ØKOTOKSIKOLOGI Om PB, bromerede flammehæmmere og klorerede opløsningsmidler Figurer fra Økotoksikologi Frugtbarhed, kønsdifferentiering og kønsforvirring PB ender i isbjørne og modermælk Bromerede flammehæmmere Klorerede opløsningsmidler en trussel mod vores drikkevand Økotoksikologi Om PB, bromerede flammehæmmere og klorerede opløsningsmidler Af arsten Bagge Jensen Illustrationer: Finn Petersen Nucleus Forlag ApS Eksemplarfremstilling af papirkopier/prints fra denne hjemmeside til undervisningsbrug på uddannelsesinstitutioner og intern administrativ brug er tilladt med en aftale med opydan Tekst & Node. Eksemplarfremstillingen skal ske inden for de rammer der er nævnt i aftalen.
Frugtbarhed, kønsdifferentiering og kønsforvirring Figur 2. De endokrine kirtler. Figur 3. Steroidskelet. Produktion af kønshormoner og vitamin D ud fra kolesterol. Figur 4. Steroidhormonet testosterons virkemåde. Figur 5. Kemiske stoffer med østrogen og anti-østrogen effekt. Figur 6. PB-forbindelse omsættes til 3,4,5 -triklor4-bifenylol. Figur 7. Sammenhæng mellem mænds sædcelleantal og fertilitet. Figur 8. Testiklernes opbygning. Figur 9. Østrogene stoffer og sædcelleproduktion. Figur 10. Kønsdifferentiering hos pige- og drengefostre. Figur 11. Østrogene stoffers påvirkning af den mandlige kønsudvikling. Figur 12. Antal konstaterede tilfælde af testikelkræft i perioden 1945-2005. Figur 14. Tensid med hydrofob og hydrofil ende. Figur 15. Eksempel på et nonylfenol-molekyle. Figur 16. Oktylfenol. Figur 18. Koncentration af blommeprotein i blodet hos hanner af regnbueørred. Figur 19. Intersex hos hanner i engelske floder. Figur 20. Parabener. Figur 21. Forsøg med parabener og ørreder. Figur 22. Parabeners effekt på hanrotter. Figur 23. Bisfenol A. Figur 24. Sammenhængen mellem et miljøfarligt stofs koncentration og virkning på forsøgsorganismen. Figur 26. Naturligt og syntetisk østradiol. Figur 27. anzebrafisks svømmelængder.
ypothalamus ypofyse Skjoldbruskkirtel Binyre Bugspytkirtel Æggestok Testikel Figur 2. De endokrine kirtler.
a b Steroidskelet 3 3 3 3 3 O Kolesterol UV-lys Vitamin D Progesteron 3 3 O Østron O Testosteron O 3 3 O O 11 keto-testosteron 3 O O 17 β-østradiol Figur 3. a. Steroidskelet. b. Produktion af kønshormoner og vitamin D ud fra kolesterol.
Blodkar ormonproducerende kirtel Transportprotein + ormon DNA + ormon + Receptor mrna Protein elle ellekerne Figur 4. Steroidhormonet testosterons virkemåde.
Østrogen effekt Stof A ormon-receptor ormonalt respons Anti-østrogen effekt Stof B ormon (østrogen) ormon-receptor Ingen respons Figur 5. Kemiske stoffer med østrogen og antiøstrogen effekt.
O 3,4,5-triklorbifenyl (en PB) 3 ı,4 ı,5 ı -triklor-4-bifenylol Figur 6. PB-forbindelse omsættes til 3,4,5 -triklor4-bifenylol.
Sandsynlighed for graviditet pr. ægløsning (%) 30 20 10 0 0 50 100 150 200 250 Koncentration af sædceller (mio./ml) Figur 7. Sammenhæng mellem mænds sædcelleantal og fertilitet.
a Testikel Bitestikel Sædleder b Sædrør Sertolicelle Leydigcelle Sædrør Sædrør Blodkar Sertolicelle Sædcelle Stamceller Figur 8. Testiklernes opbygning.
