M IECZYSŁA W SOKOŁOWSKI
D IO K S Y N Y - W Ł A ŚC IW O ŚC I, Ź R Ó D Ł A I P R O B L E M Y A N A L IZ Y DIOXINS - PROPERTIES, OCCURRENCE AND PROBLEMS OF ANALYSIS
Wojskowy Instytut Chemii i Radiometrii 00-910 Warszawa-Rembertów Kierownik Laboratorium: dr inż. M. Sokołowski
Omówiono polichlorowane dibenzodioksyny (PCDDs) oraz pokrewne im związki. Wskazano na główne źródła ich powstawania oraz omówiono problemy analityczne związane z identyfikacją i oznaczaniem tych związków.
WSTĘP
N a przestrzeni ostatnich 15-20 lat do wykazu ekologicznych zagrożeń cywilizacji doszło jeszcze jedno: możliwość globalnego zatrucia środow iska dioksyną i jej p o c h o d nymi. D ioksyna i p o d o b n e jej związki to olbrzymia g rupa obcych środow isku związków chem icznych (ksenobiotyków ) dostających się do środow iska w skutek działalności p ro dukcyjnej człowieka lub z o d p ad am i przemysłowymi. W odróżnieniu od wielu innych ksenobiotyków , np. chloroorganicznych pestycydów, dioksyny nigdy nie były p ro d u k tem celowej działalności człowieka. Jak okazało się jed n ak , jej niezam ierzone pow staw anie towarzyszy technologicznej działalności człowieka od co najm niej 100 lat. Z pow odu w ystępow ania i pow odow ania objawów zatrucia w m ikroilościach jej obecność um ykała uw adze człowieka. I choć zespół objawów towarzyszących zatruciu, noszący nazwę chloracne, znany jest już od 1899 г., a masowe przypadki zatruć datują się od lat 30-tych (rozwój produkcji i zastosow ania chlorofenoli), to d o p iero w 1957 zidentyfikow ano o d pow iedzialny za nie związek chem iczny - 2,3,7,8- tetrachlorodibenzo-p-dioksynę.
BUDOWA, WŁAŚCIWOŚCI FIZYKOCHEMICZNE POLICHLOROWANYCH DIBENZODIOKSYN
Wyjściowym związkiem będącym prekursorem chlorow anych dioksyn je st dibenzo-/b, e /(l,4 ) - dioksyna o poniższym wzorze strukturalnym :
Jest o n a ciałem stałym tworzącym bezbarw ne kryształy o te m p eratu rze to p n ien ia 122 - 123° С [1]. M ożliwe je st w prow adzenie do cząsteczki dibenzodioksyny m aksy m alnie do ośm iu atom ów chloru i otrzym anie polichlorow anych dibenzodioksyn (P C D D s). M oże przy tym pow stać 75 izom erów położeniow ych chlorow anych dioksyn podstaw ionych od jed n eg o do ośm iu atom am i chloru, zgodnie z num eracją p o d an ą powyżej.
C ałkow ite zchlorow anie prow adzi do pow stania oktachlorodibenzodioksyny (O C D D ) o m asie cząsteczkowej 460. C hlorow ane dioksyny są niskolotnym i ciałam i stałym i, bezbarw nym i w stanie czystym, o tem p eratu rze to p n ien ia od 88° С (2-chlo- rodibenzodioksyną) do 330° С (oktachlorodibenzodioksyna). Ich rozpuszczalność w rozpuszczalnikach organicznych je st ograniczona, bardzo słabo rozpuszczają się w w o dzie. Są bard zo o d p o rn e na działanie czynników fizyko-chemicznych, wytrzym ują ogrze w anie naw et do 800° С w obecności tlenu. Jednym ze znanych degradujących je czynników je st prom ieniow anie ultrafioletow e, działające na dioksyny rozpuszczalne w rozpuszczalnikach organicznych.
K ażdy z izom erów P C D D s opatrzony je st indywidualnym n u m erem identyfikacyj nym. W ykaz tych num erów zam ieszczony został w szeregu publikacji [2, 3].
