Úvod do polycyklických aromatických uhlovodíků (PAU)

První známé použití slova aromatické jako chemický termín pro sloučeniny obsahující fenylovou skupinu se objevuje v článku Augusta Wilhelma von Hofmanna, německého chemika, který významně přispěl k organické chemii, z roku 1855. Hofmann použil tento termín pro třídu benzenových sloučenin, z nichž mnohé mají na rozdíl od čistých nasycených uhlovodíků vůni (aromata). Benzen (C₆H₆) je nejméně složitý aromatický uhlovodík a jako první byl takto pojmenován. Charakter jeho vazby poprvé rozpoznal v 19. století August Kekulé, hlavní zakladatel teorie chemické struktury a Kekulého struktury benzenu.

Co jsou PAU

PAU jsou organické látky tvořené atomy uhlíku a vodíku seskupenými do nejméně dvou kondenzovaných nebo sloučených aromatických kruhových struktur nebo organické sloučeniny, které se skládají z více aromatických kruhů. Hlavní rozdíl mezi polycyklickými a polynukleárními aromatickými uhlovodíky spočívá v tom, že termín polycyklický popisuje přítomnost dvou nebo více cyklických struktur navzájem sloučených, zatímco termín polynukleární popisuje přítomnost více než jednoho atomu.

PAU jsou chemickou skupinou, která se přirozeně vyskytuje v uhlí, ropě a benzinu. Vznikají při spalování uhlí, ropy, plynu, dřeva, odpadků a tabáku (cigaretový kouř obsahuje mnoho PAH). Vznikají také při neúplném spalování organických látek, například v motorech a spalovnách nebo při hoření biomasy při lesních požárech.

Nejjednodušším zástupcem PAH je naftalen se dvěma aromatickými kruhy. Příkladem sloučenin se třemi kruhy jsou antracen a fenantren. Více než 20% uhlíku ve vesmíru může být spojeno s PAH, které jsou považovány za možný výchozí materiál pro nejranější formy života.

PAU patří také do skupiny chemických látek známých jako perzistentní organické látky (POPs).

Seznam PAU

Některé oblíbené sloučeniny PAU, jejich běžné názvy a vlastnosti:

• Naftalen - Kafr.
• Antracen - Uhelný dehet, používaný v barvivech, jako je červené barvivo alizarin.
• Fenantren - Používá se k výrobě barviv, plastů, pesticidů, výbušnin a drog.
• Acenaftylen - Bezbarvá krystalická pevná látka používaná při syntéze barviv, insekticidů, fungicidů a při výrobě plastů.
• Fluoren - Tvoří bílé krystaly, které vykazují charakteristický aromatický zápach podobný zápachu naftalenu. Je hořlavý a má fialovou fluorescenci. Získává se z uhelného dehtu pro komerční účely, používá se k výrobě barviv, plastů a pesticidů.
• Fluoranthen - se přirozeně uvolňuje při spalování fosilních paliv a dřeva a je složkou barviv, léčiv a izolačních olejů.
• Pyren - Obchodní název hasicího přístroje CCl4. Je to jediná organická sloučenina, která není hořlavá.
• Benz[a]antracen - Vzniká neúplným spalováním organických látek. Komerčně se nevyrábí, ale používá se ve výzkumných laboratořích.
• Chrysene - Orto-fundovaný polycyklický aren, který se běžně vyskytuje v dehtové smůle, kreosotu nebo jiných produktech z uhelného dehtu.
• Benzo[b]fluoranthen - Bezbarvý aromatický uhlovodík složený z pěti sloučených kruhů, který vzniká neúplným spalováním organických látek. Vyskytuje se především v benzinových výfukových plynech, tabákovém a cigaretovém kouři, uhelném dehtu, sazích, aminokyselinách a produktech pyrolýzy mastných kyselin.

Klasifikace PAU

PAH s nejvýše šesti sloučenými aromatickými kruhy se označují jako ‘malé’ PAH, zatímco PAH obsahující více než šest aromatických kruhů se nazývají ‘velké’ PAH. Dělí se také na alternativní a nealternativní sloučeniny.

PAH se dělí na lehkomolekulární (LMW) PAH se dvěma nebo třemi aromatickými kruhy a vysokomolekulární (HMW) PAH se čtyřmi nebo více aromatickými kruhy.

Zdroje PAU v životním prostředí

PAH se do životního prostředí dostávají přírodními i antropogenními procesy. Hlavními přírodními zdroji PAH v životním prostředí jsou lesní požáry a sopečná činnost. Významným antropogenním zdrojem PAH v ovzduší bylo vždy spalování dřeva pro vytápění a vaření. Od průmyslové revoluce se objevují významné stacionární zdroje, jako je výroba a výroba energie. Od počátku 20. století se významnými přispěvateli k celkovému množství PAH v životním prostředí staly také mobilní zdroje v podobě benzinových a naftových motorů.

