Metabolism of alkylated PAHs by Nereis diversicolor

Are carboxylic acid metabolites a new class of potential contaminants in marine waters?

Bidragets oversatte titel: Metabolisme af alkylerede PAH'er via Nereis diversicolor: Er karboxylsyre-metabolitter en ny klasse af potentielle kontaminanter i marine vande?

Linus Mattias Valdemar Malmquist

Publikation: Bog/antologi/afhandling/rapportPh.d.-afhandlingForskning

Resumé

På trods af at risikovurderinger af olieprodukter i miljøet har været foretaget i mange år, er der stadig mange huller i viden om visse oliebestanddeles opførsel og skæbne i miljøet. Ved risikovurderinger har man traditionelt analyseret polyaromatiske hydrokarboner (PAH’er) ved hjælp af standardiserede analyser af 16 individuelt udvalgte PAH’er, man har antaget for at være repræsentative for de toksikologiske egenskaber af olieforureninger. Disse 16 PAH’er bliver på engelsk kaldt for de ”16 USEPA priority pollutant PAHs” og alle disse er usubstituerede PAH’er. De fleste olieprodukter indeholder dog kun meget små mængder usubstituerede PAH’er, og væsentligt højere mængder alkylerede PAH’er. Således har risikovurderinger af olie i miljøet været foretaget på grundlag af stoffer der kun udgør en meget lille del (koncentrationsmæssigt) af den samlede olie. Derfor er der fare for at risikovurderinger af olieforureninger i svær grad har undervurderet forureningens omfang, deri også den toksikologiske effekt.
For at kunne foretage fyldestgørende risikovurderinger af olieforureninger, er forståelsen af skæbner og effekter af de mest vigtige stoffer (i forhold til toksikologiske effekter og mængder) essentiel. Denne rapport bidrager til forståelsen af skæbnen af alkylerede PAH’er, gennem grundige undersøgelser af skæbnen af alkylerede PAH’er i mesokosmosforsøg med sediment og bentiske invertebrater. Disse evalueringer blev foretaget for ni alkylerede PAH’er, tre usubstituerede PAH’er, forvitret råolie og en af de mest væsentlige PAH metabolitter (1-pyrenkarboxylsyre), gennem enkeltstof- og blandingsforsøg med sediment eksponeringer af disse til børsteormen Nereis diversicolor.
Resultaterne fra ph.d studiet viste at alkylerede PAH’er blev mere effektivt omdannet end deres usubstituerede slægtninge, ved tilstedeværelse af N. diversicolor. Disse omdannelser resulterede først og fremmest i dannelsen af aromatiske karboxylsyrer. Denne dannelse blev også set i en indledende undersøgelse af effekten af lysnedbrydning, og fra mikrober naturligt forekommende i det sediment der blev anvendt til eksponeringerne. Dannelsen af karboxylsyrer blev fundet for 8 ud af 9 af de undersøgte alkylerede PAH’er. Disse var: 1- og 9-methylfenantren, 3,6-dimethylfenantren, 1-methylpyren, 1-, 2-, 3- and 6-methylkrysen. Karboxylsyredannelsen blev ikke fundet for 5-methylkrysen. Isomerspecifik omdannelse og optag af methylerede krysener i forsøg med N. diversicolor viste ligheder med studier af mikrobiel nedbrydning.
