Trwałe zanieczyszczenia organiczne w ekosystemach wodnych. Problemy i wyzwania Jacek Namieśnik Katedra Chemii Analitycznej, Wydział Chemiczny, Politechnika Gdańska ul. G. Narutowicza 11/12, 80-233 Gdańsk e-mail: chemanal@pg.gda.pl 1. Wstęp Dążność do zaspokojenia zapotrzebowania na różne dobra konsumpcyjne sprawia, że wzrasta intensywność antropopresji w postaci emisji zanieczyszczeń do poszczególnych elementów środowiska różnorodnych związków chemicznych. Dane nt. wzrostu populacji ludności oraz produkcji chemicznej przedstawione na rysunku 1 mogą stanowić dobre uzasadnienie do tezy, że ze względu na stopień nasycenia przez związki chemiczne można używać terminu "chemosfera" w stosunku do środowiska, w którym żyje człowiek. Planowany wskaźnik wzrostu ogólnoświatowa produkcja substancji i odczynników chemicznych liczebność populacji ludzi na Ziemi Rok Rysunek 1. Prognozy dotyczące wzrostu zaludnienia oraz światowej produkcji substancji chemicznych [1] Związki chemiczne, które dostają się do różnych elementów środowiska abiotycznego ze źródeł antropogenicznych można poddać klasyfikacji biorąc pod uwagę następujące parametry: źródła emisji ksenobiotyków związane z różnymi przejawami działalności człowieka, status prawny obecności ksenobiotyków w środowisku, toksyczność i ekotoksyczność, budowę chemiczną cząsteczek ekotoksyn oraz ich właściwości fizykochemiczne (lotność, rozpuszczalność, trwałość chemiczna). 1
2. Trwałe Zanieczyszczeni Organiczne środowiska (TZO) Przedmiotem szczególnego zainteresowania i obiektem wielu badań są związki zaliczane do trwałych organicznych zanieczyszczeń środowiska (TZO). W literaturze można znaleźć wiele definicji tej grupy zanieczyszczeń środowiskowych. Tą grupę zanieczyszczeń określa się jako: Persistent Organic Pollutants (POPs) are defined as organic substances that possess toxic properties, resist degradation, bio-accumulate and are transported, through air, water and migratory species, across international boundaries and deposited far from their place of release, where they accumulate in terrestrial and aquatic ecosystems" [2]. Substancje organiczne wykazujące właściwości toksyczne, odporne na degradację, zdolne do bioakumulacji, transportowane na duże odległości z masami powietrza i wodą oraz w łańcuchu troficznym, podlegające depozycji daleko od lokalizacji źródeł ich emisji, oraz procesom akumulacji w ekosystemach lądowych i wodnych. POPs are synthetic organic compounds which are widespread on land and in aquatic environments. They are considered among the most persistent anthropogenic organic compounds introduced into the environment. Some of these are highly toxic and have a wide range of chronic effects, including endocrine disruption, mutagenicity and carcinogenicity. Furthermore, POPs are chemically stable, and therefore not easily degraded in the environment or in organisms. They are lipophilic and accumulate in the food chain [3]. TZO to syntetyczne związki organiczne powszechnie występujące w środowiskach lądowych i wodnych. Są uważane za jedne z najbardziej trwałych związków organicznych pochodzenia antropogenicznego, które są emitowane do środowiska. Niektóre z tych związków charakteryzują się znaczną toksycznością i powodują objawy zatruć przewlekłych, takie jak działanie endokrynne, mutagenność, kancerogenność. Dodatkowo, cechują się one stabilnością chemiczną zapewniającą im małą podatność na degradację w środowisku i w organizmach. Posiadają właściwości lipofilowe