CORSO DI CHIMICA DEGLI INQUINANTI ORGANICI Dr Armando Zarrelli Dipartimento di Scienze Chimiche, Università Federico II di Napoli Tel. 081-674472/142 E-mail: zarrelli@unina.it

PCB (policlorobifenili) I MICROINQUINANTI ORGANO-CLORURATI PCB (policlorobifenili) PCDF (policloro-dibenzofurani) PCDD (policloro-dibenzodiossine)

PROGRAMMA Definizione e struttura chimica Sintesi Reattività Impieghi Diffusione e bioaccumulo Tossicità Normative

I policlorobifenili sono una classe di composti organici, la cui struttura è assimilabile a quella di un bifenile i cui atomi di idrogeno sono sostituiti da 0 fino a 10 atomi di cloro. In base alla posizione e al numero di atomi di cloro legati al gruppo bifenile si possono avere al massimo 209 composti diversi, che sono detti CONGENERI.

La formula bruta è C12H10-xClx È quindi necessaria una classificazione. Per nominare tutti i possibili congeneri ottenibili dal bifenile si utilizza la nomenclatura PAUL-SMITH. Quest’ultima stabilisce che viene indicato senza indici l’anello che possiede il sostituente con il numero più basso.

STORIA 1920: negli Stati Uniti nascono i PCB 1930: vengono usati come isolanti 1938: in Italia inizia la produzione 1950: raggiungono un grande interesse commerciale • 1972: viene vietato l’utilizzo dei PCB nei sistemi aperti 1996: entra in vigore il divieto generale di impiego dei PCB

COMMERCIALIZZAZIONE Nel 1929 la Monsanto, negli USA, brevetta i PCB. Nel 1938 viene concesso il brevetto ad una sola azienda per ognuno dei paesi industrializzati seguenti: Giappone, Germania, Inghilterra, Francia, Italia e Spagna. In Italia: Caffaro (Arochlor, Clofene, Fenoclor).

I PCB IN ITALIA In Italia, la più grande azienda produttrice di PCB è la “Caffaro”, in provincia di Brescia. Quando la fabbrica era ancora in funzione il ministero dell’ambiente fu invitato a far effettuare controlli sulle acque di scarico della Caffaro. Si scoprì che queste contenevano circa 0.03 microgrammi/litro di PCB. La quantità di per se è irrilevante ma bisogna tener conto che l’azienda scaricava nell’ambiente una quantità d’acqua pari a circa 10 milioni di litri/anno. La maggior parte di queste acque penetravano nelle falde acquifere della zona andando a contaminare così anche i terreni circostanti e i prodotti in essi coltivati. A questo punto, i PCB entravano nella catena alimentare e subivano il processo di biomagnificazione aumentando la loro tossicità.

PRODUZIONI: Italia 150.000 tonnellate USA 670.000 tonnellate Europa circa 500.000 tonnellate Giappone e paesi ex-comunisti non dato Si stima che ne siano stati prodotti, in generale, oltre 1.500.000 di tonnellate fino all’anno 2000 (!!!???). I PCB sono stati commercializzati sino al 1990.

Caratteristiche chimico-fisiche dei PCB Liquidi (fino a 7 atomi di Cl), da incolore a giallo a temperatura ambiente. Resine incolori o giallo pallido con 8 o più atomi di Cl. Conducibilità elettrica estremamente bassa Buona conducibilità termica Buona stabilità chimica e termica e buona resistenza alla degradazione (comincia a decomporsi in acido cloridrico ed anidride carbonica solo oltre gli 800/1000˚C.) Idrosolubilità molto bassa (inversamente proporzionale al grado di clorazione) Buona solubilità in solventi apolari, in olio e grassi (direttamente proporzionale al grado di clorazione) Ridotta infiammabilità (se il numero di atomi di Cl è maggiore di 4)

Caratteristiche chimico-fisiche dei PCB Ridotta infiammabilità (se il numero di atomi di Cl è maggiore di 4) Bassissima biodegradabilità Stabilità nell’atmosfera Marcata bioaccumulazione Densità: 1.18 Kg/l (proporzionale al numero di atomi di Cl) Alta temperatura di evaporazione: 170-380°C (poco volatili) Non esplosivi Per tutti questi motivi l’industria li ha accolti con entusiasmo …ma sono proprio le loro proprietà il nostro problema!

