Výskyt a transformace chemických forem rtuti v životním prostředí MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ Agronomická fakulta Ústav chemie a biochemie Habilitační přednáška Výskyt a transformace chemických forem rtuti v životním prostředí Mgr. Pavlína Pelcová, Ph.D.

Obsah Chemické formy rtuti - fyzikálně-chemické vlastnosti - toxicita - zdroje - bio-geochemický cyklus rtuti - transport a transformace ve složkách životního prostředí - atmosféra - voda - sedimenty - bioakumulace

Úvod Rtuť a její sloučeniny - vysoce toxické - toxicita jednotlivých forem se výrazně liší - v roce 1990 uznány za globální polutant - výskyt, transport a transformace ovlivněny: tenzí par Hg0 reaktivitou sloučenin rtuti s –SH skupinou chemickým a mikrobiologickým složením prostředí fyzikálními parametry Nedostatečně jsou prozkoumány podmínky distribuce a transformace chemických forem Hg v sedimentech, kde výrazně probíhá methylace Hg2+.

Chemické formy rtuti – fyzikálně chemické vlastnosti Mezi nejdůležitější chemické formy (specie) rtuti patří: - elementární rtuť Hg0 – vysoká tenze par, špatně rozpustná ve vodě - rtuťné sloučeniny Hg22+- málo rozpustné v H2O - rtuťnaté sloučeniny Hg2+- tvorba komplexů, vysoká afinita k –SH funkční skupině, dobře rozpustné v H2O špatně rozpustný HgS (10 ng l-1) - organokovové sloučeniny rtuti – ve vodě málo rozpustné, lipofilní - sloučeniny alkylrtuti (MeHg+, EtHg+, PrHg+ ) - sloučeniny alkoxyalkylrtuti (methoxyethylrtuť) - sloučeniny arylrtuti (PhHg+) - dialkylové a diarylové sloučeniny rtuti (Me2Hg, Ph2Hg)

Chemické formy rtuti – toxicita Toxicita roste s mobilitou chem. forem Hg – ovlivněna strukturou molekuly, stabilitou, chováním v biosystémech a mírou vylučování organismem Organické formy Hg: Neurotoxické, embryotoxické i genotoxické účinky, bioakumulace v potravních řetězcích Hg2+: Akumulace v ledvinách a játrech, absorbovány erytrocyty a bílkovinami plazmy, poškozují ledviny a gastrointestinální trakt toxicita Hg0: Toxicita závisí na expoziční cestě, cílové orgány – ledviny, centrální nervový systém, proniká placentární bariérou, oxidace na Hg2+ Hg22+: V gastrointestinálním traktu oxidovány na toxičtější Hg2+ Han Y., Kingston H.M., Boylan H.M., Rahman G.M.M., Shah S., Richter R.C., Link D.D., Bhandari S.: Anal. Bioanal. Chem. 375, 428 (2003) 2. Tuček M.: České pracovní lékařství 1, 26 (2006)

Limity pro obsah rtuti v potravinách Nařízení Komise evropských společenství (ES) č. 629/2008 stanovuje maximální limit celkového obsahu rtuti produkty rybolovu a svalovina ryb 0,50 mg kg-1 vybrané druhy ryb (např. štika obecná, 1,00 mg kg-1 úhoři, makrelovité ryby, treska, tuňák, žralok) drůbež a obiloviny 0,05 mg kg-1 mouka, rýže, zelenina, ovoce 0,03 mg kg-1 brambory, dětská a kojenecká strava 0,02 mg kg-1 Nařízení vlády č. 23/20011 Sb. určuje nejvyšší přípustnou hodnotu rtuti pro povrchové vody 0,07 mg l-1 pro sediment 470 mg kg-1 pro biotu (makrozoobentos a jelce tlouště) 206 mg kg-1

