Abbau von chlorierten Aromaten: Mikrobiologischer Abbau der Polychlorierten Biphenyle (PCB)

ABBAU MIKROBIOLOGISCHER

I. A B B A U W E G E

K.

VON

CHLORIERTEN

ABBAU

DER

AROMATEN:

POLYCHLORIERTEN

BIPHENYLE

UND ANALYTIK

M~GLICHER

Ballschmiter

- U. N i e d e r s c h u l t e

H.

Thanun

Abteilung Unlversit~t

- H.

METABOLITE

-

Chemle

D 7900 Ulm,

Deutschland

Augu.t

1976)

im K o h l e n s t o f f - K r e i s l a u f

der

(Received in Germany29June 1976; received i n I ~ f o r p t t b l i ~ a t i o n Der

Abbau

aromatischer

sphlre

einen

zentralen

Lande

sind

Allein arden 1971

aromatische die

yon

pro

L i g n i n als 2 f a l l p r o d u k t an . der

Tatsache reiche Die

umso

einer

Aromaten

und

krobielle Bei

einem

oxldativen

Bacteriophyta

von

Aromaten wird

oder

zahlreiche

es y o n

dab

sich

dem

der

Abbau

Produktion

von

der

des

mit

Lignins

nach

Oder

Bio-

auf

dem

nur

in M i l l i -

der

Tonnen

Aromaten

fiel als

Ab-

ist d i e

Biphenylen

(PCB) "zahl-

Berelchen

akkumulieren

k ~ n n e n 3'4

werden

d i s k u t i e r t 5'6.

insbesondere

(PCB)

in d e r

Biphenyle Kenntnis

des

der

chlorierten

Biosphlre

hat

der mi-

zu g e l t e n . durch

des

End-Metabollten

Substitutionsmuster

367

ist

40 M i l l i o n e n

bmsetzungswege

chlorierten k~nnen

Biomasse

chlorierten

Verbleibens

Biphenyle

IntermediArJeweiligen

des

Halogen-Aromaten

wesentlichen

Mycophyta

den

der

Zellulose-Weltproduktion

Vertr&glichkeit yon

2

beteiligt.

der

in b e s t i m m t e n

chlorlerten

einer

30%

Ligninsulfonsauren

Betrachtung

der

als

zu ca

5kologischen

Persistenz

damit

Abbau

wie

Dabe£

polymere

globalen

an d e r

Pheny1-C3-Bausteine

im ~ k o s y s t e m

der

stellt

denn

zu s c h l t z e n I. B e i

erstaunlicher,

Grundlagen Bei

der

Jahr

grunds~tzlichen

Verbindungen

dar,

Verblndungen

Biosynthese

Tonnen

das

Bei

Verblndungen

Schritt

PCB

J. N e u

f~r Analytische Ulm,

DER

(PCB)

Mikroorganismen

allgemeinen gebildet einzelnen

Abbaues

werden. chlorierten

368

*vu. 5

Biphenyls aufgrund

7,a

und der Art der Mikroorganismen

ihrer

Akkumulation eingreifen.

chemischen

Die PCB

vielfaltigsten

kdnnen

und damit

Umwandlungen

daher

zusammen

beim

im einzelnen

Ring-Hydroxylierung

(2)

NIH-Verschiebung

(3)

Chlor-Eliminierung

(4)

Methyl-Ather-Bildung

(5)

Chinon-Bildung 2,3-

(6)

1,2-r

1,2- und

und

Hydrierung

(9)

Carboxylierung

Chlor-Aromaten

Quelle

der

der PCB miissen fur jedes

Substitu-

der Chlor-Substituenten

3,4-Spaltung

2,3-Spaltung

(8)

anderen

zu einer ebenfalls

werden:

(1)

(7)

Persistenz

in den Kreislauf

sein.

Metabolismus

diskutiert

Metabolite

ob und welche

dkologischen

werden

mit

Organo-Chlor-Verbindungen

Als Reaktionsschritte tionsmuster

Stabilitdt

fiihren. Abiotische

abhdngen,

der o-Dihydroxy-biphenyle

der Chlor-brenzkatechine

und Decarboxylierung

(10) a-Oxidation (11) 6-Oxidation (12) Lacton-Bildung (13) Bildung

cyclischer

Ather

(14) Konjugat-Bildung Die

in Tabelle

der PCB

zu erwarten

Tabelle

1:

1 aufgefdhrten und z.T.

Substanzgruppen

1. Chlor-hydroxybiphenyle (R=H,Cl,OE;n=O-5)

such

Substansgruppen bereits

mbglicher

sind danach 3 .

als Metaboliten

nachgewiesen

PCB-Metabolite

2.