2 , 3 , 7 , 8 - T E T R A C H L O R O D I B E N Z O D I O K S Y N A
N ajbardziej toksycznym izom erem P C D D s, a więc najważniejszym z p u n k tu w idze nia ochrony środow iska, a tym samym i analityki je st 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo/b,e/ - (1, 4,) dioksyna (T C D D ), o poniższym wzorze:
T C D D je st ciałem stałym krystalizującym w postaci bezbarw nych igieł o te m p e ra tu rz e to p n ien ia 305-306° C. Prężność p a r T C D D jest bardzo niska i wynosi 4,5 x 10' 6 P a w 25° С [4].
T C D D charakteryzuje się niezwykle wysoką toksycznością naw et w porów naniu do innych związków uważanych pow szechnie za bardzo toksyczne [5, 6]:
Toksyczność innych izom erów P C D D s jest niższa. U w aża się, że do bardzo toksy cznych należą generalnie p e n ta i heksachlorodibenzodioksyny podstaw ione chlorem w pozycjach 2,3,7,8. W tabeli II zam ieszczono wartości toksyczności względnych wyżej zchlorow anych 2,3,7,8 podstaw ionych PC D D s.
BUDOWA I WŁAŚCIWOŚCI FIZYKOCHEMICZNE POLICHLOROWANYCH DIBENZOFURANÓW
W yjściowym związkiem będącym prekursorem chlorow anych furanów jest dibenzo- fu ran o poniższym w zorze strukturalnym :
T a b e l a I . Toksyczność wybranych związków dla świnki morskiej
W prow adzenie do cząsteczki furanu chloru prow adzi do pow stania 135 izom erów położeniow ych polichlorow anych furanów (P C D F s) podstaw ionych od jed n eg o do ośm iu atom am i chloru.
C ałkow ite zchlorow anie prow adzi do pow stania o k tachlorodibenzofuranu o m asie cząsteczkow ej 444. C hlorow ane furany są niskolotnym i ciałam i stałymi, bezbarw nym i w stanie czystym, o właściwościach fizycznych, chem icznych i toksycznych zbliżonych
do P C D D s. Każdy z izom erów P C D F s opatrzony został, p o d o b n ie ja k P C D D s, swoim indyw idualnym nu m erem identyfikacyjnym.
BUDOWA, WŁAŚCIWOŚCI FIZYKOCHEMICZNE POLIBROMOWANYCH DIBENZODIOKSYN I DIBENZOFURANÓW
W obecności brom u przy zaistnieniu odpow iednich w arunków dochodzi do p o d staw ienia atom ów b rom u do cząstek dioksyny lub fu ran u i pow stania odpow iednio polibrom ow anych dibenzodioksyn (P B D D s) i polibrom ow anych dibenzofuranów (PB D Fs).
P od o b n ie ja k w przypadku P C D D /F istnieje 75 izom erów P B D D s i 135 izom erów PB D F . C ałkow ite zbrom ow anie prow adzi do oktabrom odibenzodioksyny (O B D D ) o m asie cząsteczkow ej 916 lub o k tabrom odibenzofuranu (O B D F ) o m asie cząstecz kowej 900.
Przy jednoczesnej obecności chloru i brom u dochodzi do pow stania m ieszanych izom erów polihalogenodibenzodioksyn (P H aD D s) i dibenzofuranów (P H aD F s). W łaś ciwości tych związków zbliżone są do właściwości P C D D s. Są o ne związkam i o niskiej lotności i dużej odporności n a czynniki degradujące. P od o b n ie ja k w przypadku P C D D s najbardziej toksycznymi izom eram i są tetrah alo g e n o podstaw ione w pozycji 2,3,7,8 oraz penta- i h ek sahalogenopochodne także podstaw ione w tych pozycjach. Liczba możliwych izom erów m ieszanych halogenopochodnych sięga p o n ad 5000, co ogrom nie kom plikuje ich badanie i oznaczanie. Z estaw ienie ilości możliwych izom erów polihalogenodibenzodioksyn i dibenzofuranów zam ieszczono w tabelach III i IV. T a b e l a I I I . Izomery dibenzodioksyn
• - ilość izomerów mieszanych (z jednocześnie obecnym chlorem i bromem)
ŹRÓDŁA PCDDs I PCDFs W ŚRODOWISKU
P C D D s i P C D F s pow stają jak o niepożądany p ro d u k t uboczny w czasie niektórych procesów przem ysłowych, procesów spalania, awarii itp. G en eraln ie p ierw otne źródła pow staw ania dioksyn podzielić m ożna na cztery rodzaje:
T a b e l a I V . Izomery dibenzofuranów
1 . r e a k c j e c h e m i c z n e pow odujące zanieczyszczenie pestycydów i technicz nych produktów takich jak chlorofenole, herbicydy będące pochodnym i kwasów chloro- fenoksyoctowych oraz PCBs. Chociaż produkcja wielu z tych związków je st zab ro n io n a lub p o d d an a specjalnej kontroli, to w krajach zachodnich w latach 1960-1970 były o ne szeroko używane i w noszą do dziś duży udział w skażenie środow iska. D o ww. procesów chem icznych zaliczyć także należy procesy bielenia pulpy celulozowej chlorem oraz produkcję chloru gazowego przy użyciu elektrod węglowych.