SINTESI Tra i vari metodi di sintesi dei policlorobifenili ricordiamo: Clorurazione dei fenili. Trasposizione benzidilica dei diazo-composti.

CLORURAZIONE DI BIFENILI Il benzene, pur essendo un composto noto per la sua stabilità, se esposto a temperature molto elevate può scindere i legami carbonio-idrogeno. Questo fatto viene sfruttato per la sintesi a 750 °C dei difenili. Questi composti, come il benzene, reagendo con Cl2, in presenza di cloruro ferrico, subiscono reazioni di sostituzione elettrofila aromatica, ottenendosi i PCB, la cui sostituzione dipende dalla quantità di Cl2 presente nell’ambiente di reazione.

Tre possibili prodotti iniziali e tra questi predomina il 4-cloro derivato; minori quantità del 2-cloro e 3-cloroisomero Gli isomeri catturano altri atomi di cloro sugli anelli per dare composti policlorurati. Si formano così, tra gli altri, 42 isomeri tetraclorurati e 42 esaclorurati In totale 209 PCB, praticamente impossibili da separare Si usano in miscele e i nomi richiamano il contenuto di cloro. Ad esempio: Arochlor 1942 contiene il 42% di Cloro

IMPIEGO DEI PCB La notevole inerzia verso altri composti e l’elevata resistenza al calore sono state sfruttate in diverse applicazioni industriali: Impiegati come fluidi dielettrici in accumulatori e trasformatori Impiegati come fluidi in sistemi idraulici e radiatori Impiegati come lubrificanti ed olio da taglio industriali, additivi di pesticidi, carta copiativa, adesivi e vernici Rivestimento di strutture in legno Plastificanti

…MA ANCHE: 6.Agente ignifugo nelle masse di sigillatura permanentemente 7. Isolanti di cavi elettrici telefonici (Ischia incidente) 8. Adesivi per rivestimenti impermeabili 9. Ritardanti del fuoco 10. Colle 11. Fissanti per microscopia

…IN SINTESI

ORIGINI CHIMICHE ORIGINI INDUSTRIALI Incendi naturali (legno, paglia etc) Riscaldamento domestico Combustione di sigarette Trasporti motorizzati I forni ORIGINI INDUSTRIALI Produzione di elettricità Metallurgia* Siderurugia** Industria del cloro Incenerimento di rifiuti ospedalieri Fabbriche di incenerimento di rifiuti domestici *Metallurgia: studio dei metalli, del loro comportamento e dei procedimenti tecnici relativi al loro ottenimento e lavorazione. **Siderurgia: settore specifico della metallurgia, che riguarda la tecnica relativa al trattamento dei minerali ad alto contenuto di Fe allo scopo di ottenere ferro o diversi tipi di leghe contenenti ferro, tra cui l'acciaio e la ghisa.

DIFFUSIONE Gli inquinanti non rimangono nell’area circostante la sorgente di emissione, ma possono raggiungere luoghi lontani migliaia di chilometri, attraverso fenomeni di circolazione atmosferica o acquatica. Tale processo viene definito long range transport. I pesticidi, ad esempio, possono essere trasportati nell’atmosfera dalle correnti o possono evaporare dalla superficie delle piante o dal suolo e ritornare nell’atmosfera per lunghi periodi oppure essere riportate a livello del terreno con le deposizioni. In questo modo la contaminazione diviene un problema su scala globale.