ChlorphenylCyclohexadiendiole (cis,trans) (R=H,Cl,OH;n=O-51

3. Chlorphenyl-chinone (R=H,cl,0~; n=O-5)

R,

(Q-RkcooH P” ($0

R”

RIl

4. Aromat.Karbonsauren (R=H,C~,~H,=~;COOH n=O-5)

OQ

5. Chlor-phenole (n=H,Cl,OH;n=O-51

CH,R-CHR),-

o

k,

COO”

Rrl

6. Chlor-Chinone (R=E,Cl;n=O-4)

.

7. Chlor-Karbonsauren (R=H,C~,~H,=~;COOH; n=O-4)

No. 5

569

Die Vielfalt

allein

Tabelle

2.

Tabelle

2: Aromatlsche (PCB)

der mSglichen

Karbonsluren

(R = H, CI, OH,

zeigt die

der chlorierten

Biphenyle

(n = 0 - 5)

C6Rn-adipinslure;

C6Rn-butendlkarbonsaure;

C6Rn-mUconslure

2. P h e n y l - C 5 - K a r b o n s & u r e n R

___~OOH

C6Rn-glutarslure;

C6Rn-keto-glutarslure;

C6Rn-propendikarbons&ure

C6Rn ~ - - C O O H 3. P h e n y l - C 4 - K a r b o n s & u r e n

~ I"COOH

C6Rn

Karbonsluren

als Metaboliten = O; COOH)

1. P h e n y l - C 6 - K a r b o n s & u r e n __COOH R ~_~OOH C6R n

R

aromatlschen

~COOH

C6Rn-bernsteins&ure;

C6Rn-&pfels&ure;

C6Rn-OXalesslgs&ure;

C6Rn-maleins&ure;

C6Rn-fUmars~ure

4. P h e n y l - C 3 - K a r b o n s A u r e n ~ OOH

C6Rn-propionsAure)

(C6Rn'R)~ooH

C6Rn-milchsAure~

C6Rn-brenztraubens&ure~

C6Rn-malonsaure;

Chlor-zimts&ure 5. P h e n y l - C 2 K a r b o n s A u r e n C6Rn-eSsigsaure

H

R

gen,

Annahme

m~glichen

lytische

des Erhalts

Metaboliten

Eigenschaften

BenzoesAure

Chlor-mandels&ure C6Rn_glyoxylsAure

C6Rn-C-COOH

Unter

6. P h e n y l - C i - K a r b o n s & u r e n

mlndestens

in drei

eines

Gruppen

das Gruppenmerkmal

I. Grugpe: ~ther

2. Gruppe:

3. Gruppe:

lassen

zusammenfassen,

sich die vielf&Itiwobei bevorzugt

ana-

abgeben:

Lactone;

der C h l o r - h y d r o x y - b i p h e n y l e Chlnone;

und Karbon-

Diole

Phenole

Chlor-hydroxy-biphenyle, phenyle,

Ringes

Phenolkarbons&uren

Neutralstoffe

und Ester

s~uren;

C6Rn-COOH

Chlor-di-

und poly-hydroxy-bi-

Chlor-phenole Aromatische

KarbonsAuren

Chlor-pheny1-C1_6-karbonsAuren,

Chlor-hydroxy-phenyl-

C1_6-karbons~uren Eine

Auftrennung

und damit Nachweis

elnzelner,

deflnierter

verbindungen

in

solch komplexen Gemischen ist nur mit optimalen chromatographischen Methoden zu erwarten 9'10'11'12. F~r die Anreicherung, Derlvatisierung und gas-chromatographische

Trennung

wurden

Methoden

entwickelt 14'15

370

:h.

Abtrennun~

und

W&hrend einfache stark

Anreicherun~

Verbindungen

aus

der

Gruppe

FIQssig-Extraktion

hydrophilen

get M a t r i x

der

M~glichkeiten

n

Ionenaustausch man

bei

Phase

10 ng/l

2 oder

und

Die

unter

Extraktion

der

Extraktive

80°C

insbesondere

nachweisstarke setzung

mit

f~r

aus

mit

bildet das

1%igen

LSsung

an A c e t o n

I-2

vom

Typ

pH

I-2

ist p o t e n t i e l l

f~r

eine

Zur

die

Zeit

Anwendung

er-

zur

im p p b - B e r e i c h . mat

Phenolester

auch

nach

Monoacetat,

S~ureanhydriden

mat

(u.a.

bei

Hexan

nicht

oder

werden

eine

25°C

Acetanhyinnerhalb

im a 1 1 g e m e i n e n

emit

wurden

Acetylchlorid

in

Diacetat-Produkt.