2 . r e a k c j e t e r m i c z n e . W iele z takich reakcji uw aża się za w ażne źródło pow staw ania dioksyn choć szczegóły procesu tw orzenia P C D D /P C D F nie są zu pełnie jasne. D o najważniejszych należą: spalanie różnego rodzaju odpadów (kom unalnych, szpitalnych, przemysłowych), produkcja stali i żelaza, przetw órstw o złom u m etalow ego, produkcja m iedzi, odlew nictw o m etali, ruch sam ochodow y (spalanie benzyn i ścieranie opon), spalanie węgla i drew na.
3 . r e a k c j e f o t o c h e m i c z n e . Prow adzić one m ogą nie tylko do rozkładu P C D D /P C D F ale także do ich syntezy szczególnie przy emisji produktów spalania w prost do atm osfery gdzie w procesie długodystansow ego przem ieszczania podlegają działaniu prom ieniow ania U V .
4 . r e a k c j e e n z y m a t y c z n e . W edług najnowszych bad ań [8] proces tw or zenia P C D D /P C D F z chlorofenyli pod wpływem peroksydaz m oże zachodzić w w a ru n kach naturalnych, a także szlam ach kanalizacyjnych.
Największy udział w emisji dioksyn do środow iska związany je st z procesam i te r micznymi. Ź ró d łem P C D D s/P B D D s i P C D Fs/PB D F s m ogą być wszelkie term iczne reakcje z udziałem chlorow anych arom atycznych prekursorów np. procesy spalania organicznych m ateriałów w obecności źródła chlorowca, zwłaszcza w w arunkach defi cytu tlenow ego. Dotyczy to w szczególności spalania odpadów kom unalnych, szpital nych, pożarów tran sfo rm ato ró w zawierających olej transform atorow y z d o datkiem polichlorow anych bifenyli, itp. P orów nanie wielkości emisji P C D D /P C D F z głównych źró d eł w Anglii przedstaw iono w tabeli V [9].
T a b e l a V . Emisja PCDD/PCDF w Anglii
PROBLEMY ANALIZY DIOKSYN
P roblem identyfikacji poszczególnych izom erów P C D D s i P C D F s a zwłaszcza iloś ciowe oznaczenie najbardziej toksycznych izom erów 2,3,7,8 T C D D i T C D F je st jednym z najtrudniejszych problem ów analitycznych. Spow odow ane je st to koniecznością wyk ryw ania określonego izom eru, tru d n o rozdzielającego się od innych, n a poziom ie ppb lub p p t w obecności dużej ilości zanieczyszczeń pochodzących z m atrycy próbki. W analizie stosuje się wyłącznie technikę wysokorozdzielczej kapilarnej chrom atografii gazowej z detekcją wychwytu elektronów (H R G C -E C D ), detekcją nisk o -(H R G C - L R M S ) lub wysokorozdzielczą sp ek tro m etrią m asow ą (H R G C -H R M S ). U kazało się szereg opracow ań będących przeglądem m etod wykrywania i oznaczania P C D D s, P C D F s oraz innych chloroorganicznych zanieczyszczeń środow iska [10, 11].