i podlegają biowzbogacaniu [3]. Persistent organic pollutants are defined as "chemical substances that persist in the environment, bio-accumulate through the food web, and pose a risk of causing adverse effects to human health and the environment [4]. Trwałe zanieczyszczenia organiczne definiuje się jako substancje chemiczne, które posiadają dużą trwałość w środowisku, podlegają biowzbogacaniu i stwarzają zagrożenie dla zdrowia człowieka i dla środowiska [4]. Związki z grupy TZO należą co różnych klas związków chemicznych. jako najważniejsze należy wymienić: dioksyny (polichlorowane dibenzodioksyny oraz polichlorowane dibenzofurany, PCDD + PCDF) związki dioksynopodobne (ang. dioxine like compounds): wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA), polichlorowane bifenyle (PCB), 2
pestycydy (DDT i jego metabolity, aldryna, chlordan, endryna, heptachlor, heksachlorobenzen -HCB, mireks, toksafen). Po emisji do określonego elementu środowiska związki zaliczane do grupy TZO mogą podlegać różnym procesom fizycznym, chemicznym oraz biochemicznym, zarówno w części nieożywionej środowiska, jak i w tkankach i narządach organizmów żywych. Całokształt tych procesów określa się za pomocą terminu los środowiskowy zanieczyszczeń (ang. environmental fate). Na rysunku 2 w sposób schematyczny przedstawiono los środowiskowy zanieczyszczeń zaliczanych do trwałych zanieczyszczeń organicznych. Rys. 2. Los środowiskowy związków z grupy trwałych zanieczyszczeń organicznych [5] Natomiast w Tabeli 1 zestawiono informacje o klasyfikacji ksenobiotyków z grupy TZO zgodnie z protokołem UN-ECE [6] Klasyfikacja źródeł emisji Celowa produkcja Pochodzenie Główne źrodła emisji Żródła emisji wielu TZO POP WWA HCB PCB PCDD/F Pestycydy/ Aldryna, chlordan, biocydy chlordekan, dieldryna, (11 produktów) endryna, mireks, toksafen, DDT, heptachlor, HCH, lindan, HCB Chemikalia PCB 3
Niezamierzone wytwarzanie produktów ubocznych produkowane na skalę przemysłową Procesy spalania substancji chemicznych (w wysokiej temperaturze) W obecności śladowych ilości chloru Heksabromobifenyl (HBBP) Dioksyny i furany (PCDD/F) WWA Źródła naturalne (pro memori) Obecność trwałych zanieczyszczeń organicznych w środowisku podlega różnorodnym uregulowaniom prawnym. Przykładem tego typu działań legislacyjnych jest Konwencja Sztokholmska z roku 2001. Załączniki do tej konwencji stanowiła lista trwałych zanieczyszczeń organicznych, które są szczególnie niebezpieczne zarówno dla środowiska nieożywionego jak i bioty. Na rysunku 3 przedstawiono strukturę chemiczną pierwszych 12 związków, które są umieszczone na tej liście. Rysunek 3. Struktura chemiczna pierwszych 12 związków z grupy TZO umieszczonych na liście stanowiącej załącznik do konwencji Sztokholmskiej z roku 2001 Lista ta była trzykrotnie uzupełniania (w roku 2009, 2011 oraz w 2013) i do tej liczby 12 trwałych związków organicznych dodano kolejno 9-1 - 1 związek chemiczny. 4
W Tabeli 2 zestawiono informacje o źródłach emisji tzw. nowych związków z grupy TZO emitowanych do środowiska [6] Substancja Źródło emisji Heksabromodifenyl Dodatek do opóźniaczy procesu spalania Heksachlorobutadien Wytwarzanie chlorowcowych (HBU), (HCBD) węglowodorów (niezamierzona emisja) Składowanie odpadów po produkcji chlorowanych węglowodorów zawierających HCBD Pozostałości po sprzedaży (fumigacja) Eter pentabromodifenylowy (pentabde, PBDE) Polichlorowane naftaleny (PCN) Produkcja magnezu Opóźniacz procesu palenia Produkt uboczny przy produkcji