Østrogene stoffer Almindelig blodcirkulation Øget negativ feedback Normal negativ feedback L ypothalamus GnR ypofyse FS R Leydigcelle R Sertolicelle Opretholdelse af hanlige kønskarakterer Sædrør R Receptormolekyle Testosteron Nedsat mængde Figur 9. Østrogene stoffer og sædcelleproduktion.
Anlæg til: - kønskirtler - nyrer - sædledere - æggeledere Æggeleder Æggestok Degenererede anlæg til sædledere Livmoder Urinrør Skede Pige Urinblære Udifferentieret Testikel Degenererede anlæg til æggeledere Sædleder Testikel Dreng Klitoris Små kønslæber Urinrørsåbning Store kønslæber Skedeåbning Endetarmsåbning Pige Udifferentieret Urinrørsåbning Penis Pung Endetarmsåbning Dreng Figur 10. Kønsdifferentiering hos pige- og drengefostre.
Østrogenlignende stoffer Binder sig til østrogen-receptorer i hypothalamus FS-produktion falder Færre Sertoliceller Risiko for nedsat sædkvalitet som voksen Produktion af Müllersk hæmstof falder Nedsat aktivering af Leydigceller Udskillelse af testosteron falder Utilstrækkelig undertrykkelse af kvindelig kønsudvikling Mandlig kønsudvikling hæmmes. Risiko for: infertilitet, kryptorkisme, hypospadi, testikelkræft Figur 11. Østrogene stoffers påvirkning af den mandlige kønsudvikling.
Antal testikelkræft-tilfælde 350 300 250 200 150 100 50 0 1943 1953 1963 1973 1983 1993 2003 År Figur 12. Antal konstaterede tilfælde af testikelkræft i perioden 1945-2005.
Tensid ydrofil ende ydrofob og lipofil ende Snavs Figur 14. Tensid med hydrofob og hydrofil ende.
Nonylfenoltetraethoxylat (APE) O O O O O 3 3 3 3 Ethoxylat (hydrofil ende) Fenol Nonyl (hydrofob ende) O O O 3 3 3 3 O O 3 3 3 3 3 3 3 O 3 Figur 15. Eksempel på et nonylfenol-molekyle.
3 3 O 2 3 3 Oktylfenol 3 Figur 16. Oktylfenol.
µg blommeprotein/l blod 10 5 10 4 10 3 10 2 Airefloden helmerfloden Arunfloden Stourfloden 10 1 10 1 10 2 10 3 0 5 10 15 36 Km fra udledning Aire Stour helmer Arun Figur 18. Koncentration af blommeprotein i blodet hos hanner af regnbueørred.
% skaller med intersex 70 60 50 40 30 20 10 0 Kontrol Opstrøms Nedstrøms Figur 19. Intersex hos hanner i engelske floder.
O O O Ethylparaben O O O Propylparaben O O O Butylparaben O O O Para-hydroxybenzosyre Figur 20. Parabener.
µg blommeprotein/l blod 5x10 5 10 5 10 4 10 3 10 2 0 6 12 Tid/Dage 300 mg propylparaben pr. kg ørred 200 mg butylparaben pr. kg ørred 300 mg ethylparaben pr. kg ørred Kontrol Figur 21. Forsøg med parabener og ørreder.
a µg testosteron/l blod 10 5 0 0 10 10 2 10 3 2000 Mg paraben/kg b Daglig sædcelleproduktion i mio. 40 30 20 10 0 0 10 10 2 10 3 2000 Mg paraben/kg propylparaben butylparaben Figur 22. Parabeners effekt på hanrotter.
O 3 O 3 Bisfenol A Figur 23. Bisfenol A.
% dødelighed eller effekt 100 L 50 /E 50 50 LOE NOE 0 Lav Koncentration øj Figur 24. Sammenhængen mellem et miljøfarligt stofs koncentration og virkning på forsøgsorganismen.
