene
Fluorene
Acenapthene
Acenaphtylene
Naphthalene
PAHs in Ambient Air - Košetice 1996-2007
Weekly Sampling
0
20
40
60
80
100
120
140
3.1.1996
3.7.1996
1.1.1997
2.7.1997
31.12.1997
1.7.1998
30.12.1998
30.6.1999
29.12.1999
28.6.2000
27.12.2000
27.6.2001
26.12.2001
26.6.02
25.12.02
25.6.03
24.12.03
23.6.04
22.12.04
22.6.05
21.12.05
21.6.06
20.12.06
20.6.07
19.12.07
Sampling Date
PAHs[ng.m-3]
Σ PAHs (Aerosol)
Σ PAHs (Gas Phase)
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
124
Koncentrace benzo[a]pyrenu, plynná fáze+aerosol, 2 EMEP stanice, 1999: CZ3
– Košetice (ČR), NO42 – Zeppelin, Spitsbergen (Norway) (EMEP, 2001)
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
125
0
50
100
150
200
250
February March April May June July August
September OctoberNovemberDecember
ng PAH/m3
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
SUM
11
Benzo(a)pyrene
ng B(a)P/m3
Sezonní variace PAHs Vídeň, A
Research Centre for Toxic Compounds in the Environment
http://recetox.muni.cz
126
Prostorová distribuce emisí benzo[a]pyrenu, 1998
[g.km2.y-1]