Fase II nedbrydning af alkylerede PAH’er viste dannelse af konjugater mellem karboxylsyre-metabolitter og glycin, gennem kendte nedbrydningsveje for miljøfremmede karboxylsyrer. Glycin-konjugater af PAH’er har ikke før været fundet, men undersøgelser af andre miljøfremmede karboxylsyrer har rejst bekymring omkring de toksikologiske effekter af produkter af netop denne nedbrydningsvej. Fase II nedbrydning viste også dannelse af glucuronid-konjugater, efter kendte nedbrydningsveje og -mekanismer for usubstituerede PAH’er. Detaljerede undersøgelser af de mest væsentlige fase I og II metabolitter af 1-methylpyren var udgangspunktet for at kunne foreslå en nedbrydningsvej for denne alkylerede PAH. En undersøgelse af den mest væsentlige metabolit, 1-pyrenkarboxylsyre, viste at den kun langsomt blev nedbrudt, hvilket kan medføre at metabolitten ophobes i vand og sediment.
Ph.d.-studiet indeholdt udvikling og raffinering af metoder til at ekstrahere PAH’er og deres metabolitter fra vand og væv. Massespektrometri med et quadrupol højopløsning flyvetidsspektrometer som masse analysator med akkurat massebestemmelse (til 4 decimaler) blev med succes anvendt til at tildele sum-formler, og fragmentationsanalyser blev gennemført for at opnå strukturel information til at identificere stoffer i ormevæv og vandprøver. UV/VIS spektre og fluorescens blev brugt som supplerende data for at identificere og for at kvantificere. Kvantificeringsgrænsen ved fluorescensmålinger var 5 pg for PAH’er og deres mest væsentlige metabolitter, hvilket svarer til vævskoncentrationer på 10 ng/g og vandkoncentrationer på 5 ng/l.
Nyere studier har rejst bekymring om dannelsen af polære metabolitter af olie-stoffer, fordi toksikologiske analyser har vist at de bidrager væsentligt til de toksikologiske virkninger af olie, og fordi disse stoffer ofte ikke bliver evalueret i risikovurderinger. Gennem arbejdet i denne ph.d.-rapport er der opnået vigtig ny viden om alkylerede PAH’ers skæbne i miljøet og deres effektive omdannelse til polære metabolitter. Derfor rejser denne afhandling spørgsmål om hvorvidt risikovurderinger af olie i miljøet afspejler den egentlige effekt af olieforureninger i miljøet når disse metabolitter udelades af vurderingen. Baseret på afhandlingen konkluderes det at risikovurderinger af olieforureninger i miljøet har brug for at blive revideret med henblik på inkludering af polære metabolitter, og at der er et presserende behov for flere studier i skæbner og ikke mindst effekter af alkylerede PAH’er og deres effektivt producerede polære metabolitter i miljøet.
OriginalsprogEngelsk
ForlagRoskilde Universitet
Antal sider200
ISBN (Trykt)978-87-7349-856-9
StatusUdgivet - aug. 2013