MEZZI DI CONTAGIO Effetto cavalletta: ciclo di evaporazioni e condensazioni.

FATTORI CHE DETERMINANO LA PERSISTENZA DEI PCB NELL’AMBIENTE Stabilità chimica: resistenza alla degradazione termica - stabilità alle radiazioni - bassa solubilità in acqua - stabilità in ambiente acido ed alcalino Stabilità biologica: sostanze non metabolizzate da microorganismi, animali, piante Bioaccumulazione: sostanze non metabolizzate che possono essere assorbite selettivamente da alcuni tessuti. Il carattere lipofilo incrementa la bioaccumulazione

PRESENZA AMBIENTALE Incenerimento incompleto, uso aperto, stoccaggio incontrollato e dispersione nel terreno uniti alla loro stabilità hanno fatto sì che la loro presenza sia stata riscontrata anche nei Poli. Nonostante siano banditi da oltre trent’anni queste sostanze sono così resistenti da essere ancora presenti negli oceani. L’ambiente marino rappresenta una sorta di serbatoio per le principali classi di contaminanti rilasciate dalle attività umane e costituisce una delle loro più importanti vie di entrata nei sistemi biologici Nel 1960 nel Golfo del Messico se ne producevano 14.000 tonnellate al giorno (?????).

“L’ artico? Una discarica chimica” 10 gennaio 2006 “L’ artico? Una discarica chimica” http://www.repubblica.it/2006/a/sezioni/scienza_e_tecnologia/orsipol/orsipol/orsipol.html …nascono orsi ermafroditi Nel loro grasso trovata una concentrazione di PCB superiore agli altri animali. Malformazioni sessuali Disfunzioni motorie Danni celebrali Cetacei e orsi hanno nuovi nemici.

MECCANISMI DI INCORPORAZIONE ED ELIMINAZIONE ORGANISMI UNICELLULARI: avviene in due tempi, adsorbimento e diffusione. ORGANISMI COMPLESSI: branchie, cibo. Turn over lento e differente tra i vari organismi.

ASSORBIMENTO E DIFFUSIONE Le molecole lipofile possono accumularsi negli organismi secondo due diverse vie: BIOCONCENTRAZIONE = l’incremento della concentrazione di una sostanza chimica in un organismo vivente in rapporto all’ambiente (acqua o aria) nel quale vive BIOMAGNIFICAZIONE = l’incremento della concentrazione di una sostanza chimica passando da un livello trofico al successivo, dovuta ad accumulo attraverso le vie alimentari (FBM = Cpredatore / Cpreda) BIOACCUMULO = Fenomeno di accumulo irreversibile di una sostanza nei tessuti degli organismi viventi, attraverso tutte le vie possibili (aria, acqua, ingestione) BIOACCUMULO = BIOCONCENTRAZIONE + BIOMAGNIFICAZIONE

FONTI DI ESPOSIZIONE La via principale di esposizione dei soggetti umani ai PCB è l'alimentazione che contribuisce per oltre il 90% all'esposizione complessiva. I prodotti della pesca ed altri prodotti di origine animale rappresentano circa l'80% delle fonti di contaminazione. Latte e prodotti lattiero-caseari contribuiscono per circa il 15% e le fonti vegetali per il restante 5. Esposizione accidentale o dovuta a motivi professionali ai PCB

DETERMINAZIONE TOSSICITÀ A causa della natura complesse delle miscele dei PCB risulta complicato la valutazione del rischio sull’uomo. Il Fattore di Tossicità Equivalente (TEF) esprime il grado di tossicità di ciascun congenere assumendo, come valor di riferimento, la tossicità del 2,3,7,8-tetraclorodibenzodiossina (TCDD), posta convenzionalmente pari a 1. La safe introduce il concetto di TEF (fattore di tossicità equivalente). Sia ilPCB sia il TCDD sono idrocarbui aromatici alogenati che hanno la capacità di legarsi al recettore per gli idrocarburi arilici, unaproteina citoplasmatica AHR presente nei tessuti e negli organi bersaglio I valori di TEF sono stati derivati principalmente da studi di tossicità acuta (in vivo e in vitro) e possono variare in relazione al parametro di tossicità considerato. Es. TEF 1,2,3,4,7,8 Esaclorodibenzodiossina: Perdita di peso: 0.03 Atrofia timica: 0.08 Induzione enzimatica (AHH): 0.125