Limitní expoziční hodnoty Limitní expoziční hodnota pro celkovou rtuť (PTWI – Provisional Tolerable Weekly Intake) byla určena JECFA FAO/WHO (Joint FAO/WHO Expert Committee on Food Additives) v roce 1978 ve výši 5 mg kg-1 tělesné hmotnosti týdně. V roce 2003 vyhlášena snížená hodnota PTWI pro sloučeniny methylrtuti na 1,6 mg kg-1 tělesné hmotnosti týdně. Expoziční dávka pro ČR představuje cca 1,8 % PTWI pro celkovou rtuť a asi 5,5 % PTWI pro sloučeniny methylrtuti. Řehůřková I., Ruprich J., Řeháková J., Mikoláš J., Matulová D.: Mikroelementy, XL. Seminář o metodice stanovení a významu stopových prvků v biologickém materiálu a v životním prostředí s. 46-51 (2006)

Zdroje sloučenin rtuti – přírodní zdroje Přirozený výskyt ve všech složkách životního prostředí Obsah rtuti v zemské kůře cca 0,5 mg kg-1 Přírodní zdroje Zvětrávání hornin (mokrá a větrná eroze) • Sopečná činnost • Lesní požáry • Vypařování z oceánů a mokřadů Toxicological Profile for Mercury – U.S. Department of health and human services, Public Health Service Agency for Toxic Substances and Disease Registry s. 29-161 (1999)

Zdroje sloučenin rtuti - antropogenní zdroje Vyluhování z hlušiny v lokalitách s aktivní i ukončenou těžbou rtuti Spalování uhlí a jiných fosilních paliv Těžba vzácných kovů amalgamací Výroba cementu Tavení kovů Likvidace produktů obsahujících sloučeniny rtuti Spalování komunálního odpadu a kalů z čistíren odpadních vod Odpady z chemického průmyslu (výroba chloru a NaOH) Kremace Výroba a užívání zubních amalgámových výplní Likvidace baterií, zářivek, manometrů Emise Hg v Evropě 1995 Globální mapa emisí rtuti Dastoor A.P., Larocque Y.: Atmospheric Environment 38, 147 (2003) Pacyna E.G., Pacyna J.M., Pirrone N.: Atmospheric Environment 35, 2987 (2000)

Bio-geochemický cyklus rtuti, transport v životním prostředí Pohyblivost a rozdělení chem. forem rtuti mezi složky prostředí ovlivňují: - chemické formy rtuti - okolní podmínky – chemické a mikrobiologické složení prostředí a řada fyzikálních parametrů - adsorpce, desorpce, difúze, vypařování, fotolýza, chemické reakce Bio-geochemický cyklus rtuti Popisuje osud, chování a transport chemických forem rtuti v životním prostředí Zahrnuje vypaření těkavých forem rtuti z půd, hornin a povrchových vod, jejich atmosférický transport, opětovné ukládání na zemi a v povrchových vodách, transformaci chemických forem rtuti a jejich bioakumulaci Komplikovaný a náročný na vytváření obecných modelů a toxikologických předpovědí Toxicological Profile for Mercury – U.S. Department of health and human services, Public Health Service Agency for Toxic Substances and Disease Registry s. 29-161 (1999) Ecosystem Health, Canadian Tissue Residue of Wildlife Consumers of Aquatic Biota, Minister of Environment (2001)

Transport a transformace chemických forem rtuti ve vodních ekosystémech Toxicological Profile for Mercury – U.S. Department of health and human services, Public Health Service Agency for Toxic Substances and Disease Registry s. 29-161 (1999)

Chemické formy rtuti ve složkách životního prostředí - atmosféra Přítomny v plynném, kapalném i pevném skupenství Nejčastěji Hg0 a Me2Hg Přibližně 5 % vázáno na pevné částice V nekontaminovaných oblastech jednotky ng m-3, v průmyslových jednotky mg m-3 Zpět na zemi se vrací suchou a mokrou depozicí Hg0 oxidována ozonem, H2O2, org. peroxidy a dalšími oxidačními činidly na Hg2+  suchá a mokrá depozice Organokovové formy Hg podléhají fotolýze a reagují s volnými radikály Zvěřina O.: Stanovení rtuti v ovzduší, Diplomová práce, PřF MU (2010)