pestycydów (źródło emisji w zaniku w Europie) Proces wtórnego tworzenia w trakcie procesu spalania odpadów Spalanie odpadów Składowiska odpadów Produkt uboczny przy wytwarzaniu PCB Pentachlorofenol (PCP) Fungicyd Endosulfan Pestycyd (dopuszczony do użytku w niektórych krajach UN-ECE) Dicofol j.w. Krótkołańcuchowe chlorowane parafiny (SCCP/SC) Plastyfikatory (w farbach) Dodatki do spodków uszczelniających Czynniki do wygładzania skóry Opóźniacze procesu palenia gumy, środków tekstylnych i PCW Wtórnym źródłem emisji trwałych zanieczyszczeń organicznych do środowiska wodnego może być proces topnienia lodowców [6]. Związki z grupy TZO obecne w abiotycznych częściach środowiska, które stanowią środowisko bytowania różnych organizmów żywych są przez te organizmy pobierane wraz z powietrzem/wodą oraz pokarmem i ulegają w tych organizmach następującym procesom: przemian metabolicznych, wydzielania z organizmu w postaci niezmienionej lub w postaci metabolitów, gromadzenia w określonych tkankach i narządach czyli bioakumulacji. Nie ma więc wątpliwości, że będzie następował wzrost stężenia analitów w tkankach i narządach organizmów żywych w kolejnych ogniwach łańcucha troficznego. Dokumentują to dane zgromadzone w tabeli 2 dotyczące procesu biowzbogacania toksafenu w ekosystemie arktycznym. Odpowiednie próbki były pobierane w punktach zlokalizowanych na terenie arktycznej części Kanady [7]. 5
Tabela 3. Dane opisujące proces biowzbogacania toksafenu w łańcuchu troficznym na terenie kanadyjskiej części Arktyki [7] Typ materiału do badań Stężenie (ppb - w przeliczeniu na mokrą masę) Powietrze 0,0007 Śnieg 0,0009-0,002 Woda morska 0,0003 Zooplankton 3,6 Tkanka mięśniowa dorsza 14-46 arktycznego Pstrąg arktyczny (w całości) 44-157 Tran z foki obrączkowanej 130-480 Tran z bieługi 1380-5780 Tran z narwala 2440-9160 3. Analityka związków z grupy TZO w próbkach pobranych z ekosystemów morskich Dążność do możliwie dokładnego oszacowania poziomu zanieczyszczenia środowiska morskiego przez ksenobiotyki z grupy TZO oraz procesów zachodzących w poszczególnych ekosystemach morskich są siłą napędową do opracowania i wprowadzenia do praktyki analitycznej trzech typów narzędzi analitycznych: urządzenia kontrolno-pomiarowe wykorzystywane do badań odpowiednio przygotowanych próbek w celu rozdzielenia, wykrycia, identyfikacji oraz ilościowego oznaczenia analitów, metodyki analityczne określane również za pomocą terminów procedura analityczna, protokół analityczny. Wymienione terminy są wykorzystywane do opisu całego toku postępowania analitycznego od momentu wyboru miejsc pobierania próbek, sam etap pobierania próbek, ich transport, przygotowanie do analizy, sam etap analizy aż do statystycznej obróbki wyników pomiarowych, aby uzyskać wynik końcowy analizy, który może być źródłem miarodajnej informacji analitycznej, materiały odniesienia o różnej charakterystyce metrologicznej i roztwory wzorcowe wykorzystywane w systemach zapewnienia i kontroli jakości wyników pomiarów analitycznych (Quality Assurance/ Quality Control- QA/QC). Na rysunku 4 przedstawiono schemat procedury analitycznej oznaczania śladowych ilości analitów z grupy WWA i PCB w próbkach wody morskiej [8]. Procedura składa się z wielu etapów, ale możliwe jest wykrycie, identyfikacja oraz ilościowe oznaczenie analitów obecnych zarówno w fazie skondensowanej, jak i w postaci związanej z zawiesiną obecną w badanej wodzie. Przedstawiona procedura nadaje się więc do prowadzenia badań z zakresu specjacji fizycznej trwałych zanieczyszczeń organicznych w środowisku wodnym. 6