DETERMINAZIONE TOSSICITÀ EQUIVALENTE (TEQ) Moltiplicando la concentrazione dei singoli congeneri di PCB per il relativo fattore di tossicità equivalente (TEF), è possibile calcolare i 2,3,7,8-TCDD equivalenti (TEQ), applicando la seguente equazione: TEQ =  ([PCBi] x TEFi) La TEQ equivale alla quantità di 2,3,7,8 TCDD che darebbe lo stesso effetto della miscela (definizione EPA). Pochi congeneri contribuiscono in modo preponderante alla TEQ totale nei vari media ambientali (aria, terreno, piante, acqua). La safe introduce il concetto di TEF (fattore di tossicità equivalente). Sia ilPCB sia il TCDD sono idrocarbui aromatici alogenati che hanno la capacità di legarsi al recettore per gli idrocarburi arilici, unaproteina citoplasmatica AHR presente nei tessuti e negli organi bersaglio

TOSSICOLOGIA DEI PCB Dipende dal grado di sostituzione. DL50 bassi ma… …la tossicità aumenta se non sono presenti atomi di cloro nelle posizioni orto. Si adattano alle cavità dei recettori biologici.

I DANNI CHE PROVOCANO La tossicità dei PCB varia molto da composto a composto; i così detti non-orto sono i più tossici e i più simili alle diossine: “dioxine like”. Il pericolo dei PCB è proveniente dal fatto che questi si legano alle polveri. Tali polveri, molto fini, penetrano nei nostri polmoni senza essere fermati dal naso ed arrivano ai polmoni in cui sono fissate dal muco. Nel citoplasma i dioxine like (PCB, Diossine, Idrocarburi alogenati) si legano ad una molecola presente in tutte le cellule del nostro organismo: il ricevitore Ah.

Il legame con il recettore provoca il rilascio di una proteina (Hsp90) e la migrazione del complesso nel nucleo. Il complesso lega la proteina Arylhydrocarbon Receptor Nuclear Traslocator (ARNT) e attiva la trascrizione di geni specifici. I geni, denominati DRE (Dioxin Responsive Elements), sono implicati nei meccanismi di divisione e differenziazione cellulare e nel metabolismi di ormoni e fattori di crescita, con effetti distruttivi sulle funzioni cellulari.

SOLUZIONI La necessità immediata di ridurre le fonti di contaminazione ambientale connesse a questi composti per limitare il più possibile il rischio di esposizione. I PCB possono essere degradati dai microrganismi, anche se molto lentamente. La velocità di degradazione aerobica, dipende dal grado e dalla posizione degli atomi di cloro. Mineralizzazione possibile solo con forti radiazioni UV. Dealogenazione: processo che consente di declorurare il PCB ed ottenere un etere e dei cloruri innocui. Avviene in speciali impianti brevettati, dotati di reattore a caldo. La totale assenza di produzione di rifiuti di lavorazione costituisce il maggiore punto di forza del metodo.

TRATTAMENTI MECCANOCHIMICI CON MULINI A SFERE AD ALTA ENERGIA DI IMPATTO Cioffi, R., De Stefano, L., Lamanna, R., Montagnaro, F., Santoro, L., Senatore, S., & Zarrelli, A. (2008). TG, FT-IR and NMR characterization of n-C 16 H 34 contaminated alumina and silica after mechanochemical treatment. Chemosphere, 70(6), 1068-1076.

