Wstęp

Temat stanu jakości powietrza jest tematem ważnym. Wałkowany jest on bardzo często (szczególnie w okresie, gdy spadające temperatury wymagają dogrzania naszych domów). Media i szara rzeczywistość (dosłownie „szara” w Krakowie) nie pozwalają nam zapomnieć o tym problemie. Zapewne każdy słyszał o zjawisku smogu. Jest to zjawisko atmosferyczne polegające na współwystępowaniu zanieczyszczenia powietrza powstałego w wyniku działalności człowieka oraz niekorzystnych zjawisk naturalnych (mgły lub bezwietrznej pogody). Jednak nie tylko w tym okresie, gdy smog jest widziany „gołym okiem” jesteśmy narażeni na wdychanie szkodliwych związków chemicznych. Jesteśmy narażani na nie non stop, gdyż w Polsce np. poziomy monitorowanego w powietrzu benzo(a)pirenu są praktycznie przez cały rok „nad kreską”. Zapytacie po co to piszę, skoro lato jest tuż tuż a do zimy mamy daleko. Piszę to dlatego, gdyż wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA) atakują nas ciągle na różnych frontach. Natomiast moim celem jest to, by każdy dokładnie poznał swojego wroga.

Rodzaje i ogólne właściwości fizykochemiczne WWA

Wielopierścieniowe (policykliczne) węglowodory aromatyczne (WWA, PWA) w literaturze angielskiej znane są pod nazwą polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH), polynuclear aromatics (PNAs) lub polycyclic organic matter (POM). Stanowią one bardzo liczną grupę związków organicznych, które występowały w środowisku od początku istnienia świata. Rozwój cywilizacyjny i technologiczny spowodował jednak wzrost emisji tych związków, a co za tym idzie, zintensyfikował ich negatywny wpływ na środowisko oraz ich szkodliwy wpływ na zdrowie. Policykliczne węglowodory aromatyczne są to produkty uboczne, które powstają głównie podczas reakcji zachodzących w trakcie niepełnego spalania materii organicznej jak i również podczas pirolizy.

Struktura WWA charakteryzuje się tym, iż tworzą je pierścienie zbudowane wyłącznie z atomów węgla i wodoru. Związki te zbudowane są z dwu lub więcej sprzężonych ze sobą pierścieni aromatycznych przy braku jakiegokolwiek heteroatomu lub podstawnika. Na dzisiejszy czas znanych jest ok. 100 związków z tej grupy, jednak najbardziej rozpowszechnionych w środowisku jest 17 z nich (tabele poniżej). WWA nie występują jednak w środowisku jako pojedyncze związki, lecz jako mieszaniny związków homo- i heterocyklicznych. Związki homocykliczne są to węglowodory zbudowane z węgla i wodoru oraz ich pochodne z podstawnikami alkilowymi, i również grupami aminowymi i nitrowymi. Natomiast grupę heterocyklicznych związków stanowią węglowodory zawierające atomy tlenu, azotu i siarki jak i również różne podstawniki. Związki, które zawierają pięć lub więcej pierścieni aromatycznych nazywane są jako „ciężkie” WWA. Z kolei te związki, które są zbudowane z mniejszej liczby pierścieni nazywane są „lekkimi” WWA. Związki z obydwu tych grup są niepolarne, ponadto wykazują słabą lipofilowość czyli skłonność cząsteczek chemicznych do rozpuszczania się w tłuszczach, olejach oraz rozpuszczalnikach niepolarnych. Natomiast „cięższe” WWA są stabilniejsze i bardziej toksyczne niż przedstawiciele „lekkich” WWA. Jeśli chodzi o barwę to WWA w czystej postaci są substancjami stałymi, krystalicznymi, o barwie białej, bladożółtej lub bladozielonej. Cechuje je również wysoka temperatura topnienia oraz niska prężność pary. Ponadto są związkami hydrofobowymi i litofilnymi. W zależności od masy cząsteczkowej węglowodoru cechy te zmieniają się, dzięki czemu ich występowanie w elementach środowiska jest zróżnicowane.

Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne rozpuszczają się dobrze w rozpuszczalnikach organicznych takich jak benzen, toluen, cykloheksan, aceton. Natomiast bardzo słabo rozpuszczają się w wodzie. Na przykład rozpuszczalność fenantrenu w 25°C w wodzie wynosi 435 μg/l, pirenu 133 μg/l, a benzo(g,h,i)perylenu 0,3 μg/l. Przy obecności innych związków organicznych w wodzie (szczególnie detergentów) zwiększa się ich rozpuszczalność. Związki te wykazują duże powinowactwo do powierzchni ciał stałych dzięki słabej rozpuszczalności w wodzie, niskiej prężności pary oraz aromatycznemu charakterowi. Zatem w środowisku występują głównie w postaci zaadsorbowanej na powierzchni stałych cząstek zarówno w wodzie, powietrzu i glebie.

Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne wykazują wrażliwość na działanie światła, tlenu, ozonu i innych utleniaczy. WWA w obecności światła i tlenu ulegają reakcji fotochemicznej podczas której w końcowym etapie powstają diole, chinony i aldehydy. Właśnie dzięki tym właściwościom zachodzą procesy, podczas których usuwane są te związki ze środowiska.

Właściwości toksykologiczne WWA

Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne nie są szkodliwe w postaci w jakiej są obecne w środowisku. Swoją toksyczność zawdzięczają dopiero aktywacji metabolicznej czyli procesowi mikrosomalnej oksydacji. W wyniku tego procesu powstają reaktywne produkty, które łączą się z makrocząsteczkami komórkowymi i mogą powodować zmiany o charakterze nowotworowym. Człowiek, jest narażony na ciągłą ekspozycję na WWA, dzięki czemu związki te szybko i z łatwością przenikają do organizmu. Substancje te wchłaniają się m.in. przez płuca wraz z powietrzem zanieczyszczonym pyłem, na powierzchni której adsorbowane są WWA. Ponadto dostają się one do organizmu przez przewód pokarmowy wraz ze skażonym pożywieniem i połykanym śluzem wydzielonym przez oskrzela. Następną drogą, którą substancje te mogą dostawać się w głąb organizmu jest przenikanie przez skórę. Szczególnie narażeni na to są osoby zatrudnione w przemyśle.

Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne są bardzo słabo rozpuszczalne w wodzie. Związki te tuż po wchłonięciu podlegają metabolizmowi przez organizm. Niestety właśnie w wyniku tego metabolizmu powstają związki, które są o wiele bardziej toksyczne niż substancje początkowe. Jednak procesy te są konieczne, aby substancje te sprzężone z substancjami pomocniczymi mogły zostać wydalone wraz z moczem. Przykładem takiego związku jest przedstawiony na rysunku 1 7,8-dihydrodiol-9,10-trans-epoksyd benzo(a)pirenu, który jest rakotwórczą postacią benzo(a)pirenu. Okres półtrwania tego związku wynosi osiem minut, jednak jest to na tyle długo aby mogło dojść do reakcji z makrocząsteczkami. Narządem, w którym dzięki specyficznym enzymom (tzw. frakcji mikrosomalnej monooksygenaz) zachodzi większość przemian związków aromatycznych jest wątroba. Niestety powstałe z wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych metabolity wykazują bardzo silne powinowactwo do struktur wewnątrzkomórkowych i mogą uszkadzać DNA. Mimo iż komórka posiada szereg mechanizmów naprawczych, to okazują się one jednak niewystarczające przy ciągłej ekspozycji na WWA. W wyniku powyższych faktów można stwierdzić, iż najgroźniejsza w skutkach jest ciągła i długotrwała ekspozycja na te związki. Taka ekspozycja ma miejsce m.in. podczas palenia papierosów, przy spożywaniu skażonych pokarmów czy pracy w przemyśle (np. przemysł gumowy, produkcja węgla drzewnego). Z kolei krótkotrwała ekspozycja nie powinna pozostawić widocznych skutków.

Nie jest w pełni wyjaśnione współdziałanie różnych WWA ze sobą, jednak na podstawie przeprowadzonych badań można wskazać na ich synergizm. W wyniku tych badań stwierdzono iż pozornie nieaktywne WWA takie jak piren, fenantren, antracen, fluoranten bardzo mocno wzmagają aktywność benzo(a)pirenu. Zjawisko synergizmu wśród WWA potwierdza fakt, że benzo(a)piren indukuje nowotwory, gdy podany jest tylko w określonych rozpuszczalnikach (głównie węglowodorowych). Istnieją również inne substancje wzmacniające działanie WWA. Przykładem mogą być występujące w dymie papierosowym katechole, które są typowymi kokancerogenami dla benzo(a)pirenu. Ponadto działanie rakotwórcze węglowodorów wzmagane jest w obecności azbestu lub promieniowania jonizującego.