Przykładow y schem at procedury analitycznej (zgodnie z E P A 613, 1613,8280, T09) przedstaw iono poniżej:
• d o d atek wzorców znaczonych izotopow o 13C lub 37C1 • izolacja analitu z m atrycy
• oczyszczanie i zatężanie ekstraktu • screening H R G C -E C D
• analiza końcow a H R G C /M S
A naliza b ad an eg o m ateriału na obecność P C D D rozpoczyna się od w ydzielania organicznych związków z m ateriału matrycy. W przypadku gdy badanym m ateriałem je st ciecz lub ciało stałe, jest to z reguły proces ekstrakcji rozpuszczalnikiem o r ganicznym lub m ieszaniną rozpuszczalników . Przy analizie P C D D są to najczęściej heksan, cykloheksan, chlorek m etylu, aceton, benzen, toluen lub ich m ieszaniny. Sposoby izolacji dioksyn z próbki w zależności od rodzaju m atrycy przedstaw iono na poniższym schem acie:
O trzym any ek strak t zwykle zatęża się i p o d d aje oczyszczeniu w celu usunięcia związków towarzyszących P C D D , wyizolowanych z matrycy. Najczęściej stosuje się oczyszczanie techniką kolum now ej chrom atografii cieczowej na kolum nach z żelem krzem ionkow ym , tlenkiem glinu, w ęglem aktywnym, florisilem . Oczyszczanie i zatężan ie ek strak tu przeprow adza się w następującej kolejności:
• zatężanie i wym iana rozpuszczalnika n a heksan • w ytrząsanie ze stężonym kwasem siarkowym • w ytrząsanie z 20% w odorotlenkiem potasowym • zatężanie
• cieczowa chrom atografia kolum now a na żelu krzem ionkow ym • zatężanie
• cieczowa chrom atografia kolum now a na florisilu • H P L C
• cieczowa chrom atografia kolum now a n a węglu aktywnym
E k strak t po oczyszczeniu i zatężeniu p oddaje się w stępnej analizie na kolum nie k apilarnej z d e tek to rem E C D (tzw. „screening”).
Spotyka się rożne rodzaje kolum n stosowanych w tej analizie np.: Sp-2330, OV -1, SP-2331, SP-2340, SP-2100, Sil 88, DB-5, ciekłokrystaliczne fazy stacjonarne. W stęp n ą analizę najlepiej jest przeprow adzić w układzie H R G C -E C D z dw om a kolum nam i kapilarnym i o różnej polarności np. SE-54 i OV-1701 i dw om a de tek to ram i wychwytu elektronów .
Spraw ność używanej kolum ny chrom atograficznej zapew nić pow inna dostateczny rozdział 2,3,7,8-TC D D od blisko eluujących się innych izom erów tetrach lo ro ja k p o kazano na poniższym rysunku:
Po przeprow adzeniu w stępnej analizy p ró b k ę p o d d aje się analizie w układzie H R G C /L R M S lub H R G C /H R M S . O znaczeniu podlega, zgodnie z n o rm ą E P A 1613, jedynie 17 izom erów 2,3,7,8 podstaw ionych P C D D s i P C D F s. S tw ierdzono bow iem , że izom ery o takim podstaw ieniu odznaczają się największą toksycznością. W analizie tej d o k o n u je się identyfikacji oraz oznaczenia ilościowego poszczególnych izom erów . C h ro m ato g ram m ieszaniny izom erów P C D D /P C D F charakteryzuje się w ystępow aniem o b szarów retencji, w których pojaw iają się izom ery o tej sam ej liczbie chloru (lub b ro m u ) w cząsteczce. M onitoring kolejnych izom erów prow adzi się po charakterystycznych jo n a ch w opcji SIM . Pozw ala to n a wyróżnienie tylko tych pików, k tó re są związane z konkretnym i analitam i.
Poniżej przedstaw iono przykładowy chro m ato g ram wzorców P C D D s/P C D F s z zaznaczonym i obszaram i retencji i charakterystycznym i jonam i dla kolejnych, wyżej podstaw ionych izom erów.
P rzed ekstrakcją próbki w prow adza się do niej znaczone izotopow o izom ery P C D D i P C D F , co m a na celu uniknięcie błędów przy ocenie ilościowej zaw artości dioksyn o raz pozw ala na identyfikację piku konkretnego izom eru na ch ro m ato g ram ie m ieszan iny. Czasy retencji izom erów 13C są bowiem takie sam e jak izom erów 12C. R óżnica jest tylko w m asie cząsteczkow ej izom erów izotopow o znaczonych np.: 334 dla T C D D cl3 i 322 dla T C D D cl2:
Przykład ch ro m ato g ram u ze zidentyfikowanym , na podstaw ie izotopow o znaczonego izom eru 2,3,7,8 T C D D , pikiem 2,3,7,8 T C D D .