Chemické formy rtuti ve složkách životního prostředí - voda Nejčastěji ve formě Hg2+  vytváří komplexní sloučeniny v závislosti na chemickém složení vody a pH Až 70 % Hg ve vodách vázáno na organickou matrici  rozdílná rozpustnost, transport a transformace Obsahy Hg: v podzemních vodách a oceánech do 50 ng l-1 v nekontaminovaných povrchových vodách do 200 ng l-1 v kontaminovaných povrchových vodách kolem 1 mg l-1 1. Leopold K., Foulkes M., Worsfold P.: Anal. Chim. Acta 663, 127 (2010) 2. Ravichandran M.: Chemosphere 55, 319 (2004)

Chemické formy rtuti ve složkách životního prostředí - voda Hg2+ ve vodách redukovány na Hg0  uvolněna do atmosféry Nejdůležitější transformační reakcí rtuti ve vodách je methylace  vznikají sloučeniny CH3Hg+ a (CH3)2Hg 1. Boening D.W.: Chemosphere 40, 1335 (2000) 2. Ravichandran M.: Chemosphere 55, 319 (2004) 3. Toxicological Profile for Mercury – U.S. Department of health and human services, Public Health Service Agency for Toxic Substances and Disease Registry s. 29-161 (1999)

Chemické formy rtuti ve složkách životního prostředí – voda - methylace Většinou mikrobiálně řízený proces, probíhá za aerobních i anaerobních podmínek Jedná se o methylaci Hg2+ methylkobalaminovými sloučeninami (CH3B12) v přítomnosti mikroorganismů (druhy baktérií z rodů Bifidobacterium, Chromobacterium, Enterobacter, Escherichia, Methanobacterium, Pseudomonas) CH3B12 CH3B12 Hg2+ CH3Hg+ (CH3)2Hg Pseudomonas aeruginosa www.biotox.cz/toxikon/bakterie Bifidobacterium adolescentis http://microbewiki.kenyon.edu Escherichia coli http://microbewiki.kenyon.edu Methanobacterium thermoautotrophicum http://microbewiki.kenyon.edu

Chemické formy rtuti ve složkách životního prostředí – voda - methylace Rychlost methylace je ovlivněna: - koncentrací Hg2+ - koncentrací methylkobalaminových sloučenin - teplotou - pH - koncentrací kyslíku - množstvím rozpuštěného organického uhlíku (DOC) - koncentrací dalších sloučenin přítomných ve vodě nebo sedimentech (např. chloridů, síranů, sulfidů, thiolů) - množstvím a druhem mikroorganismů 1. Boening D.W.: Chemosphere 40, 1335 (2000) 2. Ravichandran M.: Chemosphere 55, 319 (2004) 3. Toxicological Profile for Mercury – U.S. Department of health and human services, Public Health Service Agency for Toxic Substances and Disease Registry s. 29-161 (1999)

Chemické formy rtuti ve složkách životního prostředí – sedimenty Vzhledem k vysoké adsorpční schopnosti (koeficient obohacení 103 – 105) jsou významným indikátorem znečištění vodných ekosystémů Vstup stejně jako u vod nejčastěji ve formě Hg2+ Nejdůležitější transformační reakcí rtuti v sedimentech je methylace  vznikají sloučeniny CH3Hg+ a (CH3)2Hg Obsahy MeHg+ mezi 1,0 - 1,5 % Nejvyšší obsahy rtuti v blízkosti břehů a ústí řek 1. Boszke L., Kowalski A., Głosińska G., Szarek R., Siepak J.: Polish J. Environ. Studies 12, 5 (2003) 2. Sunderland E.M., Gobas F.A.P.C., Heyes A., Branfireun B.A., Bayer A.K., Cranston R.E., Parsons M.B.: Marine Chem. 90, 91 (2004)