Za mutagenne działanie wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych odpowiadają różne metabolity. Jednak warunkiem pojawienia się mutacji genetycznej, której konsekwencją jest wystąpienie nowotworu, jest utworzenie adduktu o budowie kowalencyjnej (związek kancerogenny – element nici kwasu nukleinowego). Jak już wcześniej wspomniano, komórka posiada szereg mechanizmów naprawczych, jednak okazują się one niewystarczające przy ciągłej ekspozycji na WWA. Tak więc zmiany o charakterze promutagennym mogą wystąpić tylko przy źle przebiegających procesach naprawczych DNA lub przy nieprawidłowej replikacji DNA. Na podstawie najnowszych badań stwierdzono, że benzo(a)piren wykazuje powinowactwo do niektórych fragmentów chromatyny. Po przeprowadzonych badaniach na szczurach stwierdzono, że wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne posiadają zdolność do indukowania mutacji w obrębie genu supresorowego p53 powodując jego unieczynnienie. Gen ten odpowiada za kontrolę prawidłowego przebiegu cyklu komórkowego i stałości struktury DNA. W wynik mutacji tego genu nie zachodzi eliminacja komórek z uszkodzonym DNA, w wyniku czego dochodzi do przekazania mutacji komórkom potomnym.

Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne wykazują nie tylko opisane wcześniej działanie mutagenne, kancerogenne lecz także mają niekorzystny wpływ na rozwój płodu. Ich teratogenność została potwierdzona dzięki badaniom przeprowadzonym na kurzych zarodkach, które były wystawione na ekspozycję na benzo(a)piren. W wyniku tych badań zaobserwowano m.in. nieprawidłowości w budowie serca czy również defekty rozwojowe powłok brzusznych. Z kolei u szczurów, które zostały narażone na ekspozycję na WWA zaobserwowano znaczny wzrost resorpcji płodów (zjawisko polegające na wchłonięciu przez organizm obumarłego płodu), jak i również wzrosła ilość płodów o małej masie ciała.

Ponadto wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne mają niekorzystny wpływ na funkcjonowanie narządów rozrodczych u samców. W szczególności narażone są na nie procesy nasieniotwórcze. W trakcie badań na szczurach zaobserwowano, iż metabolity benzo(a)pirenu wiążą się z białkami w strukturach kanalików nasiennych jąder w wyniku czego w komórkach spermatogenicznych występują zaburzenia w syntezie DNA. Dodatkowo związki te mogą zaburzać prawidłowy przebieg replikacji DNA oraz wywoływać nieprawidłowości w funkcjonowaniu spermatogonii i spermatocytów.

Palenie papierosów zwiększa ryzyko wystąpienia zmian chromosomalnych podczas wytwarzania gamet. Jeśli chodzi o płeć to bardziej narażeni są mężczyźni, gdyż u panów podczas gametogenezy dochodzi do znacznie większej ilości podziałów mitotycznych w stosunku do kobiet. Trzeba pamiętać, iż spermatydy i plemniki nie posiadają zdolności naprawczych. W wyniku czego u panów, niekorzystna ekspozycja na wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne może objawiać się obniżeniem ruchliwości plemników, zwiększoną liczba nieprawidłowo wykształconych gamet, obniżeniem ilości produkowanego nasienia czy także niższą zdolnością plemnika do penetracji i zapłodnienia komórki jajowej. Z kolei u kobiet w wyniku ekspozycji na benzo(a)piren, w oocytach (komórki dające początek komórkom jajowym) zaobserwowano anomalie polegające na diploidalności chromosomów (stwierdzono 46 zamiast 23 chromosomów). W wyniku tych anomalii może dojść do przekazania potomstwu mutacji, które ujawniają się w postaci uszkodzeń z defektem lub nowotworów okresu dziecięcego.

Niekorzystny wpływ na rozwód płodu został również potwierdzony na badaniach przeprowadzonych na ludziach. W latach 2000-2004 w badaniach wzięło udział 505 kobiet ciężarnych, które były w drugim lub trzecim trymestrze ciąży. Badane kobiety, które były stałymi mieszkankami Krakowa, były zaopatrzone w indywidualną aparaturę pomiarową, która w sposób ciągły przez 48 godzin mierzyła ekspozycje płodu w ciele matki na pył PM2.5 i WWA. Kobiety te, które w okresie ciąży były eksponowane na PM2.5 powyżej 35 μg/m3 rodziły dzieci z niższą masą urodzeniową (średnio o 128 g), mniejszym obwodem główki (średnio o 0,3 cm) i mniejszą długością ciała (średnio o 0,9 cm). Ponadto wykazano, że narażenie płodu w okresie ciąży na wyższe poziomy WWA (powyżej 25 ng/m3) powodowało częstsze występowanie u niemowląt objawów chorobowych zapalenia górnych i dolnych dróg oddechowych.

Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne przejawiają również działanie cytotoksyczne i immunotoksyczne. Podczas przemian metabolicznych WWA, które przebiegają w obecności wielonienasyconych kwasów tłuszczowych (m.in. takich jak kwas linolenowy, kwas arachidonowy) powstają reaktywne formy tlenu. Tlen ten ulegają przemianom oksydacyjnym, czego wynikiem są utlenione produkty WWA, które wykazują potencjał mutagenny. Przeprowadzając badania cytotoksyczności benzo(a)pirenu u myszy zaobserwowano szereg zmian, a w nich m.in. martwicę kanalików nerkowych, uszkodzenie kłębuszków nerkowych, ogniskową martwicę hepatocytów, obniżenie masy śledziony czy zaburzenia w strukturze grasicy.

Jeśli chodzi o działanie immunotoksyczne, to u dorosłych zwierząt laboratoryjnych poddanych ekspozycji na wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne wykryto wiele niekorzystnych zmian. Zaobserwowano spadki masy lub atrofie w narządach układu odpornościowego (szpiku kostnym, grasicy, śledzionie, węzłach chłonnych). Następnie u badanych zwierząt spadł poziom immunoglobulin IgA, IgG, IgM, natomiast wzrósł poziom immunoglobulin IgE. Ponadto w śledzionie zauważono zmniejszenie ilości komórek NK i nieprawidłową syntezę cytokin (interferon γ, TNF). Dodatkowo dochodziło do blokowania przekaźnictwa sygnałów w komórkach limfoidalnych i zmiany aktywacji limfocytów na mechanizm zależny od jonów Ca2+.

Gdy problemem rakotwórczości wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych zaczęła zajmować się coraz większa liczba naukowców, podjęto próbę stabelaryzowania WWA i ich siły działania rakotwórczego. Podczas tworzenia tej tabeli uznano benzo(a)piren jako związek wzorcowy, dlatego siłę działania rakotwórczego (zwaną względnym współczynnikiem kancerogenności - WWK) innych policyklicznych węglowodorów aromatycznych oblicza się w stosunku do B(a)P. Dzięki temu wartość WWK równa 0 oznacza brak aktywności rakotwórczej związku, natomiast wartość WWK równa 1 oznacza aktywność rakotwórczą związku na poziomie związku wzorcowego. W wyniku długotrwałych badań uzyskano względne współczynniki kancerogenności dla 17 typowych WWA.

Podsumowanie

Mam nadzieję, że ten wpis nie był dla was tylko naukowym bełkotem i że dotrwaliście do końca pierwszej części. Już wkrótce ciąg dalszy mojej pracy na temat wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych, który właśnie z powodu swojej obszerności byłem zmuszony podzielić na kawałki.

Na podstawie:
Kubiak Mariusz; Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA) – ich występowanie w środowisku i w żywności; Kwartalnik „Problemy Higieny i Epidemiologii” http://www.phie.pl/pdf/phe-2013/phe-2013-1-031.pdf
Bilek Maciej; WWA - Wielopierścieniowe Węglowodory Aromatyczne; http://www.wsse.krakow.pl/Files/Attachments/phpObN8Xl_WWA.doc
Sapota Andrzej; Podstawy i Metody Oceny Środowiska Pracy 2002; Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (substancje smołowe rozpuszczalne w cykloheksanie); Centralny Instytut Ochrony Pracy - Państwowy Instytut Badawczy; http://www.ciop.pl/13760
Wojewódzki Inspektorat Ochrony Środowiska w Krakowie; Raport o stanie środowiska w województwie małopolskim w 2011 roku; Biblioteka Monitoringu Środowiska 2012; http://www.krakow.pios.gov.pl/publikacje/raporty/raport11/raport2011.pdf

Źródła grafik:
https://pl.wikipedia.org/wiki/Smog
https://pixabay.com
Tabele i rysunki na postawie powyższych źródeł naukowych