Citer dette

@phdthesis{aeb855a7775d4c4299fd5eeeeda795e5,
title = "Metabolism of alkylated PAHs by Nereis diversicolor: Are carboxylic acid metabolites a new class of potential contaminants in marine waters?",
abstract = "P{\aa} trods af at risikovurderinger af olieprodukter i milj{\o}et har v{\ae}ret foretaget i mange {\aa}r, er der stadig mange huller i viden om visse oliebestanddeles opf{\o}rsel og sk{\ae}bne i milj{\o}et. Ved risikovurderinger har man traditionelt analyseret polyaromatiske hydrokarboner (PAH’er) ved hj{\ae}lp af standardiserede analyser af 16 individuelt udvalgte PAH’er, man har antaget for at v{\ae}re repr{\ae}sentative for de toksikologiske egenskaber af olieforureninger. Disse 16 PAH’er bliver p{\aa} engelsk kaldt for de ”16 USEPA priority pollutant PAHs” og alle disse er usubstituerede PAH’er. De fleste olieprodukter indeholder dog kun meget sm{\aa} m{\ae}ngder usubstituerede PAH’er, og v{\ae}sentligt h{\o}jere m{\ae}ngder alkylerede PAH’er. S{\aa}ledes har risikovurderinger af olie i milj{\o}et v{\ae}ret foretaget p{\aa} grundlag af stoffer der kun udg{\o}r en meget lille del (koncentrationsm{\ae}ssigt) af den samlede olie. Derfor er der fare for at risikovurderinger af olieforureninger i sv{\ae}r grad har undervurderet forureningens omfang, deri ogs{\aa} den toksikologiske effekt.For at kunne foretage fyldestg{\o}rende risikovurderinger af olieforureninger, er forst{\aa}elsen af sk{\ae}bner og effekter af de mest vigtige stoffer (i forhold til toksikologiske effekter og m{\ae}ngder) essentiel. Denne rapport bidrager til forst{\aa}elsen af sk{\ae}bnen af alkylerede PAH’er, gennem grundige unders{\o}gelser af sk{\ae}bnen af alkylerede PAH’er i mesokosmosfors{\o}g med sediment og bentiske invertebrater. Disse evalueringer blev foretaget for ni alkylerede PAH’er, tre usubstituerede PAH’er, forvitret r{\aa}olie og en af de mest v{\ae}sentlige PAH metabolitter (1-pyrenkarboxylsyre), gennem enkeltstof- og blandingsfors{\o}g med sediment eksponeringer af disse til b{\o}rsteormen Nereis diversicolor.Resultaterne fra ph.d studiet viste at alkylerede PAH’er blev mere effektivt omdannet end deres usubstituerede sl{\ae}gtninge, ved tilstedev{\ae}relse af N. diversicolor. Disse omdannelser resulterede f{\o}rst og fremmest i dannelsen af aromatiske karboxylsyrer. Denne dannelse blev ogs{\aa} set i en indledende unders{\o}gelse af effekten af lysnedbrydning, og fra mikrober naturligt forekommende i det sediment der blev anvendt til eksponeringerne. Dannelsen af karboxylsyrer blev fundet for 8 ud af 9 af de unders{\o}gte alkylerede PAH’er. Disse var: 1- og 9-methylfenantren, 3,6-dimethylfenantren, 1-methylpyren, 1-, 2-, 3- and 6-methylkrysen. Karboxylsyredannelsen blev ikke fundet for 5-methylkrysen. Isomerspecifik omdannelse og optag af methylerede krysener i fors{\o}g med N. diversicolor viste ligheder med studier af mikrobiel nedbrydning. Fase