RECETOX, Masaryk University, Brno, CR holoubek@recetox.muni.cz; http://recetox.muni.cz Ivan Holoubek CHEMIE ŽIVOTNÍHO PROSTŘEDÍ IV Vybrané typy environmentálních polutantů (04/04) Polychlorované bifenyly (PCBs) Osud, účinky Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 2 Cesty distribuce PCBs Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 3 Bioakumulace PCBs Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 4 Složka prostředí Celkové zatížení prostředí Poměr ke světové produkci [%] [t] [%] Terrestrické a pobřežní oblasti Ovzduší 500 0,13 Říční a jezerní voda 3 500 0,94 Mořská voda 2 400 0,64 Půda 2 400 0,64 Sediment 130 000 35 Biota 4 300 1,1 Celkem (A) 143 000 39 Otevřený oceán Ovzduší 790 0,21 Mořská voda 230 000 61 Sediment 110 0,03 Biota 270 0,07 Celkem (B) 231 000 61 Celkové zatížení (A + B) 374 000 100 31 Degradováno a spáleno 43 000 4 Zásoby 783 000 65 Světová produkce 1 200 000 100 používané produkty a produkty deponované na skládkách Globální distribuce PCBs Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 5 Global historical usage of total PCBs by latitude (in tonnes) 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 90000 100000 -90 -60 -30 0 30 60 90 Použité PCBs Hladiny v půdách Globální distribuce PCBs a kontaminace půdy Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 6 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 0 10 20 30 40 50 60 70 Age PCB-101pg.g -1 fat No offspring 1st Child 2nd Child 3rd Child 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 0 10 20 30 40 50 60 70 Age pgPCB-101.glipid-1 1970 1950 1930 1922 Účinek počtu narozených dětí na obsah PCB-101 v těle matky. Tělesný tuk matky narozené v roce 1950 a nemající dítě a jiné, mající 3 děti ve věku 20, 22 a 24 Predikované koncentrace PCB-101 v tkáních pro různé věkové skupiny v UK narozené mezi 1920 a 1990 Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 7 Rozklad PCBs Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 8 Aerobní rozklad PCBs Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 9 FAT STORE LIVER and other organis ROUTES OF EXPOSURE Ingestion Dermal absorption Inhalation ROUTES OF LOSS Lactation Other modes of clearance (skin shedding) Reverse diffusion Metabolism Non-absorbed Changingfugacitygradients FECAL EXCRETION acrossGItract Possible biotransformation/formation Adsorption. Diffusive transport across GI tract. Compound specific and controlled by properties, foodstuff etc. Shedding of gut lining Diffusive transport back across GI tract Metabolism; urinary excretion of more polar metabilites FAT STORE LIVER and other organs GI TRACT Schéma expozičního metabolismu a transformace POPs v lidském organismu Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 10 Metabolismus PCBs Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 11 Schéma metabolické transformace PCBs Clx Cly Clx EPOXID HYDROLASA Clx Cly P450 MIKROBIÁLNÍ DEGRADACE Cly O GLUTATHION TRANSFERASA Clx COOH SG Cly SH Clx Cly SO2CH3 Clx Clx Cly OH KONJUGOVANÉ SLOUÈENINY THIOLY METHYLSULFONY KONJUGÁTY S GLUTATHIONEM ClyClx-1 (OH)2 P450 DECHLOROVANÉ FENOLY ClyClx DIOLY OH Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 12 Metabolismus PCBs Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 13 Antagonismus thyroxinu Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 14 Toxicita vybraných PCB kongenerů Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 15 Klinické příznaky otravy YUSHO Efekt na: kůži žlázách nehtech, mukózních membránách játrech plíce sérové lipidy imunitní systém ženském reprodukčním systému nervovém systému placentě novorozencích Anamnéza: hyperkeratogeneze, hyperpigmentace, akné otoky, hypersekrece pigmentace zvýšení sérové transaminásy, alkalické fosfatásy, pokles sérového bilirubinu chronická bronchitida (způsobená sulfonovými metabolity) zvýšení sérových triglyceridů zvýšená náchylnost k infekcím, snížení hladin imunoglobulinů (IGA, IGM), pokles buněčné imunity ovlivnění menstruačního cyklu snížená rychlost vedení nervových impulsů v periferních nervech, senzorická neuropatie indukce enzymů snížení porodní váhy, hyperpigmentace kůže a mukózních membrán, obličejové otoky, abnormální kalciferace lebky Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 