Pentafluor-benzylbromi~ Phenylphenole

die

Bedingungen

eine der

Um-

40°C

mat

17 o p t l m i e r t :

umgesetzt.

O.1

Damit

ausreichende

im R e a k t i o n s g e m i s c h

Vor E x t r a k t i o n der g e b i l d e t e n wird dem R e a k t i o n s g e m i s c h Wasser

mit

wenig

niedrig-chlorierten

in a c e t o n h a l t i g e r

(Fluka)

Reaktion neben

die

in A c e t o n )

pH

L~sung

Verbindungen.

S~ureanhydriden

Chlor-hydrox~-biphen~l

Pentafluorbenzylbromid

Gehalt

bei

extrahiert.

Adsorberharzen

F K2CO3-L~sung

Bestimmungsmethode zu e r h a l t e n ,

Phenylphenole

Toluol

Auch

f~r C h l o r - h y d r o x y - b i p h e -

Bedingungen

O.1

erhalten, k~nnen.

mineralsaurer

ionogene

sich

orgaPhenyl.

e r h a l t e n 14.

der

Pentafluorbenzylbromid

sich

f~r

15'16.

haupts~chlich

Veratherun~

mit

als

auch

vollst&ndig

Polycarbons~uren

gebildeten

i-2

werden

Ionenaustausch

f~r

lassen

2.2'-Dihydroxy-biphenyl bei

durch

An w i s s r i g e r

derivatisieren

werden

Chlor-hydroxy-bi~henyle

Chlor-hydroxy-biphenyle

Das

Die

der

Trifluoracetanhydrid

Pyridin

Um

Veresterun~

verbessert

7 lassen

optimale

yon

w~ssri-

Verteilung

pH

an m a k r o r e t i k u l & r e n

Methode

Isolierung

aus

Verteilungskoeffizienten noch

Anreicherungen

wir

bei

(ppt)-Bereich

XAD

Anreicherung

arbelten

durch

sich

Phenylcarbonsauren

wirksamste

30 m i n

lassen

g~nstige

Adsorption

XAD

nyle

quantitativ

Anreicherung

Salzzugabe

quantitative

Die

der

Toluol,

Chlor-hydroxy-biphenyle

des

Abtrennung

eine

ionogenen,

12

die

Durch

durch

die

IO'12

dutch

im

3 zur

f~r

werden:

die

selbst

drid,

2 und

m~ssen

13,14

Adsorption

carbons~uren

Extraktive

Gruppen

im R e g e l f a l l

kSnnen,

diskutiert

(3)

nische

Ionenaustausch

(Neutralstoffe) werden

(2)

Benutzt

Adsorption

Matrix

Fl~ssig-Extraktion

(I)

F1~ssi~-Extrakt~o

I

isoliert

Verbindungen

weitere

wlssri~er

30-40%

F K2CO3-L~sung

f~r

das

L~slichkeit

Reagenz gegeben

bei (O.1 ist,

ml

einer

soll

der

betragen.

Phenylphenol-pentafluorbenzyl~ther m i t H e x a n zugegeben.

5

Unter

den

angegebenen

Reaktionsbedingungen

werden

Karbons&uren

ebenfalls

z.T

umgesetzt. Veresterun@ Von

der

den

de d i e

Phen~icarbons&uren

zahlreichen

Reaktion

Methanol

Zur

mit

Esterbildung

Die sche

(Fluka)

Die

das

Karbonsluren

wur-

in T o l u o l

mlt

2-5%

gezeigt,

dab

die

bei

haben

Polycarbons~uren

bei

Zimmertemperatur

erfolgt. Diazo~than)

lassen

sich

Nitroso-toluol-4-sulfonmethylamid

leicht

bzw.

dutch

alkali-

Nitroso-N-~thylharn-

gewlnnen.

Chlor-hydroxy-biphenyle

einzelnen

hemmungen

der

Diazo~than)

Tetracarbonsluren

auch

(Diazomethan,

des

D i ~ z o ~ t h a n 14

Veresterung

(Diazomethan,

aliphatischen

quantitatlv

Diazoalkane

der

oder

b e n u t z t 18

Dlazoalkanen

Minuten

Hydrolyse

stoff

bei

mit

mit

Diazomethan

Methoden

Diazoalkanen

Derivatisierung

Untersuchungen

innerhalb

m6glichen

mlt

Verblndungen

weit

ausgepr~gter

Reaktionsmedium

werden

(z.B. als

verbessert

mit

2,2'bei

die

Diazoalkanen

und

der

verlthert,

Jedoch

2,3-Dihydroxy-bipheny!)