II nedbrydning af alkylerede PAH’er viste dannelse af konjugater mellem karboxylsyre-metabolitter og glycin, gennem kendte nedbrydningsveje for milj{\o}fremmede karboxylsyrer. Glycin-konjugater af PAH’er har ikke f{\o}r v{\ae}ret fundet, men unders{\o}gelser af andre milj{\o}fremmede karboxylsyrer har rejst bekymring omkring de toksikologiske effekter af produkter af netop denne nedbrydningsvej. Fase II nedbrydning viste ogs{\aa} dannelse af glucuronid-konjugater, efter kendte nedbrydningsveje og -mekanismer for usubstituerede PAH’er. Detaljerede unders{\o}gelser af de mest v{\ae}sentlige fase I og II metabolitter af 1-methylpyren var udgangspunktet for at kunne foresl{\aa} en nedbrydningsvej for denne alkylerede PAH. En unders{\o}gelse af den mest v{\ae}sentlige metabolit, 1-pyrenkarboxylsyre, viste at den kun langsomt blev nedbrudt, hvilket kan medf{\o}re at metabolitten ophobes i vand og sediment. Ph.d.-studiet indeholdt udvikling og raffinering af metoder til at ekstrahere PAH’er og deres metabolitter fra vand og v{\ae}v. Massespektrometri med et quadrupol h{\o}jopl{\o}sning flyvetidsspektrometer som masse analysator med akkurat massebestemmelse (til 4 decimaler) blev med succes anvendt til at tildele sum-formler, og fragmentationsanalyser blev gennemf{\o}rt for at opn{\aa} strukturel information til at identificere stoffer i ormev{\ae}v og vandpr{\o}ver. UV/VIS spektre og fluorescens blev brugt som supplerende data for at identificere og for at kvantificere. Kvantificeringsgr{\ae}nsen ved fluorescensm{\aa}linger var 5 pg for PAH’er og deres mest v{\ae}sentlige metabolitter, hvilket svarer til v{\ae}vskoncentrationer p{\aa} 10 ng/g og vandkoncentrationer p{\aa} 5 ng/l. Nyere studier har rejst bekymring om dannelsen af pol{\ae}re metabolitter af olie-stoffer, fordi toksikologiske analyser har vist at de bidrager v{\ae}sentligt til de toksikologiske virkninger af olie, og fordi disse stoffer ofte ikke bliver evalueret i risikovurderinger. Gennem arbejdet i denne ph.d.-rapport er der opn{\aa}et vigtig ny viden om alkylerede PAH’ers sk{\ae}bne i milj{\o}et og deres effektive omdannelse til pol{\ae}re metabolitter. Derfor rejser denne afhandling sp{\o}rgsm{\aa}l om hvorvidt risikovurderinger af olie i milj{\o}et afspejler den egentlige effekt af olieforureninger i milj{\o}et n{\aa}r disse metabolitter udelades af vurderingen. Baseret p{\aa} afhandlingen konkluderes det at risikovurderinger af olieforureninger i milj{\o}et har brug for at blive revideret med henblik p{\aa} inkludering af pol{\ae}re metabolitter, og at der er et presserende behov for flere studier i sk{\ae}bner og ikke mindst effekter af alkylerede PAH’er og deres effektivt producerede pol{\ae}re metabolitter i milj{\o}et.",
author = "Malmquist, {Linus Mattias Valdemar}",
year = "2013",
month = "8",
language = "English",
isbn = "978-87-7349-856-9",
publisher = "Roskilde Universitet",