Faktory ovlivňující distribuci a transformaci chemických forem rtuti v sedimentech – methylace Probíhá v anaerobních podmínkách za přítomnosti sulfát (síran) redukujících bakterií (Desulfobulbus propionicus, Desulfovibrio desulfuricans, Desulfococcus multivorans, Desulfobacter sp., Desulfobacterium sp.) Methylace nejvýraznější na rozhraní voda-sediment a v horních sedimentačních vrstvách (do 10 cm) Abiotická methylace ovlivněna teplotou, koncentrací Hg2+ a koncentrací huminových a fulvinových kyselin Desulfovibrio desulfuricans http://microbewiki.kenyon.edu/index.php/Desulfovibrio Desulfobulbus propionicus http://bacmap.wishartlab.com/organisms/1265

Chemické formy rtuti ve složkách životního prostředí – sedimenty Distribuce chemických forem rtuti mezi částečky sedimentu, koloidní částice a vodnou fázi a reakční rychlost adsorpčního a desorpčního procesu výrazně ovlivňují následné transformační reakce chemických forem rtuti a jsou důležité při odhadování a předpovědích kontaminací vodních ekosystémů.

Chemické formy rtuti ve složkách životního prostředí – sedimenty Mezi nejdůležitější faktory ovlivňující distribuci a transformaci chemických forem rtuti v sedimentech patří: - složení sedimentů i okolního vodného prostředí - obsah anorganických sulfidů - obsah organické matrice - obsah hydroxidů železa a manganu - obsah chloridů - množství a druh mikroorganismů - pH - redoxní potenciál - teplota 1. Pelcová P., Margetínová J., Vaculovič T., Komárek J., Kubáň V.: Cent. Eur. J Chem. 8, 116 (2009) 2. Boszke L., Kowalski A., Głosińska G., Szarek R., Siepak J.: Polish J. Environ. Studies 12, 5 (2003)

Faktory ovlivňující distribuci a transformaci chemických forem rtuti v sedimentech – sloučeniny obsahující atomy síry Výrazná afinita chemických forem rtuti k síře (k anorganickým sulfidům a také obecně ke sloučeninám obsahujícím -SH skupiny) V anaerobních podmínkách a v přítomnosti sulfidů vytváří mono- a di-sulfidové sloučeniny např. HgS, HgS2H2, HgS2H-, HgS22- a CH3HgS- HgS špatně rozpustný ve vodě, usazování v sedimentech Adsorbce rtuti na sulfidové minerály (např. na pyrit FeS2, FeS a MnS) Boszke L., Kowalski A., Głosińska G., Szarek R., Siepak J.: Polish J. Environ. Studies 12, 5 (2003)

Vliv síranů, sulfidů, L-cysteinu a thiomočoviny na adsorpci chemických forem rtuti Pelcová P., Margetínová J., Vaculovič T., Komárek J., Kubáň V.: Cent. Eur. J Chem. 8, 116 (2009) V přítomnosti síranů, thiomočoviny a L-cysteinu pokles adsorpce organokovových sloučenin o 15 - 25 %, v přítomnosti sulfidů pokles adsorpce Hg2+ o 67 %.