Komunální spalovny jsou problematickým zdrojem emisí polycyklických aromatických uhlovodíků, mimo jiné proto, že pro obecní úřady je obtížné provádět přísnou kontrolu obsahu a složení odpadků. PAU měřené v popílku ze spaloven komunálního odpadu obvykle zahrnují fenantren, benzo(g,h,i)perylen, fluoranthen, benzo(a)fluoranthen, indeno(1,2,3-c,d)pyren a chrysen.

Několik výrobních činností je zodpovědných za velké emise do životního prostředí. Uhelné dehty jsou vedlejší produkty destruktivní destilace (karbonizace) uhlí za účelem výroby koksu nebo plynu a mohou obsahovat stovky až tisíce jednotlivě identifikovatelných chemických látek. Automobilové výfukové plyny z osobních a nákladních automobilů jsou rovněž významným zdrojem PAU v atmosféře, zejména v městském prostředí.

Běžné výrobky, které používají PAH

Mezi potraviny, které mohou obsahovat nízké množství PAU, patří pražená káva, pražené arašídy, rafinovaný rostlinný olej, obiloviny, zelenina a ovoce. Vysoký obsah PAH je znám ze sušeného ovoce, oleje z olivových výlisků, uzených ryb, oleje z hroznových jader, uzených masných výrobků, čerstvých měkkýšů, koření, omáček a směsí koření. Řada kosmetických přípravků a šamponů se vyrábí z uhelného dehtu, a proto obsahují PAHs. Sloučenina PAU naftalen je přítomna v některých naftalínových koulích.

Dopady na lidské zdraví

Účinek PAU na lidské zdraví závisí především na délce a způsobu expozice, objemu nebo koncentraci PAU, kterým je člověk vystaven, a relativní toxicitě PAU. Lidé mohou PAHs konzumovat různými cestami, například vdechováním, kožním dotykem a požitím. Mnohé PAH jsou obecně označovány za karcinogeny, mutageny a teratogeny, a představují tak významné nebezpečí pro lidské zdraví a blaho lidí.

Ačkoli PAU mají obecně nízkou míru akutní toxicity pro člověka, je s expozicí PAU při práci spojen zvýšený výskyt rakoviny plic, kůže a močového měchýře. Opakovaný kontakt kůže s PAU naftalen může mít za následek zarudnutí a zánět kůže. Další sloučeniny, které se běžně vyskytují u PAU, mohou způsobit krátkodobé příznaky, jako je podráždění očí, nevolnost, zvracení, průjem a zmatenost.

Dlouhodobé zdravotní účinky expozice PAU mohou zahrnovat šedý zákal, poškození ledvin a jater a žloutenku. Vdechnutí nebo požití velkého množství naftalenu může způsobit rozpad červených krvinek. Kůže, plíce, slinivka břišní, jícen, močový měchýř, tlusté střevo a ženský prs jsou četné orgány náchylné ke vzniku nádorů v důsledku dlouhodobé expozice PAH. Expozice PAH může zvýšit riziko rakoviny plic a také kardiovaskulárních onemocnění, včetně aterosklerózy, trombózy, hypertenze a infarktu myokardu.

Dopady na zvířata

Dlouhodobá expozice nízkým koncentracím některých PAU, jako je benzo(a)pyren, způsobila u laboratorních zvířat rakovinu. Ačkoli studie na zvířatech prokázaly nepříznivé účinky na reprodukci a vývoj v důsledku expozice PAU, tyto účinky nebyly obecně pozorovány u lidí.

PAU jsou vysoce rozpustné v tucích, a proto se snadno vstřebávají z trávicího traktu savců. Podle údajů ze studií na zvířatech se vstřebávají požitím, vdechnutím a kožním kontaktem. Toxicita PAH pro vodní druhy je ovlivněna metabolismem a fotooxidací. Obecně jsou škodlivé v přítomnosti ultrafialového světla. PAH mají střední až vysokou akutní toxicitu pro vodní organismy a ptáky. Výzkumníci zaznamenali u zvířat zvýšený výskyt rakoviny kůže, plic, močového měchýře, jater a žaludku a sarkomů v místě vpichu.

Závěr

PAU, které mohou způsobovat rakovinu, mutagenitu a další nepříznivé účinky na zdraví, vyžadují regulační zásah. Rozsáhlé používání těchto sloučenin v různých průmyslových odvětvích vyžaduje strukturovaný přístup ke zmírnění jejich rizik. Vlády a regulační orgány se zaměřují na stanovení norem na ochranu lidského zdraví a životního prostředí.

V příštím článku se podíváme na to, co tyto instituce dělají pro vytvoření odpovědné regulace těchto látek.