Van veel polycyclische aromatische koolwaterstoffen (PAK’s) is bekend dat ze zeer giftig zijn. Hun cyclopenta-gefuseerde derivaten vormen echter een vergeten groep. Onderzoekers van de Universiteit Utrecht hebben aangetoond dat deze derivaten, die ook bij onvolledige verbranding ontstaan, minstens zo giftig kunnen zijn.

Elk jaar organiseert de afdeling Toxicologie van de Universiteit Utrecht een studentenbarbecue. De volgende ochtend wordt de mutageniteit bepaald van extracten in de urine van de deelnemers. De conclusie is steevast dat iedereen die rondom de barbecue worstjes heeft verorberd, polycyclische aromatische koolwaterstoffen (PAK’s) in het lichaam heeft. “Ook de rokers pik je er zo uit!”, zegt professor Willem Seinen, van het Institute for Risk Assessment van de Universiteit Utrecht.

PAK’s komen overal in onze leefomgeving voor. Bronnen zijn vaak te vinden op plekken waar onvolledige verbranding optreedt, zoals verbrandingsovens, dieselmotoren, de open haard en sigarettenrook. Maar ook gerookte vis en gebarbecued vlees bevatten PAK’s. “Eigenlijk is zelfs dineren bij kaarslicht dus niet zonder gevaar”, zegt professor Leo Jenneskens van de sectie Fysische Organische Chemie van het Debye Instituut van de Universiteit Utrecht. Menselijke activiteit ligt ten grondslag aan de uitstoot van PAK’s, maar er zijn ook natuurlijke bronnen, zoals bosbranden en vulkanische uitbarstingen, die bijdragen.

Mutageniteit

Veel PAK’s staan te boek als giftige (mutagene, carcinogene, etc.) persistente organisch stoffen. Marijo Otero Lobato, die onlangs gepromoveerd is bij Jenneskens en Seinen, heeft aangetoond dat een subklasse, de cyclopenta-gefuseerde PAK’s (CP-PAK’s), ook een hoge mutagene werking hebben. De gevaren van deze cyclopenta-gefuseerde derivaten, die naast de bekende PAK’s veel voortkomen uit onvolledige verbranding van vooral fossiele brandstoffen, worden echter nog steeds miskend. Een belangrijke reden is dat door een gebrek aan zuivere referentieverbindingen slechts een beperkt aantal CP-PAK’s in verbrandingsmengsels zijn geïdentificeerd.

De Utrechtse onderzoekers hebben laten zien dat een grote verscheidenheid aan CP-PAK’s vrij gemakkelijk wordt gevormd uit ethynyl-PAK’s in de gasfase bij hoge temperatuur, door middel van flits-vacuümthermolyse. Inmiddels zijn vele CP-PAK’s gemaakt, geïsoleerd en gekarakteriseerd. Vergelijking met nog niet-geïdentificeerde pieken in verbrandingsmengsels wees uit dat inderdaad een grote verscheidenheid aan CP-PAK’s altijd aanwezig is.

De mutagene activiteit van deze PAK-varianten is bepaald in bacteriën (Salmonella typhimurium) volgens de Ames-test, waarbij een lever-homogenaat wordt toegevoegd als metaboliserend systeem. De meeste CP-PAK’s blijken giftig te zijn. De dubbele binding in de CP-ring speelt hierbij een belangrijke rol. De metabole activeringsroute gaat waarschijnlijk via epoxidatie van deze dubbele binding. Dit is bevestigd door het testen van onafhankelijk gesynthetiseerde epoxides. De epoxides zijn veelal even actief als de CP-PAK’s, zelfs zonder toegevoegd metaboliserend systeem. Een onverwacht resultaat was de zeer hoge activiteit die gevonden is voor de onlangs geïdentificeerde CP-PAK dicyclopenta [cd,fg]pyreen. Deze verbinding is zeer actief, zelfs zonder metaboliserend systeem. De activiteit overtreft die van benzo[a]pyreen (B[a]P), de PAK ten opzichte waarvan de giftigheid van PAK-mengsels meestal bepaald wordt. De lage reductiepotentiaal van dicyclopenta[cd, fg]pyreen speelt hierbij mogelijkerwijs een rol.

Gevolgen voor risicobeoordeling

De onderzoekers in Utrecht zouden graag zien dat hun bevindingen omtrent de biologische activiteit van CP-PAK’s worden opgepikt. Tot nu toe wordt voor de risicobeoordeling (langetermijnrisico, carcinogeniteit) van verbrandingsmengsels gebruik gemaakt van een lijst met zestien PAK’s, die is opgesteld door de Environmental Protection Agency in de VS. Hierbij wordt de activiteit van het mengsel bepaald in verhouding tot die van B[a]P, de meest potente PAK in deze lijst. De lijst bevat slechts één CP-PAK (acenaftyleen), die als zuivere verbinding niet actief is in bovengenoemde Ames-test! Het is dus wenselijk andere CP-PAK’s aan de lijst toe te voegen.

Verdere experimenten zijn nodig om de risico’s en gevolgen voor de gezondheid, ook op lange termijn, van CP-PAK’s te onderzoeken. Daarnaast rijst er ook een andere interessante vraag: wat is de mutageniteit van mengsels van PAK’s? Is de biologische activiteit de som van alle tezamen, of verzwakken ze elkaar dan wel versterken ze elkaar? Recent hebben de Utrechtse onderzoekers getoond dat in model (CP-)PAK-mengsels simpele additiviteit niet optreedt.

De resultaten geven ook een hint voor een antwoord op de vraag waarom een simpele QSAR (Quantative Structure Activity Relationship), waarbij biologische activiteit van verbindingen voorspeld wordt aan de hand van hun fysisch-chemische eigenschappen, voor PAK’s in verbrandingsmengsels niet beschikbaar is. CP-PAK’s, een (nog) vergeten groep.

Referenties:

M.J. Otero Lobato, Ph. D. thesis, Cyclopenta-fused Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (CP-PAH). Recurring combustion effluents and their biological significance, Utrecht University, Utrecht, The Netherlands, April 26 2004.

M.J. Otero Lobato, L. W. Jenneskens, W. Seinen, Bacterial mutagenicity of the three isomeric dicyclopenta-fused pyrenes: the effects of dicyclopenta topology, Mutation Research, 559, 105-119 (2004).