Faktory ovlivňující distribuci a transformaci chemických forem rtuti v sedimentech – organická matrice Směs různých látek s převahou huminových a fulvových kyselin a huminů. Dále nízkomolekulární organické kyseliny, proteiny, polysacharidy atd. Vzájemně se liší molární hmotností, mobilitou i rozpustností. Vazba se sloučeninami rtuti nejčastěji přes thiolové (R-SH) a hydrogendisulfidové (R-S–SH) funkční skupiny, ale také přes funkční skupiny obsahující atomy kyslíku a dusíku. Fulvové a huminové kyseliny se podílí na uvolňování rtuti z HgS. Vliv na methylaci Hg2+ 1. Tack F.M.G., Vanhaesebroeck T., Verloo M.G., Van Rompaey K., Van Ranst E.: Environm. Poll. 134, 173 (2005) 2. Ravichandran M.: Chemosphere 55, 319 (2004)

Faktory ovlivňující distribuci a transformaci chemických forem rtuti v sedimentech – hydroxidy železa a manganu Adsorpce rtuti na goethit FeO(OH) a hausmannit Mn3O4 (až 40 %) Adsorpce závisí na redoxních podmínkách a obsahu kyslíku ve vodách i sedimentech Při anaerobních podmínkách jsou chemické formy rtuti uvolňovány zpět do okolního prostředí Wasay S.A., Barrington S., Tokunaga S.: J. Soil Contam. 7, 103 (1998)

Faktory ovlivňující distribuci a transformaci chemických forem rtuti v sedimentech – chloridy Vytváří s Hg2+ stabilní záporně nabité komplexy HgCl3- a HgCl42-  nižší biotická methylace  nižší obsah MeHg+ v mořské vodě Usnadňují demethylaci MeHg+ Vliv na adsorpci není jednoznačný. Ovlivněný řadou dalších parametrů jako např. koncentrací rtuti, koncentrací chloridů, sulfidů, organickou matricí, pH atd. Boszke L., Kowalski A., Głosińska G., Szarek R., Siepak J.: Polish J. Environ. Studies 12, 5 (2003)

Faktory ovlivňující distribuci a transformaci chemických forem rtuti v sedimentech – pH V silně kyselém prostředí pozorována desorpce chemických forem rtuti ze sedimentů Maximum adsorpce – závislé na chemické formě rtuti Pelcová P., Margetínová J., Vaculovič T., Komárek J., Kubáň V.: Cent. Eur. J Chem. 8, 116 (2009)

Faktory ovlivňující distribuci a transformaci chemických forem rtuti v sedimentech – pH Snížení adsorpce chemických forem rtuti v silně alkalickém prostředí je přisuzováno: - komplexaci chemických forem rtuti s organickými ligandy - formování Hg(OH)2, RHgOH - změně povrchového potenciálu sedimentu V silně kyselém prostředí je snížení adsorpce chemických forem rtuti přisuzováno konkurenci s protony kyselin Boszke L., Kowalski A., Głosińska G., Szarek R., Siepak J.: Polish J. Environ. Studies 12, 5 (2003)

Faktory ovlivňující distribuci a transformaci chemických forem rtuti v sedimentech – teplota Výrazný vliv na kinetiku adsorpčních procesů. S rostoucí teplotou vzrůstá rychlost adsorpce chemických forem rtuti na sediment  je výrazně zkrácena doba ustavení adsorpční rovnováhy. S rostoucí teplotou  zvýšení aktivity mikroorganismů  zvýšení methylace Hg2+. Maximum methylace mezi 33 – 45 °C. Nad 55 °C methylační proces úplně zastaven. 1. Pelcová P., Margetínová J., Vaculovič T., Komárek J., Kubáň V.: Cent. Eur. J Chem. 8, 116 (2009) 2. Boszke L., Kowalski A., Głosińska G., Szarek R., Siepak J.: Polish J. Environ. Studies 12, 5 (2003)

Bioakumulace chemických forem rtuti Jeden z nejvyšších akumulačních koeficientů (až 106), tj. poměr mezi koncentrací kovu v biologickém materiálu a koncentrací kovu v původním roztoku Celkový obsah rtuti i MeHg+ vzrůstá s trofickou úrovní potravní pyramidy Záhlinické rybníky u Přerova Houserová P., Kubáň V., Kráčmar S., Sitko J.: Environmental Pollution 145, 185 (2007)