Rysunek 4. Schemat procedury analitycznej oznaczania zawartości analitów z grupy WWA i PCB w próbkach wody z uwzględnieniem obecności tych związków zarówno w fazie skondensowanej, jak i w postaci związanej z zawiesiną 4. Problemy i wyzwania związane z analityką związków z grupy TZO w próbkach polarnych z ekosystemów morskich Analityka zanieczyszczeń z grupy TZO w próbkach różnych materiałów pobranych z badanego ekosystemu morskiego nie jest łatwym zadaniem. Jako najważniejsze trudności można wymienić: problemy związane ze spełnieniem wymogu reprezentatywności pobieranych próbek w stosunku do badanego obiektu materialnego, niskie i bardzo niskie poziomy stężeń analitów w próbkach charakteryzujących się złożonym składem matrycy, możliwość fluktuacji czasowych i przestrzennych stężeń ksenobiotyków, niebezpieczeństwo interferencji związanych z występowaniem składników o zbliżonych właściwościach fizykochemicznych, Szczególną rolę do spełnienia mają wzorce znakowane izotopowo, które są dodawane do próbki. Związki te charakteryzują się takimi samymi właściwościami fizykochemicznymi, co anality obecne w próbce i różnią się masą cząsteczkową o jedność. Zastosowanie technik spektrometrii mas rozcieńczenia izotopowego (Isotope Dilution Mass Spectrometry - IDMS) przyczynia się do znacznego podniesienia pewności identyfikacji analitów obecnych w badanych próbkach [9] 7
nieznajomość szlaków przemian poszczególnych ksenobiotyków, konieczność oznaczania nie tylko zanieczyszczeń pierwotnych, ale także i produktów przemian i metabolizmu, brak odpowiednich wzorców i materiałów odniesienia, konieczność identyfikacji źródeł emisji zanieczyszczeń należących do tej samej klasy związków chemicznych. W tym zakresie zastosowanie znajdują dwa podejścia: technika odcisku palca (ang. fingerprint) dająca możliwości uzyskania informacji np. o źródłach rozlewów związków ropopochodnych przyczyniających się do powstawania filmu olejowego na powierzchni wody. Na rysunku 5 przedstawiono chromatogram w postaci odcisku palca dla próbek różnego typu produktów ropopochodnych uzyskany z wykorzystaniem techniki chromatograficznej (GC-FID) [10]. Na podstawie obecności pików odpowiednich n-alkanów może być określony typ ropy lub też produktu ropopochodnego. Kolejnym etapem badań będzie wykorzystanie techniki GC-MS (w trybie monitorowania wybranych jonów- SIM) w celu śledzenia położenia sygnałów pochodzących od analitów należących do różnych klas związków organicznych. Rysunek 5. Wykorzystanie techniki GC-FID w badaniach rozlewów olejowych 8
diagnostyczne stosunki stężeń zanieczyszczeń z grupy WWA [9]. Ich wartości liczbowe zapewniają możliwość określenia źródła emisji zanieczyszczeń z grupy WWA, takich jak: ruch uliczny, spalanie węgla, biomasy, rozlewy produktów ropopochodnych, spalanie benzyny czy też, spalanie oleju napędowego. Jako związki diagnostyczne wykorzystuje się związki z grupy WWA o takiej samej masie cząsteczkowej. Takie związki charakteryzują się: podobnymi właściwościami fizykochemicznymi i losem środowiskowym (parowanie, adsorpcja, desorpcja, rozpuszczanie, transport) podobnym odzyskiem w trakcie procesu ekstrakcji. Stosunek stężeń odpowiednich związków pozostaje stały w całym przedziale czasowym od chwili emisji do środowiska do momentu analizy chromatograficznej polarnych próbek Tytułem przykładu na rysunku 6 przedstawiono wyniki badań z wykorzystaniem wyżej opisanego podejścia do wskazania źródeł zanieczyszczenia wody powierzchniowej w pobliżu dużego zakładu przemysłowego [12] 9
