CHEMIE ŽIVOTNÍHO PROSTREDI III Vybrané typy environmentálních polutantů (08/01) Polychlorované bifenyly (PCBs) Definice, vlastnosti Ivan Holoubek RECETOX, Masaryk University, Brno, CR holoubek@recetox.muni.cz; http://recetox.muni.cz Vlastnosti látek s vysokým bioakumulačním potenciálem Charakteristika Parametr podmiňující bioakumulaci Chemická struktura: vysoký podíl vazeb C-C (alifatických), C-C (aromatických) C-H, C-Cl Molekulová hmotnost 500, kritická hranice při vyšších hodnotách**) Stabilita rezistentní k degradaci perzistence v půdě řádově roky Log Kow*) 2-6, kritická hranice při vyšších hodnotách**) Rozpustnost ve vodě 18-0,002 mol.m-3 , kritická hranice při nižších hodnotách**) Ionizovatelnost velmi nízká *) rozdělovací koeficient n-oktanol/voda charakterizující míru lipofility **) podmíněna pravděpodobně permeabilitou biologických membrán Mna Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 2 Polychlorované bifenyly (PCBs) CAS index 1336-36-3 C12H10-(x+y)C1x+y (x + y = 1 aŽ 1G) meta ortho ortho meta /F para Ía ( ____. para Cl >^ 1X meta ortho ortho meta Cly PCB 126 x = 1 -5 y = 0 -5 Celkem 2G9 kongenerů 3,3',4,4',5-pentachlorbifenyl (nejtoxičtější PCB kongener) Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 3 Polychlorované bifenyly (PCBs) NOMENKLATURA PCBs: Kategorie Počet individuálních sloučenin KONGENER ................... 209 HOMOLOG ................... 10 ISOMER ................... 1-46 *) *) obsažených v rámci každé skupiny izomerů. Mna Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 4 PCB homologické skupiny Homologické skupiny No. of Cl substituenty Počet isomerů Monochlorbifenyly 1 3 Dichlorbifenyly 2 12 Trichlorbifenyly 3 24 Tetrachlorbifenyly 4 42 Pentachlorbifenyly 5 46 Hexachlorbifenyly 6 42 Heptachlorbifenyly 7 24 Gktachlorbifenyly 8 12 Nonachlorbifenyly 9 3 Dekachlorbifenyl 10 1 209 Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 5 Fyzikálně-chemické vlastnosti technických PCBs ^ Termostabilita ^ Nehořlavost a nevznětlivost ^ Chemická inertnost (odolnost vůči kyselinám a zásadám, vůči oxidaci i redukci) ^> Nekorozivnost ^ Malá těkavost Dobrá schopnost elektroizolace (vysoký elektrický odpor) Výborné teplonosné vlastnosti Výborná mísitelnost s organickými rozpouštědly (lipofilita) ^ Relativní molekulová hmotnost: M = 188 - 494 Bod tání 34 -198 °C Bod varu 260 - 450 °C Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http: / / recetox.muni.cz 6 Historie PCBs ve světě ROK UDÁLOST lSSl synthetizovány první polychlorované bifenyly (Schmidt a Schultz 1881) l929 zahájení průmyslové výroby PCBs (Monsanto Chemical Company, USA) l936 zjištěny příznaky intoxikace PCBs z profesionální expozice, byl stanoven tzv. workplace threshold limit l966 PCBs prokázány jako globální kontaminanty ekosystému (Jensen, Balt, Švédsko) l96S otrava více než tisíce lidí kontaminovaným rýžovým olejem (tzv. "Yusho" intoxikace, Japonsko) l97l Monsanto dobrovolně omezuje distribuci výrobků na bázi PCBs (dodává PCBs pouze pro kontrolovatelné aplikace) l973 stanovena pracovní skupina při WHO, zabývající se výlučně PCBs, navrženo omezit používání PCBs na nejmenší nutnou míru - řada OECD zemí omezuje výrobu, prodej a používání směsí PCBs (zvláště jejich používání jako dielektrika) Mna Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 7 PCBs ve vzorcich orla belohlaveho z Baku Gas chromatogram of unknown substances in a white-tailed eagle 4 d,d'-DDE 8 linda I 1 / 10 1 7J 3 P,P'-r )DT 12 5 \ A 1 Q 11 I 10 20 30 time taken to pass through Chromatograph (minutes) When Sören Jensen used gas chromatography co analyse environmental samples in the mid-1960s, fourteen unknown peaks kept turning up. I he read- out above shows some of these peaks (numbered), along with others corresponding to known pollutants such as DDI". — From Jensen 1972. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 8 Historie PCBs ve světě Mna Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz Historie PCBs ve světě 1976 Kongres USA zakázal výrobu, zpracování, distribuci a používání PCBs s výjimkou úplně uzavřených systémů (elektrické transformátory, elektromagnety, kondenzátory) 1978 používání PCBs omezeno ve většině vyspělých průmyslových zemí pouze na uzavřené systémy (i to ovšem zahrnuje přes 2,8 miliónů kondenzátoru a více než 150 000 transformátorů) 1979 cca 2000 lidí otráveno konzumací kontaminovaného rýžového oleje (tzv."Yu-Cheng" otrava, Taiwan) 1983 německá firma Bayer dobrovolně zastavila výrobu PCBs 1987 zákaz všech nových aplikací PCBs v 24 zemích OECD, řešeny problémy spjaté s náhradou stávajících PCBs a zajištěním vhodných způsobů likvidace Mna Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 10 Historie PCBs v CR ROK UDÁLOST 1959 zahájení výroby PCBs (Chemko Strážske, n.p) - vyrobeno pro n.p. Barvy a laky prvních 3000 kg výrobků s názvem Delor 106 1967 zahájena produkce Deloru 103 pro použití v elektronice 1968 sortiment obohacen o Delor 105, používaný jako chladící náplň pro vysokonapěťové transformátory l974 dosud vyrobeno 6,2 milionů kg technických směsí 1975 modernizace výroby v Chemku vzestup roční produkce na 2 miliony kg technických směsí Delorů Mna ^ m» Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 11 Historie PCBs v CR ROK UDÁLOST l98l první požadavek na zastavení výroby v Chemku - PCBs začínají být sledovány v rámci veterinární služby 1983 pozastavení exportu šunek do USA pro vysoký obsah PCBs -kontrola zemědělských podniků produkující jatečná prasata v oblastech exportních masokombinátů (Planá n. L., Studená, Vamberk) - soustavné sledování hladin PCBs v potravinách a surovinách živočišného původu l984 výroba PCB sv Chemku Strážském definitivně zastavena (1. ledna) -dle směrnice ministerstva zdravotnictví (Hygienické předpisy svazek 56/1984, poř.č.64) PCBs zařazeny mezi podezřelé chemické karcinogeny Mna ^ m» Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 12 Historie PCBs v CR 1985 ukončena výroba kondenzátoru v ZES Zamberk - zaznamenána vysoká kontaminace PCBs v okrese Uherské Hradiště - v rámci "Programu detekce a prevence cizorodých látek v krmivech, potravinách a surovinách živočišného původu, lovné zvěři a bioindikátorech" dochází k rozšíření kontroly PCBs na jiné komodity (mléko a výrobky pro kojeneckou a dětskou výživu) 1986 ukončena výroba a distribuce nátěrových hmot obsahujících PCBs v n.p.Barvy a laky Praha (31.března) - únik topného oleje (Delotherm DH) z obalovny drti v Rožmitálu pod Tremšínem (kontaminace spodních a povrchových vod v celé lokalitě: Skalice-Orlík) 1987 zaznamenány první nálezy PCBs v mléce a mase krav z JZD Liblice, Mělník (duben) - stanoveny maximální přípustné limity reziduí PCBs pro tento podnik: 0,5 mg.kg-1 tuku pro mléko a 1,5 mg.kg-1 pro maso a masné výrobky - proběhla celostátní akce kontroly finálních výrobků mlékárenského průmyslu - vydán příkaz ministerstva zemědělství a výživy k ochraně potravin a krmiv před PCBs čj. 2957/87-110 ^ -7 a» mm !' ^^ílistopad) ^ ^ > (Ml Mna ^ V^^ř