16 Obecné schéma biotransformace monooxygenázou RH + (NADPH + H+) + O2  ROH + NADP+ + H2O xenobiotikum hydroxyderivát Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 17 Polychlorinated biphenyl Stable metabolite Reactive metabolite Non-toxic Water-soluble metabolite Urine and feces Failure or overload of detoxication Antigenic conjugate Tissue damage DNA damage Immune response Necrosis Mutation Cancer Detoxication Metabolite bound to cellular target Toxicity by interfering with physiological process Toxic metabolite Interacts with various receptors Metabolismus PCBs Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 18 Persistence PCBs a PCB metabolitů Obecně, PCB s jedním nebo více Cl v ortho polohách jsou persistentnější než kongenery nesubstituované v ortho polohách. Nejenže jsou ortho-PCB metabolizovány pomaleji, ale některé metabolity jsou také méně vylučovány. Persistence většinou limituje proveditelnost prvního kroku metabolismu (CYP-katalyza). Některé metabolity s ortho chlory jsou přednostně vázány v krvi a tkáních. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 19 Polychlorinated biphenyl Hydroxylated metabolite Glutathione conjugate Epoxide Dihydrodiol Catechols and hydroquinones Quinones CYP GST EH CYP CYP? DHD? Multi-step pathway (several enzymes) Glucuronide and sulfate conjugates UGT, SULT Methylsulfones Metabolismus PCBs Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 20 Biotransformace Intenzivně studován 3,3´,4,4´-tetra-chlorbifenyl. TCB je nejprve metabolizován cytochromem P450 (CYP1A) na epoxidy. Epoxidy vznikající působením CYP mohou být přeměněny na hydroxylované metabolity, hydrolyzovány na dihydrodioly nebo reagovat s GSH. Hydroxylované metabolity mohou být oxydovány na katechol a hydrochinon metabolity nebo konjugovány na sulfáty nebo glukuronidy. GSH konjugáty jsou přeměňovány na kyselinu merkapturovou nebo methylsulfonové metabolity. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 21 Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl HO Cl CYP1A Cl Cl Cl Cl OH + Cl Cl Cl Cl O re-arrange PCB-77 Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 22 Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl HO Cl CYP1A Cl Cl Cl Cl OH + Cl Cl Cl Cl O re-arrange Cl Cl Cl Cl OH CYP2 or 3? other CYP? PCB-77 Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 23 PCB-77 Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 24 Lipofilita PCB metabolitů Compound Estimated lipophilicity CB-77 5.8 4-hydroxy-CB77 5.4 Glucuronide of hydroxy-CB77 3.7 Sulfate of hydroxy-CB77 3.9 Glutathione conjugate of CB77 2.6 N-acetylcysteine conjugate of CB77 4.8 Methylsulfone of CB77 4.7 CB-77 is 3,3´,4,4´-tetrachlorobiphenyl Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 25 Lipofilita PCB metabolitů Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 26 CB-153 Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 27 Compound Estimated log P CB-153* 7.1 mono-hydroxy-CB153 6.7 methylsulfone of CB153 5.8 glucuronide of hydroxy-CB153 5.2 sulfate of hydroxy-CB153 4.8 glutathione conjugate of CB153 3.7 * CB-153 is 2,2´,4,4´,5,5´-hexachlorobiphenyl Lipofilita PCB metabolitů Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 28 Druhové rozdíly Vodní bezobratlí metabolizují všechny PCBs extrémně pomalu ve srovnání s vyššími organismy. Ryby vykazují rozdíly mezi druhy a organismy pokud jde o schopnost metabolizovat PCBs se stejnými trendy jako v případě vyšších obratlovců. Hmyz může metabolizovat některé PCBs velmi účinně. Savci metabolizují non-ortho PCBs rychleji než orthosubstituované PCBs. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 29 Vlastnosti hydroxylovaných PCBs Hydroxylované PCB mohou tvořit glukuronidové a sulfátové konjugáty a mohou být snadněji vylučovány močí a žlučí. m- a p- hydroxylované PCB vázané na proteiny plasmy, nejsou přijímány játry či jinými orgány a nedochází tak k jejich konjugaci. Hydroxylované PCBs nejsou vhodnými substráty pro glukuronidizaci a sulfonaci. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 30 Methylsulfonové metabolity Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 31 ClCl Cl Cl S Cl CH3 O O ClCl Cl Cl Cl S CH3 O O 3-methylsulfonylCB101 4-methylsulfonylCB101 ClCl Cl Cl S Cl CH3 O O Cl 4-MethylsulfonylCB149 Některé persistentní MeSO2 metabolity Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 32 Vlastnosti methylsulfonů PCBs Některé 3-methylsulfon metabolity jsou přednostně zadržovány v játrech. Některé 4-methylsulfony se kumulují v tucích a byly nalezeny v mléce. Persistentní 3- a 4-methylsulfony jsou obtížně vylučovány močí a výkaly. PCB s 2,5-dichlor- nebo 2,3,6-trichlor-fenylovým kruhem tvoří methylsulfonové metabolity persistentní v tkáních. Některé methylsulfonové metabolity se bioakumulují v potravních řetězcích. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 33 Cl Cl Cl Cl ClCl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl ClCl O OH Cl Cl Cl Cl Cl Cl SG Cl Cl Cl Cl Cl Cl SO2CH3 e.g. SO2CH3 Cl Cl Cl Cl ClCl Cl Cl Cl Cl Cl ClCl Cl Cl Cl Cl Cl ClCl OH Cl Cl Cl Cl ClCl Cl O Cl OH Metabolismus PCBs Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 34 Názvosloví PCB metabolitů Cl Cl Cl Cl ClCl SO2CH3 Cl Cl Cl Cl ClCl CB-149 Cl Cl Cl Cl ClCl SO2CH3 The primed ring 5-MeSO2-CB149 Position 2 Cl Cl Cl Cl Cl OH Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl The primed ring CB-199 Cl Cl Cl Cl Cl OH Cl Cl Cl 4'-OH-CB199 Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 35 Polychlorované bifenyly - výskyt v prostředí Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 36 OH-PCBs ve volně žijicích organismech 6 - 30 ng.g-1 ww# # Klasson-Wehler et al., ET&C, 17 (1998) 1620 * Sandau et al., Proc. Third Biennial Int. Conf. on Chem. Measur. and Monit. of the Envir., 247-252. 2000. ¤ Olsson et al., ES&T, 34 (2000) 2733 26 - 440 ng.g-1 w w * 2 - 20 ng.g-1 ww ¤ Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 37 OH-PCBs v lososech Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 38 Časové trendy PCBs ve volném ovzduší Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 39 PCBs ve volném ovzduší Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 40 Časové trendy koncentrací PCBs ve volném ovzduší Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 42 S 7 PCBs ve volném ovzduší, observatoř Košetice, časové trendy, mediány, vzorkování jednou týdně, 1996 - 2004 [ng.m-3] Air (Aerosol + Gas Phase), S PCBs medians, Košetice, CR 0 0,05 0,1 0,15 0,2 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 Years [ng.m(-3)] Vliv povodní na Moravě, 1997 ??? Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 43 S 7 PCBs ve volném ovzduší, observatoř Košetice, vzorkování jednou týdně, 1988 - 2009 [ng.m-3] -0,1 6E-16 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 21.9.1988 30.3.1992 17.8.1994 8.3.1995 6.9.1995 6.3.1996 4.9.1996 5.3.1997 3.9.1997 4.3.1998 2.9.1998 3.3.1999 1.9.1999 1.3.2000 30.8.2000 28.2.2001 29.8.2001 27.2.2002 28.8.2002 26.2.03 27.8.03 25.2.04 25.8.04 23.2.05 24.8.05 22.2.06 23.8.06 21.2.07 22.8.07 20.2.08 20.8.08 18.2.09 19.8.09 PCBs[ng.m-3] Sampling Date PCBs in Ambient Air - Košetice 1988-2009 Σ PCBs (Aerosol) Σ PCBs (Gas Phase) Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 44 PCBs v sobech, zajících a bělokurech Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 45 PCBs ve svalovině štik a sivenů Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 46 Trendy PCB a DDT ve vejcích Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 47 PCBs ve velrybách Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 48 Účinky POPs na reprodukci polárních medvědů Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 49 POPs v lidské krvi Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 50 POPs v lidské krvi Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 51 3. kolo WHO-koordinované expoziční studie Současný stav  18 zemí poslalo kumulativní vzorky na analýzu do referenční laboratoře před 31/12/2001.  8 zemí poslalo vzorky v roce 2002.  Všechny analýzy PCDDs, PCDFs a PCBs byly ukončeny v březnu 2003.  Analýza POPs a PBDEs byla provedena poté.  Současně bylo provedeno hodnocení demografických dat. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 52 Příspěvky PCDDs/Fs a PCBs k celkové hodnotě TEQ v mateřském mléce v různých zemích 0 5 10 15 20 25 30 35 WHOTEQ(pg/gfat) Fiji Philippines BrazilAustraliaHungaryBulgaria New Zealand Ireland USA China Croatia Finland NorwayRomaniaSweden SpainSlovakRep.RussiaGermanyCzechRep. ItalyUkraine LuxembourgBelgiumNetherlands Egypt PCB PCDD/F Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 53 0 100 200 300 400 500 600 ng/gfat Brazil Fiji PhilippinesAustraliaHungary New ZealandBulgaria China USA Ireland Finland EgyptNorway CroatiaUkraine RussiaSwedenRomania NetherlandsBelgiumGermany Luxembourg Spain Italy SlovakRep. CzechRep. Množství (mediány) indikátorových PCBs v mateřském mléce v různých zemích Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 54 Dioxinům-podobné kongenery v mateřském mléce 2,3,7,8-TC D D 1,2,3,7,8-PeC D D 1,2,3,6,7,8-H xC D D 2,3,7,8-TC D F 1,2,3,7,8-PeC D F 2,3,4,7,8-PeC D FPC B 126PC B 169PC B 118PC B 156 0 2 4 6 8 10 12 14 TEQ(pg/kgfat) Netherlands Egypt Czech Rep. Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 55 Časový trend PCDDs/Fs v lidském mléce 0 10 20 30 40 WHOTEQ(pg/gfat)N etherlands SpainG erm any Finland C zech Republic Slovak R epublic U kraine N orw ay C roatiaH ungary 1988 1993 2002 Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 56 POPs v mateřském mléce, studie WHO, 2008-9 – S 6 PCBs [mg.kg-1 tuku] Malisch et al., Dioxin2010, San Antonio, TX Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 57 PCBs v lidském mléce Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 58 Výroba PCBs v Československu 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 1959 1960 1961 1962 1963 1964 1965 1966 1967 1968 1969 1970 1971 1972 1973 1974 1975 1976 1977 1978 1979 1980 1981 1982 1983 1984 Year of Manufacture PCBAmountManufactured[t] Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 59 PCBs na Slovensku Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 60 Uložení odpadů s PCBs v areálu původního výrobce Chemko Strážské PCBs na Slovensku Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 61 Products 4 071 t Production Waste 1 606 t Stored / landfilled 1 605 t Destroyed 368 t In Use 959 t Fate Unknown 2 745 t = Odhad inventury PCBs použitých na Slovensku (situace v listopadu 1997) PCBs na Slovensku Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 62 OndavaOndava RiverRiver DomasaDomasa LakeLake LaborecLaborec RiverRiver Zemplinska SiravaZemplinska Sirava LakeLake ChemkoChemko -- formerformer PCBPCB producproducerer StropkovStropkov DistrictDistrict MichalovceMichalovce DistrictDistrict NN SS EEWW OndavaOndava RiverRiver DomasaDomasa LakeLake LaborecLaborec RiverRiver Zemplinska SiravaZemplinska Sirava LakeLake ChemkoChemko -- formerformer PCBPCB producproducerer StropkovStropkov DistrictDistrict MichalovceMichalovce DistrictDistrict NN SS EEWW More detailed map of the polluted and control areas with rivers and lakes; the population of the Michalovce district is 108 000 and the Stropkov one 20 500 700 5800 400 170 3900 7500 38000 35000 Near Chemko waste storage Near Chemko dump Fields near Chemko dump Rim of Michalove dump At asphalt/gravel mix plant Vicinity of A/G mix plant 1 Vicinity of A/G mix plant 2 Vicinity of A/G mix plant 3 Vicinity of A/G mix plant 4 PCB Concentration [ng/g, dry soil] 53 000 000 Waste Disposal Sites Asphalt/Gravel Mixing Plants PCB hladiny (suma všech kongenerů) v půdních vzorcích odebíraných v okolí obalovny asfaltu a na skládce odpadů Chemko Strážské. PCBs na Slovensku Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 63 Typ Ident. Neident. Celkem kusů Tun Kondenzátory 17 296 13 130 30 426 (170) Transformátory 200 206 406 (82) Ostatní 119 310 429 (92) CELKEM 17 615 13 646 (344) PCBs Inventura - Slovensko a ČR (2003) Typ Ident. Neident. Celkem kusů Tun Kondenzátory 13 291 6 529 19 820 (330.5) Transformátory 52 1 209 1 261 (1 350.8) Ostatní 4 247 4 247 (1 647.4) CELKEM 13 343 11 985 25 328 (3 328.7) 11 613 t PCBs bylo použito uvnitř bývalého Československa; kolem 750 000 kusů korekčních kondenzátorů bylo vyrobeno (3-20 kg PCBs) Research Centre for Toxic Compounds in the Environment http://recetox.muni.cz 64 11 613 t bylo použito v bývalém Československu ČR/SR Inventura – 3 673 t Tanabeho předpoklad - ~ 1/3 vyrobeného množství je v prostředí Ještě kolem 3 000 t je někde – odpady, nekontrolovaná a neregistovaná zařízení, bylo ilegálně zlikvidováno, neznámo kde PCBs Inventura - Slovensko a ČR (2003)