Rysunek 6. Schemat wykorzystania diagnostycznych stosunków stężeń ksenobiotyków z grupy WWA do identyfikacji źródła emisji (pochodzenia) tych związków. 5. Podsumowanie Ocena poziomu zanieczyszczenia oraz występowanie i intensywność różnych procesów fizycznych, chemicznych i biochemicznych zachodzących w poszczególnych elementach ekosystemu Morza Bałtyckiego są przedmiotem zainteresowania i badań wielu grup badawczych oraz jednostek i instytucji zajmujących się zarządzaniem zasobami środowiskowymi. Efektem prowadzonych prac jest duża liczba publikacji i opracowań dotyczących tego zagadnienia. Stan ekosystemu Morza Bałtyckiego jeśli chodzi o zawartość ksenobiotyków z grupy TZO jest stosunkowo dobrze rozpoznany. Trzeba sobie jednak zdać sprawę z faktu, że część wyników, które zostały wprowadzone do obiegu informacji naukowej nie spełnia podstawowego wymogu, jakim jest ich miarodajność. W trakcie prowadzonych badań nie zastosowano bowiem odpowiednich systemów oceny i zapewnienia jakości danych pomiarowych (Quality Assurance/ Quality Control - QA/QC). Dużym wyzwaniem będzie wykorzystanie zaawansowanych technik chemometrycznych opartych na sztucznej inteligencji do opracowania wieloparametrowych zbiorów danych pomiarowych w celu wydobycia (data mining) dodatkowych informacji nt. występowania, siły zależności pomiędzy poszczególnymi parametrami (stężenie trwałych związków organicznych zaliczanych do różnych klas związków chemicznych) oraz identyfikacji źródeł emisji poszczególnych ksenobiotyków. 10
Kolejne wyzwanie związane jest z faktem, że w poszczególnych elementach środowiska abiotycznego pojawiają się coraz to nowe związki zaliczane do grupy TZO (tzw. nowopojawiające się zanieczyszczenia) oraz coraz ostrzejsze uregulowania prawne dotyczące stanu środowiska. W związku z tym przed analitykami zajmującymi się badaniami i monitoringiem stanu poszczególnych część ekosystemu Morza Bałtyckiego stoi zadanie opracowania i wykorzystania nowych metodyk analitycznych charakteryzujących się lepszymi parametrami metrologicznymi zapewniającymi możliwość wykrycia, identyfikacji oraz ilościowego oznaczenia jak najszerszego spektrum związków z grupy TZO występujących w badanych próbkach na ultraśladowych poziomach zawartości z uwzględnieniem specjacji tych ksenobiotyków. LITERATURA [1] American Chemistry Council 2003, OECD 2001, United Nation 2001. [2] Agency for Toxic Substances and Disease (ATSDR) Registry,, 1995. [3] Rios L.M., Moore C., Jones P.R., Mar Pollut. Bull., 54,1230(2007). [4] Lee H.K. J., Diabetes Invest., 1, 121 (2010). [5] Campbell Ch. G., Borglin S. E., Green F. B., Grayson A., Wozei E., Stringfellow W. T., Chemosphere, 65, 1265 (2006). [6] Ch. Bogdal, P. Schmid, M. Zanegg, F. S. Anselmetti, M. Scheringer, K. Hungelbuchler, Environ. Sci. Technol. 43, 8173 (2009). [7] Denier van der Gon H., van het Bolscher M., Visschedijk A., Zandveld P., Atmos. Environ., 41, 9245 (2007). [8] Mechlińska A., Wolska L., Namieśnik J., Proc. NoSSS, 26-29.08.2009, Tallinn, Estonia, str. 50. [9] Mechlińska A., L. Wolska, J. Namieśnik, Trends Anal. Chem. 29, 820 (2010). [10] Bayona J.M, Dominguez C., Albaiges J., Trends Environ. Anal. Chem, 5, 26 (2015). [11] Tobiszewski M., Namieśnik J., Environ. Pollut., 162, 110 (2012). [12] Tobiszewski M., Tsakovski S., Simeonov V., Namiesnik J., Chemosphere, 80, 740 (2010). 11