3 O O 17 β-østradiol 3 O O 17 α-ethinyløstradiol (syntetisk p-pillehormon) Figur 26. Naturligt og syntetisk østradiol.
0,005 µg/l vand 0 µg/l vand 0 30 50 100 150170 Svømmelængde i gydeområdet (m) Figur 27. anzebrafisks svømmelængder.
PB ender i isbjørne og modermælk Figur 29. PB-fund i fedtvævet fra isbjørne i det arktiske område. Figur 32. PB s grundstruktur og udvalgte PB-forbindelser. Figur 33. Ophobning af PB i de arktiske haves fødekæder. Figur 34. Ophobning af PB i et arktisk landområde i anada. Figur 35. Koncentrationen af PB i fedtvæv fra arktiske land- og havpattedyr. Figur 36. Binding af PB til østrogenreceptor. Figur 38. Total-PB-indholdet i kvinders blod i arktiske områder sammenlignet med ikke-arktiske områder. Figur 39. Skjoldbruskkirtlen. Figur 40. Binding af PB til transthyretin. Figur 41. Thyroxin og et PB-molekyle. Figur 42. PB målt i blodet. Figur 43. Sammenhæng mellem PB-niveau og andelen af bevægelige sædceller. Figur 44. PB og sandsynlighed for graviditet. Figur 46. Udvikling i PB-koncentrationen i torskelever i danske farvande. Figur 47. Udviklingen i indholdet af PB i modermælk i Danmark og Sverige. Figur 48. Eksempel på havfødekæder.
µg PB/g fedt 20 10 0 Figur 29. PB-fund i fedtvævet fra isbjørne i det arktiske område.
a b 3 2 2 ı 3 ı 1 1 ı 4 4 ı 5 6 6 ı 5 ı 3,3 ı,4,4 ı -tetraklorbifenyl 3,3 ı,4,4 ı,5-pentaklorbifenyl 2,2 ı,4,4 ı,5,5 ı -hexaklorbifenyl (PB-153) Figur 32. PB s grundstruktur og udvalgte PBforbindelser.
Isbjørn 10.000 µg/kg Sæl 3.000 µg/kg Torsk 300 µg/kg Planteplankton 3 µg/kg avvand 0,002 µg/kg Figur 33. Ophobning af PB i de arktiske haves fødekæder.
µg PB/kg fedt 0,06 Ulv 0,05 0,04 0,03 Inuvik 0,02 0,01 0 Lav Ren Figur 34. Ophobning af PB i et arktisk landområde i anada.
µg PB/g fedt 100 10 50 % mindre kuldstørrelse hos mink Nedsat frugtbarhed hos spættet sæl Øget ungedødelighed hos odder 1 Påvirkning af visuel hukommelse hos børn Påvirkning af korttidshukommelse hos børn 10 1 10 2 Land av Ren Ulv Ringsæl Isbjørn (Grønland) Isbjørn (Svalbard) Figur 35. Koncentrationen af PB i fedtvæv fra arktiske land- og havpattedyr.
PB ellemembran Østrogenreceptor ellekerne Figur 36. Binding af PB til østrogenreceptor.
Nikel (Rusland) Sverige Norge Nordvestcanada Grønland Nunavik (anada) Island µg total PB/ Region L blodplasma Nordvestcanada 1,6 Nunavik (anada) 10,0 Grønland 14,8 Island 4,6 Norge 3,6 Sverige 6,1 Nikel (Rusland) 4,2 Figur 38. Total-PB-indholdet i kvinders blod i arktiske områder sammenlignet med ikke-arktiske områder.
Figur 39. Skjoldbruskkirtlen.
PB Thyroxin Transthyretin Figur 40. Binding af PB til transthyretin.
I O I O I I Thyroxin 2 N O O PB-153 Figur 41. Thyroxin og et PB-molekyle.