Bioakumulace chemických forem rtuti - ptáci – stanovení celkové Hg Obsah celkové rtuti (T-Hg) v testovaných tkáních klesal v pořadí: játra ≥ ledviny > svalovina > střeva Mláďata kormorána velkého 6-krát nižší obsah Hg v játrech (F4,60 = 28,50, p = 0,0001) Obsah T-Hg v tkáních ptáků ovlivněn skladbou potravy Houserová P., Kubáň V., Kráčmar S., Sitko J.: Environmental Pollution 145, 185 (2007)

Bioakumulace chemických forem rtuti - ptáci – stanovení chemických forem rtuti Biotransformační procesy (demethylační procesy) v játrech  Hg2+ snadněji vyloučeny z organismu tkáň % MeHg+ játra 15,3 – 62,1 % mezidruhové rozdíly statisticky významné svalovina a střeva 71,3 – 93,7 % mezidruhové rozdíly statisticky nevýznamné ledviny 63,3 – 77,4 % Mláďata kormorána velkého 4-krát vyšší obsah MeHg+ v játrech (F4,60 = 56,71, p = 0,001) Obsahy EtHg+ a PhHg+ pod mezí detekce metody Houserová P., Kubáň V., Kráčmar S., Sitko J.: Environmental Pollution 145, 185 (2007)

Bioakumulace chemických forem rtuti - ryby – stanovení celkové Hg Nejvyšší obsah T-Hg ve svalovině lína obecného  potrava drobná zvířena dna se součástí sedimentů, zdržuje se při dně Nejvyšší obsahy T-Hg ve svalovině Obsah T-Hg ovlivněn skladbou potravy, životními podmínkami, věkem Nejnižší obsah T-Hg ve svalovině amura bílého  potrava vodní rostlinstvo Svalovina dravých ryb statisticky významně vyšší obsahy T-Hg Houserová P., Kubáň V., Kráčmar S., Sitko J.: Environmental Pollution 145, 185 (2007)

Bioakumulace chemických forem rtuti - ryby – stanovení chemických forem rtuti Nejvyšší obsahy MeHg+ ve svalovině (65,1 – 87,9 %) Houserová P., Kubáň V., Kráčmar S., Sitko J.: Environmental Pollution 145, 185 (2007)

Vědecký a pedagogický rozvoj habilitačního oboru - Zemědělské chemie Výuka a garance chemických předmětů Odborné vedení bakalářských, diplomových a disertačních prací Postupy a dovednosti vyžadované v laboratoři stopové analýzy, správná laboratorní praxe Metody odběru, uchování, rozkladů a prekoncentrace vzorků Využití složitějšího přístrojového vybavení HPLC-UV/VIS, HPLC-AFS, AAS, CE-UV/VIS, CE-C4D, IC – vývoj a optimalizace nových metod Analýzy vzorků zaměřené na monitorování analytů ve složkách životního prostředí Sledování a vyhodnocení distribucí, transformací a transportů analytů v životním prostředí Statistické vyhodnocení výsledků (certifikáty: Interaktivní počítačové zpracování dat, Statistika v analytické chemii)

Vědecký a pedagogický rozvoj habilitačního oboru - Zemědělské chemie Vědecký rozvoj Získání potřebných finančních prostředků – grantové projekty, bilaterální spolupráce Řešení grantových projektů – publikování dosažených výsledků v časopisech s IF Spolupráce s pracovišti zabývajícími se speciační analýzou Masarykova univerzita - Ústav chemie - prof. RNDr. Josef Komárek, DrSc. - prof. RNDr. Viktor Kanický, DrSc. Jihočeská univerzita – Katedra aplikované chemie - Ing. Jaroslav Švehla, CSc. Zahraniční spolupráce Institut des sciences de la vie Biologie de la nutrition et toxicologie environnementale (BNTE) Université de Louvain Belgium Sledování neurotoxického účinku rtuti na úhoře říčního Možnost bilaterální spolupráce

Poděkování