Acetylierung.

Umsetzung

bel

Ein

pS-Wert

sind

Reaktionsyon

ca

Polyhydroxy-biphenylen

10 f Q r teil-

weise. Trennun~ Eine de

der

Trennung

Weise

des

Aus

mlt

mit

den

Phenyl-carbons&uren

ist a u f

folgen-

die

Phenyl-carbons~uren

den

Verbindungen

und

0.1F mit

stellen

Ans~uern

der

mit

pH

pH

2 wird

O.IF

werden

Mikroorganismen und

zweimal

anschlieBend

mit

Toluol

mit

durch Hexan

K2CO3-L~sung Die

die

nach

der

extrahiert.

Chlor - hydroxy-biphenyle

in d e r

Toluol-Phase

verbleiben-

2 dar.

Anhydrid-Methode

die

Phenolester

ge-

anschlleBend

die

Phenol-Fraktion.

K2CO3-L6sung Toluol

der

12 g e b r a c h t

Neutralstoff-Fraktion

extrahiert,

mit

Zertr~mmerung

auf

r~ckextrahiert.

die

K2CO3-Phase

Phenylcarbons~uren verestert,

werden

Hexan

nach

I.

4F H 2 S O 4 b i s

und

In der

werden

Neutralstoff-Fraktion

Ansiuern

Toluol-Phase

Nach

yon

2F N a t r o n l a u g e

der

bildet

Phen71-carbons~uren

Phenyl-phenole

Kulturmediums

Ultraschall

extrahiert, Nach

der

und

m~glich:

2 0 0 ml IO m i n

Phen~l-~henole

mit

2F H 2 S O 4 auf

extrahiert

und

mit

pH

2 werden

Diazoalkanen

nach

Vorschrift

S~ure-Fraktion.

Kapillar-Gas-Chromatographie Um d i e biphenyle erreichen, Die

beabsichtigte und

Identifizierung

Chlor-phenyl-carbonsiuren

wurde

notwendigen

turangaben 20'21'22

gas-chromatographisch Trenn-Kapillaren

hergestellt.

u.a. durch mit

wurden

stellungsisomerer

Chlor-hydroxy-

Retention-Index-Methoden

Glas-Kapillaren entsprechend

19'23

zu

getrennt.

modifizierten

Litera-

372

S,~. 5

Bedin~unqen Gerlt:

der

Carlo

Gas-Chromatographie

Erba,

Modell

2300 mat

Grob-Splltter;

S&ule:

Glas,

41 C12/C13

70°C;

GasfluB

Acetate

bei

der

270°C~

Methylester

EinfluB

mm, He.

Aufgegebene

70°C;

Filmdicke

Spectra

L~sungsmenge

63Ni-EC-Detektor:

Physics

27 m; T r e n n p h a s e :

Einspritzblock

der C h l o r p h e n y l - e s s i g s a u r e n ,

Saule

Die

0,28

2 ml/min

Chlor-hydroxy-biphenyle;

EC-Detektor:

220°C;

i.D.

Integrator

Autolab

OV

220°C;

101;

S~ule

System

Trennzahl

130°C;

Einspritzblock

270°C

der T r e n n k a p i l l a r e n

auf die A r b e i t s b e d i n g u n g e n ,

hat

nach

da yon

unseren

Erfahrungen

lhr die n o t w e n d i g e

den g r ~ B t e n

Trenns~ulentempe-

stark abh~ngt. Bei s t a t i s c h e r B e l e g u n g ergibt ein P h a s e n v e r h ~ I t n l s -3 iO T r e n n s l u l e n , die im a n g e g e b e n e n T e m p e r a t u r b e r e i c h arbeiten.

Die nyle

Ergebniese

(PCB)

der U n t e r s u c h u n g e n

werden

in n a c h f o l g e n d e n

63 - Ni -

1 ~I

Chlor-benzoes~uren:

ratur 5

I;

zum M e t a b o l i s m u s

Arbeiten

der

chlorierten

yon

Biphe-

b e s c h r i e b e n 23'24

Danksagung Dem B u n d e s m i n i s t e r i u m rung

dieser

rierte

Arbeit

Biphenyle

f~r F o r s c h u n g

im R a h m e n

des

in der Umwelt"

und T e c h n o l o g i e

koordlnierten

wird

f~r die

Forschungsprogramms

Finanzie"Polychlo-

gedankt.

Literatur i) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8) 9) 10) 11) 12) 13) 14) 15) 16) 17) 18) 19) 20) 21) 22) 23) 24)

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