PB i mænd µg PB/g fedt i blod PB i kvinder µg PB/g fedt i blod 1 0,8 0,6 0,4 0,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Grønland Polen Sverige Ukraine 0 Grønland Polen Sverige Ukraine Figur 42. PB målt i blodet.
% bevægelige sædceller 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 Polen Sverige Ukraine Grønland 0 0,001 0,01 0,1 1 10 µg PB/g fedt i blod Figur 43. Sammenhæng mellem PB-niveau og andelen af bevægelige sædceller.
Sandsynlighed for at blive gravid 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Lav Mellem øj PB-niveau Figur 44. PB og sandsynlighed for graviditet.
mg PB/kg torskelever 2,2 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 Kattegat 1988 Nordsøen 1990 1991 1992 Skagerrak 1995 1996 Østersøen, Bælthavet og Øresund 1998 1999 2000 2001 2002 2003 År Figur 46. Udvikling i PB-koncentrationen i torskelever i danske farvande.
Danmark pg PB/g mælkefedt Sverige pg PB/g mælkefedt 35 30 25 20 15 10 5 0 120 100 80 60 40 20 0 1987 1993-94 1995 1996-97 2000 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 Figur 47. Udviklingen i indholdet af PB i modermælk i Danmark og Sverige.
Isbjørn Sæler avfugle Dyreplankton Fisk Planteplankton Krill Spækhugger Blåhval Pingviner Figur 48. Eksempel på havfødekæder.
Bromerede flammehæmmere Figur 50. Reaktion med brom. Figur 51. Den kemiske opbygning af de meste udbredte bromerede flammehæmmere. Figur 52. Blod-hjerne-barrieren og moderkagen. Figur 53. Den kemiske lighed mellem thyroxin, PBDE og PB. Figur 57. Udviklingen i indholdet af bromerede flammehæmmere i svenske kvinders modermælk. Figur 58. Additiv, synergistisk og antagonistisk effekt. Figur 59. Bromerede flammehæmmere og BMI. Figur 60. Koncentrationer af PBDE og PBB i spækprøver af marine dyr fra Grønland og Færøerne. Figur 61. De fremherskende vinde fra industricentrene. Figur 62. itronsyre og eddikesyre.
Polyethen Br Br O Br Br Br Br Br Br Br Br Deca-BDE Br + Br Br Br Br Br + + og O 2 O Br O Figur 50. Reaktion med brom.
a b c 3 2 2 ı 3 ı 1 1 ı 4 4 ı 5 6 6 ı 5 ı PBB Br Br O Br Br Br Br Br Br Br Br Deca-BDE Br O O Br 3 3 TBBPA Br Br Figur 51. Den kemiske opbygning af de meste udbredte bromerede flammehæmmere.
a Blod-hjerne-barriere Kapillær Nervestøttecelle (gliacelle) b Kapillærvæggens celler sidder tæt sammen Livmoder med moderkage Fosterets blodkar Moderens blod Arterie Vene Navlestreng Figur 52. Blod-hjerne-barrieren og moderkagen.
I O I O I I Thyroxin 2 N O O Br Br O Br Br Br Br Br Br Br Br Deca-BDE PB-153 Figur 53. Den kemiske lighed mellem thyroxin, PBDE og PB.
µg PBDE/g mælkefedt 0,0045 0,004 0,0035 0,003 0,0025 0,002 0,0015 0,001 0,0005 0 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 År Figur 57. Udviklingen i indholdet af bromerede flammehæmmere i svenske kvinders modermælk.
Effekt 4 3 2 Stof B Additiv effekt Synergistisk effekt Antagonistisk effekt 1 Stof A 0 Figur 58. Additiv, synergistisk og antagonistisk effekt.