EFFETTI SUL SISTEMA IMMUNITARIO Sensibilità alle infezioni Comparsa di allergie o malattie autoimmuni Sviluppo di cancro (al fegato, alla vescica, alle vie biliari, ematologici) Diminuzione dei linfociti T-killers EFFETTI SUL SISTEMA NERVOSO Diminuzione del QI Cattiva comprensione nella lettura Problemi di memoria ALTRE ALTERAZIONI Deficit all’udito Diabete Riduzione altezza media Disordine comportamentale

TOSSICITÀ DEI PCB Dermotossicità (cloracne) Alterazione della mineralizzazione dentale Teratogenicità Disturbi della funzionalità riproduttiva Tasso di aborto spontaneo superiore al normale Influenze su dimensioni degli organi sessuali Alterazione del sistema endocrino del bambino, per esposizione pre o post gravidanza .

ALTERAZIONE DEL SISTEMA ENDOCRINO L'ormone normale attiva il recettore a livello appropriato Il composto capace di bloccare l'ormone interferisce con la rete di segnali degli ormoni prodotti dall'organismo. In certi casi, i distruttori endocrini danno un segnale più forte rispetto all'ormone normalmente prodotto dall'organismo (e nel momento sbagliato) In altri casi, i distruttori endocrini danno un segnale più debole del normale

peso più basso negli anni successivi alla nascita ANALISI DELLA POPOLAZIONE DEL LAGO MICHIGAN ESPOSTA AD ELEVATE QUANTITÀ DI PCB PER IL CONSUMO DI PESCE CONTAMINATO Esposizione di bambini prima della nascita (presenza di PCB nel cordone ombelicale) e dopo la nascita (presenza di PCB nel latte materno): nascite premature peso corporeo e circonferenza cranica più piccoli del normale al momento della nascita peso più basso negli anni successivi alla nascita capacità verbali e capacità di memoria minori del normale Più dannosa l’assunzione nel periodo prenatale che dopo la nascita

LA STORIA DI YUSHO O MALATTIA DELL’OLIO Nel gennaio del 1968, l'olio di riso prodotto dalla Kanemi Company a Kyūshū (una delle 4 maggiori isole del Giappone) fu contaminato, durante il processo produttivo, con PCB e dibenzofurani policlorurati (PCDF). Per la disidratazione (deodorization) ad alta temperatura e bassa pressione, l'olio veniva riscaldato all'interno di scambiatori di calore che utilizzavano PCB come fluido circolante nelle serpentine di scambio. A causa dei difetti nella tenuta dei tubi, parte del PCB si mischiò con l'olio di riso in lavorazione (in cui sono estremamente solubili). I residui oleosi della lavorazione furono venduto agli agricoltori come mangime per animali e l'olio raffinato ai consumatori come olio da cucina. Tra il febbraio e il marzo del 1968, gli agricoltori denunciarono che i loro polli si ammalavano e morivano per apparente insufficienza respiratoria; ne morirono 400.000. Circa 14.000 persone, che avevano consumato l'olio di riso, furono colpite dall'intossicazione e tra queste ne morirono più di 500.

I sintomi più comuni dell'intossicazione comprendevano lesioni cutanee ed oculari, ciclo mestruale irregolare, immunodepressione, spossatezza, mal di testa, tosse, e secchezza della pelle. Inoltre si riscontrava scarso sviluppo cognitivo nei bambini. I danni persistono (2003) nel tempo, con sintomi di spossatezza, perdita di peso, mal di testa, insensibilità, nevralgia. Inoltre, uno studio su 214 donne soggette all'intossicazione ha rilevato un raddoppio degli aborti spontanei e un aumento di cinque volte delle nascite premature. Dieci anni dopo, a Taiwan nel 1979 si ebbe una disastro analogo e furono riscontrati gli stessi sintomi da avvelenamento da PCB e PCDF, soprattutto nei bambini. A seguito di questi incidenti furono svolti studi sulla tossicità dei PCB e dei PCDF e dei loro effetti sull'ambiente. Fu scoperto che, diffusi nell'ambiente, per la loro stabilità e liposolubilità tendevano ad accumularsi nella catena alimentare uccidendo gli animali all'apice; ne fu, conseguentemente, limitato l'uso.