D la izom erów o k ta -C D F nie stosuje się analogu znaczonego izotopow o, gdyż w układzie H R M S daje on tak ą w artość m/z, k tóra m oże nakładać się z izotopem 12C okta- C D D . M oże to uniem ożliw ić bądź utru d n ić identyfikację i ilościowe oznaczenie ok ta-C D D . D latego też znaczony analog nie jest dodaw any ja k o stan d ard kalibracyjny, a nieznaczony ok ta-C D D . Z kolei znaczony 1,2,3,7,8,9 H x C D D je st używany ja k o sta n d ard w ew nętrzny (nie dodaw any przed ekstrakcją lecz w czasie analizy) i nie m oże być użyty do ilościowej oceny zaw artości izom eru nieznaczonego w próbce. D latego też jego zaw artość wyznacza się ilościowo przez określenie średniej odpow iedzi d e te k to ra dla znaczonych analogów innych halogenopodstaw ionych 2 ,3 ,7 ,8 ,H x C D D s, a m ianow icie l,2 ,3 ,4 ,7 ,8 -H x C D D cl3 i l,2 ,3 ,6 ,7 ,8 -H x C D D C13. W rezultacie zaw artość nieznaczonego 1 ,2 ,3,6,7,8-H xC D D w próbce je st korygow ane do średniego odzysku pozostałych dwu H x C D D s .
PODSUMOWANIE
Z aw a rte w pracy inform acje dotyczące problem atyki polichlorow anych d ib enzodiok syn i dibenzofuranów jedynie w sposób skrótowy sygnalizują ważkość i złożoność za g adnień związanych z zanieczyszczeniam i środow iska będącym i rezu ltatem gospodarki o dpadam i, także szpitalnym i. Przykład W ielkiej Brytanii świadczy o istotnym w kładzie procesu spalania odpadów , także szpitalnych w ogólną em isję dioksyn. Z ap rezentow any schem atyczny zarys przebiegu analizy p ró b ek na zaw artość dioksyn części jedynie obrazuje skalę trudności tego typu analiz i je st uzasadnieniem faktu, iż w chwili obecnej jedynie kilka laboratoriów w kraju zajm uje się analizą tych związków.
M . S o k o ł o w s k i
DIOXINS - PROPERTIES, OCCURRENCE AND PROBLEMS OF ANALYSIS S u m m a r y
Polychlorinated dibenzodioxins (PCDDs) and polychlorinated dibenzofurans (PCDFs) as well as similar compounds are described and chracterized as a group of environmental pollutants which have been arousing interest only since a short time. The toxicity of the compouds in this group of xenobiotics is compared with that of other compounds generally regarded as highly toxic. The main sources of origin of PCDDs/PCDFs are found in nearly all fields of the technological actions of man. Problems of detection and identification of these compouds extremely difficult in analysis are discussed. These problems are a challenge to even specialistic laboratories.
PIŚMIENNICTWO
I. IARC Monographs, vol. 15, 1977. - 2. Karhonen I. (i in.): J. of Chromatogr., 1989, 477, s. 327-336. -3. Ryan J. (i in.): J. of Chromatogr. 1991, 54, s. 131-183. -4. Kuehl D. (i in.): Chemosphere, 1986, 15(9-12), s. 1325-1332. - 5. Schwenk М.: „Wie gefaehrlich ist DIOXIN wirklich” Bild der Wissenschaft 1984, no. 11, s. 64. -6. Schlatter Ch.: „Fakten zur allgemeinen Toxikologie und zur Kanzerogenitaet von 2,3,7,8-TCDD als Grundlage einer Risikoermitt.”. -7. Hagenmaier H. (i in.): VDI Berichte, 1987,643, s. 61-89. -8. Rappe C.: „Sources of Exposure, Environmental Levels and Exposure Assessment of PCDDs and PCBFs”, Materiały DIOXIN’92, pp. 5-8. -9. Harrad S., Sewart A.P., Jones ICC.: „PCDD/PCDFs in the British Environment: Sinks, Sources and Temporal trends”, Materiały DIOXIN’92, pp. 89-92. -10. Fedorov L.(i in.): Uspechi Chim., 1990, 59, s. 1818-1866.
II. ProkofevA.: Uspechi Chim , 1990, 59, s. 1799-1817. Otrzymano: 1995.09.20