µg PBDE/g mælkefedt Andel med BMI > 30 kg/m 2 (%) 0,004 10 0,003 0,002 5 0,001 0 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 År PBDE BMI Figur 59. Bromerede flammehæmmere og BMI.
a µg/g fedt 0,1 Grønland 0,01 0,001 b µg/g fedt Almindelig ulk Ringsæl Vågehval Isbjørn Vestgrønland Østgrønland Vestgrønland Østgrønland PBDE PBB 1 Færøerne 0,1 0,01 Grindehval Mallemuk Unger anner unner anner unner Figur 60. Koncentrationer af PBDE og PBB i spækprøver af marine dyr fra Grønland og Færøerne.
Figur 61. De fremherskende vinde fra industricentrene.
O OO OO OO itronsyre OO Eddikesyre Figur 62. itronsyre og eddikesyre.
Klorerede opløsningsmidler en trussel mod vores drikkevand Figur 64. Substitution og addition. Figur 65. De almindeligste klorerede opløsningsmidler. Figur 67. Spredning af klorerede opløsningsmidler. Figur 68. Klorerede opløsningsmidlers fordelingskonstant og kogepunkt. Figur 69. Abiotisk deklorering af 1,1,1-TA. Figur 70. Anaerob reduktiv deklorering. Figur 71. is-formen og trans-formen af diklorethylen. Figur 72. Nedbrydning vha. halorespirerende bakterier. Figur 74. PR. Figur 75. Elektroforeseapparat med buffer. Figur 76. Plasmidoverførsel mellem bakterier. Figur 77. Laboratorieforsøg med nedbrydning af TE. Figur 78. Forsøgsoversigt. Figur 80. Laboratorieforsøg hvor nedbrydning af TE undersøges. Figur 81. Nedbrydning i overvågningsboring. Figur 82. Metode til beregning af molfraktion. Figur 83. Danske grænseværdier for klorerede opløsningsmidler og deres nedbrydningsprodukter. Figur 84. Spredning og akkumulering af giftstof. Figur 85. Dosis-responskurve. Figur 86. Fysiologiske påvirkninger ved forskellige koncentrationer af PE. Figur 87. Fald i PE-forbruget i Danmark. Figur 88. Forbruget af klorerede opløsningsmidler og grundvandets alder.
Substitution Lys + + Methan Klor Klormethan Saltsyre Addition + Ethen Saltsyre Klorethan (A) Figur 64. Substitution og addition.
PE TE 1,1,1-TA Figur 65. De almindeligste klorerede opløsningsmidler.
Fordampning Spild af kloreret opløsningsmiddel Forureningsfane Sand Grundvandsmagasin Ler-lag med sprækker Sand Grundvandsmagasin Forureningsfane Pools Ler Figur 67. Spredning af klorerede opløsningsmidler.
4 3 2 2 3 4 1,1,1-TA PB Methan Monoklor- Diklor- Triklor- Tetraklormethan methan methan methan Log K ow - 0,91 1,25 1,97 2,64 2,49 > 8 Kogepunkt ( ) 164 24 40 62 77 74,1 171-320 Figur 68. Klorerede opløsningsmidlers fordelingskonstant og kogepunkt.
2 O 2 O O 1,1,1-TA O O 2 + 4 O O O Acetat Figur 69. Abiotisk deklorering af 1,1,1-TA.
PE 2 2 2 2 TE DE V Ethen 2 2 1,1,1-TA DA A Figur 70. Anaerob reduktiv deklorering.
a is-1,2-de b Trans-1,2-DE Figur 71. is-formen og trans-formen af diklorethylen.
Kan ophobes hvis de rigtige bakterier mangler PE 2 2 2 2 TE DE V Ethen alorespirerende bakterier Kun nogle typer af Dehalococcoides Figur 72. Nedbrydning vha. halorespirerende bakterier.
94 1 Gentagelse af replikation 5 2 55 Primers 3 DNA-polymerase dttp datp dtp dgtp 4 72 DNA-nukleotider Figur 74. PR.
Brønd med kendt DNA Brønd med DNA-prøve Identiske DNA-stykker Gel Figur 75. Elektroforeseapparat med buffer.