http: / / recetox.muni.cz Historie PCBs v CR 1988 vydán zákaz konzumace ryb v celé délce toku řeky Skalice a na Orlické přehradní nádrži v důsledku ekologické havárie v roce 1986 -provedena celostátní inventarizace materiálů, zařízení, nespotřebovaných nátěrových hmot a odpadů obsahujících PCB na území CSSR (13 miliónů kilogramů) 1989 zastavena výroba ostatních produktů na bázi PCB - každý čtvrtý velkokapacitní chov v CR překračuje hygienickou normu 0,5 mg.kg-1 1990 snížení maximálního přípustného limitu PCB na: 0,3 mg.kg-1 tuku pro mléko, mléčné výrobky a máslo (tj. pro finální výrobek); 0,7 mg.kg-1 tuku pro maso vepřové a 1,5 mg.kg-1 tuku pro maso hovězí (31.ledna) 1996 dodatek ke směrnici 50 (o cizorodých látkách), aktualizace hygienických předpisů (blíže tab 12) Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 14 Některé fyzikálně-chemické vlastnosti indikátorových kongenerů PCBs Kongener PCB Systematický název CAS index M [gmoľ1] Bod varu [°C] Rozpustnost ve vodě [mg.l-1] (25 °C) H*) (25 °C) PCB 28 2,4,4'- trichlorobifenyl 7012-37-5 257,2 340 0,067-0,266 5,8 31,6 PCB 52 2,2',5,5'- tetrachlorobifenyl 35693-99-3 292,0 360 0,006-0,074 6,1 47.6 PCB 101 2,2',4,5,5'-pentachlorobifenyl 37680-73-2 326,4 380 0,0042-0,031 6,4 35,5 PCB 118 2,3 ',4,4 ',5-pentachlorobifenyl 31508-00-6 326,4 380 0,002a 6,4 40,5 PCB 138 2,2',3,4,4',5'-hexachlorobifenyl 35065-28-2 360,9 400 0,0009-0,01 7,0 48,6 PCB 153 2,2 ,4,4 ,5,5 -hexachlorobifenyl 35065-27-1 360,9 400 0,001 6,9 42,9 PCB 180 2,2',3,4,4',5,5'-heptachlorobifenyl 35065-29-3 395,3 400a 0,00063a 7,4 - Mna KČ)) Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 15 Nejvýznamnější kongenery PCBs Kruh 1 0 2 S 4 2S 24 25 26 54 55 254 255 256 245 246 S45 2545 2546 2S56 2S456 4 e 5 1e 17 1S 10 1S 12 33 14 34 21 41 23 43 24 45 25 4S 30 50 3S 7e e1 Se e2 SS e5 S3 11 13 15 20 22 25 2S 2e 31 27 32 35 37 3e 3S 55 eo 57 e3 5S e4 e7 74 eS 75 7s| S1 1oe 11141 10S 115 112 117 ne 1421eo nee 40 42 44 4e 5e 5S 52 53 54 S7 55 122 12S meta ortho para(.4' Kruh 1 1) ortho meta 1 Kruh 2 4 para V 6'', Cly meta ortho ortho meta Clx 47 4S 51 ee eS S5 50 51 52 53 70 72 S7 S2 S5 SS 101 100 103 124 123 137 141 54 71 73 55 S4 Se 102 104 11S 125 m26 143 non-ortho PCBs 7S 1051 107 110 12S S0 10S 111 130 133 113 132 135 13e mono-ortho PCBs di-ortho PCBs 131 13S 144 134 147 151 173 1S1 1S5 14e 15e 15S 120113S 14e 14S|153 121 140 14S 150_154 155 172 174 15S 170 1e7 1S0 16S| 16S| 1e1 171 175 17e 152 IM 1e5 177 17S 17S 1Se 1S0 1S2 1S5 1SS 1SS 1S3 1S7 203 1SS 1S1 1S2 154 155 _ 204 I 205 1S4 1S3 1Se 201 20e 1S7 200 207 202 20S 20S 02S 4 2S 24 25 26 S4 S5 2S4 2S5 2S6 245 246 S45 2S45 2S46 2S56 2S456 Kruh 2 Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 16 3' 2' 6 5 Planärni a koplanärni PCBs Cl Figure 6.2 Planar and coplanar PCBs. Structural features of CB congeners influencing enzymatic metabolism. Areas where the principal enzymatic reaction occurs are given by broken lines. For atoms in the ortho position, the outer circle represents the area within the van Jer Waals radius of an atom; the dotted inner circle represents the part of this area which is also within the single bond covalent radius. The.van der Waals radius indicates the maximum distance for any possible influence of an atom. The covalent radius represents the minimum distance to which atoms can approach each other, (a) Vicinal atoms in the mcta and para positions. Overlapping covalent radii for two ortho Cl show that a planar configuration is highly improbable when three or four ortho CI are present, (b) Vicinal atoms in the ortho and meta positions. Non-overlapping covalent radii for ortho Cl and ortho H show that a planar configuration causes a much lower energy barrier when chlorine atoms do not oppose each other. Reproduced from Boon et al. ( 1992). Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 17 Nejvýznamnější kongenery PCBs Skupina kongenerů Důvod výběru Indikátorové PCB 28, 52, 101, 118, 138, 153, 180 vysoké koncentrace v technických směsích a environmentálních vzorcích - střední až vysoká perzistence Non- orthó*) PCB 77, 126, 169 toxické (planární) - nejsilnější induktory cytochromu P-450 (indukce typu MC), obdobné biologické efekty jako dioxiny Mono-ortho kongenery*) PCB 105, 114, 118, 123, 156, 157, 167, 189 toxické (částečně planární) - induktory cytochromů P-450 a P-448 (indukce smíšená: MC a PB typu) Doporučené pro koplexní vyšetření PCB 8, 18, 31, 44, 66, 70, 74, 99, 128, 149, 163, 170, 183, 187,194 ... časté kongenery (vedle indikátorových) ve vzorcích potravního koše *) substituované v obou para a alespoň jedné meta poloze Episodicky se vyskytující PCBs (18, 49, 149,...) Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 1S Toxicita PCBs: 209 kongenerů Dioxinům-podobná toxicita WHO TEFs 4 koplanární (non-ortho) 5 mono-ortho Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 19 Vývoj analytiky PCBs ROK TECHNIKA, POZNATEK 1966 první zprávy o výskytu PCBs v ekosystému, pro separaci PCBs se používají náplňové kolony a MS detektor pro jejich identifikaci (Jensen 1966) 1969 využití adsorbční chromatografie pro přečišťování biologických vzorků (odstranění lipidů) 1975 zavedení skleněných kapilárních kolon - zlepšení separace PCBs 1980 zjednodušení identifikace (číselná klasifikace) jednotlivých kongenerů použití křemenných kapilárních kolon - zlepšení stability 1982 vytvořena pracovní skupina zaměřená na identifikaci hlavních zdrojů chyb v analytice PCBs ze spektra 209 PCBs vybráno 7 "indikátorových" kongenerů 1983 použití elektronické kontroly teplotního programu - zlepšení reprodukovatelnosti retenčních charakteristik 1984 údaje o syntéze a retenčních charakteristikách všech 209 kongenerů na kapilární koloně s fází SE-54 1985 připraveny referenční materiály certifikované pro 7 tzv. indikátorových kongenerů (BCR CRM č.: 349 a 350), údaje o retenčních charakteristikách na semipolárních a polárních stacionárních fázích aplikace vícerozměrných chromatografických technik 1986 zaměření pozornosti na analýzu toxických (planárních) kongenerů: předseparace toxikologicky významných kongenerů před GC na základě jejich prostorového uspořádání 1988 použití vícerozměrné plynové chromatografie pro stanovení toxických kongenerů v technických směsích PCBs 1989 provedeno kompletní vyšetření směsí Clophenů a Aroclorů pomocí vícerozměrné GC/ECD Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 2D Vývoj analytiky PCBs Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 21 PCBs - hlavní body analytického postupu 1. Izolace lipidického podílu vzorku 2. Přečištění vzorku (skupinová separace od koextraktů) 3. Frakcionace (separace jednotlivých skupin analytů) Nemusí být zařazena za předpokladu dostatečné GC separace analyzovaných kongenerůs PCB od interferujích pesticidů a dalších sloučenin. 4. Identifikace a kvantifikace Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 22 Chromatogram hydroxy-PCBs v lidske krvi Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 23