}

Metabolism of alkylated PAHs by Nereis diversicolor : Are carboxylic acid metabolites a new class of potential contaminants in marine waters? . / Malmquist, Linus Mattias Valdemar.

Roskilde Universitet, 2013. 200 s.

Publikation: Bog/antologi/afhandling/rapportPh.d.-afhandlingForskning

TY - BOOK

T1 - Metabolism of alkylated PAHs by Nereis diversicolor

T2 - Are carboxylic acid metabolites a new class of potential contaminants in marine waters?

AU - Malmquist, Linus Mattias Valdemar

PY - 2013/8

Y1 - 2013/8

N2 - På trods af at risikovurderinger af olieprodukter i miljøet har været foretaget i mange år, er der stadig mange huller i viden om visse oliebestanddeles opførsel og skæbne i miljøet. Ved risikovurderinger har man traditionelt analyseret polyaromatiske hydrokarboner (PAH’er) ved hjælp af standardiserede analyser af 16 individuelt udvalgte PAH’er, man har antaget for at være repræsentative for de toksikologiske egenskaber af olieforureninger. Disse 16 PAH’er bliver på engelsk kaldt for de ”16 USEPA priority pollutant PAHs” og alle disse er usubstituerede PAH’er. De fleste olieprodukter indeholder dog kun meget små mængder usubstituerede PAH’er, og væsentligt højere mængder alkylerede PAH’er. Således har risikovurderinger af olie i miljøet været foretaget på grundlag af stoffer der kun udgør en meget lille del (koncentrationsmæssigt) af den samlede olie. Derfor er der fare for at risikovurderinger af olieforureninger i svær grad har undervurderet forureningens omfang, deri også den toksikologiske effekt.For at kunne foretage fyldestgørende risikovurderinger af olieforureninger, er forståelsen af skæbner og effekter af de mest vigtige stoffer (i forhold til toksikologiske effekter og mængder) essentiel. Denne rapport bidrager til forståelsen af skæbnen af alkylerede PAH’er, gennem grundige undersøgelser af skæbnen af alkylerede PAH’er i mesokosmosforsøg med sediment og bentiske invertebrater. Disse evalueringer blev foretaget for ni alkylerede PAH’er, tre usubstituerede PAH’er, forvitret råolie og en af de mest væsentlige PAH metabolitter (1-pyrenkarboxylsyre), gennem enkeltstof- og blandingsforsøg med sediment eksponeringer af disse til børsteormen Nereis diversicolor.Resultaterne fra ph.d studiet viste at alkylerede PAH’er blev mere effektivt omdannet end deres usubstituerede slægtninge, ved tilstedeværelse af N. diversicolor. Disse omdannelser resulterede først og fremmest i dannelsen af aromatiske karboxylsyrer. Denne dannelse blev også set i en indledende undersøgelse af effekten af lysnedbrydning, og fra mikrober naturligt forekommende i det sediment der blev anvendt til eksponeringerne. Dannelsen af karboxylsyrer blev fundet for 8 ud af 9 af de undersøgte alkylerede PAH’er. Disse var: 1- og 9-methylfenantren, 3,6-dimethylfenantren, 1-methylpyren, 1-, 2-, 3- and 6-methylkrysen. Karboxylsyredannelsen blev ikke fundet for 5-methylkrysen. Isomerspecifik omdannelse og optag af methylerede krysener i forsøg med N. diversicolor viste ligheder med studier af mikrobiel nedbrydning. Fase II nedbrydning af alkylerede PAH’er viste dannelse af konjugater mellem karboxylsyre-metabolitter og glycin, gennem kendte nedbrydningsveje for miljøfremmede karboxylsyrer. Glycin-konjugater af PAH’er har ikke før været fundet, men undersøgelser af andre miljøfremmede karboxylsyrer har rejst bekymring omkring de toksikologiske effekter af produkter af netop denne nedbrydningsvej. Fase II nedbrydning viste også dannelse af glucuronid-konjugater, efter kendte nedbrydningsveje og -mekanismer for usubstituerede PAH’er. Detaljerede undersøgelser af de mest væsentlige fase I og II metabolitter af 1-methylpyren var udgangspunktet for at kunne foreslå en nedbrydningsvej for denne alkylerede PAH. En undersøgelse af den mest væsentlige metabolit, 1-pyrenkarboxylsyre, viste at den kun langsomt blev nedbrudt, hvilket kan medføre at metabolitten ophobes i vand og sediment. Ph.d.-studiet indeholdt udvikling og raffinering af metoder til at ekstrahere PAH’er og deres metabolitter fra vand og væv. Massespektrometri med et quadrupol højopløsning flyvetidsspektrometer som masse analysator med akkurat massebestemmelse (til 4 decimaler) blev med succes anvendt til at tildele sum-formler, og fragmentationsanalyser blev gennemført for at opnå strukturel information til at identificere stoffer i ormevæv og vandprøver. UV/VIS spektre og fluorescens blev brugt som supplerende data for at identificere og for at kvantificere. Kvantificeringsgrænsen ved fluorescensmålinger var 5 pg for PAH’er og deres mest væsentlige metabolitter, hvilket svarer til vævskoncentrationer på 10 ng/g og vandkoncentrationer på 5 ng/l. Nyere studier har rejst bekymring om dannelsen af polære metabolitter af olie-stoffer, fordi toksikologiske analyser har vist at de bidrager væsentligt til de toksikologiske virkninger af olie, og fordi disse stoffer ofte ikke bliver evalueret i risikovurderinger. Gennem arbejdet i denne ph.d.-rapport er der opnået vigtig ny viden om alkylerede PAH’ers skæbne i miljøet og deres effektive omdannelse til polære metabolitter. Derfor rejser denne afhandling spørgsmål om hvorvidt risikovurderinger af olie i miljøet afspejler den egentlige effekt af olieforureninger i miljøet når disse metabolitter udelades af vurderingen. Baseret på afhandlingen konkluderes det at risikovurderinger af olieforureninger i miljøet har brug for at blive revideret med henblik på inkludering af polære metabolitter, og at der er et presserende behov for flere studier i skæbner og ikke mindst effekter af alkylerede PAH’er og deres effektivt producerede polære metabolitter i miljøet.