Plasmid med gen for vinylkloridreduktase Kromosom Replikation af plasmid Plasmidet overføres Plasmid med gen for vinylkloridreduktase Figur 76. Plasmidoverførsel mellem bakterier.
Anaerob deklorering µmol/flaske µmol/flaske 4 Ingen tilsætning af donor kontrol 4 Tilsætning af laktat 3 3 2 2 1 1 0 0 50100 150 200 250 300 350 Tid Dage TE DE V Ethen 0 0 50100 150 200 250 300 350 Dage Tid Figur 77. Laboratorieforsøg med nedbrydning af TE.
Boring sediment Boring 1 Dybde i m 11,0-11,5 Sediment type Sand Grundvand fra boring Boring 1 Filterdybde i m 10,5-11,5 Start konc. af TE i forsøg (µg/l) 1550 Dato for forsøg opsat 14.02.2008 Tilsat bakterier 20.04.2008 Nr. Forsøg 1 Kontrol (ingen tilsætning af donor) Flaske 1 2 Kontrol (ingen tilsætning af donor) Flaske 2 3 Tilsætning af ethanol Flaske 3 4 Tilsætning af ethanol Flaske 4 5 Tilsætning af ethanol + bakterier Flaske 5 6 Tilsætning af ethanol + bakterier Flaske 6 Figur 78. Forsøgsoversigt.
µmol/flaske 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0 Kontrol 0 50 100 150 200 250 Dage Tid µmol/flaske 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0 Ethanol 0 50 100 150 200 250 Dage Tid µmol/flaske 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0 Ethanol (KB1 tilsat på dag 67) 0 50 100 150 200 250 Dage Tid TE DE V Ethen Figur 80. Laboratorieforsøg hvor nedbrydning af TE undersøges.
Molfraktion (%) 100 80 60 40 20 0 16 15 25 41 62 76 90 104 116 132 145 158 175 201 Tid Dage efter tilsætning af laktat DE V Ethen Figur 81. Nedbrydning i overvågningsboring.
Molkoncentration og molfraktion Molkonc. (µmol/l) = Konc. (µg/l) Molvægt (µg/µmol) Man skal kende molkoncentrationerne af alle stoffer fra moderstof til ethen for at bestemme molfraktionen af et enkelt stof. Beregning af molfraktion af DE når TE er moderstof: Molfraktion (%) = DE TE + DE + V + ethen x 100 % Figur 82. Metode til beregning af molfraktion.
Stof Grundvand Jord Luft Drikkevand Ved afgang fra vandværk I forbrugerens vandhane µg/l mg/kg mg/m 3 µg/l µg/l PE 1 5 0,006 1 1 TE 1 5 0,006 1 1 DE 1 85 0,4 1 1 V 0,2 0,4 4 x 10 5 0,3 0,5 1,1,1-TA 1 200 0,5 1 1 DA - - - 1 1 A - - - 1 1 Sum af klorerede opløsningsmidler 1 - - 3 3 Figur 83. Danske grænseværdier for klorerede opløsningsmidler og deres nedbrydningsprodukter.
Forurening med giftstof Grundvandsmagasin Figur 84. Spredning og akkumulering af giftstof.
Dødelighed i % 100 50 LD 50 Koncentration (mg/kg) Figur 85. Dosis-responskurve.
Mg PE/m 3 luft 7500 1400 ovedpine, kvalme, nedsat koncentration Beruselse og bevidstløshed 500 340 140 7 Øget abortrisiko m.m. Ved langvarig udsættelse Nedsat farvesyn m.m. Nedsat koordinationsevne Irritation af øjne og luftveje Figur 86. Fysiologiske påvirkninger ved forskellige koncentrationer af PE.
t PE 3200 400 65 1968 1978 1988 1998 2008 År Figur 87. Fald i PE-forbruget i Danmark.
Grundvandets alder og udvikling i forbruget af TE/PE Grundvandets alder Forbrug af TE/PE 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 År Figur 88. Forbruget af klorerede opløsningsmidler og grundvandets alder.