La storia di Seveso Il 10 luglio 1976, in una fabbrica di Seveso (nel nord Italia), la temperatura del serbatoio di un reattore dove aveva luogo una reazione chimica aumentò bruscamente: da 126 a 400 ˚C. Alcuni minuti più tardi ebbe luogo un esplosione terribile.

Consiglio Europeo adotta diverse direttive: LEGISLAZIONE 1972 Giappone mette al bando i PCB 1976 USA chiusura di ogni impianto di PCB Consiglio Europeo adotta diverse direttive: 76/796 Per concentrazioni di PCB>100ppm questi possono essere utilizzati solo in sistemi chiusi 76/403 Obbligo di smaltimento di tutti i PCB usati. 85/467 Vietata l’immissione sul mercato dei PCB in concentrazioni superiori a 100 ppm. 89/677 Abbassava a 50 ppm la concentrazione massima di PCB presenti in prodotti messi sul mercato.

REVISIONI: I paesi che si affacciano sul Mar del Nord si impegnarono ad eliminare i PCB entro il 2000. Direttiva europea 96/59: limite temporale per l’eliminazione dei PCB deroga alla scadenza del 2010 per gli apparecchi contenenti [PCB]<50 ppm; Censimento obbligatorio per gli apparecchi contenenti PCB>0.005%; promozione della revisione e decontaminazione degli impianti e delle apparecchiature contenenti PCB, ancora in esercizio divieto di riutilizzo di PCB; divieto di utilizzo di PCB anche in sistemi chiusi; divieto di incenerimento di PCB sulle navi.

DETERMINAZIONI ANALITICHE La determinazione del contenuto di PCB (nei prodotti derivati dal petrolio, negli oli usati nei liquidi isolanti) avviene mediante gascromatografia (GC) con rivelatore a cattura di elettroni (ECD). In un rivelatore ECD (Electron Capture Detector), un radioisotopo, in genere 63Ni depositato su una lamina di oro, viene utilizzato come sorgente. Questi emette raggi β, che ionizzano il gas di trasporto, producendo elettroni lenti e ioni positivi che ci danno un determinato valore di corrente. Nel caso in cui il gas di trasporto sia l'azoto la reazione di ionizzazione è azoto, si ha: N2 + particella β → N2+ + elettroni lenti Di fatto la lamina radioattiva costituisce il catodo di un circuito elettrico: quando vengono generati gli ioni questi vanno a chiudere il circuito producendo un segnale elettrico in termini di differenza di potenziale o in intensità di corrente.

Composti contenenti atomi elettronegativi, fortemente assorbenti il flusso di elettroni lenti tra la sorgente ed un rivelatore di elettroni, possono essere rilevati via via che effluiscono dalla colonna gascromatografica. Infatti queste molecole catturano gli elettroni lenti che si generano dalla ionizzazione del gas di trasporto e quindi vanno a ridurre la corrente di fondo. I picchi di conseguenza sono diretti verso il basso perché comportano una diminuzione della corrente e questa diminuzione sarà proporzionale alla quantità di ioni prodotti e quindi alla concentrazione della sostanza presente nel campione. In genere queste molecole sarebbero scarsamente visibili con altri rivelatori: ad esempio molti composti alogenati oltre a non bruciare sono addirittura estinguenti la fiamma, e porrebbero dei problemi ad un FID. Il difetto più consistente sta nel fatto che la capacità delle molecole di catturare elettroni lenti ( e quindi la sensibilità e selettività del metodo) dipende dall'energia dei medesimi, e dunque dal potenziale applicato