AB - På trods af at risikovurderinger af olieprodukter i miljøet har været foretaget i mange år, er der stadig mange huller i viden om visse oliebestanddeles opførsel og skæbne i miljøet. Ved risikovurderinger har man traditionelt analyseret polyaromatiske hydrokarboner (PAH’er) ved hjælp af standardiserede analyser af 16 individuelt udvalgte PAH’er, man har antaget for at være repræsentative for de toksikologiske egenskaber af olieforureninger. Disse 16 PAH’er bliver på engelsk kaldt for de ”16 USEPA priority pollutant PAHs” og alle disse er usubstituerede PAH’er. De fleste olieprodukter indeholder dog kun meget små mængder usubstituerede PAH’er, og væsentligt højere mængder alkylerede PAH’er. Således har risikovurderinger af olie i miljøet været foretaget på grundlag af stoffer der kun udgør en meget lille del (koncentrationsmæssigt) af den samlede olie. Derfor er der fare for at risikovurderinger af olieforureninger i svær grad har undervurderet forureningens omfang, deri også den toksikologiske effekt.For at kunne foretage fyldestgørende risikovurderinger af olieforureninger, er forståelsen af skæbner og effekter af de mest vigtige stoffer (i forhold til toksikologiske effekter og mængder) essentiel. Denne rapport bidrager til forståelsen af skæbnen af alkylerede PAH’er, gennem grundige undersøgelser af skæbnen af alkylerede PAH’er i mesokosmosforsøg med sediment og bentiske invertebrater. Disse evalueringer blev foretaget for ni alkylerede PAH’er, tre usubstituerede PAH’er, forvitret råolie og en af de mest væsentlige PAH metabolitter (1-pyrenkarboxylsyre), gennem enkeltstof- og blandingsforsøg med sediment eksponeringer af disse til børsteormen Nereis diversicolor.Resultaterne fra ph.d studiet viste at alkylerede PAH’er blev mere effektivt omdannet end deres usubstituerede slægtninge, ved tilstedeværelse af N. diversicolor. Disse omdannelser resulterede først og fremmest i dannelsen af aromatiske karboxylsyrer. Denne dannelse blev også set i en indledende undersøgelse af effekten af lysnedbrydning, og fra mikrober naturligt forekommende i det sediment der blev anvendt til eksponeringerne. Dannelsen af karboxylsyrer blev fundet for 8 ud af 9 af de undersøgte alkylerede PAH’er. Disse var: 1- og 9-methylfenantren, 3,6-dimethylfenantren, 1-methylpyren, 1-, 2-, 3- and 6-methylkrysen. Karboxylsyredannelsen blev ikke fundet for 5-methylkrysen. Isomerspecifik omdannelse og optag af methylerede krysener i forsøg med N. diversicolor viste ligheder med studier af mikrobiel nedbrydning. Fase II nedbrydning af alkylerede PAH’er viste dannelse af konjugater mellem karboxylsyre-metabolitter og glycin, gennem kendte nedbrydningsveje for miljøfremmede karboxylsyrer. Glycin-konjugater af PAH’er har ikke før været fundet, men undersøgelser af andre miljøfremmede karboxylsyrer har rejst bekymring omkring de toksikologiske effekter af produkter af netop denne nedbrydningsvej. Fase II nedbrydning viste også dannelse af glucuronid-konjugater, efter kendte nedbrydningsveje og -mekanismer for usubstituerede PAH’er. Detaljerede undersøgelser af de mest væsentlige fase I og II metabolitter af 1-methylpyren var udgangspunktet for at kunne foreslå en nedbrydningsvej for denne alkylerede PAH. En undersøgelse af den mest væsentlige metabolit, 1-pyrenkarboxylsyre, viste at den kun langsomt blev nedbrudt, hvilket kan medføre at metabolitten ophobes i vand og sediment. Ph.d.-studiet indeholdt udvikling og raffinering af metoder til at ekstrahere PAH’er og deres metabolitter fra vand og væv. Massespektrometri med et quadrupol højopløsning flyvetidsspektrometer som masse analysator med akkurat massebestemmelse (til 4 decimaler) blev med succes anvendt til at tildele sum-formler, og fragmentationsanalyser blev gennemført for at opnå strukturel information til at identificere stoffer i ormevæv og vandprøver. UV/VIS spektre og fluorescens blev brugt som supplerende data for at identificere og for at kvantificere. Kvantificeringsgrænsen ved fluorescensmålinger var 5 pg for PAH’er og deres mest væsentlige metabolitter, hvilket svarer til vævskoncentrationer på 10 ng/g og vandkoncentrationer på 5 ng/l. Nyere studier har rejst bekymring om dannelsen af polære metabolitter af olie-stoffer, fordi toksikologiske analyser har vist at de bidrager væsentligt til de toksikologiske virkninger af olie, og fordi disse stoffer ofte ikke bliver evalueret i risikovurderinger. Gennem arbejdet i denne ph.d.-rapport er der opnået vigtig ny viden om alkylerede PAH’ers skæbne i miljøet og deres effektive omdannelse til polære metabolitter. Derfor rejser denne afhandling spørgsmål om hvorvidt risikovurderinger af olie i miljøet afspejler den egentlige effekt af olieforureninger i miljøet når disse metabolitter udelades af vurderingen. Baseret på afhandlingen konkluderes det at risikovurderinger af olieforureninger i miljøet har brug for at blive revideret med henblik på inkludering af polære metabolitter, og at der er et presserende behov for flere studier i skæbner og ikke mindst effekter af alkylerede PAH’er og deres effektivt producerede polære metabolitter i miljøet.

M3 - Ph.D. thesis

SN - 978-87-7349-856-9

BT - Metabolism of alkylated PAHs by Nereis diversicolor

PB - Roskilde Universitet

ER -